粘土地层盾构机掘进.docx

粘土地层盾构机掘进
盾构机在粘土地层中的掘进，目前在国内外都还是一个技术难题。在广东LNG工程盾构穿越项目中，我们在盾构始发后，就遇到了粘土地层，不仅如此，掘进断面上半部分及超过十多米的覆盖层上全是粗砂和砾砂，而下半部分是残积的粘土。
这样的地质断面水压大，透水性很强，砂层中极易发生超挖和欠挖导致坍塌，在工程技术上几组技术参数相互矛盾：
1、要求泥浆指标高，要保证适当的粘度、比重、失水，保持足够的护壁性能，但是粘土特别是残积性粘土，自身有很强的造浆性能，很容易黏附在刀盘内形成泥饼，独塞进渣孔和刀孔，导致刀具的偏磨。
2、结构松散，自稳性差，很容易却削和携带，不需要切削仅通过泥浆抽吸就能大面积脱落，但粘土结构致密，自稳性强，很难形成大块却削；
针对实际地质情况和设备情况，我们主要采取了以下一些措施。
盾构机刀具配置
根据目前的刀具配置不适合粘土层隧道掘进，刀盘刀具布置图如下所
示：

刀盘布置示意图

针对粘土、砾砂混合地层，这种刀具配置不适合，开孔率太小，并且滚刀间的缝隙比较小，容易造成堵赛，刀具不能自转，容易产生偏磨，进而损坏刀体；另外由于粘土中含砂量高，刀孔堵塞后，刀具在自转过程中被包裹在刀圈周围的泥砂磨损，而且磨损速度快，特别是刀圈的两侧，越磨越薄，最终导致刀具完全磨损。如下图所示。

刀具发生偏磨

刀具均匀磨损
因此在粘土地层中掘进拟采用先行齿刀替换双滚刀，这种先行齿刀自身不转动，只能作微小的摆动，有效的防止了因刀具自转而产生的磨损，又能有效的切割软土，中心滚刀亦采用线形齿刀代替，如下图所示：

采用先行齿刀能有效切削掘进面，并且增加了刀盘的开口率，防止在刀盘中心部位形成泥饼,减少刀盘被堵的几率，能明显提高掘进速度。针对本盾构设备的刀盘，拟对中心刀1#～4#,双滚刀5#～10#都采用先行齿刀替换,保留外圈的保径滚刀。
泥水喷嘴配置
在粘土层中掘进，要防止粘土堵塞刀孔和刀盘，则需及时地把切削下
来的碴料排出，防止因排出不及时而形成泥饼，这就需要泥浆在刀盘里产生环流，以便及时有效的排出碴料。但M606盾构设备没有泥浆喷嘴直接进入刀盘前面，无法有效形成环流，青色管路为后增加进浆管路，如下图所示：

针对这个问题，经过和海瑞克技术人员磋商，决定增加两路3寸泥浆管进入刀盘前，如上图青色管路所示，但经过一段时间试验，发现效果比不理想，由于管径所限，进入刀盘前的泥浆非常有限，起不到冲洗刀盘的效果，无法根本解决问题。由于目前不可能停止掘进，来彻底改造泥浆管路，所以目前只能是采取停机后多循环的方法来减少刀盘被堵的几率。
三、泥水处理系统
本工程泥水系统采用二级泥水处理。采用一台宜昌黑旋风工程机械有限公司生产的ZX-500泥浆处理系统对泥水进行分离，其最大处理能力500m3/h。
处理的过程为：由排浆管排出的泥浆进入ZX-500泥浆处理系统，利用震动分离筛将泥块、碎石进行首次分离，由振动筛分离出来的泥浆，进入泥水分离旋流器内，进行循环分离，分离粒径45μm以上的砂土，分离器分离出来的泥浆，进入泥浆池中进行循环使用。
由于粘土中的含砂量特别大，经过泥水分离设备分离后含砂量仍然能达到1%左右，对泥浆的比重影响比较大，另外泥浆中的砂对刀具的磨损特别严重，在掘进到一百米的时候，旋流器就被磨穿了，内衬材料被磨损变形，直接影响旋流器的分离效果，如下图所示。

旋流器磨损
对此我们加工改造了沉砂嘴，口径由原来的25mm增加到35mm，以增加旋流器的分离效果。另外由于含砂量大，对旋流器的磨损也特别严重，影响泥浆的分离效果，我们调研了旋流器生产厂家，经过双方磋商后，对旋流器内衬选材进行调整，由原来的聚氨酯内衬改为新型的KM复合材料，并把沉砂嘴材质由原来的聚氨酯材料更换成高铝陶瓷材料，增加旋流器的抗磨性能，提高泥浆的分离效果。
采用二级处理的主要目的是控制泥浆的粘度和含砂率，控制泥浆的比重，防止过多的粘土、砂粒溶入泥浆中，降低泥浆的比重，减缓刀具的磨损程度，提高泥浆的使用周期，减少废浆的排放。
膨润土的选择
为防止粘土水化糊死刀具，增加泥浆的输送能力，特采用易钻（Hydraul-EZ®）,它是一种高造浆率,经过特别化学处理的200目钠基膨润土,它具有如下特点：
混合快速；
高浓缩、高造浆率；
极佳的悬浮输送钻屑能力；
作用时间长，混合后可长时间保持泥浆性能稳定；
可形成薄的、致密的滤饼层以防止泥浆漏失；
可最大限度的保持钻孔的完整性；
可消除粘土的水化膨胀、胶结黏附，防止钻具糊钻；
这种澎润土针对粘土的水化增加了一些添加剂，来抑制粘土的水化，防止粘土与水胶结，产生泥饼、泥团，能有效的保护刀盘和刀具不至于被粘土糊死，保证掘