一种泥水平衡盾构刀盘泥饼的清理方法

1.本发明涉及泥水平衡盾构技术领域，具体涉及一种泥水平衡盾构刀盘泥饼的清理方法。


背景技术：

2.泥水平衡盾构的泥水平衡原理是基于泥浆渗透作用，在开挖面形成良好的渗透性泥膜，一方面起到维持开挖面的稳定的作用；另一方面可以改善开挖面渣土的颗粒级配，有利于渣土的顺利排出。而渗透性泥膜形成的基础是开挖舱泥浆中的细小颗粒渗入开挖面土颗粒孔隙中的结果，如果开挖面土粒孔隙较小(如黏土)，泥浆颗粒难以渗入，泥膜便难以形成；相反，在砂性土地层中，由于孔隙相对较大，泥浆颗粒容易渗入，良好的泥膜便能快速产生，因此，从泥膜成型的角度来说，泥水平衡盾构更广泛适用于砂性土地层的施工，这在众多相关盾构选型的研究中大致得到了统一。
3.实际上，由于线路的规划设计及地质勘探的不完全等问题，泥水平衡盾构不可能保证整个掘进过程都在砂土段，有时会经过一部分黏土段的施工，甚至是全断面黏土段，此时，不单单是泥膜的形成质量问题，还会衍生出一种更为严重的施工难题：刀盘结泥饼。刀盘结泥饼实际上就是开挖舱内黏土含量过高，难以及时有效的排出导致在舱内堆积，同时由于泥水的加压导致舱内黏土固结在刀盘上(特别是刀盘开口小的位置更容易固结)，当致密性的黏土逐步糊在刀盘面板、开口、刀具上时，就最终导致整个刀盘丧失了切削能力，盾构就不得不停机开舱清理泥饼，严重影响施工工期及经济效益。
4.刀盘泥饼的形成一般可通过三方面进行预测和判断，一是基于地层类型的勘探：如果地勘报告较为详细，能够准确判断出盾构即将进入的地层，那么就可以根据断面地层黏土的含量对刀盘结泥饼作出预测和准备；二是根据盾构实际施工参数来判断：如果盾构刀盘结了泥饼，会导致盾构丧失一定的切削能力，简单的理解就是刀盘未结泥饼前，刀具很“尖”、“锋利”，而结泥饼后，刀具被泥饼糊住，变得很“钝”，就不能很好地切削土体了，与此同时，施工参数最明显的变化就是推力变大、扭矩变大、而推进速度明显变低，俗称“推不动”；三是由泥水循环系统中泥浆指标的变化来分析，如果循环排出的泥浆比重变大、粘度变高，则说明渣土中含有大量黏土成分。综上，通过以上三个方面的变化结合并进行综合考虑，即可对刀盘结泥饼情况进行准确地预测和判断。
5.但是，即使能够准确地预测和判断出刀盘结泥饼情况，现有技术中也没有一种行之有效的方法对刀盘泥饼进行清理，这仍然不能满足盾构施工对工期和经济效益的追求。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种泥水平衡盾构刀盘泥饼的清理方法，以解决现有技术中的一个或多个问题。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种泥水平衡盾构刀盘泥饼的清理方法，包括如下步骤：
9.步骤一，盾构停机，封堵盾尾，填充盾尾与周围地层间的开挖间隙，确保盾尾与周围地层严密贴合；
10.步骤二，关闭泥浆循环系统并空转刀盘，刀盘充分搅拌泥水舱内的泥浆，同时观察刀盘扭矩变化情况，直至扭矩值稳定，记录扭矩值t0；
11.步骤三，通过中盾径向注浆孔注入分散剂溶液，分散剂溶液沿盾壳与周围地层间的开挖间隙向前流入泥水舱，且不向后流入盾尾；
12.步骤四，正反转交替空转刀盘进行泡舱，并实时观察刀盘扭矩的变化情况，并且：
13.若空转时间大于一时间下限t1小于一时间上限t2，且扭矩降低至一定数值并保持稳定，正转刀盘并开启泥浆循环系统，泥饼脱落排出，刀盘扭矩再次降低并直至稳定，泥饼清理完成；
14.若空转时间大于时间上限t2，但扭矩降低幅度不明显，开启泥浆循环系统，部分泥饼脱落排出后再关闭泥浆循环系统，重新执行步骤三、四，进行二次或多次泡舱，直至泥饼清理完成。
15.作为一种实施方式，步骤四中，正反转交替空转刀盘进行泡舱具体为：正转刀盘，待正转扭矩降低至一定数值并稳定后以同等转速反转刀盘，待反转扭矩降低至一定数值后以同等转速正转刀盘，如此反复，直到扭矩值不再变化。
16.作为一种实施方式，步骤四中，所述t1＝2h，t2＝7h。
17.作为一种实施方式，步骤三之前具有步骤：
18.1)进行分散剂类型的选定，选取能够满足特性要求的分散剂；
19.2)基于选定的分散剂类型，确定该类型分散剂指标，分散剂指标包括分散剂浓度和注入率；
20.3)进行分散剂指标测试，测试分散剂指标是否满足要求：
21.若满足，根据泥水舱内的泥浆体积换算得到分散剂溶液的注入量；
22.若不满足，首先提高分散剂浓度和注入率，若提高一定浓度或注入率能够满足要求，则根据泥水舱内的泥浆体积换算得到分散剂溶液的注入量；若提高一定浓度或注入率仍不能够满足要求，则放弃使用该类型分散剂，重新进行分散剂类型选定。
23.作为一种实施方式，分散剂特性应当具备：
24.1)无毒、无害、易溶于水，与泥浆混合不产生强烈的化学反应；
25.2)ph值在6.5～7.5之间；
26.3)马氏漏斗粘度≤15s；
27.4)按照确定好指标的分散剂加入泥浆后，泥浆应当满足：比重1.08～1.12、马氏漏斗粘度17～19s，否则需重新进行分散剂类型选定。
28.作为一种实施方式，所述提高一定浓度或注入率后是否能够满足要求的标准为：分散剂浓度不超过10％，注入率不超过15％。
29.作为一种实施方式，进行分散剂指标测试采用的测试装置包括：
30.泥浆箱，其箱体四周侧壁均安装有旋转电机，旋转电机配置有面向箱体内部的旋转叶片，且旋转叶片向箱体内伸入一定距离。
31.作为一种实施方式，分散剂指标测试方法为：
32.1)从现场工程中取黏土试样，将待测黏土试样进行饱和化处理，然后制成黏土试
块；
33.2)将泥浆箱内充满泥浆和分散剂的混合液，泥浆指标与现场工程施工时一致；
34.3)启动旋转电机并设定转速，让泥浆在箱体内稳定流动；
35.4)将黏土试块浸入箱体内的混合液中，浸泡1s左右立刻取出，并称量黏土试块的初始质量m0；
36.5)再次将黏土试块浸入泥浆箱内的混合液中，并每隔10min测量一次黏土试块的质量m，当黏土试块的质量减小至m0/2时，记录此时的时间t
50
，当黏土试块完全溶解时，记录此时的时间t
100
；
37.t
50
≤2h且t
100
≤7h即为分散剂指标满足要求，否则为不满足要求。
38.作为一种实施方式，所述测试装置还包括：
39.铁丝网，使用时放置于箱体内，用于放置黏土试块；
40.撑杆，其一端通过多根绳索吊挂铁丝网的四周。
41.作为一种实施方式，所述黏土试块为5
×5×
5cm的正方体试块，所述铁丝网为铁丝编制而成的1
×
1cm的网格。
42.本发明相对于现有技术的有益效果是：
43.(1)本发明能够在不开舱的情况下快速且有效地清理泥饼。因为盾构开舱是一个耗时、耗资、危险的工作，除非不得已的情况(如刀具磨损严重需要换刀，轴承部件损坏等)，否则由于刀盘结泥饼严重而盾构无法进行掘进的情况一般是不支持开舱的，因此，本发明的优势在于可以在不开舱的情况下，有效地清理泥饼，省时、省力、省钱、有效。
44.(2)本方法对于任何类型、任何工况下的泥水平衡盾构均适用。本方法所利用的设备基本都是盾构本身自有的，如中盾注浆管路、泥水循环系统、同步注浆系统等，不需要增加其他大型辅助设备，过程中也仅仅需要结合刀盘扭矩的变化和刀盘正转反转的转变即可，操作基本无难度，因此，该方法只要是泥水平衡盾构，都能使用，适用性极强。
45.(3)独特设计的分散剂测试装置，结构简单实用，使用该测试装置进行的测试方法能够快速准确地验证所选择的某种类型分散剂是否能够达到要求指标，合适的分散剂确保了对刀盘泥饼快速有效地清理。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
47.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
48.图1为本发明一种实施方式的泥饼清理流程图；
49.图2为本发明一种实施方式的盾尾封堵及分散剂注入示意图；
50.图3(a)为本发明一种实施方式的分散剂指标测试状态示意图，(b)为测试装置整
体结构示意图，(c)为铁丝网结构示意图；
51.图4为本发明一种实施方式的泥饼预防分散剂泡舱法流程图。
具体实施方式
52.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
53.需要理解的是，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
54.还需要理解的是，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
56.泥水平衡盾构过程中，当泥水平衡盾构刀盘结泥饼严重、刀盘开口被堵死、刀具被糊住时，刀盘便丧失了大部分的切削、排渣能力，无法进行掘进施工，最直观的表现是盾构推力大、扭矩大、而推进速度很低。此时，必须采用一定的方法进行泥饼清理。
57.如图1、图2所示，本发明泥水平衡盾构刀盘泥饼的清理方法具体为：
58.一、封堵准备工作：
59.盾构停机，准备清理泥饼前，首先要进行盾尾封堵工作，即通过同步注浆孔向盾尾壁后注浆，控制注浆量以达到将管片壁后的开挖间隙完全堵住，待管片的壁后间隙封堵完成后，再通过同步注浆孔注入膨润土(或其他黏土封堵材料)等填充好盾尾与地层间的开挖间隙，保证盾尾部分与其周围地层严密贴合。
60.二、刀盘空转：
61.关闭泥浆循环系统并空转刀盘，让刀盘充分搅拌泥水舱内的泥浆，刀盘转速控制在0.5转/min(以6m型直径盾构为例，其他类型盾构可根据实际工况调整转速，只要稳定在确定数值即可)，同时观察刀盘扭矩变化情况，待扭矩值稳定后，记录数值t0。
62.三、注入分散剂：
63.根据选定的最优分散剂指标，并根据泥水舱内的泥浆体积换算出分散剂溶液的注入率，通过中盾位置的径向注浆口注入分散剂溶液，分散剂溶液沿着盾壳与周围地层的开挖间隙向前流入泥水舱，由于盾尾的封堵，分散剂只能向盾壳前方流入而不能流入后方盾尾位置。分散剂的注入情况如图2所示。
64.四、泡舱完成和停止条件：
65.正反转交替空转刀盘，搅拌过程中分散剂在泥水舱内进行泡舱，实时观察刀盘扭矩的变化情况，待扭矩减小至一定数值并稳定后将刀盘进行同等转速反转，再待到反转扭矩减小至一定数值后正转，如此反复，直到扭矩值不再变化，且此时泡舱时间(也即刀盘空转时间)大于一个时间下限t1小于一个时间上限t2，则正转刀盘并打开泥浆循环系统，由于舱内泥饼的脱落排出，泥浆比重会有所降低，刀盘扭矩会再一次降低，直至稳定后结束整个泡舱过程。
66.如果泡舱时间大于时间上限t2(此时刀盘扭矩比较稳定但降低幅度不明显)，则同样打开泥浆循环系统一段时间，让部分脱落泥饼排出后再关闭泥浆循环系统，再次按照上述步骤进行二次或者多次泡舱。
67.根据地层特性和分散剂选型，本发明中时间下限t1为2h，上限t2为7h。根据试验，2h为黏土试块溶解一半质量的临界时间，7h为黏土试块完全溶解的临界时间。实际施工中，当黏土溶解一半质量，其泥水舱内的泥水浓度会发生一定变化，影响后续的溶解，此时需要打开泥浆循环系统排出泥浆，同时将泥水舱内的泥浆更新，如此往复，直至泥饼完全脱落排出。
68.如上所述，在注入分散剂之前要进行分散剂类型的选定，选取能够满足特性要求的分散剂。
69.目前，国内外生产关于隧道用分散剂的厂家众多，由于涉及公司保密问题，各厂家生产的分散剂成分都不相同，有时从外观颜色、粘度、气味等表观现象即可区分，各种分散剂的分散效果也都参差不齐。
70.而本发明的泡舱法所采用的分散剂必须具备如下几种特性：
71.(1)无毒、无害、易溶于水，与泥浆混合不产生强烈的化学反应，如伴有大量气泡产生、产生沉淀或粘性物质等。
72.(2)ph值保证在6.5～7.5之间，避免过酸或过碱的分散剂溶液与地层含有的酸碱物质中和而影响分散剂的分散效果，如砂层中含有的大量硅酸盐、黏性土地层含有的碳酸盐等。(我国华南、西南地区广泛分布的红、黄土呈酸性，ph值大多在4.5～5.5之间；而华北、西北的土质大多含caco3呈碱性，ph值一般在7.5～8.5之间)。
73.(3)马氏漏斗粘度≤15s，(马氏漏斗粘度指马氏漏斗中700ml液体滴落500ml液体所需要的时间，纯水的粘度为14s)，粘度高的液体会影响泥浆向土层的渗透作用，进而影响分散剂的溶解效果。
74.4)按照确定好指标的分散剂加入泥浆后，泥浆必须保证在如下范围：比重1.08～1.12、马氏漏斗粘度17～19s。如果不能达到要求则重新进行分散剂类型选定。
75.分散剂选定后尚不能直接应用，要进行分散剂指标测试，本发明中分散剂指标包括分散剂浓度和注入率，分散剂浓度即一定体积的水中分散剂的加入量，注入率即泥浆体积中分散剂溶液的加入量，也就是分散剂溶液的体积与待加入的泥浆的体积之比。一般情况下，分散剂浓度和注入率越高，其溶解黏土的速率更快，但会达到一定峰值，即在某一指标下，即使再增加浓度和注入率，黏土溶解的速度也将不再增加，因此需要首先测试所选择的某品牌、某类型的分散剂是否能达标。
76.为了测试上述分散剂指标，判定所选取的分散剂类型是否符合某一地层进行泥饼
的分散和清理，本发明针对性地设计了一套简单实用的分散剂指标测试装置，参阅图3所示，测试装置至少包括：
77.泥浆箱1，其四周侧壁均安装有旋转电机2，旋转电机2配置有面向箱体内部的旋转叶片，且旋转叶片向箱体内伸入一定距离。
78.作为一种具体实例，如图3所示，测试装置还具有：
79.铁丝网3，使用时放置于箱体内，用于放置黏土试块4；
80.撑杆5，其一端通过多根绳索6吊挂铁丝网的四周。
81.多根绳索6可采用钢丝绳，其在撑杆5的一端汇集并通过一可拆卸挂钩7吊挂在撑杆上。
82.本发明的泥浆箱1为方形结构，其四周侧壁安装有四个旋转电机2，铁丝网3四角连接带有挂钩7的钢丝绳，撑杆5将钢丝绳挂钩直接挂起。旋转电机的叶片伸入箱体内部一定距离以确保能够对箱体内的泥浆搅拌充分，但不会触碰到铁丝网和黏土试样。旋转电机的作用是通过旋转带动泥浆箱内的泥浆流动，一方面可以防止泥浆聚集沉淀，影响分散剂作用的发挥；另一方面可以完全模拟泥水平衡盾构泥浆管路中的泥浆在泥水舱内循环的动态过程。旋转电机的转速根据环流泥浆管路的流速设置，不同工程的盾构类型及地层特点的泥浆流速不同，例如，某工程泥浆流速为2～4m/s，泥浆管路直径为0.3m，盾构开挖直径为6.28m，泥水舱宽度约1.9m，经计算泥浆流量约为0.57～1.13m3/s，换算成泥水舱内的泥浆流速平均为0.048～0.096m/s，因此，测试过程中要控制好电机转速，尽量使黏土试块附近的泥浆流速达到该值。
83.铁丝网为铁丝编制组合而成的1
×
1cm的网格，其四角分别固定一根钢丝绳，钢丝绳的另一端套有可拆卸挂钩，挂钩直接与撑杆相连。
84.铁丝网上盛有体积5
×5×
5cm的正方体黏土试块，黏土试块必须从工程地层中获取并制好，最后通过撑杆将黏土试块放入泥浆箱中进行测试。
85.除此之外，该装置还可以测试分散剂对经一定时间固结后的黏土的分散效果，这样，只需要将黏土试块采用固结仪或其他固结方式固结一段时间后再放在钢丝网上进行分散即可。
86.具体测试时的分散剂指标测试方法为：
87.从现场工程中取黏土试样，根据现场取样的实际情况，视情况除去土样中存在的大粒径土颗粒，将待测黏土试样进行饱和化处理，然后制成黏土试块4；由于引起刀盘结泥饼的是黏土，不是其他类型土(如砂土等)，从现场中取样黏土进行测试才能确保所选分散剂对该工程地层的作用效果。另外，还应当确保试验的黏土必须是饱和的，饱和化处理就是让黏土孔隙中充满水，排出孔隙中空气的影响，因为工程中泥水舱内充满泥浆，黏附在刀盘的黏土处在泥浆中，因此呈饱和状态才能够与实际工程相符，而非饱和黏土颗粒之间会存在一定的空气影响黏附效果，因此，本发明中采用饱和黏土进行试验。
88.在泥浆箱1内充满泥浆和分散剂(待测浓度指标)的混合液，泥浆指标与工程施工时一致；
89.启动旋转电机2并设定转速，让泥浆在箱内稳定流动；
90.待泥浆稳定流动后将黏土试块4放置在铁丝网3上并借助撑杆5将其放入泥浆箱1中，使得黏土试块4浸入到混合液中，浸泡1s左右立刻取出，并称量黏土试块4的初始质量
m0；放入试块时注意其位置与电机叶片保持一定距离，不会受到电机叶片干扰。
91.再次将黏土试块4浸入泥浆箱1内的混合液中，并每隔10min测量一次黏土试块4的质量m，当黏土试块4的质量减小至m0/2时，记录此时的时间t
50
，
92.最后，当黏土试块4完全溶解时，记录此时的时间t
100
。
93.测试完成后，判断上述测试过程中分散剂指标是否满足要求：
94.若满足，则说明当前选用的分散剂类型满足待使用的地层盾构需求，可以用于当前地层盾构过程中的泥饼清理，然后根据泥水舱内的泥浆体积换算得到分散剂溶液的注入量；
95.若不满足，首先提高分散剂浓度和注入率，若提高一定浓度或注入率能够满足要求，则根据泥水舱内的泥浆体积换算得到分散剂溶液的注入量；若提高一定浓度或注入率仍不能够满足要求，或浓度极高时才能够勉强满足要求，则放弃使用该类型分散剂，重新进行分散剂类型的选定。
96.根据实际工程上使用的分散剂浓度约5％，注入率一般不超过10％，因此本发明中上述提高一定浓度或注入率后是否能够满足要求的标准为：分散剂浓度不超过10％，注入率不超过15％，若达到此上限仍不能够满足要求，或者超过此上限才能够勉强满足要求，则说明该类型分散剂不适宜，应当重新进行分散剂类型的选定。
97.本发明中，具体而言，分散剂指标要求需要达到t
50
≤2h且t
100
≤7h视为满足要求，否则为不满足要求。
98.以上为本发明公开的泥饼清理方法，采用分散剂泡舱方法一次清理泥饼的时间至少为12～18h，采用清理泡舱法既不经济又会浪费工期，这只是在必须清理时不得已而为之。
99.当然，在盾构过程尚未出现结泥饼或结泥饼不严重的情况下，也可预先采用本发明测试装置和测试方法选定的分散剂进行泥饼预防，即本发明还提出一种不影响施工正常进行的泥饼预防方法，如图4所示，泥饼预防方法和清理方法类似，都是采用泡舱原理，充分发挥分散剂的特性，但与停机泡舱清理泥饼不同，泥饼预防的分散剂泡舱方法是在不停机掘进的过程中直接向泥浆循环系统的回浆池中加入分散剂溶液，分散剂溶液浓度和注入率按照上述分散剂指标试验确定的指标和回浆池内泥浆容积确定，如试验确定的分散剂指标为：体积比分散剂：泥浆＝1:35，那么分散剂的注入就根据回浆池内的泥浆体积换算出分散剂的加入量。盾构每掘进5环需要向回浆池内注入一次分散剂。
100.同样，实时观察泥水舱情况，若刀盘推力、扭矩参数平稳，泥浆比重和粘度不再增长，泥饼预防泡舱完成。
101.至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。