Experimental study on clogging of cutterhead for panel earth-pressure-balance shield tunneling in cohesive strata
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摘要: 面板式土压平衡盾构机在黏性地层中掘进时刀盘容易出现结泥饼问题,泥饼形成后会覆盖刀具、堵塞刀盘开口,从而降低刀盘的掘进效率,甚至使得盾构机完全丧失掘进能力,给盾构隧道施工带来严重影响。首先介绍了刀盘与土颗粒之间的黏附机理,通过自制的面板式刀盘掘进模拟装置开展了室内试验,研究了盾构掘进速度和刀盘扭矩的变化规律及其与刀盘堵塞之间的相关关系。研究表明：刀盘堵塞是一个连续渐进的过程,土颗粒首先在刀具密集处黏附聚集,然后逐渐扩大形成泥饼；泥饼形成后会覆盖刀具,降低刀具对地层的贯入度,并堵塞开口,降低渣土通过效率；在掘进参数上面主要体现为刀盘扭矩增大、盾构掘进速度减慢、排土顺畅度降低；刀盘开始结泥饼后,刀盘扭矩的增长符合三次多项式函数关系,掘进速度呈指数型降低；试验同时表明,土体含水率对刀盘结泥饼及堵塞具有显著影响,当其接近塑限时,泥饼最容易形成,盾构掘进效率最低,刀盘开口堵塞风险最大。研究成果对于评估黏性地层面板式土压平衡盾构掘进刀盘结泥饼及堵塞的风险具有借鉴意义。Abstract: The panel EPB shield machine is prone to mud cake problems when excavating in clay ground. The cutters will be gradually covered by the mud cake, and the opening of the cutterhead will be clogged. The tunneling efficiency will be reduced and even the shield machine will completely lose its tunneling capacity. Thus, the mud cake poses great influences to shield tunnel construction. The adhesion mechanism between the cutterhead and the soil particles is introduced. The indoor tests are conducted by using the self-made panel cutterhead excavating simulation devices. Changes of cutterhead-driving speed and torque are studied, and the relationship between these parameters and the clogging of cutterhead is revealed. The research results demonstrate that the cutterhead clogging is a gradual process. The soil particles adhere to the cutters first and then gradually expand to form mud cake. The mud cake will cover the cutters and reduce the penetration and block the opening, reducing the efficiency of discharging. The influences of mud cake is mainly reflected in the increase of cutter head torque, the slower tunneling speed and the lowering of the smoothness of discharging. When the mud cake begins to form, the increase of cutter torque accords with the cubic polynomial function, and the tunneling speed is exponentially reduced. The water content of soil has a significant effect on the formation of mud cake and clogging of the cutter head. If the water content approaches the plastic limit, the mud cake will form easily, the shield tunneling efficiency will be minimized, and the risk of clogging is the highest. The research results are of great significance in assessing the risks of mud cake and clogging of cutterhead of panel EPB shield tunneling in clay ground.
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Keywords:
- earth-pressure-balance shield /
- cohesive stratum /
- panel cutterhead /
- clay cake /
- clogging /
- indoor test
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0. 引言
泥饼是盾构切削渣土在刀盘和土舱内重新聚集形成固结或半固结的块状体的过程[1]。当面板式土压平衡盾构机在黏性地层掘进时,若刀盘设计及施工处治措施不当,刀盘上的刀具会逐渐被固结渣土糊住,导致切削地层时刀具贯入度降低,进而引起刀盘开口堵塞,降低掘进效率。刀盘上大体积的泥饼还会使得掘进参数波动异常,对施工和设备安全造成极大威胁。实际施工时,若刀盘堵塞没有得到及时处置,刀盘切削动能因摩擦生热而大部分转化为热能,在刀盘和开挖面上产生高温,刀盘上形成的泥饼会发生受热脱水固结等物理化学作用,进一步硬化,很难被去除[2-3]。
广州地铁沿线的工程地质条件为复杂的不均匀地层,其中全风化花岗岩地层多呈流塑至硬塑状,透水性弱,稳定性差,盾构掘进过程中容易发生刀盘结泥饼及堵塞的现象。中国在广州地铁和深圳地铁建设初期就曾遇到过较为严重的刀盘结泥饼事故,也就是从那时起,国内学者开始关注和研究刀盘结泥饼及堵塞问题。如竺维彬等[1]、严辉[4]、董详宽[5]先后通过刀盘结泥饼案例调查,从地质、机械和施工人员因素方面分析了造成刀盘结泥饼的原因；杨金钟等[6]、康洪信[7]、候凯文等[8]指出盾构刀盘中心开口不足、刀盘中心区域土体线速度小、土体流动性差是盾构刀盘结泥饼的主要原因；邓彬等[9]、翟圣智等[10]、陈馈等[11]、刘卫[12]依托地铁盾构施工项目,分析了盾构刀盘结泥饼的机理,并提出了防止刀盘结泥饼的有效措施。国外对盾构刀盘结泥饼及堵塞的研究更早,并认为泥饼对施工的影响主要是堵塞密封舱和封锁刀盘,并进行了大量研究,如Spa[13]、Thewes等[14-15]、Feinendegen等[16]、Hollmann等[17]通过试验研究先后提出了用于预测刀盘结泥饼及堵塞风险的经验图表。在刀盘结泥饼及堵塞的处置方面,Feinendegen等[18]通过黏附作用测试试验,证实了黏土矿物成分、颗粒级配、含水率对盾构刀盘阻塞有着重要的影响。Thewes等[19-20]和Zumsteg[21-22]则主张通过在渣土中添加泡沫和分散剂进行渣土改良防治刀盘结泥饼,并主要研究了泡沫剂和分散剂的作用机理问题。
从国内外研究现状对比可以看出,国内研究大多是对某个或某几个具体工程刀盘结泥饼及堵塞问题的分析,一般先描述刀盘结泥饼引起的施工困难,然后从地质、盾构和施工参数方面推测刀盘结泥饼的原因,最后进行处置经验总结。这种经验分析的结论普适性弱,缺乏对刀盘结泥饼及堵塞机理的深入分析,因此难以形成标准或规范来指导类似工程施工；与之相反,国外注重泥饼机理研究,但相关研究与工程联系不紧密,研究结论大多来源于室内土力学测试结果。试验条件与实际工程不符以及未考虑施工参数影响使得其研究结果应用于实际工程效果不理想[23-24]。在上述背景下,本文研制了盾构掘进模拟试验系统,通过室内试验研究黏性地层下面板式土压平衡盾构刀盘结泥饼及堵塞的形成过程及影响因素。
1. 刀盘黏附机理
土压平衡盾构施工中理想状态的土体应保持良好的“塑性流动状态”——一定的流动性、合理的黏滞性、较小的摩擦性和较低的渗透性[25]。含水率的高低是影响黏土流塑性的重要因素,在不同的含水率条件下,黏土矿物会呈现分散、黏结和流动等状态,对盾构施工产生不同影响,如图1所示。当土样含水率较低时,切削后的黏土颗粒较干燥,呈散粒状态,土颗粒黏附力较低,土颗粒几乎没有流动性；当含水率逐渐增加达到塑限时,土颗粒较为湿润,土颗粒黏附力也逐渐增大,同时渣土也具有一定的流动性；当含水率超过液限时,土颗粒已经吸水饱和,土颗粒黏附力较低,但流动性提高。
Thewes等[14]指出,黏土黏附造成盾构堵塞的机制共有4种,即黏附、桥接、黏聚和不溶解,如图2所示,其中最重要的是黏附作用。土颗粒黏附形成的主要机制在于刀盘掘进引起局部土颗粒含水率的变化。盾构刀盘切削地层的过程可以分解为两个步骤：一是刀具贯入土体,二是刀盘转动,带动刀具切削地层。随着面板式土压平衡盾构掘进,大部分渣土最终均可通过刀盘开口进入土舱,小部分渣土则受面板挤压研磨作用固结成泥饼黏附在刀盘上。在实际盾构施工中,若盾构掘进速度降低时,常通过增加盾构总推力来提高掘进效率,这使得刀盘面板及刀具上与地层的局部接触压力增大,土体颗粒排水固结,排水后的土颗粒之间、土颗粒与刀盘之间有更高的黏附强度,易黏聚成团,形成泥饼。
2. 试验介绍
2.1 试验设备
试验采用的面板式刀盘掘进模拟装置如图3所示,其中试验土样放置于直径31 cm的钢制圆筒中,圆筒的左端有液压千斤顶,千斤顶通过加压垫板向土样加压,形成地层压力。土样右侧为直径30 cm的仿真刀盘,刀盘由后方的电机驱动,电机与刀盘之间设置有扭矩传感器。试验时控制千斤顶向圆筒内土样加压,维持压力基本不变的条件下驱动圆筒内的土样向着刀盘作相对运动,同时转动刀盘实现地层掘削。
千斤顶油缸直径80 mm,行程300 mm,最大出力为30 t；减速电机为1.5 kW双无极调速电机,输出转速可控制在1～5 rpm；动态扭矩传感器最大量程250 N·m,精度为0.25%,配合数显仪,能够同时输出扭矩、转速和功率3项测试指标。在进行试验时旋转电机转速保持为1.5 rpm,千斤顶推力控制在预设值0.35 MPa附近,维持土压力稳定。试验刀盘为根据实际工程用刀盘仿制的仿真刀盘,可拆卸更换。刀盘原型及刀盘模型如图4所示,原型为广州地铁21号线某区间所用刀盘,该类型刀盘在实际工程中主要用于复合地层中土压平衡盾构施工。本次试验采用的刀盘模型为铁制刀盘,直径30 cm,厚度约为2 cm,为辐条加小面板形式,总开口率36.5%,刀盘搭载刀具主要为1把中心鱼尾刀、32把齿刀和12把带肋滚刀,如图4所示。
2.2 试验土样
试验土样为取自广州地铁21号线某区间的全风化花岗岩。该地层呈褐黄色,原岩结构已基本破坏,部分风化成坚硬土状,以粉黏粒为主,含较多石英砂粒,手捏易散,遇水易软化、崩解,透水性弱。局部夹强风化碎块,标贯数N约等于37。土样的部分物理力学参数如表1所示,并随机选取试样进行了5次筛分试验,试验结果如图5所示。
表 1 土样物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of soil samples力学指标 密度/(kg·m-3) 压缩模量/MPa 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 孔隙比 量值 1920 5.33 34.2 23.9 0.61 流体指标 天然含水率wn/% 液限wL/% 塑限wP/% 塑性指数/% 液性指数 量值 19.80 34.8 14.2 14.7 0.27 2.3 试验工况及观测物理量
含水率是影响黏土颗粒黏附性能的重要因素[25],因此本次试验主要研究含水率对刀盘结泥饼及堵塞的影响,为针对性制定渣土改良方案提供依据。
试验中共配制了含水率5%,10%,15%和20% 4种土样进行试验,为保证试验规律真实有效,对每种含水率土样均进行两次独立试验,试验分组及编号如表2所示。试验过程中记录的物理量包括刀盘扭矩和掘进速度,刀盘扭矩由数显仪动态显示,掘进速度则通过测量单位时间内千斤顶的推进距离间接反映。另外还需要观察刀盘泥饼形态,刀盘开口出土状态,通过这些特征来综合分析地层含水率对刀盘结泥饼及堵塞的影响。
表 2 试验分组及编号Table 2. Test groups and numbering试验分组 土样含水率 试验编号 1 5% 1-1 1-2 2 10% 2-1 2-2 3 15% 3-1 3-2 4 20% 4-1 4-2 掘进模拟装置中,左侧千斤顶是整个试验过程中模拟刀盘掘进的驱动条件之一,在保持土样压力较为稳定的情况下,千斤顶的推进速度即可等效于刀盘的掘进速度。此外,盾构机在实际掘进过程中刀盘的扭矩还受到盾构推力的影响,为了对比研究含水率对刀盘结泥饼及堵塞的影响,试验过程中需维持推力稳定。
2.4 试验步骤
试验前需要进行试验准备：对全风化花岗岩原状土进行自然风干,每次取24 L土样添加水,使土样的含水率分别达到5%,10%,15%和20%,并将其用薄膜密封在湿润桶壁的水桶里12 h以上,待其吸水充分后使用[26]；将各试验部件安装就位,检查设备工作情况；打开钢圆筒上部合页,在圆筒内部填入事先配制好的试验土样,填满压实,盖上合页。准备完成后正式开始试验,试验步骤如下：
（1）启动千斤顶,对土样进行加压,直至千斤顶推力达到预设值0.35 MPa。
（2）启动电机驱动盾构刀盘掘土,刀盘转速设置为1.5 rpm,并记录相关试验数据。掘进过程中通过调节千斤顶推力,使其加载形成的土样压力保持稳定。
（3）当加压板推至刀盘附近时,关闭电机,掘进结束。
3. 试验结果
3.1 掘进参数的时程特性
工程实践表明,面板式刀盘结泥饼及堵塞的过程伴随着刀盘扭矩、掘进速度等盾构参数的改变,如刀盘扭矩增大、掘进速度降低等,因而获得刀盘掘进过程中的盾构参数的时程变化规律具有积极意义。
下面以含水率10%土样两次试验结果为例对掘进过程中施工参数随时间的变化情况进行分析。为了减少数据的随机波动性,采用移动平均法[27]对试验数据进一步优化处理,数据的移动项数为10,处理后的掘进参数随时间的变化情况如图6所示。同时,对试验数据进行拟合,得到掘进参数的拟合曲线,掌握刀盘扭矩、掘进速度在刀盘泥饼发展过程中的波动形式,具体曲线拟合函数关系表达式如下：
T=97.646+5.164t−0.720t2+0.035t3, (1) v=5.068e（-t/1.842）+0.377, (2) 式中,T为刀盘扭矩,v为掘进速度,t为掘进时间。
随着刀盘的切削,掘进参数的变化具有连续性,从整体的波动形式来看,扭矩的增长符合三次多项式函数关系,掘进速度呈指数型降低。大致经历了3个阶段：0～4 min,扭矩呈近似线性关系地急剧增大,掘进速度急剧下降；4～12 min,扭矩呈波动状缓慢增大,掘进速度缓慢下降；12 min以后,扭矩再次急剧增大,掘进结束时刀盘扭矩比开始掘进时增加了近1倍,掘进速度在波动中趋于稳定,但量值较小。
工程实际中,一般通过各盾构掘进参数来判断刀盘结泥饼及堵塞的状态,本次试验也采用刀盘扭矩和掘进速度随时间的变化来推断刀盘结泥饼及开口堵塞的形成过程。在试验土样和推力不变的情况下,扭矩的增加和掘进速度的减小说明刀盘上的泥饼和开口堵塞逐渐形成,结合测试数据的变化特征,可以把结泥饼历程大致分为3个阶段：
Ⅰ阶段：刀具黏附阶段。由于刀具的切削作用,导致刀具周围脱水固结的黏土颗粒逐渐吸附形成团聚体,在掘进过程中,该类团聚体迅速形成并覆盖住部分刀具,从而降低刀具贯入度,引起刀盘扭矩、掘进速度在开始阶段的急剧变化。
Ⅱ阶段：黏附发展阶段。刀具密集处早期形成的黏土颗粒团聚体逐渐增大,与面板上形成并不断扩展的黏土颗粒团聚体相接并覆盖刀具,掘削能力大大降低。该阶段也是黏土团聚体反复压密并形成泥饼的阶段。由于泥饼存在,刀盘转动过程中有卡顿现象,掘进速度有一定波动,刀盘扭矩也缓慢增大。
Ⅲ阶段：开口堵塞阶段。刀盘堵塞由中心向边缘扩展,泥饼大面积形成后,刀盘继续掘进,掘进速度一直处于较低数值,刀盘扭矩则进一步增大。
实际上,刀具的切削、刀盘的旋转、渣土的流动和排出对于泥饼还具有一定的分离作用,当泥饼中黏土颗粒间吸附作用大于刀盘刀具产生的分离作用时,泥饼体积增大；反之,当泥饼中黏土颗粒间的吸附作用小于刀盘刀具产生的分离作用时,泥饼体积减小。最终两者之间达到一个平衡,从掘进参数上看则达到了一个稳定状态。
3.2 含水率对掘进参数的影响
不同含水率条件下盾构掘进过程中刀盘扭矩和掘进速度的时程分布如图7所示。可以看出,土样含水率对刀盘扭矩影响显著,在4种含水率土样的掘进试验中,含水率5%和20%的土样刀盘扭矩具有较小值,其次为含水率10%的土样,含水率为15%的土样刀盘扭矩具有最大值,且明显高于其它3种土样。另外,含水率为5%,10%和15%时,刀盘扭矩在掘进过程中都呈现出逐渐增大的趋势,而含水率20%的土样,刀盘扭矩并未显示出明显的随时间增长的趋势。
土样含水率对掘进速度也有显著影响。掘进速度最快的土样含水率为5%,掘完全部土样所用的时间仅为6 min,掘进速度随时间增加呈现明显下降趋势,但因掘进时间短,该趋势并未揭示完全。其次为含水率20%土样,掘完全部土样用时8 min,且该含水率下掘进速度并未出现随时间增加而显著降低的趋势。当含水率为10%和15%时,掘进速度最慢,掘完全部土样用时大于18 min,掘进速度基本都在1 cm/min以下,掘进效率较低,且呈下降收敛趋势。
不同含水率下刀盘扭矩和掘进速度的平均值如表3所示,绘制刀盘扭矩和掘进速度随含水率的变化关系如图8所示。可以看出,盾构掘进时,在其它条件一致的情况下,刀盘扭矩随地层含水率的增大先增大后减小,而掘进速度随地层含水率的增大先减小后增大,其中在10%,15%含水率条件下掘进较为困难,掘进效率较低。数值拟合结果表明,刀盘扭矩和掘进速度随地层含水率的变化基本符合二次函数规律,当地层含水率在11.3%～14.8%范围内时,平均掘进扭矩高于140 N∙m；地层含水率在11.4%～15%范围内时,平均掘进速度低至0.5 cm/min以下。综合两者变化规律,可认为地层含水率在11%～15%范围内时,盾构掘进最困难,也即该含水条件下盾构施工刀盘最容易结泥饼,发生刀盘堵塞。需要说明的是,本次试验所用的全风化花岗岩的塑限为14.2%,结合上述研究成果,可认为地层含水率接近黏土塑限时,盾构施工刀盘结泥饼风险最高。
表 3 各试验组参数平均值表Table 3. Average values of parameters for different groups含水率/% 刀盘扭矩/(N·m) 掘进速度/(cm·min-1) 5 57.78 3.34 10 115.76 0.62 15 162.14 0.71 20 70.98 2.31 3.3 刀盘泥饼形态
各含水率土样开挖后卸下的刀盘如图9所示,图中圆孔是刀盘装卸需要的螺栓取下后造成的,不影响刀盘土的整体分布。可以看到,几种工况下掘进后刀盘上均有渣土黏附,且发生了不同程度的刀盘结泥饼及堵塞现象。含水率5%时,主要在刀具周边、刀盘中心处形成小范围的黏土颗粒积聚,其影响在于覆盖刀具从而降低刀盘掘进时刀具的贯入度,而刀盘面板未形成泥饼,刀盘开口也并未出现堵塞,结合前面的掘进参数测试结果可以综合判断,该含水率下,刀盘并未出现成形的泥饼及堵塞现象。当含水率增加至10%时,土颗粒间的黏附性增强,不仅刀具本身被吸附的黏土颗粒覆盖,刀盘中心也形成了一定规模的泥饼,并堵塞了部分刀盘开口。当含水率增加至15%（塑限附近）时,刀具被渣土完全覆盖、刀盘开口也被大量的黏土团聚体堵塞,刀盘上形成的泥饼不易清除,具有极强的黏附力。当含水率高于塑限达到20%时,虽然渣土将整个面板糊住,但渣土黏附力低,很容易被清除,即在掘进过程中,由于刀盘的旋转、切削以及渣土的流动作用都可以将其轻易清除。故可以认为20%含水率下,刀盘上面并未形成影响掘进的泥饼和堵塞,这也可从前文的掘进参数测试数据得到佐证。
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图 9 不同含水率下土样开挖后刀盘形态Figure 9. Cutter shapes after excavation of soil samples with different water contents由此可知,刀盘结泥饼对盾构施工的影响主要体现在两方面：覆盖刀具和堵塞开口,刀具被覆盖带来的直接后果就是降低刀具贯入度,从而影响掘进效率,堵塞开口则会降低刀盘的出土速度。泥饼产生于刀具周边的黏土颗粒积聚,首先在刀盘中心部位形成,并逐渐扩大,最终堵塞刀盘开口。刀盘结泥饼带来的效果均是负面的,严重影响了刀盘的掘进效率。试验结果也表明,提高掘削渣土的含水率（大于塑限）,是减小黏土地层刀盘结泥饼和堵塞风险的有效手段之一,但也要考虑高含水率下掘进可能发生喷涌的风险。
3.4 刀盘开口堵塞分析
图10是在各含水率情况下切削渣土被排出刀盘的情况。当含水率为5%和10%时,切削渣土是以散粒体形式通过盾构刀盘被排出的,两种渣土均呈现较强的非连续性。当土样含水率为5%时,由于含水较少,排出渣土基本呈粉状；当土样含水率为10%时,排出渣土则为含有大量颗粒状的黏土团聚体。可以看出,在较低含水率条件下,渣土中难以形成大尺寸的黏土团聚体,在掘进过程中不易发生刀盘开口堵塞现象。但另一方面,较低的含水率表明土体流动性很差,对于采用了螺旋出土器排土的土压平衡盾构而言,同样会引起土仓和螺旋出土器内的堵塞。
而当含水率为15%和20%时,土样含水率处于渣土液塑限之间,渣土流动性显著提高,盾构切削渣土以连续的塑性挤出状态被排出刀盘。土样含水率为15%时,渣土十分黏稠,挤出的渣土较为干硬,且不易掉落,极易堵塞刀盘开口。当土样含水率为20%时,试样本身表现出更强的流动性,剪切强度较低,虽然仍然会大量吸附在面板上,但黏附力较低,不会引起刀盘堵塞,土样被压出后能自行掉落,排土过程较顺畅。但此时含水率较接近土体液限,渣土流动性强,在土仓压力的作用下极可能发生螺旋输送机喷涌。
4. 结论
本文采用自制的试验装置针对全风化花岗岩地层面板式土压平衡盾构掘进过程中刀盘结泥饼及其引起的刀盘开口堵塞问题开展了试验,研究了盾构掘进参数与刀盘结泥饼、刀盘开口堵塞之间的相关关系,主要结论如下：
（1）面板式刀盘开始结泥饼后,刀盘扭矩的增长符合三次多项式函数关系,盾构掘进速度按指数函数规律下降；刀盘结泥饼的历程可大致分为3个阶段：刀具黏附—黏附发展—开口堵塞；泥饼成形后,刀盘扭矩显著提高,掘进速度大幅度降低。
（2）面板式刀盘结泥饼对盾构施工的影响是糊住刀具和面板,堵塞刀盘开口,引起掘进效率和出土效率的降低；试验结果表明,刀具密集处和刀盘中心区域形成泥饼堵塞的几率最大。
（3）刀盘扭矩、掘进速度及泥饼堵塞风险与地层含水率之间存在相关关系,当地层含水率接近黏土塑限时,刀盘扭矩最大,掘进速度最小,刀盘开口堵塞风险最高；当含水率超过黏土塑限后,虽然渣土仍然在面板上大量吸附,但黏附力随含水率的增加而减小,渣土排出顺畅,刀盘结泥饼和刀盘开口堵塞的风险显著降低；盾构现场施工时,可依据开挖地层的基础含水率制定针对性的渣土改良方案,保证盾构顺利掘进的同时降低施工成本。
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图 9 不同含水率下土样开挖后刀盘形态
Figure 9. Cutter shapes after excavation of soil samples with different water contents
表 1 土样物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of soil samples
力学指标 密度/(kg·m-3) 压缩模量/MPa 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 孔隙比 量值 1920 5.33 34.2 23.9 0.61 流体指标 天然含水率wn/% 液限wL/% 塑限wP/% 塑性指数/% 液性指数 量值 19.80 34.8 14.2 14.7 0.27 
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表 2 试验分组及编号
Table 2 Test groups and numbering
试验分组 土样含水率 试验编号 1 5% 1-1 1-2 2 10% 2-1 2-2 3 15% 3-1 3-2 4 20% 4-1 4-2
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表 3 各试验组参数平均值表
Table 3 Average values of parameters for different groups
含水率/% 刀盘扭矩/(N·m) 掘进速度/(cm·min-1) 5 57.78 3.34 10 115.76 0.62 15 162.14 0.71 20 70.98 2.31
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