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大粒徑卵石地層盾構(gòu)機刀盤選型論證

2020-4-11 來源：中鐵八局集團有限公司作者：賈科

摘要：成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程處于大粒徑卵石地層，部分漂石粒徑超過70cm，且含大量耐磨礦物質(zhì)，對盾構(gòu)刀盤磨耗大。當?shù)侗P掘進遇到較大粒徑漂石，嚴重影響盾構(gòu)掘進。本文從刀盤結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、面板分配、開口率、開口尺寸、刀具的布置、刀盤的保護這幾個方面分析大粒徑卵石地層刀盤選型的關(guān)鍵點。

關(guān)鍵詞：大粒徑卵石；盾構(gòu)機；刀盤選型；開口率；刀具

成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程處于大直徑卵石地層，如果盾構(gòu)機刀盤選型不恰當，在掘進的過程中就容易出現(xiàn)刀盤卡死、刀具磨損嚴重、換刀困難、施工進度慢、地表易坍塌等諸多問題，針對以上問題對盾構(gòu)選型進一步研究優(yōu)化，最大限度提高盾構(gòu)施工進度，降低盾構(gòu)施工安全風險。

1 、工程及地質(zhì)概況

成都地鐵9號線一期培風站～成都西站工程隧道洞身主要位于卵石土〈2-9-4〉、〈3-8-3〉中，粒徑大于20mm卵石含量為65～80%，巖土分級為Ⅳ級軟質(zhì)巖，該地層主要有以下幾個特點：

（1）卵石含量高、粒徑大、強度高卵石含量為65%～80%，漂石最大粒徑達60～70cm，含量為5%～10%，但粒徑在30～50cm的卵石含量較多，在50%以上，本次勘察卵石土點荷載換算巖石抗壓強度為33.67～171.00MPa，強度高，含大量耐磨礦物質(zhì)。

（2）地下水量大、透水性好卵石土屬強透水層，均一性較好，飽水狀態(tài)下，盾構(gòu)掌子面卵石土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。

（3）易固結(jié)性在大粒徑卵石與刀盤相互摩擦過程中會產(chǎn)生粉末和熱量，當渣溫上升至45℃以上且含水量不足時，卵石所產(chǎn)生的粉末易與砂石發(fā)生固結(jié)，在刀盤開口尺寸較小的位置結(jié)成泥餅。

2 、卵石地層的特點及盾構(gòu)機施工難點分析

2.1 盾構(gòu)機在這種地層中掘進的特點及所受的不利影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）盾構(gòu)機密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較困難；該地層易坍塌，不易保持開挖面的穩(wěn)定；大粒徑砂卵石切削或破碎困難，且渣土經(jīng)螺旋輸送機向外排出十分困難。

（2）地層顆粒較大，盾構(gòu)施工遠比一般粘性土、砂性土層困難。

（3）盾構(gòu)切削土體顆粒與刀盤摩擦大，刀盤(刀具)、螺旋輸送機以及密封艙內(nèi)壁磨損嚴重，且盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的振動和噪聲對周邊環(huán)境影響較大。

（4）砂卵石處于密封艙內(nèi)、螺旋輸送機內(nèi)及盾構(gòu)周圍，對盾構(gòu)機的擾動、振動很大，不利于掘進參數(shù)的調(diào)整，包括推進千斤頂?shù)膲毫?、螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速、排土門的開度、盾構(gòu)機位置及姿態(tài)控

制等。

（5）砂卵石層為強透水層，地層細顆粒成分含量少，不易形成能夠止水的流塑狀渣土，在渣土改良不到位時極易發(fā)生噴涌，可能導(dǎo)致土倉失壓引起地層沉降，甚至發(fā)生“塌坑”現(xiàn)象。

2.2 因此，在本工程的盾構(gòu)選型中，著重考慮了以下幾個方面的因素：

（1）盾構(gòu)機選型中,控制地層沉降的能力是選型的重要依據(jù)。

（2）在砂卵石地層中掘進,盾構(gòu)所受干擾較大,需要很強的姿態(tài)控制能力。

（3）砂卵石地層中的卵礫石粒徑大,盾構(gòu)機必須具備較強的耐磨性。

（4）在滿足刀盤結(jié)構(gòu)強度的情況下，選擇開口尺寸和開口率較大的刀盤，利于大粒徑卵礫石進入土倉，便于排土掘進。

（5）配置適應(yīng)該地層的刀具。

（6）配置完備的渣土改良系統(tǒng)。

3 、砂卵石地層盾構(gòu)機刀盤論證

3.1 刀盤布刀總體規(guī)劃

（1）針對砂卵石地層這種由沉積形成的軟弱地層，必須在刀盤安裝撕裂刀，超前對掌子面進行地層破壞，以點破面，形成從掌子面往外側(cè)破碎延伸的臨空破碎面。

（2）形成臨空破碎面后，滾刀開始擠壓其余范圍的松散地層，最后其他的邊刮刀即可很容易破開掌子面，從而達到順利掘進效果。

（3）超前撕裂刀應(yīng)控制其刀刃高度不高于其余刀具5cm，主要原因在于，雖然超前撕裂刀刃越高越利于掘進，但刀刃強度有限，過高易損毀；反之，如果刀刃太低則起不到超挖破面的效果。

3.2 砂卵石地層盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)論證

（1）滾刀破巖原理

圖1 滾刀破巖原理

如圖1所示為盾構(gòu)機掘進過程中刀盤滾刀工作的破巖原理，該破巖方式為擠壓剪切式。其方法具有破碎量大、速度快的優(yōu)點，在滾刀切入掌子面過程中，通過滾刀兩側(cè)的擠壓剪切力從而達到以點破面的效果。

因為砂卵石沒有膠結(jié)且彈塑性差，屬于軟弱地層，無法形成連續(xù)的破碎軌跡，但又確實含有高強度的卵石，這種剛?cè)岵牡貙游覀冺殞⒂矌r破碎原理和軟弱地層掘進機理相結(jié)合，從而得到一個適合于砂卵石地層的掘進機理。針對砂卵石地層中高強度且大小不一的卵石,目前主要有兩種處理方法，但均存在不足：

通過對比分析我們可以得出：滾刀的設(shè)置是必不可少的，但應(yīng)控制數(shù)量不宜過多；常規(guī)的直徑為φ700～φ900的桿式螺旋輸送機可輸出的最大卵石粒徑為24～35cm，能滿足正常掘進即可。砂卵石掘進的原則是：將含量較多的小、中粒徑卵石直接排出，用滾刀將含量較少的超大粒徑卵石破碎后排出。

3.3 砂卵石地層盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)

結(jié)合土壓平衡原理與砂卵石地層的相關(guān)特點，刀盤結(jié)構(gòu)選型宜采用中心開口率稍大的主梁+小面板結(jié)構(gòu)。其主要理由是：①中心開口率大能有效降低中心泥餅固結(jié)幾率；②砂卵石地層穩(wěn)定性受地下水的影響較大，因純輻條式刀盤對掌子面支撐較少，任何方法開倉均存在較大風險，故不能采用純輻條式刀盤；③大面板式刀盤既不能提供足夠的開口率，還增大了刀盤與地層間的摩擦阻力，從而使刀盤扭矩增大，縮短主軸承使用壽命。

（1）開口尺寸和開口率設(shè)計

在砂卵石地層刀盤選型中，不僅要關(guān)注開口率，還要關(guān)注開口尺寸。通過對砂卵石地層的取樣分析和成都各標段的掘進參數(shù)情況對比，認為在含有大粒徑卵石地層盾構(gòu)機刀盤整體開口率應(yīng)在38%～41%，刀盤中心開口率39%～40%。同時應(yīng)控制開口尺寸，對開口尺寸過大的地方增加耐磨格柵使刀盤能夠?qū)⒋笮÷咽Y分開，防止不能正常排出的大粒徑卵石進入土倉。

（2）降低磨耗處理

既然在砂卵石地層中不能避免卵石對刀盤的磨損，那我們就應(yīng)采取有效的措施避免刀盤磨損量過大而影響正常使用。一是在刀盤的側(cè)面較為薄弱的切口附近增加耐磨性好的耐磨塊；二是在刀盤上增加具有保護性的耐磨導(dǎo)流塊等；三是可以通過采取有效的渣土改良措施（加水、加泡沫、膨潤土等），增加渣土的流動性，減少刀具摩擦，達到降低磨耗的效果。

（3）圖2是根據(jù)以上大粒徑砂卵石掘進機理，形成的一個大致形象的刀盤形狀，以供參考。

圖2 中部帶有超前撕裂刀的刀盤形狀和卵石地層掌子面剖面

4、砂卵石地層盾構(gòu)機刀盤選型

4.1 砂卵石地層盾構(gòu)機選型概述

砂卵石地層總體上來說屬于由沉積形成的軟弱地層，所以在刀盤選型上應(yīng)從軟弱地層出發(fā)考慮，而同時也要考慮對付高強度卵石的方法，可以通過加強刀盤的結(jié)構(gòu)強度和耐磨性尋找一種介于軟弱地層與硬巖地層之間掘進機理配置，結(jié)合砂卵石獨有的性質(zhì)進行細部配置。因此，單純的土壓平衡盾構(gòu)機已無法適用于砂卵石地層，應(yīng)采用與特殊配置相結(jié)合的混合式土壓平衡盾構(gòu)機，才能及時采用有效的技術(shù)手段保證砂卵石地層盾構(gòu)的順利掘進。

4.2 砂卵石地層盾構(gòu)機刀盤的比選

為降低刀盤中心結(jié)泥餅的概率，需要采用較大的中心開口率，綜合以上論述，分別進行了4輻條和6輻條式兩種刀盤的設(shè)計，其參數(shù)主要差異在于：