成都地區(qū)含卵石、漂石地層盾構(gòu)施工的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題(專家修改-縮減版)——徐經(jīng)理發(fā)20139.10

1、中國中鐵四局集團有限公司中國中鐵四局集團有限公司 成都地鐵成都地鐵4 4號線一期工程土建號線一期工程土建7 7標項目經(jīng)理部標項目經(jīng)理部 二二一三年九月一三年九月 成都地區(qū)含卵石、漂石地層盾構(gòu)成都地區(qū)含卵石、漂石地層盾構(gòu)施工的施工的 幾幾個關(guān)鍵技術(shù)問題個關(guān)鍵技術(shù)問題 摘摘 要要 本文針對成都市高富水高卵石含量兼漂石地層 的特殊地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的幾個關(guān)鍵技術(shù)如盾構(gòu) 機的選型技術(shù)、大漂石處理技術(shù)、開艙及換刀具技 術(shù)、泥餅處理技術(shù)等進行了研究和總結(jié)，為進一步 拓展成都地鐵盾構(gòu)施工市場做好技術(shù)準備，并供類 似工程提供借鑒。 1、成都市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特點 2、成都市區(qū)地鐵盾構(gòu)施工需要解決 的幾個技術(shù)關(guān)鍵問

2、題 3、對進一步開展相關(guān)問題研究的建議 1 1、成都市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特點、成都市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特點 成都市區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造為高富水砂卵石且偶含大 漂石的地層，為松散砂卵石、密實 砂卵石地層，郊區(qū)尤其東部為具有弱至中等膨脹性 土（巖）的地層，為強風(fēng)化巖、中風(fēng)化 巖地層。盾構(gòu)施工地質(zhì)條件與我單位在上海、天津、 杭州、深圳等地的工程地質(zhì)有明顯差異，其主要不 同點表現(xiàn)在： a、盾構(gòu)機的刀盤形式、刀具選擇及布置、排 土及盾構(gòu)密封的設(shè)計上； b、掘進過程中渣土改良，開艙換刀、清理泥 餅，大漂石的處理等關(guān)鍵技術(shù)上。 2、成都市區(qū)地鐵盾構(gòu)施工需要解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵問題、成都市區(qū)地鐵盾構(gòu)施工需要解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵問題

3、 1 1）盾構(gòu)機的選型問題）盾構(gòu)機的選型問題 （1）刀盤、刀具選擇 對于刀盤選型問題，從掌子面穩(wěn)定方面考慮，采 用面板式刀盤是比較好的，但要解決刀盤耐磨性需要 提高的問題。另外面板開口率不宜過小，否則稍大砂 卵石無法通過開口進入土艙。 從長距離在地層中掘進、排除大礫石方面考慮， 采用輻條式刀盤較好，但對于成都市地下水壓大、 卵石地層穩(wěn)定性差，易坍塌的卵石地層而言，不 易掌握水土壓力平衡；小幅面板+輻條式的組合刀 盤是比較好的，其刀盤可以減輕切刀的實際負荷 扭矩，增大排出開挖土砂的能力，將土艙內(nèi)的土 壓有效地傳遞給開挖面；在耐磨性方面，如果其 輪輻為柱式，耐磨性能比面板式好，但其刀盤的 外周磨損

4、也是比較嚴重的。針對成都地鐵2號線的 地質(zhì)情況，推薦使用以小幅面板+輻條式的組合刀 盤。 （C）面板式 為了破碎大粒徑漂石，在配刀上可以按破碎中 硬巖的方案配刀，用滾刀實現(xiàn)對大粒徑漂石和礫石 的破碎，切刀和刮刀對滾刀破碎的巖土進行及時收 攏到土倉。滾刀刀刃距刀盤面板的高度要比切刀和 刮刀距刀盤面板的高度高，這樣在遇到大粒徑漂石 和礫石地段掘進時，滾刀進行破碎從而可以保護切 刀和刮刀不受損壞。同時切刀和刮刀及時切割下經(jīng) 滾刀破碎的泥土又保護了滾刀少受泥土的磨削。 （2 2）排土系統(tǒng)的選定）排土系統(tǒng)的選定 盾構(gòu)機排土設(shè)備是螺旋輸送機，它是一個連 續(xù)工作的系統(tǒng)，由可旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片和靜止螺旋 外殼組成

5、。螺旋葉片一般是裝配在旋轉(zhuǎn)軸上，但 也可以設(shè)計成沒有中心軸的帶式出土器，以便在 中心輸送較大的石塊（見下圖）。前者的驅(qū)動方 式是直接驅(qū)動葉片中心軸，其優(yōu)點是止水性好， 缺點是可排出的礫石的粒徑??；后者的驅(qū)動方式 是直接驅(qū)動裝有葉片的外筒，優(yōu)點是可排出的礫 石的粒徑大，缺點是止水性差。 對于成都地鐵，若采取軸式螺旋輸送機，則對處 理大粒徑漂石就需要采取一定的措施，在螺旋輸送機 的前端可設(shè)置一道閘門，當(dāng)大漂石進入土艙內(nèi)時將該 道閘門關(guān)閉，同時土艙內(nèi)加氣壓防止水灌入，從螺旋 輸送機的前端將漂石取出或打碎后取出。 若采取帶式螺旋輸送機，帶式螺旋輸送機在高地 下水位、高水壓條件下會發(fā)生噴涌問題，對于噴涌

6、事 故發(fā)生最好的預(yù)防措施是： a、通過向開挖下來的土體中添加聚合物改良 渣土，增加渣土的可塑性，即通過螺旋輸送機注入 聚合物改良渣土形成土塞，但缺點是對螺旋輸送機 形成磨損 b、采用多段螺旋輸送機從而降低出口處的水 壓力。 以羅賓斯盾構(gòu)為例，多級螺旋輸送系統(tǒng)包括下 述2個系統(tǒng)；1號螺旋機：帶式輸送(不帶軸), 允 許最大通過石粒直徑500毫米；2號螺旋機：前三 個螺距采用帶式不含軸, 剩下部分采用帶軸式螺 旋輸送系統(tǒng)；2個螺旋機之間, 設(shè)計一個閘門；2 號螺旋機的前三個螺距部位,設(shè)計一個專門處理大 粒徑石頭的閘門；2號螺旋機的尾部為另一個主要 卸料閘門。 1st-stage screw con

7、veyor 2nd-stage screw conveyor Boulder correcting gate Gate No.1 （3 3）盾構(gòu)密封的改良問題）盾構(gòu)密封的改良問題 由于成都地鐵高水位的關(guān)系，盾構(gòu)密封要求較 高。盾構(gòu)密封主要分為主軸承密封、盾尾密封和 鉸接密封三個方面，遵循“以防為主、多道設(shè)防、 杜絕漏水”的原則，施工時也應(yīng)遵循各項規(guī)范要 求。 a a、主軸承密封、主軸承密封 目的是保護刀盤軸承，使其免受土砂、地下 水、添加劑的侵入，所以必須能承受土倉內(nèi)的泥土 壓、地下水壓、泥水壓、添加劑注入壓力和氣壓等。 因此主要有兩個密封系統(tǒng)進行密封：外層的密封系 統(tǒng)負責(zé)挖掘艙的密封，內(nèi)層的

8、密封系統(tǒng)負責(zé)大氣壓 力區(qū)域的密封。 由于成都地鐵主要在砂礫石地層掘進，地層卵 石含量高、變化快、水壓大、水位高的特點，主軸 承可以采用此種密封系統(tǒng)。對于在困難條件下掘進 的土壓平衡盾構(gòu)機應(yīng)用效果良好。 b、鉸接密封 中盾和盾尾之間通過鉸接油缸連接，兩者 之間由一定夾角，從而使盾構(gòu)在掘進時可以方 便的轉(zhuǎn)向。鉸接密封通常為雙排充氣密封，外 側(cè)常閉，內(nèi)側(cè)為應(yīng)急密封設(shè)計，需要耐磨橡膠 制成，并要求有良好的密封效果。 c、盾尾止水刷 是為防止注漿材料、地下水和開挖面泥漿 與泥土從鋼殼面板和管片外圍涌入盾構(gòu)機內(nèi)部 而設(shè)置的，同時對盾構(gòu)而言還具有保壓的作用。 為解決高水壓的問題，盾尾密封鋼絲刷采用3-4 道

9、，鋼絲刷之間注入密封材料或潤滑油脂密封， 止水能力達到水壓3bar，可靠性很高。 2）按漂石、粘土地層特點改良渣土性能問題 適合土壓平衡盾構(gòu)機的理想土體要求具有 良好的塑性變形； 軟稠度； 內(nèi)摩擦角?。?滲透系數(shù)小。 盾構(gòu)通過膨脹土（巖）、粘土層，含卵石粘土 時，土層中主要表現(xiàn)為裂隙水，孔隙水，地下水位 低，水壓小，盾構(gòu)掘進時刀盤結(jié)泥餅和滾刀偏磨的 可能性較高。在盾構(gòu)掘進施工時需向刀盤前方注入 泡沫，對刀盤、刀具與渣土之間全方位的潤滑作用 （泡沫經(jīng)充分發(fā)泡后擴散到整個刀盤面板）同時在 土艙內(nèi)添加適量水，全面改善渣土和易性（形成土、 水、石的混合體），降低渣土粘性。所加泡沫和水 的量要根據(jù)總推力

10、、土艙壓力、掘進速度等各項掘 進參數(shù)進行綜合分析后確定。太多反而不能維持土 壓平衡，造成地面沉降。 3)對盾構(gòu)掘進中遇到大漂石、大卵石的處理問 題 （1）首先在盾構(gòu)機設(shè)計上考慮粒徑小于500mm 的大漂石、卵石可以通過 螺旋輸送機直接排出； 粒徑大于500mm的可以通過盾構(gòu)機刀盤上的單、雙刃 滾刀將其破碎后通過螺旋輸送機排出。 （2）對大于500mm的大漂石、卵石一旦滾刀破 巖能力不足時，考慮采用以下輔助措施： 2、成都市區(qū)地鐵盾構(gòu)施工需要解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵問題、成都市區(qū)地鐵盾構(gòu)施工需要解決的幾個技術(shù)關(guān)鍵問題 a、在地面不具備加固條件的情況下，利用盾 構(gòu)機上預(yù)留的超前注漿孔，對刀盤前方地層進行

11、洞 內(nèi)超前注漿加固后，利用刀具切削或開艙處理大漂 石。 b、加固效果不佳難以確保進艙安全時，采用 帶壓進艙方式進行處理。 c、粒徑過大開艙無法處理時，可在地面采用 人工挖孔樁挖至大漂石、卵石處采用靜態(tài)破碎。 4)開艙換刀、泥餅清理 （1）刀具的更換與管理 a、刀具的類型及適應(yīng)性 主要刀具類型為齒刀（撕裂刀）、割刀、周邊 刮刀、周圈側(cè)面保護刀，并備有單刃滾刀、雙刃滾 刀。其中單刃滾刀和齒刀的刀座形式相同，根據(jù)不 同的地質(zhì)類型兩種刀具可以互換，這樣大大提高了 刀盤對地層的適應(yīng)性。 所有的刀具都可以在刀盤背后換裝，從而保證 安全、高效地更換刀具。由于刀盤能正反旋轉(zhuǎn)，因 此割刀也是正反方向布置。 b、

12、刀具檢查和更換 由于地下工程施工不確定性的特點，且地處卵石 土層，在該地層中掘進刀具磨損較快，刀具一般每掘 進300350m左右進行一次刀具更換，根據(jù)刀具磨損情 況，一次更換30%滾刀和10%刮刀。另外，在施工過程 中，如發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進參數(shù)異常，如掘進速度緩慢、出 土溫度高、刀盤扭矩大等，表明刀具磨損嚴重，同時 可通過在刀具上安裝磨損檢測裝置，檢測盾構(gòu)推進時 刀具的磨損情況，根據(jù)檢測結(jié)果確定是否需要換刀。 常壓換刀要點： 綜合地質(zhì)勘察資料對正面土層性質(zhì)作進一步 判斷，選擇合適位置。 通常是由人工進入土艙進行刀具的更換作業(yè)， 當(dāng)隧道處于卵石土層時，含水量高、滲透系數(shù)大， 換刀前對正面土體進行加固處

13、理，正面土體加固方 法可根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定。地面有條件的可在地 面進行降水，地面沒有地基加固施工條件的。 針對成都地層采用地面加固和降水進行常壓 換刀。 刀具更換標準。一般情況邊緣滾刀磨損超過 1cm；正面滾刀磨損超過1.5cm；邊緣刮刀磨損超 過1cm。 （2）泥餅的清理 泥餅通常會粘附在刀盤上，造成刀盤開口率減小、 滾刀不能自轉(zhuǎn)。通常會表現(xiàn)為刀盤扭矩小、總推力大、 渣土溫度高、推進速度慢、液壓油溫高等現(xiàn)象，造成 盾構(gòu)無法繼續(xù)正常掘進。泥餅通常需要開艙清理，和 刀具更換開艙流程一樣，開艙后由作業(yè)人員以鎬頭或 鋼釬將刀盤開口處、滾刀間隙泥餅清理干凈后即可， 一般泥餅清理通常和刀具更換放在一起進行。 （3）在常壓開倉換刀不具備條件的情況下采用帶 壓換刀。 a、保證開艙作業(yè)氣壓系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的完好。 b、停機前壓氣環(huán)境準備要充分 c、制定完善施工方案，嚴格執(zhí)行帶壓開倉操 作程序。 d、開倉結(jié)束后，盡快恢復(fù)掘進。 （4）應(yīng)急及預(yù)防措施 當(dāng)發(fā)現(xiàn)正面土體有坍塌的跡象，立刻分析坍塌 部位、范圍，繼續(xù)坍塌的影響，若確實無法保證換刀 安全，則及時組織施工人員撤離土艙，關(guān)閉土艙閘門， 馬上進行密閉式(不出土)推進，靠上前方土體，連續(xù) 推進，使盾構(gòu)機穿越換刀點后及時對坍塌處采取打孔