復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進效能影響因素分析 朱福成

1、復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進效能影響因素分析朱福成摘要：基于現(xiàn)場掘進試驗和巖石點荷載強度試驗，對泥巖、砂巖交互地層條件 下泥水盾構(gòu)的掘進效能及其影響因素進行研究。利用現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，運用回歸 分析的方法，主要分析盾構(gòu)掘進效能與巖石強度、刀盤推力及刀盤扭矩的關(guān)系。 研究成果表明，巖石強度越高，刀盤每轉(zhuǎn)切深和掘進速率就越低，二者呈幕函數(shù) 曲線關(guān)系;隨著刀盤推力的增大，切深呈幕函數(shù)關(guān)系增加；而隨著刀盤切深的增加， 刀盤扭矩則呈線性增加。對比兩種地層的掘進特性，相對而言，泥巖地層掘進效 能較高，但需要較大的扭矩，而在砂巖地層進需要較大的推力才能獲得理想的 掘進效能。關(guān)鍵詞：隧道工程:盾構(gòu):掘進效能;刀盤推力:

2、刀盤扭矩;泥巖;砂巖引言：為提高掘進效率，改進掘進機與地層的匹配性設(shè)計，對掘進機的操作 特性進行研究。基于深圳地鐵盾構(gòu)掘進試驗，分析復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)刀盤扭矩、 刀盤推力及轉(zhuǎn)速的參數(shù)選用原則，在此基礎(chǔ)上，分析主掘進參數(shù)與切深的關(guān)系。 隨后，對不同地層條件下刀盤扭矩與推力之間的匹配性進行分析，繪制了刀盤扭 矩與推力之間的操作特性曲線，并用于分析和制定不同地層條件下的主掘進參數(shù) 匹配方案。對于較軟的泥巖，刀盤扭矩先達到最大值，而推力卻不能發(fā)揮其最大 能力;巖石強度增高，所需推力增加，在發(fā)揮扭矩能力的前提下，推力也能發(fā)揮其 功能，從而使二者達到最佳操作關(guān)系;若巖石強度過高，推力保持在最大值，但切 深很

3、淺，滾刀旋轉(zhuǎn)阻力減小，刀盤扭矩很難發(fā)揮最大能力。因此，應(yīng)視地層軟硬， 根據(jù)刀盤推力與扭矩的操作特性對刀盤的主掘進參數(shù)進行合理設(shè)計，并在掘進過 程中實時調(diào)整其匹配關(guān)系。1復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進現(xiàn)狀及面臨的問題復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進技術(shù)是開采掘進工作的重要技術(shù)之一,探究這一技術(shù)的 效能及影響因素十分必要。1.1盾構(gòu)掘進面臨的施工環(huán)境越來越復(fù)雜盾構(gòu)法掘進在隧道掘進過程中應(yīng)用較多，但該技術(shù)主要適宜在單一的軟土、 軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進。但在實際應(yīng)用過程中施工的地質(zhì)情況往 往比較復(fù)雜。例如:軟硬不均、軟硬交互、巖石強度差異大等等是比較常見礦區(qū)地 層的實際情況。復(fù)雜的巖石地質(zhì)層對盾構(gòu)掘進技術(shù)提出了

4、更高要求。另一方面， 盾構(gòu)法大多應(yīng)用于小范圍的掘進?，F(xiàn)代社會盾構(gòu)掘進技術(shù)施工的環(huán)境越來越復(fù)雜, 對掘進的精度要求越來越高。1.2盾構(gòu)掘進實現(xiàn)了全面機械化掘進全面機械化掘進大大提高了盾構(gòu)掘進的施工效率，是國內(nèi)項目施工技術(shù)的一 大發(fā)展。機械化程度越來高，如何有效使用掘進機械并保持機械的良好工作效率 是盾構(gòu)掘進技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。從盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的實現(xiàn)來看，機械損害嚴(yán)重是影響 該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。掘進過程中機械刀具意外破壞和非正常磨損非常嚴(yán)重，同時 其他輔助工作費用也有所增加。管片錯臺、管片姿態(tài)及成型隧道軸線難以控制等 等都是盾構(gòu)掘進過程中暴露的出的問題。不僅增加了掘進成本，還影響了開采的 周期。盾構(gòu)掘進機

5、械是通過刀盤旋轉(zhuǎn)，利用刀具切割巖石或土體工作的。掘進機 械的刀盤、刀具的切割效能是評價掘進效率的重要因素。包括刀盤每轉(zhuǎn)的切人深 度及掘進速率。如何提高掘進機械的掘進效率是當(dāng)前技術(shù)公關(guān)的主要方向。1.3安全事故是掘進工作面臨的技術(shù)難題從掘進機械的工作原理來看,機械刀盤工作時通過推力將刀盤切人巖石，隨著 刀盤的旋轉(zhuǎn)盤形滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，在刀盤的推力、扭矩共同作用下,對巖層 產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，形成碎片，達到掘進目的。對掘進機械工作原 理的理解可以更好地分析影響盾構(gòu)切深和掘進效率的主要因素。結(jié)合相關(guān)的理論 研究成果，地質(zhì)條件機械參數(shù)及操作特性等被視為影響盾構(gòu)掘進機械效率的主要 因素。

6、其中地質(zhì)條件對掘進效率的影響占主要。受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，地下水 壓力等綜合因素的影響,在巖層開采掘進過程中極易發(fā)生坍塌等安全事故。機械參 數(shù)和操作特性等因素的影響處于其次。復(fù)雜地質(zhì)條件下如何安全開展開采生產(chǎn)， 是其開采技術(shù)發(fā)展難點和重點。2刀具管理當(dāng)遇到軟硬不均地層或地層條件突然變化時，易造成局部刀具受力過載而被 異常損壞，刀盤和軸承也因受偏心荷載作用，對盾構(gòu)工作狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。為 了保護刀盤刀具，使盾構(gòu)工作與正常狀態(tài)，掘進時需要經(jīng)常有計劃地檢查和更換 刀具。2.1刀具檢查刀具作為盾構(gòu)最前端直接與巖體接合的部件,其工作狀態(tài)直接影響盾構(gòu)的掘進 效能。在復(fù)雜巖石地層施工的過程中，開倉檢查、更換

7、刀具是不可避免的工作。 土壓平衡盾構(gòu).上配備有帶壓進倉系統(tǒng)，可以在確保掌子面穩(wěn)定的前提下，進行帶 壓進倉檢查、更換刀具。硬巖條件下，刀具在掘進過程中，由于硬基巖作用，刀 具會受到?jīng)_擊，且伴隨動載荷突變現(xiàn)象，因此硬巖段每掘進23環(huán)，必須開倉檢查 刀具磨損情況及刀具螺栓松動情況，特別是邊緣滾刀及邊緣刮刀的磨損量，不能 超過最大磨損允許值（通常為15mm）。螺栓松動必須及時復(fù)緊，螺栓缺失的必須補 上。在軟硬不均尤其是上軟下硬、富水?dāng)嗔哑扑閹У惹闆r下，更換刀具較為困 難，若開倉控制不當(dāng)甚至造成掌子面坍塌等嚴(yán)重事故。因此在無法實現(xiàn)帶壓進倉 的情況下，必須對掌子面地層進行輔助加固。2.2刀具更換盾構(gòu)在硬巖

8、地層中掘進，正常磨損情況下的刀具更換標(biāo)準(zhǔn)一般為：當(dāng)周邊刀刀 圈磨損掉1015mm、面刀和中心雙刃刀的刀圈磨損掉2025mm時就需要更換。 盾構(gòu)刀具管理方面，建立系統(tǒng)全面的盾構(gòu)刀具管理制度顯得尤為重要，如定期和 不定期刀具檢查制度等，切實做到確保刀具安裝質(zhì)量、及時檢查刀具工作狀況、 嚴(yán)格控制刀具磨損量。在檢查刀具磨損情況時，開倉檢查的方法最為直接有效， 但卻存在很高的風(fēng)險，可能造成開挖面的坍塌，進而影響隧道周邊建筑物的安全。 除此之外，還可使用異味添加劑（這種方法適合在硬巖地層中應(yīng)用）或安裝刀具磨 損感應(yīng)裝置，在刀具或刀盤內(nèi)安裝液壓傳感系統(tǒng)，一旦刀具磨損到一定程度就會 自動報警指示。另外，在掘進

9、過程中，還可通過綜合分析掘進參數(shù)、巖碴形狀與 溫度、刀盤振動等來判斷刀具狀況。2.3管片空間定位控制盾構(gòu)成型管片的軸線及界限控制是隧道施工的主要設(shè)計參數(shù)和關(guān)鍵點。盾構(gòu) 在巖石地層與軟弱地層施工的最大區(qū)別是，在軟弱地層中，刀盤切削后隨著盾構(gòu) 向前推進，周圍土體對盾體和管片很快形成包裹和擠壓，所以控制好盾體姿態(tài)基 本就滿足了隧道成型設(shè)計參數(shù)的要求;但盾構(gòu)在巖石地層施工時，由于地層穩(wěn)定性 較好，盾構(gòu)推進后地層基本不會對管片形成包裹和擠壓，在掘進直徑區(qū)域內(nèi)，管 片空間定位較困難。影響盾構(gòu)管片空間定位主要因素有兩個:其一是盾構(gòu)的推進力， 為了克服因盾構(gòu)自重而產(chǎn)生的低頭現(xiàn)象，正常施工時下部分區(qū)的油缸壓力最大， 這會造成管片向.上的趨勢，直接導(dǎo)致管片高程的增加，嚴(yán)重時將超過設(shè)計要求。其二是同步注漿壓力，進行同步注漿時，漿液受到自重影結(jié)語：復(fù)雜巖石地質(zhì)層盾構(gòu)掘進效能的改善對當(dāng)前掘進開采水平的提高有著 重要意義。在實現(xiàn)盾構(gòu)掘進全面機械化操作的基礎(chǔ)上，提高機械掘進效能能有效 控制掘進成本，實現(xiàn)盾構(gòu)開采掘進的科學(xué)管理。地質(zhì)條件、機械參數(shù)及操作特性是 影響盾構(gòu)掘進效能的主要因素。復(fù)雜礦區(qū)地質(zhì)層盾構(gòu)掘進效能的控制也是適應(yīng)社 會發(fā)展需要的重