极端软硬不均段地层盾构刀具磨损及解决措施

极端软硬不均段地层盾构刀具磨损及解决

措施李小龙（中交四航局第一工程有限公司，广东广州510510）1工程概况此次以珠机城际一期工程作为研究案例，其中金融岛-横琴站设计为双洞单线隧道形式，隧道左线的起止桩号为：DK9+752〜DK12+403.685,总长度设计为2.651km；右线起止桩号为：YDK9+796.198-YDK12+421.840,总长度设计为2.625km,隧道左右沿线全部使用盾构法进行施工。金融岛一横琴站区间隧道采用的是钢混结构的单层衬砌方法进行施工，其管片设计，为常规性的楔形环管片，管片的宽度控制在1.6ni以内；管片的厚度设计为400mm，管片安装必须要错缝形式进行施工，接缝部位需要做防水处理；管片的外径设计为8500mni,内径设计为7700mm；单块管片的重量设计为6.8t。2工程难点及对策1工程难点该项目施工区域内主要存在2处不良地质：第一处的左右线起止桩号为:DK10+360-DK10+673.YDK10+382-YDK10+713,该区域刚好处于河道区域内；第二处左右线起止桩号为：DK11+680-DK11+880、YDK11+645-YDK11+960,该处隧道的埋设深度控制在16〜22m,地面结构层中分布有天然气管道、自来水管道、高压线缆、雨水管网、污水管网等。该项目中的不良地质数量较多，具体占比高达25%,不良地质区域内的岩石强度比较高，基本上为上层较软、下层较硬的地层结构。开挖断面的上方存在大量碎石块，开挖断面临近海域，在实际开挖的过程中应尽可能放慢开挖速度，以降低刀具损坏的可能性。在实际施工过程中，盾构机出现卡死、偏移、塌方等情况的可能性较大，会对盾构施工带来阻碍。2.2应对措施（1）正式施工前，施工单位对施工区域的地质条件进行勘察，勘察的间距控制在3nl〜5m。（2）根据勘察结果确定出科学合理的施工技术参数，掘进过程中观察洞内出土情况，根据土石比例确定出岩面的高度，结合分析结果对掘进技术参数进行合理优化，最大程度降低刀具损坏的可能性。（3）上层较软、下层较硬的地层结构中，岩石的强度比较高，结构中的土质主要是淤泥土、粉质土，软硬结构层分界部位软硬差距悬殊,会对刀具造成较大的损伤，可以换用低转速进行钻进作业，以降低滚刀受到的冲击力。（4）频繁测量渣土的温度，结合测量结果对发泡剂的注入量进行优化调整，也可以达到降低刀具磨损的目的。（5）上层较软、下层较硬地层结构的地质条件不理想，地层结构中含有大量碎石块，导致加固作业的效率降低。为有效提升施工单位的作业效率，可以适当提高刀具更换标准。3不良地质条件下盾构刀具磨损分析刀具磨损的过程在盾构掘进过程中，切削刀刀头与土体推挤作用使被切土体产生变形,并成为土屑。因切削刀刀头与切屑、刀具后面与切削下渣土的摩擦，使刀具在盾构掘进的过程中产生磨损。刀具从磨损到损坏的过程可分3个阶段：(1)第一阶段：初期磨损阶段。刀具装配完成后，可以发现前刀面和后刀面凹凸不平，通过仪器可观察到在其表面有很多尖而小的“凸峰”。当受到土体作用和渣土摩擦时，这些“凸峰”会很快被磨平，这一阶段很短，为初期磨损阶段；(2)第二阶段：正常磨损阶段。刀具经过初期磨损后，后刀面会形成一部分磨损区域，使刀具与土体的接触面增大，随着切削时间的增加，刀具表面的磨损会加剧；(3)第三阶段：急剧磨损阶段。在刀具磨损达到一定程度之后，刀具开始急剧磨损，这种磨损是不均匀、不规律的，甚至会产生崩刃。刀具磨损的原因分析盾构刀具的磨损与地质情况、刀具材质、所在刀盘轨迹位置及掘进参数有关，并且随着刀具切削里程的增加而增大。布置在刀盘外侧的刀具由于掘进时线速度大，使得周边的刀具磨损快、寿命短。刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落，刀具的磨耗受刀具本身材质、所受推力、地质条件和刀具切入深度的影响，刀具崩落与安装方法(焊接或螺栓连接）有关，施工时也受刀柄的磨耗和渣土的冲击影响。盾构在掘进中会遇到各种不同地层，从淤泥、黏土、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等，开挖过程中刀具受力复杂，工作环境恶劣。刀具的磨损与施工地层密切相关，淤泥质黏土、粉质黏土、黏质粉土等地层对切削刀的磨损很小，而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重,非正常磨损急剧增大。长距离、高强度的硬岩地层，使得原有设计目标值为较软岩和较坚硬岩的轻型刀盘，在整体强度、刀具布局及配置方式、刀箱结构、破岩理念上均出现明显的不适应性。具体表现为：（1）滚刀数量少，刀间距大，硬岩切削效果差；（2）周边滚刀数量少，全断面辉绿岩段保径效果差，周边铲刀破坏明显；（3）滚刀与齿刀在同一辐臂，硬岩地层表现配合不佳；（4）刀箱为轻型，长距离硬岩掘进后，发生变形；（5）滚刀螺栓及楔块易受力变形，进而影响滚刀拆卸更换；（6）整体抗压、耐磨性不足，长距离硬岩掘进后，发生磨损。盾构机在掘进上层较软、下层较硬的地层结构时，刀具受到的磨损程度最大，这也就意味着刀具出现损坏的可能性也最大。结合设计图来看，隧道上层较软、下层较硬的地层结构总长度为1055m。在对左线进行施工时,更换了631把刀具，其中444把刀具属于正常磨损更换；在对右线进行施工时，更换了868把刀具，其中515把刀具属于正常磨损更换。4刀具磨损的解决措施4.1渣土改良(1)泡沫剂的用量。泡沫剂中的原液占比控制在2%〜5%,原液的配比量可以根据底层的含水量进行合理调整，发泡率保持在8〜15倍之间。(2)膨润土的用量。膨润土的比重确定为1.0s,发酵时间控制为24h,掺加量为20%〜50%。在实践时，施工人员应根据出渣部位的渣土情况、掘进技术参数对掺加剂的具体用量展开分析，不断优化掺加量，以保证发泡剂拥有良好的流动性，避免出现泥饼，降低刀具磨损程度带压换刀启动作业仓与主仓之间的平衡控制阀门，确保作业仓与主仓之间的气压差保持平衡，然后使用专业检测设备检测仓内的气体，保证仓内不存在有害气体，控制人员在仓外填写压力控制表。滚动更换流程如下。(1)现安装台面安装并进行加固处理；使用吊带对滚刀进行捆绑，确保滚刀的牢固性；利用吊链将滚刀挂住；松开螺帽的保护装置；将垫圈移开并对压块进行调整；利用撬棍将滚刀撬开，结合现场的实际情况，假若有需要则可以对螺杆进行加固；将滚刀从刀箱中移除，并将新装置的滚刀移动至新部位；当新滚刀安装完成以后，具体的安装要求为：在安装之前对底座进行清理，检查底座是否发生变形；还需要兼顾滚刀移动的方向，确保滚刀安装不会出现偏差；安装入楔形块;安装可调节性的压块，使用螺母进行加固。(2)当滚刀更换完成以后，作业人员会检查刀盘及仓内的实际情况，确保仓内不会遗落不必要的其他物品。技术人员应检查排气口、送风口、仓门的质量，在检查合格以后将仓内的压力消除［6-8］。盾构机的合理选型4.3.1盾构机的参数选型在选择盾构机时，必须保证盾构机具备解决突发状况的能力，同时盾构机的性能不会与现场的地质条件发生冲突，提高施工效率。施工单位在经过全面考虑以后，确定出如下盾构机选型技术参数：(1)盾构壳体：盾构设备的外径为①8780mni；盾构机尾部的缝隙为30mm；盾构机的长度为14950mm；盾构机的宽度为12210mm；主机的长度为11250mm；盾构机尾端的封闭处理：钢丝刷+钢板刷+桨板。(2)注入管：①前端注浆管道：4个规格为3B(80A)的注浆管；6个规格为2B(50A)的注浆管；②构件安装位置：主仓的隔断板数量为4个，盾体部位的隔断板数量为6个；③注浆管类型：10个规格为3B(80A)的注浆管；④盾构机外侧注浆管：6根规格为2B(50A)的注浆管，注浆管设置为2排。(3)左线刀盘：①刀盘类型：面板式刀盘；②外径：08820mm；③开口率：不得低于30.0%；④主切削口：配备130个削口；⑤外周保护口：配备12个；⑥导流切削口：配备10个；⑥底座保护：配备30个保护装置；⑦磨损检测：配备2个检测装置；⑧注浆管保护装置：配备10个保护装置；⑨单刃滚刀：配备40个滚刀；⑩双刃滚刀：配备6套；⑪中间部位的滚刀：配备8套。(4)右线刀盘：①刀盘类型：面板式刀盘；②外径：08820mm；③开口率：不得低于27%；④主切削口：配备130个削口；⑤外表面保护装置：配备12个保护装置；⑥导流切削口:配备10个削口；⑥底座保护装置：配备30个保护装置；⑦磨损检测装置：配备2个检测装置；⑧注浆管保护装置：配备10个保护装置；⑨单刃滚刀：配备40个滚刀；⑩双刃滚刀：配备6套滚刀；⑪中间部位的滚刀：配备8套滚刀。(5)刀盘主驱动：①刀盘驱动：配备12台变频设备，其中2台作为备用设备；②刀盘的扭矩：常规作业扭矩设计为12082kN-m、脱困状态下的扭矩设计为14498kN♦mo(6)推进系统：选择使用双闸型系统；设备的内径为lOOOnm；设备的扭矩为182.5kN-m0(7)同步注浆系统：注浆注率确定为180%；采用柱塞泵；单液注浆泵数为2个。(8)盾尾密封系统：选择密闭式系统，使用钢板刷进行封闭处理；耐压数值为LOMPa；配备2排钢丝刷，1排钢丝刷，1排钢板刷。(9)后续台车：①类型：上下两层结构形式；②设备：注浆设备、油泵、变压器、压缩机等等；③台座高度：12m；④数量：6节；⑤台座牵引长度：1000mm；⑥轨道距离：2600mm；⑦台座的空档长度：3329mm。4.3.2盾构机选型的注意事项经过综合考虑以后，施工单位配备2台盾构机，规格为①8.82m,这种盾构机可以适应现场的地质条件，盾构机的开口率可以满足实际施工的各项技术参数需求。针对不良地质路段，对盾构机进行如下改进处理:(1)假如岩土强度比较高的情况下，刀箱出现变形的可能性非常大，当刀箱出现变形以后，必然会对刀具的使用寿命造成负面影响。所以在刀箱结构设计时，需要兼顾刀盘震动带来的影响。(2)刀盘在掘进过程中，会在外部作用力的影响下逐渐向盾体一侧产生变形，这种情况下，刀具的受力情况会发生变化，从而导致刀具损耗越来越严重。因此，在选择刀具时，应该优先选择刚度比较大的刀盘。(3)螺旋机的容量机出土水平满足实际作业的需求，但是在实际运行过程中，螺旋机出现断轴现象，在实际设计过程中应该提高螺旋机的抗冲击性能、抗剪性能。(4)掘进至岩石层时刀盘磨损的程度明显增大，建议可以适当提高圈梁材料的耐磨性。(5)岩土层的渣土改良会对刀具的磨损状况造成巨大的影响，本施工项目配备有2台盾