成都地铁盾构施工重难点分析及对盾构机的要求.docx

construction equipment机械广场成都地铁盾构施工重难点分析及对盾构机的要求文/倪平利都地铁工程地质情况具有与国内其裂隙发育，基岩岩性为泥岩，岩石透水性、富水性均较差；地下水对混凝土结 构无腐蚀性，对钢筋混凝土中钢筋无腐 蚀性，但对钢结构有弱腐蚀性。根据区域水文地质资料，成都地 区丰水期一般出现在7、8、9月份，枯 水期12、1、2月份，以8月份地下水位 埋藏最浅，其余月份为平水期；洪水期 最高水位埋深2.5m，水位年变化幅度 一般在1.52m之间；线路旁边常有建 筑施工降水影响，引起区间地下水位下 降至6.28.0m。施工环境线路大部分均在繁华的城市中穿过，而且主要沿市政道路下行进，因而 要穿越普通房屋、商场、酒店、加油 站、停车场、河流、铁路、公路隧道、 军事设施等，具有极高的风险。盾构区间需要穿过的房屋许多为 上世纪80年代以前、甚至更早修建的砖 混结构民房，多为一层或者多层建筑， 基础结构稳定性差，许多房屋受5.12大 地震影响结构已早破坏，有的房屋墙壁 也已开裂严重，给盾构的安全施工带来 很大隐患。盾构穿越区间，其上埋设有较多 管线，尤其是在十字路口处，管线尤其 居多，主要有自来水管、污水管、雨水 管、煤气管、电力、通信电缆、光纤、 交警信号线等，纵横交错，星罗棋布， 给盾构施工产生影响。部分标段因场地狭小且不规则， 始发井尺寸小，长度不足，导致盾构机 无法一次全部下井，只能进行分体始 发，期间只能采用小碴斗进行出土，井 下管片运输时间也耗时较长，对盾构施工的正常掘进速度造成较大影响。部分标段因始发井场地狭小，可 利用空间小，渣土坑及管片场地相对 不足，经详细规划布置，个别标段的 渣土坑容量仅为752m3（12环左右出土 量），管片场地容量15环左右，渣土和 管片容量太小，无法满足两台盾构同时 掘进，两台盾构机相互制约，严重影响 施工工期。成它城市地质迥然不同的特点，主要以砂卵石、泥岩以及二者混合的地层为主，且地下水丰富，因而正确分析盾构施 工中的重点和难点，提出对盾构机的针 对性要求及设计非常必要，笔者通过对成 都地铁1号线、2号线施工情况的详细了 解，并结合已开工的4号线的地质水文及 周边建筑物的环境状况，形成此文。地质水文特点工程地质成都地铁地质情况极为复杂，包 括人工填土、粉质粘土、粉土、细砂土 层、卵石土层及泥岩地层等，但主要穿 越砂卵石、泥岩及二者混合的地层，砂 卵石地层中卵石含量高达50%85%， 粒径以2080mm为主，部分粒径大于100mm，最大粒径达180mm，砂卵石 地层有松散体、稍密、中密和密实之 分；卵石、砾石以岩浆岩、变质岩组 成，填充物为中细砂、随机分布在透 明体砂层，均匀性差、自稳能力差； 砂卵石地层中还局部散步着粒径超过 500mm的高强度漂石，卵石和漂石单 轴抗压强度达55165mpa。地层中还有全风化、强风化、中 风化泥岩，这些泥岩均属于膨胀岩，具 有遇水软化、崩解，失水开裂、收缩的 特点，其单轴抗压强度约310mpa. 水文状况砂卵石地层为地下水主要含水 层，地下水以潜水赋存期间，地下水位 埋深38m，渗透系数为1522m/d， 为强透水层，富水性好；基岩裂隙水主 要赋存在岩石强风化带中，强风化泥岩线路设计成都地铁盾构区间线路设计一般 最小曲线半径为 300mm ，线间距在 1216m，线路轨面埋深1226m，坡 度235。隧道设计为单园盾构区间，衬 砌管片外径为 d6000mm ，内径为 d5400mm,宽度为1200mm,错缝拼装， 为 3+2+1 结构，即 3 个标准块、 2 个邻 接块、 1 个封顶快，弯螺栓连接；纵 向螺栓分度 36度，曲线环每环楔形量 38mm。工程重难点分析砂卵石地层掘进时盾构主驱动扭矩问题因成都地铁中密、密实卵石层中 3-8细颗粒成分含量少，碴土的摩 擦阻力大，刀盘需要较大的搅拌力矩， 一般约为40005000knm，在盾构掘 进时，土仓一旦建立压力，则刀盘扭矩 急剧增大，据1号线、2号线施工经验， 所需额定扭矩最好一般在6000knm以 上，脱困扭矩在 7000knm 以上。因 此，对于成都地铁所需盾构机，必须充 分考虑主驱动扭矩问题。42transpoworld2012no.21 (nov)据分析，目前在国内同等型号 规格、且配置相对较高的盾构机为在 华南地区采用的盾构机，其一般主轴 承设计均为2.6m，实现的额定扭矩为4500knm，脱困扭矩为5300knm，所 以很难适应于成都地铁的施工要求，因 此，从这点考虑，成都地铁所需盾构机 最好采用3.0m以上的主轴承，再配备 相应的配置，方能满足扭矩要求。 砂卵石地层盾构欠压掘进问题因成都地铁砂卵石地层中细颗粒 含量少，透气性好，盾构机土仓压力的 建立相对较难，而且经常发生欠压掘进 的情况，这时就易产生较大沉降，严重 时，掌子面特别是拱顶将发生坍塌；而 且，由于刀盘掘进时常常扰动地层发生 超挖现象，此时同步注浆又不能补充， 因而极易形成空洞，即便当时不会发生 沉降，但盾构过后地面会陆续发生沉 降，1号线、2号线在隧道已修建好一年 多的时间里还在发生此种情况。砂卵石地层掘进时盾构刀盘、刀 具的磨损问题砂卵石地层对刀盘、刀具的磨损 非常强烈，不仅表现在刀盘转动切削 时，而且切削下来的卵石碴土对刀盘 和刀具还会产生二次磨损和冲击，使 得刀盘盘体和刀具很易损坏，根据1、2号线部分单位的施工经验，刀具一般150200m就需要更换一次，刀盘在 出洞后磨损较为严重。所以，对刀盘和 刀具采取必要的耐磨保护和科学合理的 设计布置至关重要，而且，要满足长距 离掘进的要求，尽量减少换刀次数。盾构土仓、螺旋机的磨损和卡机 问题砂卵石地层掘进时，卵石碴土不 仅会对刀盘刀具产生磨损，而且对土 仓、螺旋机的磨损都很严重，并且，由 于切削下来的卵石大小不一、形状各 异，且会在螺旋机内大量堆积，因而很 容易卡住螺旋机，致使螺旋机无法顺利 出土，严重时还会发生断轴现象。隧道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳,支撑、衬 砌变形和破坏，特别在地下水发育、地表 降水渗透的条件下，隧道土体极易失稳， 具体表现在收敛急剧扩展、拱顶下沉加 大，甚至坍塌。 大砾石和漂石的处理问题根据对成都地铁的基坑开挖情况进行调查分析和工程详细勘察报告，盾构机 通过地层中漂石含量约占022.3%（重 量比），已发现最大漂石粒径650mm， 局部地段大粒径砾石含量较高且不富集成 群，因此，无论选用何种盾构机，都有大 粒径漂石破碎问题。盾构机破碎大粒径漂石时可能会 出现刀具严重磨损、掘进困难、甚至损 坏刀盘等现象，所以，盾构设计时既要 充分考虑盾构对大粒径漂石的破碎能 力，同时又要考虑在掘进过程中对刀 盘、刀具的保护功能。换刀困难的问题因刀具的磨损相对较快，因而在 隧道内换刀是不可避免的一项工作，而 且为了保证掌子面的稳定，还必须是带 压换刀，但由于更换刀具时，需要将土 仓内的部分碴土清除以提供工作空间， 原有的土压平衡会被破坏，而且砂卵石 地层细颗粒少、透气性好，仓内气压也 很难保证，产生换刀困难的问题。因此，为解决这一问题，首先是 最好选在掌子面相对稳定的区域进行换 刀，确无稳定区域时，就需对掌子面及 前盾、中盾周边的土体进行注浆封堵， 防止注入的压缩空气逃逸；在富水区域 时，还要打降水井进行降水处理。 强透水层的喷涌问题成都地铁地层中的水含量不仅丰 富，而且地下水位高，部分盾构区间地 层还为强透水层，且由于砂卵石地层中 细颗粒成分少，不易自然形成能够止水 的流塑状碴土，往往在改良不及时到位 的情况下发生喷涌，导致大量细颗粒物 质流失，土仓失压，使掌子面失稳，进 而引起地层沉降，严重时发生坍塌事 故，因而，在盾构机设计时，应充分考 虑防喷涌的装置设计，如螺旋机的双闸 门设计等。泥饼问题成都地铁盾构不仅仅穿越砂卵石 地层，部分区间还要穿越5-2强风 化岩、5-3中等风化泥岩层，加上 细砂和中粗砂层，这些切削下来的碴土 如果不能及时有效得到改良，极易在刀 盘中心区域产生“泥饼”,导致盾构切 削效率降低，甚至发生堵仓，因而，刀 盘的合理设计、刀具的合理配备、土仓 内搅拌装置的合理布置及碴土改良系统 的配备是解决这一问题的有效途径。 在膨胀岩中掘进时的问题膨胀岩土具有遇水膨胀，失水收缩的特性，对膨胀土隧道施工极为不利，围 岩经常产生因开挖而产生变形,或者因浸 水而膨胀,或因风化而开裂等现象，使得盾构机的重点设计考虑通过对成都地铁地质水文特点以 及重难点的分析，根据1号线、2号线盾 构施工情况以及国内类似地质盾构机的 施工情况，土压平衡盾构能够完全满足 成都地铁的施工需求。在盾构机的设计方面，要适应于 粘土、粉土、砂土、砂砾石、卵石土及 富含水等多种复杂的地层，又可以通过 适当的辅助手段在砂卵石地层中稳定的 开挖、安全的掘进，能够完全满足以上 所分析的施工重难点的施工需求，因 此，盾构机不仅要保证绝对的技术先进 性、经济性，又要充分考虑其适应性与 可靠性，尤其是在刀盘的设计、刀具的 布置、长距离掘进的耐磨性设计及碴土 改良方面都是至关重要的三个方面。刀盘的设计及刀具布置理念对于成都地铁，刀盘的设计本着 “以排为主、排破结合”的理念，宜采 取准面板的结构设计，保证主梁及整个 刀盘有足够的刚度和强度，满足大扭矩2012年第21期 (11月上) 交通世界 43construction equipment机械广场和大推力的要求；并且在面板上要设计开放式的格栅，防止大于螺旋机通过粒 径的乱石进入土仓并堵塞螺旋机，还有 利于碴土的流动。要有较大的开口率，并最好在 28%35%之间，开口率太小则使碴土不 能顺利进入土仓，影响正常的出碴，而且 聚集在刀盘前部，对刀盘刀具产生多次的 冲击和磨损；开口率太大则不能有效保证 开挖面的稳定性，尤其是在欠压掘进时， 易发生坍塌涌水等事故；同时这些开口要 科学合理均匀布置在整个刀盘，保证实现 碴土径向方向的顺利流动，使碴土在刀盘 的中心区域不易形成因流动不畅而引起的 堵塞和堆积，防止在刀盘中心结泥饼的情 况发生或减少发生的概率。在刀具的配备上，要安装足够数 量的滚刀、刮刀、切刀、撕裂刀及保护 刀并合理布置，滚刀最好以 18英寸为 宜，且要加宽加厚，滚刀刀间距控制在90100mm，并且滚刀要与可拆卸的 撕裂刀互换，在刀盘的开挖直径处最好 设计有23把滚刀，以保护开挖直径，面，因此，刀盘和刀具的耐磨性考虑是最关键的，除刀盘采用hadd0x钢板、 刀头采用耐磨性和抗冲击性良好的e5 类材料外，设计生产时，均需对刀盘的 面板采取耐磨的复合钢板焊接敷设，对 外圈梁镶焊耐磨合金，对刀盘的背部采 用耐磨网格进行保护。采用加宽加厚的重型刀具，相对 于一般的滚刀、切刀来说，具有更好的 耐磨性和抗冲击性。设计加工制造时对土仓和螺旋机的耐磨设计也很关键，尤其是螺旋机， 制造单位一般都在叶片轴前部镶焊合金 块，筒体前部设计可更换的衬套，前段 底部设计可更换的耐磨块。 碴土改良系统设计考虑为充分改良碴土，防止泥饼产 生，增加和易性，保证碴土顺利排出， 必须设置合适注入量和压力的泡沫系统 和膨润土系统。泡沫系统采用单管单泵设计，4路 布置，在刀盘上设计4个独立的喷口，与 膨润土可同时注入刀盘前部，也可与膨润 土管路共用，且为防堵塞设计，保证在刀 盘喷口阻力不同时，每路泡沫能够等量等 压喷出，保证碴土改良效果，避免在中、强风化岩中掘进时产生泥饼。膨润土系统采用 2路布置，也为 单管单泵，除在刀盘面板上有2个独立 的喷口外，也可经土仓和螺旋输送机注 入，进行碴土改良。所有主入口要考虑防堵和清洗管 路的要求，同时在刀盘背部设置专门的 疏通和清洗管路，且要便于操作。结束语在盾构施工管理中，除正确分析 施工的重点和难点，对盾构机的设计提 出针对性的要求，并使盾构机的技术性 能、参数、配置、安全设计、制造等方 面完全满