盾构机——复合地层中的掘进.ppt

张华中国中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 浅谈复合地层盾构刀具的使用与管理 中国中铁 摘要 随着城市地铁建设的快速发展 盾构隧道施工中复合多样地层不断出现 如何应对复合多样地层已成为我们地铁建设施工技术的关键 我们这里说的复合地层是指 地层上软下硬 开挖面存在孤立的基岩 纵断面岩性缺失较大 裂隙水或承压水较丰富 且区间线路埋深较大 开挖拱顶在20米以下 地表建筑物密集的施工地层 强风化花岗岩裂隙水和承压水较丰富 遇水崩解易形成似流沙 并伴随着承压水的压力 全风化花岗岩虽然含水量不是很大 但其自身的执掌力较差 粘结力不足 轻微地扰动极易剥落 刀盘及仓压对其的支撑与防护是严重不足的 花岗岩和变质花岗岩的单轴抗压强度较高一般在70MPA 130MPa 有时高的可达200MPa 且岩性较完整 整体性较好 由于地表建筑物非常密集 隧道埋深较大 地表建筑物修建年代久远等不利因素 因此对盾构施工沉降控制要求很高 广州市地铁三号线北延一标盾构区间就是这种施工环境 下面我们就以此标段施工情况从三个方面总结复合地层盾构施工与管理 一 刀具在刀盘上的分布 复合地层或硬岩隧道施工一般采用设备是的是复合式盾构机 由于设计理念上的差别 对于不同的设备会有一定的区别 如海瑞克盾构机S 438 其刀盘设计上刀具多采用32把17寸单刃滚刀和中心区域的4把17寸中心滚刀 小松盾构机 刀盘设计采用19把17寸单刃滚刀 8把17寸双刃滚刀 4把17寸中心滚刀 这两种机型刀具在刀盘上的布置都采取了从外边缘到中心区域 以单刃刀到双刃刀的排列 但是习惯上一般把刀盘分为边缘区 正面区 中心区 在三个区域中刀具的布置是截然不同的 海瑞克盾构机 布置边缘区与正面区刀具由32把单刃滚刀组成 而中心区域是由4把中心滚刀组成的 总的刀刃数量为40个 边缘区为的刀间距7cm 而正面区和中心区的刀间距为10cm 并且正面区16把刀具呈十字状整齐排列在刀盘的面板上 中心区域的4把中心滚刀呈十字交叉状布置在刀盘的中心处 小松盾构机 刀具布置边缘区由19把单刃滚刀完成 正面区由8把双刃滚刀完成 16个刃 中心区也由4把中心滚刀完成 总的刀刃数量为43个 边缘区19个刀刃刀间距为7cm 但是最外边的43 42号刀刃是同一轨迹 正面区8把双刃滚刀的16个刀刃刀间距为10cm 但是刀具的布置却呈单个散开状分布在刀盘的面板上 中心区域的4把中心滚刀呈一字状整齐排列在刀盘的中心处 二 刀具自身的各个参数 充分了解了刀具在刀盘上的布置 对我们如何使用和管理刀具是相当重要的 另外对盾构推进参数的分析和确定也是很重要的 17寸单刃滚刀是如今普遍使用在复合式盾构机上的刀具 其刀圈内径为285mm 外径为432mm 圈体高度为73 5mm 圈体厚度为76mm 刀刃厚度为19 16mm 刀圈与刀体为过硬加热装配多采取0 22 0 25mm米的过硬量和170 190度的加热 双刃和中心滚刀数据相同 目前国内市场上刀圈硬度多在55 57HRC 其硬度 抗磨度已足够满足我们使用的需要 刀具刀体的启动扭矩和密封性也同样非常重要海瑞克刀具的启动扭矩一般在2 2 2 8公斤 其密封装置多采取两种方式 海瑞克原装刀具采用一道浮动密封 对内密封轴承腔体对外密封泥沙倾入的防范措施较弱 其他厂商 庞万力 改进型国产刀具厂家 除了一道浮动密封外还有防泥沙倾入的尼龙挤压环 两端各两道 加强了防止泥沙倾入的密封措施 其密封性测试为轴承腔体内注入3 5bar压缩空气 通过观察压缩空气泄漏情况判断密封性的合格与否 标准为压缩气体的逃溢量 0 1bar h 由于这种密封装置设计的特性 密封性的建立完全取决于刀体两端盖对密封装置挤压来完成 刀具启动扭矩的建立也是依靠刀体两端盖挤压轴承从而达到刀具旋转力的设定 所以刀具启动扭矩和密封性相互影响 相互制约 小松刀具的启动扭矩一般在1 8 2 4公斤 其密封装置较海瑞克提高了很多 浮动密封 辅助密封 防尘密封三者的有效结合 大大降低了密封性对轴承预紧力的依赖 致使小松刀具的启动扭矩降较以前的刀具低了0 4bar 其密封性反而得到了提高 这样就大大提高了刀具在复合地层和硬岩开挖时的使用效率 现如今市场上的刀具轴承多采用铁姆肯轴承 加注的润滑油多为壳牌重负荷齿轮油 注意产品把关即可 由于每把刀具所能承受的最大挤推力一般应在26T 28T 因此作用在刀具上的承载力超过设计值 其的自转 密封性都要受到严重地破坏 三 刀具的安装方式 刀具在刀盘上的安装方式也是我们使用刀具的关键 尤其是在复合地层和硬岩中的掘进 刀具的紧固是否正常特别重要 海瑞克盾构机刀具的安装方式多采取背装式楔面预紧 较为可靠 但中心滚刀则采取背面螺栓预紧 不如单刀的组装方式 特别需要我们在掘进过程中的复紧 小松盾构机刀具的安装全部采取背面螺栓预紧 组装时防松措施差 掘进中螺栓需要反复复紧 刀具重复使用多次后螺栓 螺栓母体之间的预紧力将下降 刀盘上刀具安装座也易产生轻微的变形 这对刀具的预紧力是非常不利的 因此我认为小松刀具安装方式不可取 四 刀具的使用与管理 以上是对复合式盾构机刀具以两种机型 三个方面进行了简单的概括 即 1 刀具在刀盘上的分布 2 刀具自身的各个参数 3 刀具在刀盘上安装的方式 只有掌握了这些技术特性 我们才能科学的使用和管理刀具 从而为盾构掘进服务 刀具在刀盘上的分布为开挖破岩 支护掌子面 实现既定线路提供了条件 边缘区刀具的布局 强调开挖轮廓线足够 破除岩层整体性强 小松较海瑞克合理些 尤其是在最外边缘实现双轨同迹 刀盘正面切口过渡弧面刀具的布设较海瑞克均匀分布有利于破岩和刀具的保护 这两点海瑞克要弱些 刀具的布局直接影响到刀盘开口布设 对掌子面的支护影响颇深 两相比较差异不大 但是小松正面区为双刃滚刀 又是单个散开状分布在刀盘正面 每个刀具破除的渣土距离开口不如海瑞克来的直接 海瑞克正面区16个刀刃十字状整齐排列在四个开口的两侧有利于排渣 所以小松在复合地层中推进时刀盘中部温度较容易升高 对刀具的保护和渣土的改良提出了较高地要求 而边缘区显得比海瑞克强势些 北延一标小松盾构机由于双刃滚刀损伤教训很深 中心区域小松4把中心滚刀呈一字状排列有利于排渣 海瑞克呈十字交叉状分布的4把中心滚刀开口率极低偏磨 损伤高于小松 刀具自身各项参数我们要严格按标准检测 验收无论新刀 维修的刀 密封性与启动扭矩严格自检要成为刀具上刀盘前的必检项目 使用过程中如何让刀具自转起来 如何有效降低开挖区温度 如何有效降低刀具承载力 如何有效降低刀具冲击力 如何根据刀具在刀盘上的分布科学更换刀具从而最大限度利用好每一把刀具 是我们在复合地层或硬岩中推进不断解决的平衡矛盾 提高刀盘转数让公转带动自转 复合地层也好 全断面硬岩也好 刀具自转起来了 温度 刀盘扭矩 开挖效率 推力迎刃而解 刀具的破岩我们分为三个阶段 50MPA以下岩层为滚碾式切削 出来的渣样多为块状 50MPA 100MPA之间岩层为滚碾式磨削 出来的渣样会随着岩层硬度逐步升高块状减少 粉粒增多 100MPA以上岩层为滚碾式疲劳磨压 块状渣样极少见 多为细小颗粒和粉末 因此刀具自转的重要性不言而喻 掘进过程中刀具更换非常频繁 刚换上去的新刀具与未更换正在使用的刀具 会产生刀刃高差 合理的调配刀具有效降低相邻刀具刀刃高差 一般来讲相邻刀刃的高差不能大于3 5毫米 边缘区与正面区刀刃高差不能大于5毫米 边缘区与中心区刀刃高差不能大于8毫米 其中道理之所在 岩层强度较高时刀刃的贯入度不会大于3 5毫米 60MPA以上时 如果刀刃高差大于贯入度那么磨损量小的刀具将承受超负荷承载力 损伤密封和轴承造成早期偏磨 磨损量大的刀具将不易转动 或似转非转也同样造成偏磨 这种现象在刀具刚更换上时极易发生 因为此时的掌子面也不符合刀具的轨迹 所以调好刀刃差 研磨好刀刃与掌子面的轨迹都是为了让刀具在今后的开挖中转起来 让滚碾式的切削 磨削 疲劳磨压进行到底 刀具在刀盘上的安装 我们在上面叙述过 海瑞克的单刀背装式楔面预紧要好于小松的背面螺栓预紧方式 主要是刀具的反复使用小松的紧固母体会受到反复拆卸次数的影响 逐步降低了预紧能力 海瑞克就可以在不影响刀具自身的情况下 更换刀具预紧装置 但是 管理是关键 刀具安装的技术培训 安装的过程控制 安装完毕后的检查 就需要我们规范管理 众所周知 刀具的安装都是由盾构队作业层完成的 他们的机械知识 责任心 参差不齐 培养一支好的刀具更换队伍 还有压气作业 尤为重要 在盾构施工过程中 土压平衡式盾构机主要通过利用土舱内的碴土来维持工作面上的土压平衡 但在检查 更换刀具的时候 必须清理出土仓内的碴土以提供足够的工作空间 原有的土压平衡将被打破 因此维持更换刀具时的土压力 保持掌子面土体稳定性成为亟需解决的问题 为维持掌子面土体稳定 常用的方法有降水加固法 注浆加固法 围护桩 如人工挖孔桩 加固法 连续墙加固 盾构机内加固 带压加固法等 另外 从土仓内工作环境又可将换刀分为常压换刀和带压换刀法 由于各种加固方法具有有各自的优缺点 因此 需要根据不同的施工条件选用合理的换刀模式 常压开仓换刀法 即通过加固或者降水等措施提高掌子面的自稳性 实现土仓内常压 1 直接开仓换刀 就是在地基承载力较高 掌子面稳定性比较好的条件下 不采取任何加固方法 直接排空土仓内土体 进入土仓更换刀具 这种方法适用于掌子面稳定性较好的情况 如全断面硬岩情况 2 降水加固 就是从地面施做降水井 通过降水实现土体固结 从而提高掌子面土体稳定性 如沙层或者中风化花岗岩地层 3 地表注浆加固 就是从地表向换刀点注入水泥浆液 或其它加固浆液 加固土体 提高掌子面土体稳定性 4 围护桩加固 就是在掌子面周围施做围护桩 直接保证掌子面稳定 5 连续墙加固 即在预计换刀点进行连续墙加固 等盾构机刀盘进入连续墙后再进行换刀 6 盾构机内加固 即通过土仓回填 超前注浆等工艺 通过盾构机内部对换刀点地层进行加固 带压换刀法 带压加固 即通过向土仓注入压缩空气 以气压平衡代替土压平衡来稳定掌子面 带压进入土仓检查 维修保养和更换刀具和刀盘的工作原理是 在盾构机内对刀