在复杂地层掘进中的盾构出仓检查、更换刀具施工技术.doc

在复杂地层掘进中的盾构出仓检查、更换刀具施工技术第31卷第8垮Vt113l1.8建筑施TBUILDINGCONSTRUCT10N特种工程,在复杂地层掘进中的盾构出仓检查,更换刀具施工技术ConstructionTechnologyforFinaITunneling一0utInspectionandCUtterReplacementunderComplicatedGroundCondition口金福强施鸿蒙(上海市机械施工有限公司200072)【摘要】针对盾构在南京地区复杂地层掘进中施工参数异常,刀具磨损严重的情况,通过先行确立出仓位置及刀具磨损标;隹,前期技术;住备,检查和更换刀具工艺等系列施工技术,确保了作业质量和安全,并使隧道顺利贯通【关键词】复杂地层盾构出仓捡查更换刀具施工技术I中图分类号It1455.43/文献标识码Bf文章编号】10041001(2009)080678031工程概况南京地铁1号线南延线TA06标为一站一区间工程(岔路口车站及岔路口站河定桥站区间隧道).其中,岔路口站一河定桥站区间为单圆盾构法隧道,起于里程K8+293.5l1,止于里程K9+451.209,在里程K8+871.500处设联络通道泵站一座.左线长1157.7m,右线长1160.8m,总长2318.5m,衬砌管片总环数1931环.隧道覆土厚度6.9m23.5m,最大纵坡29.092,最小纵坡2.88,区间最小平曲线449.851m.工程采用小松盾构施工.小松盾构主要技术参数见表l.衷1J构土要技术参数盾构类型土压平衡式盾构直径击634()111111外径(b2111111最小平曲线R15f)Ill概况管片内径55()l111111最大纵坡35%t,环宽12l1)nml工作土压3bar盾构长度79【l()111111整机长度57.4()n1结构形式复合式,全断面切削,正反刀具滚刀与刮刀可互换刀盘转违【】.32.2rpnl粗矩5733kN111刀盘苴径击6450扭矩系数d=22.39推进行程和数量19J()null6单个推力1715kN千斤顶l4f】f)11113116总推力37730kN推进速度85Cln/nfin单位面积推力1i92kN/m(】21t/Ill)同步注浆管数量4注浆泵压力max5.5Mpa注浆注浆泵能力2428()k/min料斗容积5.5m添加卉注水有注泥有注入注泡沫新装泡沫设备岔路口站河定桥站区间隧道主要穿越土层【作者简介】金福强(1969一),男,本科,工程师,公司主任工程师联系地址:上海市洛川中路7【11号(2l1072)【收稿日期】20090730?678?一3-lbl-2粉质黏土,d3xI强风化泥质粉砂岩,d3x-2中风化泥质粉砂岩,一3b23粉质黏士,一2b4淤泥质粉质黏土层.本工程盾构既要穿越粉质,淤泥质黏土层,又要穿越强,中风化泥质粉砂岩层及粉质黏土与风化泥质粉砂岩共存复合地层,盾构刀盘采用滚刀,刮刀,先行刀混合布置(见图1和表2).表2路u站河定桥站区间隧道盾构刀盘刀j组合图1岔路口站河定桥站区间隧道盾构刀盘图2工程难点2.1刀具磨损影响大(1)穿越-3一ibl-2粉质黏土与强风化泥质粉砂岩易造成刀具偏磨.由于滚刀高于刀盘面140nlm,先行刀高于刀盘面105mm,当正面滚刀磨损值超过35mm后,导致先行刀直接切削岩面,造成切削困难,刀盘扭矩增大,推进速度降低.(2)盾构刀盘及本体6340mm,安装滚刀后开挖6450mm,具有(64506340)/2:55mm超挖范围.当在弼枣筑施二第3卷8/2009金福强,施鸿蒙:在复杂地层掘进中的盾构出仓检查,更换刀具施工技术第8期岩层中掘进的周边滚刀磨损值超过25mm后,超挖范围减小,导致盾尾外置式注浆管(约高出盾壳30mm)与外侧岩层直接摩擦甚至卡死,影响掘进.(3)盾构滚刀的磨损量随岩石层中掘进距离呈正比增加.由于线速度的不同,刀盘外周滚刀与内周滚刀磨损量的速率也不尽相同.根据小松公司提供的盾构刀盘外周,内周滚刀磨损量(mm)和掘进距离(m)的关系(见图2),外周,内周滚刀在岩层及岩土复合层中掘进270Ill,其磨损值约为20,lOmm,盾构是无法一次完成600多m岩层及岩土复合层掘进的,在南京区间隧道左,右线施工期间至少各需进行3次出仓更换刀具.外周邬滚刀一刀头磨损盛一刀磨损量(mil1)磨损限值图2刀盘外周,内周滚刀磨损量(tTu)和掘进距离(m)的关系2.2出仓检查,更换刀具危险高(1)掌子面稳定性不易控制;(2)地下水情况复杂:(3)地层中有毒有害气体不确定.3出仓检查,更换刀具条件3.1位置要求(1)应在自立性好,裂隙水小,无危险气体的自然围岩中.(2)掌子面的全断面应位于J3x一2中风化泥质粉砂岩层中,且上部有23m厚的岩层.(3)盾构掘进影响范围(盾构埋深45.角范围)内无工厂,民房等建(构)筑物.3.2刀具磨损标准(1)盾构施工参数异常:土压力基本不变,掘进速度降低,刀盘扭矩,总推力增大.(2)渣土形状:正常情况渣土呈片状,25cm左右.如岩屑呈粉末状,则表明滚刀磨损严重,破碎岩石能力降低,主要在进行研磨.(3)土仓温度:35cc.(4)声音:滚刀切削岩层发出的摩擦声,也可从侧面判断滚刀的磨损.4出仓检查,更换刀具施工技术4.1施工参数异变进入全断面中风化岩层掘进后,盾构采用欠土压(土仓压力理论正面土压力)平衡掘进,刀盘面少量注水,注泡沫(2个孑L注水,1个孔注泡沫),刀盘扭矩正常,刀盘中心温2oo9年8月出版度253Occ左右,掘进速度稳定.区间隧道左,右线盾构掘进至348环(掘进里程417.6il1),351环(掘进里程421.2m),施工参数变坏,并在推进中出现由于过载而停机现象,掘进速度最低降至0.5cm/min,土仓内温度也异常升高(见表3).表3区间隧道左,右线盾构更换刀具前后的施工参数项目左线刀具更换前左线刀具更换后右线刀具更换前右线刀具更换后总推力18f舢2I)OOt1(J【101200t140016r)Ot10001200t刀盘扭矩总扭矩90%一1%总扭矩50%一%总扭矩%一)%总扭矩50%一6O%掘进速度lcm/nfin以下3cm/nfin15cm/min以下3cm/min土压力设定15bar15bar1.5bar1.5bar实际土压力().816bar0816bar(1816bar0816bar实际进度3环/d7环/d5环/d7环/d渣土形状呈粉末状呈片状呈粉末状呈片状土仓温度35以上低于3n35以上低于3n声音有摩擦音正常有摩擦音正常4.2出仓检查,更换刀具位置确定对施工参数,地质条件和周边环境等综合分析后,在区间隧道左,右线348环,351环停机出仓检查刀具.此时区间隧道左,右线刀盘位于约353环,356环,其平面位置在双龙大道非机动车道下方,周边为大桥机械厂大门及一层门卫室,出仓检查对周边环境影响较小.盾构全断面位于中风化泥质粉砂岩层中(螺旋机排出渣土与地质报告对中风化泥质粉砂岩层描述相吻合),该岩层强度较高,自立性能好,裂隙不甚发育,且在盾构上方有约2m厚岩层,围岩条件较好,此段岩层相当于一个天然加固体(抗压强度530MPao4.3出仓前期技术准备4.3.1监测点布设以刀盘位置为中心,前后每隔1.2m(1环间距)各布置4个地面沉降监测点,总计布置监测点9个,并在盾构到达换刀地点前完成初始值的测量.出仓检查,更换刀具期间,监测频率每天2次.4.3.2盾尾后部压注发泡聚氨酯为防止岩层中裂隙水从管片与周边岩层的空隙中汇流进入盾构,采用发泡聚氦酯通过衬背注浆的形式进行压注.压注位置:盾尾后5环,整环压注,形成一个挡水环箍.4.3.3逐级抽土降低土压力出渣土时,土仓压力不能骤降,应逐级卸压,使土压力由1.5bar降至0bar左右(盾构压力传感器设置在土仓中部及上部),并在卸压中仔细观察土压力变化和地面沉降.总出土量约36m,与土仓容量相近,表明逐级抽土降低土压力保证了掌子面的稳定.4.3.4掌子面处理技术(1)掌子面岩石处理:停机后滚刀与岩面处于紧密接触状态,用风镐在其接触位置凿出一个强度,整体性,稳定性较好的掌子面;开裂的部位,用木撑撑住;松散的部位,凿除干净,避免检查,换刀过程中岩面坍塌,岩块掉落伤人.?679?第8期金福强,施鸿蒙:在复杂地层掘进中的盾构出仓检查,更换刀具施工技术(2)排水将土仓3个注水口改造为出水口,把通过刀盘开口渗入土仓的裂隙水,不断向外排出,减少检查,更换刀具的麻烦.(3)仓内空气检测:进入土仓前,用复合气体检测仪对空气中硫化氢,甲烷,一氧化碳,氮氧化物等气体的浓度进行检测,并测定空气中的含氧量,达到安全要求后方可进入.(4)通风措施:用大功率,高性能工业风机将地面空气送至作业面,保证作业的环境.4.4出仓检查,更换刀具4.4.i刀具检查由于出仓更换刀具后盾构还要掘进200多m中风化泥质粉砂岩层,因此对磨损达到20mm左右及以上的滚刀全部进行更换.刮刀和先行刀的合金堆焊层磨损严重或脱落,崩齿的也进行更换.(1)滚刀磨损检查:使用滚刀塑料模板测量刀具的实际磨损量,最终确定区间隧道左,右线盾构滚刀磨损超过20mm的分别更换9把,l4把.(2)刮刀,先行刀磨损检查:刮刀,先行刀采用目测检查.由于滚刀高于刀盘面140mm,高于刮刀6Omm,高于先行刀35mm,大部分滚刀磨损值小于35mm,且刮刀,先行刀合金堆焊层磨损情况又较好,故无需进行更换.4.4.2刀具更换准备工作完成后,打开土仓后部人闸,人员,设备,材料通过人闸进入土仓(人闸位置见图3).(1)确定更换刀具的编号,步骤,拆一把装一把,由外往内更换.(2)仓壁上安装站人平台,在3点钟位置进行滚刀的拆卸和安装;在3点和9点钟上方位置进行刮刀的拆卸和安装.(3)拆下螺栓,垫圈,螺母,压块等集中放置在铁皮工具箱里.(4)滚刀挡圈朝刀盘圆心(见图4),刀具安装好后锁紧螺栓.图3盾构机本体图;j翌旧由于土仓内作业空间小,施工条件差,滚刀装拆难度很大,更换一把滚刀一般需要7lOh,发生滚刀刀座螺栓锈死,卡住等情况,则装拆时间更长.区间隧道左,右线盾构更换滚刀分别用了1Od,8d时间.4.4.3施工监测岔路口站河定桥站区间隧道左,右线348环,351环出仓检查,更换刀具,在更换期间,监测情况见表6,除了土仓清空那天降低土压时地表沉降略大(左线4.1mm,右线2.4mm),其余时间较为稳定,围岩(观察)情况也未见异常.表6区间隧道左,右线出仓检食,更换刀具的监测数据区J日J隧道左线I区间隧道右线沉降(隆起)速率l一41一f)3mm/dI沉降(隆起)速率-24一一0.4rnm/d最大累计沉降l一5.6mnI最大累计沉降一6.4mm4.5更换刀具后情况4.5.1恢复掘进要点盾构更换刀具后,关闭人闸,观察窗,恢复掘进,速度控制在12cm/min,防止刀盘与岩层接触面不平整,致使盾构机姿态发生偏差.4.5.2更换刀具后施工参数更换刀具后,区间隧道左,右线盾构在岩层中又掘进了230环(累计掘进276m),227环(累计掘进272.4m),施工参数正常(见表4).4.53更换后刀具磨损验证岔路口站河定桥站区间隧道左线在岩层掘进后期的578环,进行第二次出仓刀具检查,确认其在以后389余环软土层的可行性.滚刀基本呈均匀磨损,外周滚刀磨损平均值为38mm,内周滚刀磨损平均值为20mm,先行刀,刮刀基本完好,不影响其后的掘进,到左线1157.7m全部贯通,盾构未再进行刀具更换.区间隧道右线盾构在刀具更换后,施工情况正常,故未出仓进行刀具磨损验证,到右线1160.8m全部贯通,也没有进行刀具更换.5结语(1)针对南京复杂地层,先行确立刀具磨损标准,主动确定出仓检查,换刀位置,及时发现盾构掘进中的异常,在滚刀失效前进行出仓检查,刀具更换,避免了刀盘本体,先行刀,刮刀的损坏和在不适宜地质条件下的被动出仓检查,刀具更换,效果理想.