复合底层下盾构掘进参数选择的控制

1、复合底层下盾构掘进参数选择的控制: The shield as a main construction method of subway tunnel construction has been widely used in our country, strata movement and surface subsidence caused by the construction of shield tunnel is a concerned problem during design and construction. Selection and process control of the

2、 shield driving parameters.引言随着隧道施工技术的不断完善， 盾构隧道法愈来愈成为软弱 岩土层或繁忙闹市地区地下工程施工的主要施工方法。 但无论盾 构隧道施工技术如何改进， 盾构推进对周围土体的扰动影响仍是 不可避免的。如何预测盾构穿越所引起的地层位移, 确保已有建（构） 筑物正常使用和盾构的顺利掘进， 是盾构隧道设计与施工中 非常关键的问题。 盾构法施工引起周围地层变形的内在原因是土 体的初始应力状态发生了变化，使得原状土经历了挤压、剪切、 扭曲等应力路径。地层扰动的影响范围和程度取决于多种因素， 包括盾构型式、隧道几何尺寸、施工参数 （ 土舱压力、刀盘扭矩、 推进

3、力、出土量、注浆量、注浆压力、盾尾间隙等） 、土体的性质及隧道所处的环境、 隧道上部荷载的影响等。 本文对影响地表 沉降的掘进参数进行了模拟分析， 研究成果不仅能用于指导该地 铁的盾构施工， 同时可为今后类似工程建设积累宝贵的经验， 具 有重要的经济效益和社会效益。1. 掘进参数的选择 掘进参数的选择主要包括：刀盘转速、土仓压力、油缸推力 及螺旋输送机转速参数的选择。 以下就盾构机在软岩、 硬岩两种 地质下的掘进参数的选择作一些分析：1.1 软岩地质下的掘进掘进模式的选择盾构机在软岩地层掘进时， 由于掌子面自稳性较差， 需要在 土压仓内堆积足够的碴土，使土压仓压力与掌子面的压力平衡， 避免在掘

4、进时由于掌子面压力过大造成坍塌使地表沉降， 因此软 岩掘进必须在土压平衡模式下进行。 掘进中需要调整掘进速度和 出碴速度，使土压仓内有足够的碴土，以保证土仓压力。掘进使 还应注意土仓压力要适当保持，避免土仓压力大于掌子面压力， 从而导致掌子面受力地表隆起， 因此我们在掘进中要根据地质正 确设定掘进参数。（1）刀盘转速软岩中地质松软， 地下水含量较丰富， 碴土多为砂土或粘性 土，在此种地质下的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来 进行切削的，刀具的磨损很小因此对于刀盘的转速可适当提高。 转速可在 1.7-2.2rpm/m 之间进行调节。（2）土仓压力由于软岩中碴土的流动性较好， 稳定性非常差掌

5、子面容易造 成坍塌， 且碴土中富含地下水， 因此需要有较高的土仓压力来与 掌子面压力平衡， 并对外产生较高的压力来防止地下水的流入土 仓中。根据隧道的埋深判定，在软岩中土仓上部土压保持在 1.6-2bar 之间，土仓底部压力保持在 2.4-2.8 之间较好。（3）油缸推力 在掘进中土仓压力及掘进速度的控制是掘进参数调节的最 终目的， 软岩中可保持较高的掘进速度， 调节推力可将速度控制 在30-80mm/m之间，此时推力约为 600t-1000t。同时油缸推力 是控制刀盘扭矩的重要手段， 也是调节油缸推力的主要目的， 软 岩中扭矩可控制在 100-140bar 间，在掘进速度与扭矩兼顾的同 时调

6、节油缸推力。（4）螺旋输送机转速 螺旋输送机转速是除油缸推力外调节速度的另外一个手段， 提高出碴速度可以使掘进速度大幅度的提高。 同时螺旋输送机转 速也是调节土仓压力的重要手段， 软岩中速度较高时， 螺旋输送 机转速为 10-14rpm/m。1.2 硬岩地质下的掘进掘进模式选择盾构机硬岩掘进时， 掌子面自稳性好， 一般为全断面中风化 或微风化岩石不易发生坍塌， 掘进可以在半敞开或完全敞开模式 下进行， 掘进时不易引起地表沉降， 所以可保持较小的土仓压力 进行掘进。（1）刀盘转速 在硬岩中由于整个断面的岩石硬度较高， 在掘进中滚压破岩 时刀具受到的压力较大， 为减少刀具在瞬时受到的冲击力不超过

7、安全荷载 25t ，应适控制刀盘的转速在 3rmp/m 左右。（2）土仓压力硬岩中掌子面的自稳性较好， 不需要外力来支撑掌子面， 可 以保持较低的土压进行掘进，上部土压可保持在 0.1-0.5bar ， 下部土压保持在 0.7-1.2bar 。顶部压力很小时，此时土压仓内 碴土约有 2/3 左右。若地层含水量大时上部土压适当提高 0.3-0.5bar ，可将地层水与开挖仓隔离，降低掌子面渗透水量， 从而降低地层水流失，控制地表沉降。（3）油缸推力硬岩掘进时， 采用滚刀进行破岩， 其破岩形式属于滚压破碎 岩石，滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目 的。一般情况下在滚压破碎中推力是主要

8、的参数， 决定了扭矩以 及其它参数。硬岩中扭矩一般控制在 170-190bar 。在硬岩中油 缸的推力同样是控制掘进速度的重要手段， 硬岩中掘进速度应控 制在10-30mm/m在兼顾扭矩与掘进速度的同时对油缸推力进行 调节，硬岩中掘进油缸推力在 1000-1500t 调节。（4）螺旋输送机转速 在硬岩掘进中由于掘进速度慢且土仓内碴土量少， 螺旋输送机转速的调节对掘进速度的调节作用不太明显， 主要用来调节土仓压力。可将螺旋输送机转速在 6-10rpm/m 间进行调节2. 硬岩段掘进参数选择和过程控制当盾构全断面进入中风化和微风化硬岩中掘进时， 我们根据 此处的混合岩具有硬而脆且裂隙发育的特点，

9、在掘进参数选择上 充分发挥滚刀挤压破岩的长处，合理加注泡沫，采用大推力、低 扭矩、中等转速的掘进参数。同时，由于微风化岩层稳定较好， 可采用敞开式或半敞式掘进。 掘进过程中根据掘进速度与推力大 小的关系适时更换刀具， 以确保既可得到较快的掘进速度， 又可 以降低能耗和机器磨损。掘进期间， 采用岩碴加工成试件， 测得微风化混合岩石的抗 压强度达105MPa选用的掘进参数及主要措施如下。1 ）采用敞开模式掘进，针对掘进中易发生盾体滚动角过大 及盾体震动较大的现象， 采用刀盘正、 反转勤换向掘进和适当降 低掘进速度加以控制。2）由于围岩的自稳性非常好，同步注浆浆液易沿 27.75%的 下坡道流到盾壳

10、与周围岩体间的空隙直至刀盘处， 为避免此现象 发生， 适当增大浆液粘度以减少浆液凝结时间， 并适当降低注浆 压力。3）在硬岩中掘进，由于岩碴不具软塑性，刀具磨损较大， 刀具工作温度高， 为此， 需及时换刀和适时调整泡沫注入参数及 注入量。改变泡沫剂与水的配比（选用水 99%，泡沫剂 1%），采 用低发泡率掘进。4）在围岩稳定性相对较差处，可采用半敞开式掘进，即土仓中保存 1/2 仓渣土以增加掌子面的稳定， 其掘进参数基本与敞 开式相似。5）在硬岩中掘进 , 容易出现喷涌现象对于此现象的控制可采 取降压的方法 , 如地层稳定地下水压过大可在以拼装好的管片把 注浆孔打开排水澥压如果可以的话也可以把

11、土倉上方预留阀打 开澥压 , 并在 5号台车后面注双液浆起止水环的作用防止后面的 水到土仓来 , 此方法能够有效的控制喷涌现象 , 大大提高施工效 率.硬岩段主要掘进参数见表 1。3. 软岩段掘进参数选择及过程控制 盾构在掘进时，隧道绝大部分在全断面混合岩强风化带穿 过，有 2 处的隧道底部有混合岩中风化带。 隧道顶部是密集民房， 多处有水井，覆盖层厚度在2427m之间。为了确保民房的安全， 全过程采用土压平衡模式掘进，地表的隆降值控制在+10mn-30mm范围内，此段的掘进参数选择和过程控制如下。1 ）将刀盘切削下来的渣土充满土仓，并通过推进操作使土 仓压力略高于土压力和水压力， 来稳定开挖面和防止地下水渗入 土仓；通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量来稳定土仓 压力。2）在掘进过程中不断根据反馈的地表隆降信息情况调整、 优化土压设定值