砂卵石地层盾构施工

1、 砂卵石地层土压平衡盾构 施工技术交流内 容第一部分 前言第二部分 北京地区砂卵石分布情况及其特征第三部分 盾构刀具的工作原理第四部分 适于砂卵石地层土压平衡盾构施工的添加剂第五部分 砂卵石地层土压平衡盾构施工案例分析第六部分 砂卵石地层各刀具磨损比较分析 第七部分 个人意见前前 言言 随着我国城市化进程的加快以及城市建设的迅猛发展，地铁工程将日益增多，盾构法作为一种先进的工法在地铁隧道的施工中已经得到了广泛的应用。仅北京五号线、四号线、十号线一期（含奥运支线），盾构隧道线路总长多达34.6公里，占了线路总长86.29公里的40%，其中约有10km的盾构施工处于大面积砂卵石地层中。而在2007

2、年上马的6条新线中盾构法隧道的比重更大，且大部分为位于全断面或部分断面砂卵石地层中。 盾构在砂卵石地层施工，刀具磨耗严重，容易破损、脱落。掘进中一旦出现这类情况，将导致刀盘扭矩上升，盾构推进困难，甚至无法施工，被迫开舱换刀。这很易引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命。 北京地区砂卵石分布情况及其特征北京地区砂卵石分布情况 基本是第四世纪冲、洪积地层，工程地质分布比较复杂； 砂卵石所处地层位置的基本趋势是，在市区北部、西部多处于地 表浅层，往东南方向渐深。地下水位分布不均，既有含水砂卵石地层，又有无水砂卵石地层。盾构施工穿越的砂卵石地层典型地质条件到目前为止主要

3、有三种 : 全断面砂粒层，由粉细砂到粗砂构成，二氧化硅含量较高，级配良好，一般位于二层粘性土之间，通常处于地下水位以下； 全断面砂粒、砾粒、卵混合粒层，通常为卵石圆砾层，粒径分布20-70 mm，最大粒径一般为150 mm，有时超过250 mm，含砂25-35%，级配良好，水文地质随所处地层深度等条件的不同而不同； 全断面砾粒层，多由细砾与粒径20-60 mm的圆砾组成，最大粒径一般不超过100 mm，级配不良，通常处于地下水位以下。 砂卵石地层与其它地层相比，具有明显的特殊性，主要体现在以下几个方面：（1）砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，地层反应灵敏，开挖面不稳定容易产生坍塌；（2）砂

4、卵石颗粒的塑流性极差，土压平衡不易控制，而且土渣向外排出也较困难；（3）砂卵石切削机理不明，盾构推力与刀盘扭矩难以确定；（4）刀盘、刀具磨损严重，开仓换刀技术尚未解决。 盾构机切削刀盘扰扰动动范范围围扩扩大大状状况况图图4.2 砂卵石地层开挖状态砂卵石地层开挖状态砂卵石地层的工程特性 砂卵石筛分计算砂卵石筛分计算 为进一步研究北京砂卵石的性质，我们从工地取原状土进行了筛为进一步研究北京砂卵石的性质，我们从工地取原状土进行了筛分试验。试验结果取平均值得出该土含砂率约为分试验。试验结果取平均值得出该土含砂率约为25.47，微细颗粒，微细颗粒（直径小于等于（直径小于等于0.075mm的颗粒）含量很低

5、，仅的颗粒）含量很低，仅5.67。 目录目录本章本章本节本节 盾构刀具的工作原理常见刀盘型式及其特点常见刀盘型式及其特点刀盘的结构有面板式和辐条式两大类型 。辐条式辐条式面板式面板式图图3.1 3.1 两种面板型式示意图两种面板型式示意图 面 板 式幅 条 式备 注开挖面水土压控制一般存在三个压力：P1：开挖面面板之间；P2：面板开口进出口之间；P3：面板与密封舱内壁之间 （即土压计压力）其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制砂、土适应性（粒径15cm）由

6、于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。北京西三环向东四环内地层粒径大致如此砂卵石适应性（粒径15cm）适应性强，必要时可加滚刀。不能加滚刀，刀头形式及数量较少。刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力造价高刀盘扭矩阻力小，设备造价低隧道内刀头换安全性由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。由于城市隧道每段长度有限可避免隧道内更换刀头两种刀盘形式的优缺点北京砂卵石地层，理论上应选择辐条式刀具的工作原理刀具的工作原理 刀具与围岩的作用实际上属于土壤机械系统的相互作用。

7、为研究刀具的切削规律，先要掌握其工作原理。 目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和切削刀两种类型。第一步:通过刀刃的切削作用使切削层土体沿刀刃方向产生分离; 第二步:通过前刀面的推挤作用使分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。 其中第一步主要造成刀具后刀面磨损，第二步主要是土屑对前刀面进行磨损。切削刀的工作原理依靠刀具挤压使围岩破裂，一般用于岩石隧道的掘进。滚刀的切削原理 具体而言切削刀的刀头种类有主切削刀、主超前刀（先行刀）、鱼尾刀、盘圈贝型刀、和仿形刀等。 决定刀具形状的参数有前角、后角及高度。安装方法：螺栓式、插入安装方法：螺栓式、插入式、焊接式等。式、焊接式等。 螺栓式插入式

8、焊接式刀柄后角前角刀刃高度图图3.3 刀具参数及安装方法刀具参数及安装方法（1）主切削刀旋 转 切 线 方 向t 切 入 深 度前 刀 面盾 构 前 进 方 向后 刀 面图图3.4 3.4 主切削刀一般形状及其主切削刀一般形状及其切削土体切削土体示意图示意图土 体盾 构 前 进 方 向主 切 削 刀 主切削刀的切削原理是盾构向前推进的同时，切削刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插人到地层内部，像犁子犁地一样切削地层。一般情况下， （前角）（后角）随切削地质特性不同变化，取值范围在520之间。粘土地层稍大，

9、砂卵石地层稍小。 （2） 先行刀（超前刀） 先行刀是先行切削土体的刀具，设计原理是：与切削刀组合协同工作。在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。盾构前进方向土体主切削刀主超前刀主超前刀 图图3.6 主切削刀与主超前刀协同切削土体示意图主切削刀与主超前刀协同切削土体示意图 设置在刀盘中心位置，尺寸较大的鱼尾状的刀具。鱼尾刀的设计和布置原理是： 使鱼尾刀最先切削土体，让盾构机先小圆切削土体后扩大到全断面切削土体； 将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体增加一项翻转运动（如同犁地一般）。这样既解决了中心部分土体的切削问题，改善了切削土体的流

10、动性，又提高了盾构机整体掘进水平。鱼尾刀切削土体示意图如图3.7所示。鱼 尾 刀切 削 刀土 体土 体 图图3.7 3.7 鱼尾刀切削土体示意图鱼尾刀切削土体示意图（3）鱼尾刀 砂卵石地层特别是大粒径砂卵石地层，若采用滚刀，因土体松散，在滚刀掘进挤压下，会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。针对大粒径砂卵石地层的特性，使用盘圈贝型刀效果更好。其布置在刀盘盘圈前端面，用于切削大粒径卵石。（4）盘圈贝型刀切削刀的开挖方式与土的破坏机理切削刀的开挖方式与土的破坏机理 刀具切削时，通常做两个方向的运动： 沿开挖面的运动，它起着分离岩土的作用； 切入开挖面的运动，它改变切削的

11、厚度，如图3.10。 切削刀的开挖方式主要有以下两种： 切削式（对于黏性地层） 剥离式（对于砂砾地层） 图图3.10 切削刀工作原理图切削刀工作原理图盾构刀具的布置盾构刀具的布置 刀具刀具辐条辐条牙型交错连续排列方式整体连续排列方式辐条式刀盘两种形式整体连续排列方式：其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差。牙型交错连续排列方式：切削阻力小、效切削率高， 密封舱内土体流动性好、易搅拌 适于砂卵石地层土压平衡 盾构施工的添加剂种类的确定种类的确定 施工发现，加入大量泥浆虽然可以增加掘削土碴的流动性，对盾构掘进时刀盘扭矩过高的情况也略有改善。可是，当加泥量过大时，土仓内较大的卵砾石会在重力作用下

12、沉至土仓底部，土仓内土体不能均匀混合，产生“离析”现象；当刀盘停止一段时间后重新启动时，容易产生刀盘被“抱死”而不转动的现象。因此，在添加大量泥浆的基础上还需加入泡沫添加剂才能满足土压平衡盾构施工的要求。常用盾构添加剂有泥浆和泡沫两种。 一般当地层中细颗粒的含量低于30时需注入泥浆以补充细颗粒含量。砂卵石地层细颗粒的含量一般都远低于30，因此添加泥浆补充细颗粒是必须的。但是仅加入泥浆行不行呢？泥浆性能的要求泥浆性能的要求 （3）膨润土的凝胶强度宜较高 膨润土的种类和质量直接关系到泥水的使用效果 ，对于砂卵石地层来说，其渗透系数较大，容易出现坍塌， 故应选着凝胶强度较高的膨润土以提高泥水的粘性。

13、对于砂卵石地层，泥浆应具有以下特性： （1）泥水的粘性应较大 泥水的粘性应较大，一可以避免出现逸泥现象，利于成膜，保证掘削面的稳定，二是可以防止卵石在土舱中的沉积。 （2）泥水的相对密度要适宜 从稳定掘削面的角度出发，泥水的相对密度越大，成膜性越好，但密度太大泥水输送 时容易沉淀。对于北京的砂卵石地层密度可定为1.071.14 泡沫性能的要求泡沫性能的要求 盾构用气泡要求稳定性好，一般要满足以下两个要求： （1）5分钟以内消泡率小于5%； （2） 4小时以内消泡率小于10。 适合砂卵石地层的泥浆适合砂卵石地层的泥浆泡沫混合添加剂研究泡沫混合添加剂研究 添加剂的种类繁多，但适于砂卵石地层土压平衡

14、盾构施工的不多，而且大多须从国外进口，价格高昂。 我的导师袁大军教授一直带着我们在做这方面的研究。目前以研制出一种泥浆泡沫混合添加剂，经实验效果不错。实验用仪器实验用仪器 图1漏斗粘度计 图2泥浆比重计 图4 精密电子称 图3 泥浆失水量测定仪图5 盾构模型试验机实验用原料实验用原料 产品性能产品性能图图1 坍落度试验坍落度试验添加前添加后图图2 添加率添加率塌落度试验结果塌落度试验结果试验结果表明泡沫添加率为35时，改良土体的坍落度能达20cm，可以满足土压盾构对土体流动性的要求。产品性能产品性能 为了测定气泡的稳定性，将改良后的土体置于一个大容积的量筒中，观测其体积的变化来测定气泡的消散情

15、况。试验结果为，5分钟时土体平均缩小2.23，4小时时平均缩小7.35%（加入少量稳泡剂后）。 模型实验测的，刀具的磨损系数为0.006。试验时所用的泥浆泡沫 砂卵石地层土压平衡 盾构施工案例分析案例案例1 1 北京地铁五号线第17标段基本情况介绍基本情况介绍 北京地铁五号线17标，采用海瑞克面板式土压平衡盾构机掘进。于2004年7月2日推进到约346m处遇到异常，无法继续推进。 盾构所在地层条件盾构所在地层条件图2.1为17标纵断面图。图2.2为盾构刀盘所在位置断面图。K4545.8743.8741.6740.7740.2736.8635.7734.2732.1731.5730.7727.1

16、723.0721.67 /24.20K4645.6039.9039.30N63.5=838.6037.40=1835.90=2434.60=31=3830.6029.40N(63.5)=52=4126.1024.40N63.5=2723.7022.8021.8018.6015.60 /30.00K4745.5544.7541.0539.3536.3534.4533.9531.1526.9522.0521.3520.55 /25.00K4845.4944.39N63.5=1541.0940.1939.7939.39=20=2136.48=2435.2934.99=33=4531.59N(63.5

17、)=32=35=2626.9926.2925.69N63.5=1823.69=3721.6919.39N(63.5)=29=31=3815.49N63.5=60/30.00K4945.4244.2241.0239.0237.4134.3233.2231.0230.8226.6224.0222.42 /23.00K5045.2541.05N63.5=1140.5539.05=2137.05=3035.25=31=4931.45N(63.5)=4428.25=5627.05=5025.4523.75N63.5=34=3121.05N(63.5)=3219.05=41=5515.25 /30.00K

18、5145.0541.3540.0538.5537.6535.0633.9532.9531.7526.4525.8524.8520.6519.55 /25.50K5244.8943.9940.8939.1938.79N63.5=1738.39=21=2334.79=33=4330.89N(63.5)=30=2826.9926.1924.7922.0918.3914.89 /30.00K5344.6642.9640.8638.7634.6634.2631.5630.3630.1629.0625.7625.0621.6620.16 /24.50K5444.8240.8239.32N63.5=30=2

19、835.82=30=3732.8231.82=2730.62N(63.5)=3228.82=4027.12N63.5=2824.32=2320.82N(63.5)=35=3918.82=44=4213.32K5544.4843.7841.6838.7832.4830.0828.1825.9822.98 /21.50K5644.4040.5038.9038.2033.8030.0026.3025.8021.6019.5014.30 /30.1011o11o1o23o2o21o22o23o2o33o31o31o33o3o31o42o4o4o43o4o51o52o52o5o5o7o72o72o6o7

20、o6o11o1o2o22o3o31o33o3o42o4o43o52o51o7o6o5o5o7o(=)99.7.23(=)99.7.21FXZCZCZCFXZCZCZCZC24.32ZCL北京地铁五号线土建工程17合同段区间隧道地质剖面图 DN200上水标高44.0336*24电信标高45.08 DN300污水标高44.09DN200上水标高43.64DN300污水标高42.86DN200上水标高44.3DN600污水标高43.6DN150上水标高44.35DN400污水标高42.27DN500污水标高42.08DN400上水标高43.86图图2.1 172.1 17标纵断面图标纵断面图粉质粘土

21、及重粉质粘土圆砾层中粗砂粉细砂层粘质粉土砂质粉土粘质粉土素填土刀盘粉细砂层地面,45.5541.0539.3536.3534.4533.9531.1526.9522.05粉质粘土及粘质粉土盾构机所在位置地质横断面 (k9+124.52)图图2.2 盾构刀盘所在位置断面图盾构刀盘所在位置断面图刀盘大部分位 于圆砾层中 可预见其磨损 将相当严重停机前的掘进参数及其他特征停机前的掘进参数及其他特征 刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度较小。 刀盘过载频繁，扭矩过大。 推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水量增大。 千斤顶推力增大。 排出渣土变热。 至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推

22、进。 具体情况见表2.1及下图所示。刀盘扭矩Push Cylinders摩擦力推进时间管片拼装时间位置推力土压土压力mKNmKNbarKNKNminmin278332.40346876341.213724.123910KN53min37 min279333.60319690351.464493.574541KN77min53 min280334.80315599411.454462.795478KN70min99 min281336.003348110161.504616.686399KN59min68 min282337.203411110841.454462.796621KN65min55

23、 min283338.403256106821.374216.576465KN79min77 min284339.603342123561.394278.128078KN104min88 min285340.80343797921.334093.465699KN105min75 min286342.00342586351.544739.793895KN88min67 min287343.20335091131.484555.124558KN219min88 min表表2.1 盾构机停止前各环掘进参数一览盾构机停止前各环掘进参数一览刀盘扭矩居高不下，推力增大，推进时间长图图2.3 推力变化图推力

24、变化图284环时推力已急剧上升接近顶峰，只好降低速度，缓慢推进图图2.4 2.4 掘进时间图掘进时间图288环时推进时间剧增刀具磨损状况刀具磨损状况 开舱检查后发现刀盘外侧的8把周边刀已完全磨损，并且刀盘本体也已磨损。第一排齿刀磨损情况严重，需要重新焊接刀架。需要更换的齿刀数量为68把。外周边刀已完全磨损第一排齿刀（切削刀）严重磨损刀具磨损状况刀具磨损系数及分析刀具磨损系数及分析 在整个刀盘中外周刀切削轨迹最长，因此它的磨损量也最大，现场量测结果也证实如此。这里我们以外周边刀为代表计算其磨损系数k。 k/L （2.1） 式中：为刀具磨损量； L为外周边刀转动距离； LDl/v （2.2） 式中

25、：D为外周边刀直径； l为掘进距离； v为每转掘进距离； 以掘进距离346m，每转掘进距离为2cm，外周边刀直径6m计算。 则外周边刀转动距离为： L10-33.146346/0.02=325.9km按5cm合金钢刀头全部磨损完计算。则磨损系数为： k50/325.90.154mm/km表表1.2 1.2 日本土质磨耗系数一览表日本土质磨耗系数一览表土质磨耗系数泥水式土压式淤泥粘土510-31210-3砂质土910-32310-3砂砾小砾1110-32610-3中砾1510-33910-3大砾1910-35210-3本标段磨耗系数15410-3，已经将近到达表中所列数据的4倍。（1）地质情况特

26、殊，刀盘大部分处于圆砾层中（2）添加剂的 效果不佳（3）盾构刀盘面板形 式的选择不当面板式，开口率小，砂卵石地层流塑性差，很易造成刀盘排土不畅 总结总结通过以上的调研分析我们可以得出下述结论： （1）刀具严重磨损前一般会出现明显的异常情况，如：推进速度迅速减慢，推力明显增大，刀盘扭矩居高不下，排出的渣土温度增高等； （2）一般刀盘外侧周边刀磨损最为严重，如本标段外侧周边刀已完全磨损，并且刀盘本体都已磨损；其次为齿刀和刀盘中心的鱼尾刀，齿刀磨损量大致为从最外一排往里依次减少，这是因为越往外刀具切削轨迹越长。 （3）刀具磨损与地质情况、添加剂的选择、盾构刀盘形式以及刀具配置密切相关。案例案例2 2

27、 北京地铁五号线第18标段 （东四张自忠路区间）工程概况工程概况 本区间采用盾构法施工。盾构机选用辐条式土压平衡盾构，直径为6m。工程地质概况如下图1.3所示，盾构通过土层以粉细砂层、圆砾层及粘质粉土、砂质粉土为主。盾构所经地层的砂卵石 图图1.3 1.3 五号线五号线1818标段工程地质概况标段工程地质概况图中为人工填土层；为粘质粉土砂质粉土层；为粘质粉土砂质 粉土层；为中粗砂层；为圆砾层；为卵石层。所用盾构的基本情况所用盾构的基本情况 土压平衡盾构，IHI辐条式刀盘（如下页图），直径6.17m，为抵抗和减少刀具磨损，在刀具高差上配置了先行刀和副切削刀（如下图），以保护主切削刀。施工中采用了

28、泥浆和泡沫混合添加剂，用以改善土渣的流塑性 主切削刀副主切削刀 先行刀（） 先行刀（） 注浆孔图图5.1 5.1 刀盘辐条上的刀具刀盘辐条上的刀具IHI辐条式刀盘配置了先行刀和主副切削刀刀具磨损分析刀具磨损分析 区间长度为820m，刀盘累积转数33200转，其中正转（顺时针方向）17045转，反转（逆时针方向）16155转。盾构通过土层以粉细砂层、圆砾层及粘质粉土、砂质粉土为主。主 切 削 刀游 标 卡 尺刀具磨损两量测采用游标卡尺刀具磨损状况图（部分）（1）B-C 辐条间边刀辐条间边刀（2）D-E 辐条间边刀辐条间边刀（3）先行刀）先行刀C1 （4）先行刀）先行刀B2 （5）先行刀）先行刀F

29、4 （6）切削刀）切削刀DL1 刀具几乎没太多磨损量测的项目（1）外周边刀磨损量量测 测量了各边刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（2）先行刀磨损量的量测 测量了先行刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（3）切削刀磨损量的量测 测量了切削刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。同时对其宽度方向的磨损量也进行了量测，还对刀头的缺损、脱落以及刀具母材的磨损程度进行了纤细记录。 对上述量测结果进行统计分析，作一元线性回归，并绘各刀具磨损量与切削轨迹关系图如下，图中直线的斜率表示刀具的平均磨损系数（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km） 结果分析结果分析 图图5.12 先行刀磨损量与切削轨迹关系

30、图先行刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.13 5.13 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.14 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.15 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.16 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 上述各图，有的直线相关性较差，这有的是由于某些刀具发生了偶然的崩断，使得量测数据偏离较大（如图5.13中C辐条上1号切削刀崩断），有的是由于刀具数量太少，致使相关性较差（如图5.15、5.16）。由图5.12可知本标段先行刀的平均磨损系数为0.027左右，切削轨

31、迹不同磨损系数不同。由图5.135.16知切削刀具的平均磨损系数为0.0050.01之间，切削轨迹不同磨损系数不同。案例案例3 3 北京地铁四号线第14标段 （双榆树学院南站区间）双榆树站学院南路站区间地质断面图双榆树车站学院南路车站该段隧道盾构掘进上半断面在粉土层中通过，下半断面进入卵石圆砾层中。所用盾构基本情况所用盾构基本情况 使用的盾构机基本和五号线18标一样，只是在刀具设计高度和少数先行刀配置上有少许调整（刀具配置图如下图所示）。 区间长度为820m，盾构刀盘累积转数为40895转，其中正转（顺时针方向）21023转，反转（逆时针方向）19872转。刀具磨损状况刀具磨损不大5.2.3

32、5.2.3 结果分析结果分析 图图5.19 5.19 先行刀磨损量与切削轨迹关系图先行刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.20 5.20 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.21 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.22 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.23 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 上述各图中直线的斜率表示刀具的平均磨损系数。由图5.19可知本标段先行刀的平均磨损系数为0.033左右，切削轨迹不同磨损系数不同。由图5.205.23知切削刀具的平均磨损系数为0.0

33、060.009之间，切削轨迹不同磨损系数不同。案例案例4 4 北京地铁四号线第14标段 （学院南白石桥站区间）学院南路站白石桥站区间地质断面图区间隧道断面内基本上为全断面卵石、圆砾层；有的卵石粒径在区间隧道断面内基本上为全断面卵石、圆砾层；有的卵石粒径在200mm以上以上盾构所经地层的砂卵石粒径超过200mm所用盾构基本情况所用盾构基本情况 双榆树学院南站区间贯通后，刀具磨损不大，只是个别刀具发生了崩刃或缺损现象，如b辐条上1号、2号先行刀及e辐条上1号先行刀。厂家对这几把刀具更换后，施工方便进行了下一区间（学院南白石桥站）的掘进。 本区间长度为1100m，盾构刀盘累积转数为77154转，其中

34、正转（顺时针方向）40598转，反转（逆时针方向）36556转。刀具磨损很大有缺损脱落刀具磨损状况结果分析结果分析 图图5.26 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.26 左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图左侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.27 右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图右侧高刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.28 左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图左侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 图图5.29 右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图右侧低刀磨损量与切削轨迹关系图 由上述各图可看出本区间刀具的磨损量特别大，尤其是大部分切削刀已磨损至刀具母材部分。这是由于本区间地质情况非常差

35、，盾构所在位置几乎都是全断面砂卵石，同时掘进距离1100也比上区间长很多。 本标段先行刀的平均磨损系数为0.033左右，切削刀具的平均磨损系数为0.03左右。先行刀磨损系数与上区间（0.027）相比增加很小，这是因为刀具最易磨损的刀尖部分已在上个区间磨损，刀头后续部分磨损速度减慢。而切削刀具磨损系数比上区间增加显著，这是因为在这种恶劣地层切削刀的母材磨损严重，致使不少刀具缺损、崩纫所致（图七中不少数据离散性较大正是由于这个原因）。由此我们可以得出以下两个结论：（1）砂卵石地层刀具磨损处于合金钢刀头部分时磨损速度有减慢的趋势；（2）砂卵石地层对盾构刀具的母材磨损非常严重；案例案例5 5 北京地铁

36、四号线第14标段 （白石桥动物园站区间）白石桥站动物园区间地质断面图区间隧道断面内大部分为卵石圆砾层，部分地段夹少量的其它砂层区间隧道断面内大部分为卵石圆砾层，部分地段夹少量的其它砂层 ； 本区间长1333米，上个月中旬刚刚贯通。创造了砂卵石地层土压平衡盾构不换刀掘进的记录。案例案例6 6 北京地铁四号线4标(角门北路-北京南站区间) 地质断面图盾构穿越的地层绝大部分为中粗砂层、粉细砂层、卵石圆砾层，砂粒级配盾构穿越的地层绝大部分为中粗砂层、粉细砂层、卵石圆砾层，砂粒级配良好，含砂率良好，含砂率15%20% 北 京南站 方向41.1241.12BN16补338.9241.13补141.1541

37、.15JB47JB4739.131221234.6233.5233.1732.7234.9235.42236.65111034.3334.931232.63234.8533.152135.5335.4532FX38.8238.8540.72JB4537.62FX321334.022638.6238.4221629.7230.3230.9229.7730.522627.9228.52126.12ZC26.3728.5227.926229.4330.433630.1530.955212384227.9328.43626.1326.63228.6526.3526.85913629.152646452

38、4.225256725.15715.0015.0025.7731.1229.924928.4226.6224.724522.12ZC17504822.623232.132FX72132.52图京山铁路剖质纵京山铁路水 平1:500垂 直1:200面1JB4340.522232242137.8236.4235.1234.5234.32JB4140.7435.9434.6438.2445263XZ438434531.3229.1228.3227.6226.82177ZC42479024.9223.1722.8271ZC28.3927.8427.0929.0924.4423.9421.79ZC713

39、2.492ZC113FX22JB3739.852138.1536.8533.0533.85256362FX7471ZC3FX2 29.25(一 )2005.7.229.8530.8528.2526.8528.85FX2725.3523.0524.252ZCXZ右K3+576.23右K3+626.53FX649857ZC117.124779013.8216.3716.7513.65716.15ZC7182ZC966111.5212.12869010.22FX829212.3512.75911.259.1532.0088365415.725116.4212.1210.8211.92FX886480

40、13.4290990788581901190900.723.72799037.00671111ZC1-8.88-8.38-7.7850.0071右K3+802.20右K3+817.20右K3+828.26右K3+833.26右K3+764.14177ZC90808616.5215.9789829849011.8211.5210.7213.3212.398.7432.0090903.5237.00792005.7.291ZC32.007.859.8512.85右K3+715.27右K3+665.53右K3+552.232 19.35(三 )程线工比 例 尺：右JB351139.871417N10

41、 =21241925171918273FX36.0733.6738.27JB3339.72236.9234.92238.32752522FX3FX29.8728.6728.3727.5726.8773909027.7227.4229.1228.7226.02266775525ZC42右K3+385.034.52凉 水 河JB2938.8436.1437.2433.3433.64ZC1238.99JB27236.0932434.7932.992151122333ZC24FX2338.2911FX 29.63(一)2005.7.330.8428.5426.9427.4425.3423.7423.2

42、42FX26.042530.991XZ628.4928.19626.7927.196328.89541551ZC1636XZ648571ZC23.494460ZC717225.7962627239.03B0238.1336.1342465034.18152138.1035.9035.0033.90N10 =121212FX3242ZC2237.0333.6335.03JB2539.4031.3830.2817212426.682231.3030.8029.2028.7023.3372565325.2024.0026.0825.68405125ZC5158ZC51529.9326.5327.53

43、6245ZC71737225.2324.53532.0332.2339.26JB2138.0635.861634.862722JB1939.42238.1236.52ZC4232.82FX35.1223131.2629.863828.4626.8627.2615ZC584424.0648707325.76251528.12ZC29.22571ZC25.12725.72639.20JB1735.8037.301134.8032.803435237.324ZC233.922FX3139.62JB1539.0937.3434.9432.94253928.0027.00523829.30521ZC55

44、27.8229.0224.7024.10456326ZC7224.8224.62725.8227.9429.2425.0426.0432.52角 门 北 路站 方 向121252FX32ZC24JB0940.27252337.4717231833.9733.0734.6726414652538834971ZC762436031.27606024.3790757525.9732结 构 顶板40.04JB1339.03JB23909013.87909099013.7232.007.7290909090-2.1342.00右K3+503.96右K3+457.47 18.73(三)2005.7.313

45、.746.8477374784ZC199090913.499032.0090909042.00-3.0190736513.6814.38695315.40717891ZC8.8328.93399.88749083ZC7117.2318.032005.7.2 17.20（ 三）14.9390849737.03764.0335.002.4037.00838632.0083729右K3+288.53右K3+164.43右K3+202.68右K3+246.348514.46909090909015.7297.424.565.067391ZC2.2637.009075932.00839016.20200

46、5.7.1 18.39（三）16.5212.4012.8091ZC83909099ZC19.229.529015.04902.2037.009040.000.0435.004.62右K3+005.54右K3+047.67右K3+033.30右K3+071.1983905859498496375907515.47907575869090907890909040.000.27结 构 底板右K2+860.26右K2+956.19右K3+113.68909073837地所用盾构机所用盾构机土压盾构，面板-辐条式刀盘，开口率39%。 超声波动态磨损监测装置 置监测原理是：在要监测的刀具中事先安装好与超声

47、波监测器相连接的超声波探头，利用超声波来探测刀具的磨损情况。超声波探头的磨损量也就是切削刀具的磨损量。 其特点是技术复杂，成本较高，但能连续监测切削刀具的磨损情况，有利于根据切削刀具的磨损进展进行换刀前的准备工作和设定合理的掘进参数。 超声波动态磨损监测装置 置监测原理是：在要监测的刀具中事先安装好超声波探头，另一端与超声波监测器相连，利用超声波来探测刀具的磨损情况。超声波探头的磨损量也就是切削刀具的磨损量。 区间左线长1161 m，刀盘累积转数为41432转，其中正转（顺时针方向）20274转，反转（逆时针方向）21068转；右线长1231 m，刀盘累积转数为51972转，其中正转（顺时针方

48、向）25508转，反转（逆时针方向）26466转。刀具磨损状况掘进参数对盾构刀具磨损量的影响 由于装了超声波磨损监测装置，我们可以在盾构机掘进的同时获得刀具的磨损数据，刀具磨损量，千斤顶掘进速度v、千斤顶推力F、刀盘转速n、刀盘扭矩T会自动根据掘进过程而保存在硬盘上。实验中我们以每次进尺12 m（相当于10环管片宽）采集数据。磨损系数与推力相关关系 由该图可以看出，盾构在砂卵石地层掘进过程中，随着千斤顶推力的增大，刀具磨损系数先有所减小，而后增大。刀具磨损系数与千斤顶推力关系可拟合成如下数学表达式：磨损系数与刀盘转速相关关系 由该图可以看出：二者的关系接近线性且斜率较小，随着刀盘转速的增大，切

49、削刀具磨损系数随之减小 。刀具磨损系数与刀盘转速数学关系可拟合成如下表达式：磨损系数与掘进速度相关关系 由该图可知，二者关系并不为单调关系，而是随着掘进速度的增大，磨损系数先增大后减小，刀具磨损系数与推进速度数学关系可拟合成如下表达式：磨损系数与刀盘扭矩相关关系 由该图可知，随着刀盘扭矩的增大刀具磨损系数先增大后减小，变化率也是先增大后变小。实际施工中选用较大扭矩时不利于掘进且减小盾构机寿命，故要减小刀具磨损系数就要尽量控制刀盘扭矩在较小范围内。刀具磨损系数与刀盘扭矩数学关系可拟合成如下表达式：结论 掘进参数的合理选择范围掘进参数的合理选择范围千斤顶推力刀盘转速 掘进速度刀盘扭矩F/tf n/

50、rpmv/mm/minT/KNm170021001.181.21203035003800砂卵石地层各刀具磨损比较分析砂卵石地层各刀具磨损比较分析 为分析各刀具磨损之间的差别，将上面的量测数据统计分析，在同一表中作出各刀具磨损量与掘进距离间的关系，并对先行刀和切削刀进行一元线性回归，如下图所示（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km）。图图5.34 五号线五号线18标各刀磨损量与切削轨迹关系图标各刀磨损量与切削轨迹关系图 图图5.35 双榆树学院南各刀磨损量与切削轨迹关系图双榆树学院南各刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.36 学院南白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图学院南白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图图图5.37 双榆树白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图双榆树白石桥各刀磨损量与切削轨迹关系图结论结