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泥水盾构在长距离砂卵石地层穿河施工中的不换刀技术
发布日期:2018-08-23 10:26:24

贾会森
( 中铁十二局集团有限公司, 太原 030024)

 
摘 要:针对沈阳地铁 9 号线一期土建工程泥水平衡盾构在砂卵石及结土地层中下穿 500  m宽浑河隧道工程,对可能遇到的刀盘刀具严重磨损及结泥饼现象进行了预判,通过对地质颗粒成分组成及浑河水位变化情 况进行分析研究,优化创新了刀盘结构形式和刀盘刀具耐磨设计,增强了环流系统泵送能力,改进了防结泥饼 冲刷管路设计,再辅以施工辅助技术,不但实现了泥水盾构在该工况下不结泥饼和不换刀,还节约了施工成本。 该技术的成功运用可为今后类似工程提供参考。
关键词: 轨道交通; 泥水盾构; 砂卵石; 穿河; 不换刀
中图分类号: U231        文献标志码: A           文章编号: 1672 - 6073(2017)06-0069- 05
 

TechnoIogy forNotRepIacing theCutteroftheSIurry ShieIdMachine Crossing theRiverintheLong  DistanceSandandGraveIStratum
JIAHuisen
( ChinaRai1way12th Bureau Group Co., Ltd., Taiyuan 030024)

Abstract: Forthetunnelengineering  by  slurry  shield  machinecrossing  the500  meter-wideHun  Riverin  thesand-graveland clay stratum, thephenomenaofseriouscutterwearand mud cakesarepredicted and analyzed in advance; through analysisand study on thechangesofthegeologicalparticlecomposition and thewaterleveloftheHun River, structuretypeand wear-resis- ting design ofthecutterareoptimized and innovated; thecirculation pumping capacity isenhanced, and thepipelinedesign for mud cakesproofing isimproved; and someassistantconstruction  measuresareputforward.Thusno  mud  cakesareproduced and thereisno need to replacethecutterfortheslurry shield machine.Asaresult, theconstruction costsarereduced.
Keywords: railtransit; slurry shield machine; sand and gravel; crossriver; notreplacing cutter


1   工程概述
      沈阳地铁 9 号线汪河路站一曹仲站区间单线全长 2 237  m,管片外径为 6 000  mm,内径为 5 400  mm,宽度 为 1 200  mm。 区间设联络通道 3 座和 1 口风井,其中 风井两段分别为 1 464  m和 773  m( 盾构穿越风井段采 用的是砂浆回填风井法[1J ,即盾构通过风井前将风井 结构施工完成,采用砂浆回填到风井内,待盾构穿越风 井且整个区间施工完成后再把砂浆挖出恢复风井结 构)。 隧道结构断面主要穿越中粗砂、圆砾土地层,局 部含有粉质结土层,地层富含水,中间穿越 500  m宽浑河。 本区间采用直径为 φ6 300  mm的间接式泥水平衡 式盾构进行施工, 盾构由汪河路站始发, 曹仲站进行 接收。

2   工程地质情况
      区间以 一19o的坡度从汪河路站始发,途经 一3o、 18.2o、3o、17.6o、2o的坡度到达汪河路站,隧道断面 在始发段和出洞段为全断面圆砾土,主要由变质岩组 成,亚圆形,坚硬,一般粒径为 2 ~20  mm,最 大粒径为 80 mm,充填约 20%的泪粒砂和结性土,局部为卵石层, 地下水类型为孔隙潜水,赋存于圆砾强透水层中,渗透 系数在 85 ~120 mId 之间,且掌子面自稳性差。
      隧道断面( 见图 1 ) 在中间段为粗砂、砾砂、中砂、局部圆砾土和局部 180  m隧顶处含粉质结土,地层中含石英颗粒,呈亚圆形,其中圆砾最大颗粒为 100  mm, 粉质结土为硬塑,中段 500  m宽浑河水位受季节影响 较大,一般最大水深约为 6  m( 同时浑河下游水坝不定 期蓄水,影响盾构掘进水土压力控制),整个地层渗透 系数高,掌子面自稳性差,对刀盘及刀具磨损较大。

3   该工程对刀盘租刀具的不利网素
      1)  盾构始发与接收端头围护结构为钻孔灌注桩, 围护结构钢筋采用玻璃纤维筋[2] ,钻孔灌注桩强度达 到 30  MPa,加固范围强度达到 10  MPa,刀具选型配置 需考虑软岩和硬岩施工因素。
      2)  该工程主要地质为粗砂、砾石及圆砾层,且石 英含量高,对刀盘和刀具磨损较大,因此刀盘的耐磨性 需要重点考虑[3] 。
      3)  该工程部分地段含粉质结土地层,粉质结土地 层颗粒度小于 20  µm,目前泥水分离 设备技术无法处 理 20  µm以下的颗粒,将引起泥浆比重上升,致使环流 携渣困难,易形成泥饼,使刀盘刀具无法起到切削掘进 的作用,甚至导致滚刀等刀具严重偏磨而无法继续掘 进施工[4] 。
      4)  该工程将从浑河底部穿越,地层渗透系数高, 且掘进距离长,必须控制好掘进参数,有效预防刀具的 磨损情况,避免因刀具损坏而进行带压进仓换刀作业, 引起施工风险。
      5)  该工程穿越风井时,采用的是回填方式,穿越 强度为 30  MPa的风井洞门围护结构及回填材料,将加 剧对刀盘和刀具的磨损程度。

 

4   不换刀技术
4.1  刀盘及刀具的设计

      根据工程特点分析,刀盘设计理念为:渣土开挖主 要应以剥离为主;开口率要大,使开挖下来的渣土充分 搅拌后可快速流入开挖仓内,通过排浆泵及时排出,从 而降低刀盘扭矩;同时应加强刀盘和刀具的耐磨性设 计,尽可能地满足长距离施工不换刀的要求[5] 。

4.1.1  刀盘结构设计及刀具类型选择
刀盘设计见图 2。

      1)  刀盘结构采用 Q345C材质,耐磨性增强,辐条 式布置,开口率为 48%。
      2)  进渣口采用锥形设计,进渣口部位的支撑筋板 采用 Z字形设计,这种特殊的设计有利于泥浆顺畅地 流入开挖仓,避免进渣口堵塞。
      3)  刀盘搅拌棒采用十字形设计,且外圈搅拌棒尽 量靠近前盾壳体,对底部渣土起到搅动、撞击的作用。
      4)  刀盘牛腿采用铸造式牛腿,减少型钢结构的棱角,利于渣土流动,减少结泥饼现象。
      5)  刀盘中心采用大流量冲刷设计,防止渣土在刀 盘中心区域堆积,同时加快泥浆在开挖仓中心部位的 混合,增强泥浆的流动性, 极大降低中心结泥饼的可 能性。
      6)  刀具布置原则:本工程管片用的常规盾构机刀盘 开挖直径设计尺寸(一般不大于 6 280 mm),实际用于本 工程的刀盘开挖直径增加了 20  mm( 达到 6  300  mm)。 盾体的 直 径 设 计 不 变 ( 与 常 规 盾 体 直 径 保 持 一 致, 6 250  mm) ,这种设计可增加边刀理论可磨损量,确保 了开挖直径,使同种地质条件下可掘进有效里程增加; 增加保证周边开挖直径的刀具数量,均分刀具磨损速 度,使单个刀具的转换磨损量增加,有利于增加盾构的 掘进里程数;因主切刀全为焊接刀具,一旦施工复杂情 况超过预期,将导致主切刀损坏而无法掘进施工( 带压 补焊主切刀属于高风险作业),设计中将周边刮刀开挖 直径增加为 6 280  mm,当开挖直径主切刀磨损刀不能 满足要求时,可采用更换周边刮刀进行辅助掘进;主切 刀贝壳刀采用双层设计,形成刀高差,达到阶梯磨损的效果,以延长盾构掘进距离。
      7)  刀具采用贝壳刀为主切刀, 齿刀、 超挖刀、 刮 刀、鱼尾刀和保径刀等进行辅助开挖,刀具数量及功能 见表 1。

4.1.2  刀盘及刀具耐磨性设计
      1)  改进刀盘面板耐磨焊材,刀盘面板焊有 12.5  mm 厚的耐磨复合钢板( 美国进口的信铭钢,性能远优于原 盾构常用的 Hardox板) 。
      2)  根据沈阳以往项目砂卵石地层中使用的盾构 刀盘周圈焊接镶嵌合金的新型耐磨防护措施[6] ,本工 程刀盘设计结合刀具的耐磨设计,在采用优质钢板的 刀盘周圈上镶嵌特殊耐磨合金块,性能接近于耐磨刀 具,除具有耐磨功能外,还能保证刀盘体的直径。
      3)  刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口以及刀盘背面加 焊致密耐磨网格,使与渣土有较大摩擦力接触的部位 得以防护,从而提高刀盘整体的耐磨性能。
      4)  刀盘上外周设有 2 个磨损检测装置,用于检测 刀具磨损情况,从而防护好刀盘整体结构,便于施工风 险控制。
      5)  贝壳刀刀头采用大块合金,延长使用寿命。
      6)  切刀、边缘刮刀布置有 3 道硬质合金,且刀体 侧面加焊耐磨网格,在增强耐磨性的同时,可提高其抗 冲击性。


4.2  盾构机辅助装置设计
      刀盘刀具的设计是不能保障长距离复杂地层不换 刀施工的,必须通过设计合理的盾构配套设备辅助完 成。  从该工程地质特点来看,辅助装置重点需要解决 的是:防止泥饼的形成和形成泥饼后的处理,开挖仓内 渣土的堆积使刀盘刀具摩擦面积增大而加快磨损以及 粉质结土等微细颗粒引起的环流携渣等问题。


4.2.1  搅拌装置
      原盾构气垫仓排浆管路设计方案为碎石机,主要 考虑因地质勘探不明而存在的孤石和大粒径卵石等对 盾构施工的影响,后根据车站施工开挖渣土实际情况 及随机补勘抽样结果显示,区间隧道内大颗粒卵石不 超过 100  mm。
      为解决小粒径砂卵石和粉质结土在排渣口堆积导 致环流携渣不畅的现象,将搅拌装置替代碎石机设置, 主要解决底部沉渣搅拌问题,同时由于搅拌装置负荷 比碎石机小,不但降低了设备的故障率,还减少了设备 的维修风险。


4.2.2  冲刷管路
      该工程冲刷管路设计主要是便于渣土流动、防止 泥饼的形成、泥饼形成后的处理、气垫仓和开挖仓( 安 全门处) 底部沉渣的稀释等,但砂卵石地层管路冲刷应 减少对掌子面的冲刷影响,避免掌子面因冲刷过度导 致拥塌现象。
      根据以上分析,开挖仓内共设置 6 路泥浆冲刷管 路,分别为顶部 2 路冲刷刀盘用,中部 1 路冲刷刀盘中 心部位,底部 2 路冲刷安全门,1 路反冲洗管路;气垫内 底部布置 2 路冲刷搅拌装置。  全方位的冲刷管路解决 了渣土搅拌的和易性和刀盘结泥饼等问题,减少了渣 土对刀盘刀具的磨损[7] 。


4.2.3  环流系统
      该工程的粉质结土细微颗粒是泥水盾构施工的克 星,因此环流系统的设计必须重点考虑携渣能力,避免 渣土堆积在开挖仓内,加速刀盘和刀具的磨损。
      通过加大进排浆泵的功率和管路直径,确保环流 系统携渣顺畅和提高整体施工效率。  该工程环流系统 泵站功率设计是同规格类似盾构的 1.2 ~2 倍,中继泵 由 1 台进浆泵和 2 台排浆泵组成,进排浆管径由常规的 250  mm变更为 300  mm[8] 。

4.3  施工技术措施
4.3.1  掘进参数控制

      盾构施工掘进必须合理控制相关施工参数,尤其 是刀盘扭矩( 在不超过额定扭矩的 60%前提下提高推 进速度,贯人度不超过 30  mm,转速为 1.6  rImin 左右) 和泥水指标( 根据掘进地层不断做出调整,在粉质结土 地层需增加高分子材料防止泥饼的形成)。  通过掘进 参数的控制,减少了意外情况的发生( 刀具受力状况及 环流携渣匹配等问题),达到延长刀盘刀具使用寿命的 效果[9] 。

4.3.2  压滤设备
      该工 程 地 质 含 有 粉 质 秸 土 地 层, 颗 粒 直 径 小 于20  µm,泥水分离系统是无法处理的,易造成泥浆比重 上升,携渣能力减弱,从而使渣土堆积在开挖仓内,增 加刀盘刀具摩擦面积和摩擦力,因此额外增加压滤设 备对泥浆进行秸土分离,确保了泥浆的相关指标,保证 了环流携渣能力[10] 。

4.3.3  凤井回填处理方法
      经过推算,该工程盾构穿越风井时,风井主体结构( 设计为两层) 只能完成底层的施工任务,且风井距离 军河较近,施工降水困难,盾构到达风井后需长时间停 机,施工风险巨大,决定对风井采用先回填处理,待盾 构通过后再恢复的方案。  此方案最终导致盾构需长距 离掘进,而风井围护结构与回填材料将可能加剧盾构 刀盘和刀具的磨损。
      为减小风井围护结构与回填材料对刀盘刀具的影 响,综合风井施工中的降水风险,决定对风井围护结构 采用边凿除边回填的方式,并确定回填材料为塑性水 泥砂浆,将整个风井回填材料最高强度控制到 5  MPa 以内[11] 。

5   施工效果
      以上刀盘刀具等设计及施工技术保障措施满足了 盾构在长距离砂卵石穿河施工中不换刀要求。  整个隧 道贯通后,发现刀盘整体结构良好,周圈磨损约 2  mm( 面板耐磨网格),刀具磨损比较严重,贝壳刀最大磨损 量达 10  cm( 属于完全报废状态),周边刮刀部分刀座 由于刀具布置轨迹未全断面覆盖而磨损( 见图 3)。

5.1  施工安全和进度

      该区间不换刀技术的实现,不但为正常掘进提供 了更多有效时间,达到日掘进记录 21 环(25.2  m) ,实 现不足 6 个月时间完成单线隧道贯通的目标,同时还 消除了带压进仓换刀的重大风险,实现安全和进度的 双丰收。
 
5.2  经济效果
      按照以往沈阳泥水盾构在砂卵石地层穿河施工过 程中的经验,至少需进行 5 次带压换刀方能实现该长度的区间贯通,每次带压进仓换刀至少耗时 5  d,每次带压 进仓费用(含泥浆护壁、刀具、带压换刀劳务及工期延误等费用)不低于 60 万元,间接节约资金约 300 万元。

6 结语
      从以上盾构施工不换刀技术措施来看,提前做好 盾构刀盘刀具设计优化和配套施工技术辅助措施,将 为实际施工带来巨大的安全、进度和经济效益。


收稿日期, 2017 01 21 修回日期, 2017 02 28
作者简介, 贾会森,男,大学本科,工程师,主要从事城市轨道交通盾 构施工管理工作,278819903@qq com

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