含卵石地层盾构掘进防磨损技术
2011-04-02 18:36
含卵石地层盾构掘进防磨损技术
【摘 要】 防磨损是盾构掘进，特别是在含高强度卵石、大粒径漂石地层中长距离掘进施工的重点。本文介绍了依据成都地铁2号线隧道的地层特点，从盾构改造和掘进控制两方面采取的措施，在800m长的含卵石地层掘进中只更换了1次外圈的部分耐磨滚刀，取得了良好的效果。
【关键词】 盾构；卵石地层；防磨损
盾构在含高强度卵石、大粒径漂石地层中长距离掘进时，刀盘、刀具和螺旋输送机均会受到严重磨损，造成盾构掘进成本较高、效率低下，因此防磨损是卵石地层盾构施工的重点之一。成都地铁2号线隧道掘进中所采取的防磨损措施可供同行参考。
1、工程概况与工程地质
成都地铁2号线某标段主体工程由1个始发工作井和2个盾构区间组成。区间双线总长约4180m，隧道内径5400mm，外径6000mm，管片厚300mm，宽为1.5m和1.2m两种。区间隧道工程采用2台德国海瑞克公司生产的6250型土压平衡盾构施工。
由于区间盾构隧道穿越地层中<4-7-2>含粘土卵石层所占比例较高，根据以往施工经验，在粘土卵石地层因卵石在粘土中不易进入土舱，经挤压会在刀盘前方堆集成群，刀盘、刀具和螺旋输送机均易被磨损，而且该区段隧道上部普遍为<4-7-2>含粘土卵石层和<4-2>粘土层，自稳性较差，进仓更换刀或维修均存在较高的风险。针对上述情况在防磨损方面采取了一些特别措施，尽量减少进舱换刀或维修的次数，以减少施工风险和降低施工成本。
在盾构始发后的第一个区间线路中有约800m长的<4-7-1>含卵石粘土和<4-7-2>含粘土卵石地层，约占该段隧道土层的52.4%。<4-7-1>含卵石粘土层为硬塑，局部可塑，含铁、锰质氧化物结核，含20%～40%的弱～强风化卵石及岩屑，卵石粒径20～50mm为主。<4-7-2>含粘土卵石层稍密，饱和，卵石成分主要为岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成，磨圆度较好，呈圆形～亚圆形，分选性差，大部分卵石呈弱～强风化，手可捏碎；卵石含量65％～75%，粒径以20～80mm为主，最大可达400mm，如图1所示，充填物主要为粘性土及圆砾，含量约20％～40％。
2、主要技术措施
2.1 盾构改造
为更适合在漂石、卵石地层中掘进，在总结以往施工经验和咨询几家有丰富刀盘改造经验厂家基础上，结合成都项目的地层情况对刀盘、刀具配置和螺旋输送机进行部分的改造和变动。
2.1.1 合理配置刀具
刀盘原配置情况：中心刀具6把，双刃滚刀14把，小刮刀64把，左内、左外、右内、右外边缘刮刀各8把，超挖刀1把。
现刀具配置：中心刀具6把，双刃滚刀14把，小刮刀64把（四孔定位的形式）、左内、左外、右内、右外边缘刮刀各8把、超挖刀1把；此外还有强化先行刀（焊接式）13把、加泥加泡沫口保护刀9把，耐磨块24个，具体见图2。
第一阶梯（高出刀盘175mm） 滚刀或强化先行刀为第一阶梯刀具，首先接触开挖面进行切削工作，是承担切削的主刀具。在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低土体对其他刀的冲击荷载，减小切削扭矩，同时还用于破碎地层中的漂石，以便其顺利进入土仓和方便其他刀具进一步破碎。
第二阶梯（高出刀盘160mm） 边缘刮刀及方柄刮刀为第二阶梯刀具，对开挖面进行进一步清理。方柄刮刀用于开挖面大部分断面的清理；边缘刮刀用于切削外周的土体，也可起到保径的作用，保证开挖断面的直径。
另外，刀盘中心的12把二联中心刀也呈阶梯状立体分布，二联中心刀头按轨迹线从中心往外依次为1#～12#，最靠近中心的1#工作刀头比滚刀高出50mm，相邻号刀头高度依次递减至8#刀175mm，9#至12#与中心刀高度一样，均为175mm。二联中心刀用于开挖面中心断面的开挖，起到定心和疏松部分土体的作用。加强型阶梯式中心刀见图3。
1）加强刀盘的整体耐磨性 在刀盘面加焊耐磨块，重点加强1.5m半径外的部分和进渣口，刀盘轮缘加焊镶嵌硬质合金的耐磨块。耐磨块采用条状合金，共24块，沿刀盘外沿均匀分布，能够有效的保护刀盘。耐磨块及其焊接位置见图4。
2）加强螺旋输送机的耐磨性 螺旋输送机壳体及叶片全部采用耐磨措施；中间管底部120°范围内焊接厚度20mm的耐磨板，螺旋轴前端一半长度（约5m）的螺旋叶片上焊接耐磨块。
3）设计耐磨刀具，增强刀具母材及表面的耐磨性 滚刀圈镶嵌合金块。边缘刮刀刀口钎焊合金块，刀背镶合金齿并加覆焊耐磨合金焊增强耐磨性（如图5）。
2.1.4 刀盘空白处的加强
在刀盘正面空白处，加焊强化先行刀（贝壳刀），该刀高出刀盘面175mm，共28把，以确保刀盘正面未安装刀具位置的磨损不至太大，同时也起到预先疏松土体、降低其他刀具的冲击载荷、减小切削扭矩的作用。此外加焊强化先行刀（贝壳刀）还可用于破碎粒径较大的砾石或漂石，更好地保护刀盘。另外，在刀盘泡沫喷嘴口附件加焊9把加泥加泡保护刀具，以确保8个泡沫喷嘴的正常使用。强化先行刀及泡沫喷嘴保护刀示意图如图6、图7。
2.2 掘进控制
除了对盾构关键部位进行耐磨性改造外，在掘进控制方面采取了以下措施。
1）向刀盘前方和螺旋输送机中加注适量泡沫和水，在刀盘、刀具、螺旋机与渣土之间起润滑作用（泡沫经充分膨胀后扩散到整个面板），同时可全面改善渣土和易性（形成土、石、水的混合体），降低渣土粘性，形成不透水塑流性的渣土，从而减低各部位磨损及提高掘进效率。
2）推进时，在保持开挖面稳定情况下尽量降低土舱渣土舱位，地层稳定时可欠压掘进，地层较差时采用气压模式掘进。推进速度正常值控制在30～50mm/min，刀盘扭矩正常值在2 500kNm左右，推力正常值10 000～13 000kN左右，主要结合推进速度和扭矩进行调整。刀盘转速正常值1.2～1.8rpm，须经常转换旋转方向。螺旋输送机转速主要保持出土量与推进速度一致。通过严格控制盾构土仓压力、推进速度、推力和刀盘扭矩等参数，既可保持开挖面的平衡和稳定，又有利于保护刀具、降低磨损。
3）加强排出渣土的土样分析。根据渣土各成份含量变化、破碎程度、岩石裂口痕迹等，并结合盾构相关操作参数的分析，判断刀盘、刀具、螺旋机等的磨损程度，及时采取调整推进参数、泡沫配比或更换刀具等措施。
4）进行有计划的刀具检查、更换。对整个线路地层和外部环境进行详细分析和论证，确定计划开舱检查或换刀的最隹位置。
3、实施效果
实施过程中，边缘刮刀、方柄刮刀、超挖刀、强化先行刀（焊接式）、加泥加泡沫口保护刀均在始发前安装就位，耐磨滚刀和中心刀在进入含卵石地层之前换入。采取上述措施后工程顺利实施，盾构在800m长含卵石层线路中只更换了1次外圈的部分耐磨滚刀。
［参考文献］
[1] 陈 馈．重庆过江隧道盾构刀具磨损与更换［J］. 建筑机械化，2006，(01)：56－58．
[2] 竺维彬，鞠世健，等．复合地层中的盾构施工技术［M］．北京：中国科学技术出版社，2006.
