盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)(基礎(chǔ))(含參數(shù))

1、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)培訓(xùn)總結(jié)一、掘進(jìn)參數(shù)的選擇1、掘進(jìn)參數(shù)的選擇依據(jù)： 地質(zhì)情況判斷 盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前姿態(tài) 地面監(jiān)測結(jié)果反饋 盾構(gòu)機(jī)狀況 ；地質(zhì)情況的判斷依據(jù)： 地質(zhì)資料及補(bǔ)勘資料 掘進(jìn)參數(shù)變化 渣土狀態(tài)。 也就是說，盾構(gòu)機(jī)目前要在什么樣的地層中施工，是硬巖、軟巖、沙層，還是斷層等； 目前盾構(gòu)機(jī)的中心線是不是與隧道設(shè)計(jì)中心線相吻合，有偏差， 怎樣的偏差？地表面是不是有沉降？沉降了多少？建筑物是否有影響？盾構(gòu)機(jī)目前的刀具狀況怎樣的？各系統(tǒng)是不是 完好？等等由于盾構(gòu)機(jī)的可操作性很強(qiáng)， 掘進(jìn)參數(shù)的選擇不能一概而定， 需根據(jù)不同的實(shí)際情況選 擇相應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)。 如： 在地質(zhì)條件較破碎的地質(zhì)情況下應(yīng)采用低速掘進(jìn)，但

2、刀具磨損較快時(shí)，應(yīng)考率調(diào)整刀盤準(zhǔn)速和掘進(jìn)速度已獲得最佳的貫入度； 又如： 盾構(gòu)機(jī)栽頭且偏離中線較 大時(shí)， 應(yīng)考慮蛇行糾偏， 防止過急糾偏造成管片開裂、 錯(cuò)臺(tái)或滲水等問題； 所以掘進(jìn)中一定 要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，靈活正確地選擇掘進(jìn)參數(shù)。2、影響掘進(jìn)的主要參數(shù)： 掘進(jìn)模式、土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力、推進(jìn) 速度、螺旋輸送機(jī)扭矩、鉸接油缸的行程、泡沫注入率等二、掘進(jìn)模式的選擇1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)有三種模式：敞開模式 半敞開模式 土壓平衡模式采取何種掘進(jìn)模式關(guān)鍵在于地層的自穩(wěn)性和地下水含量決定的。a 、敞開模式該模式適用于能夠自穩(wěn)、地下水少的地層。該掘進(jìn)模式類似于TBM掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)切削下

3、來的碴土進(jìn)入土倉內(nèi)即刻被螺旋輸送機(jī)排出， 土倉內(nèi)僅有極少量的碴土， 土倉基本處于清空 狀態(tài)， 掘進(jìn)中刀盤所受反扭力較小。 由于土倉內(nèi)壓力為大氣壓， 故不能支撐開挖面地層和防 止地下水滲入。b 、半敞開模式半敞開式有的又稱為局部氣壓模式， 該掘進(jìn)模式適用于具有一定自穩(wěn)能力和地下水壓力 不太高的地層。 其防止地下水滲入的效果主要取決于壓縮空氣的壓力。 掘進(jìn)中土倉內(nèi)的碴土 未充滿土倉， 尚有一定的空間， 通過向土倉內(nèi)輸入壓縮空氣與碴土共同支撐開挖面和防止地 下水滲入。c 、土壓平衡模式 該掘進(jìn)模式適用于不能穩(wěn)定的軟土和富水地層。 土壓平衡模式是將刀盤切削下來的碴土 充滿土倉，并通過推進(jìn)操作產(chǎn)生與土壓

4、力和水壓力相平衡的土倉壓力來穩(wěn)定開挖面地層和防 止地下水的滲入。該掘進(jìn)模式主要通過控制盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)的排土量來產(chǎn)生壓 力，并通過測量土倉內(nèi)土壓力來隨時(shí)調(diào)整、 控制盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速。 在該掘進(jìn) 模式下，刀盤所受的反扭力較大。2、土壓平衡的建立通過對掘進(jìn)速度、 出土速度的控制實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的土倉壓力與掌子面的土壓和水壓平衡防 止地層坍塌。螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速 螺旋輸送機(jī)即掌子面的壓力控制因素：盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度 的開度、螺般為3、地表沉降的控制因素 地表沉降的控制因素：土倉壓力、每環(huán)出土量、每環(huán)注漿量 掘進(jìn)時(shí)土倉的壓力的控制如前所述根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度 、螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速 旋輸送機(jī)的開

5、度來控制；渣土的管理則應(yīng)由主司機(jī)記錄每環(huán)的出土量，出土量過大時(shí)可采用關(guān)倉掘進(jìn)，每循環(huán) 的出碴量應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況計(jì)算得出或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把握（理論體積X松散系數(shù)），3380m 90m 。應(yīng)根據(jù)管片外圓與盾殼之間的間隙以及滲透系數(shù)計(jì)算出每環(huán)的注漿量，以便更好地及 時(shí)回填注漿，控制盾構(gòu)機(jī)通過后的地表沉降。三、 碴土改良1、渣土改良的作用 ：降低渣土內(nèi)摩擦角及刀盤扭矩 降低土壤的強(qiáng)度以利于開挖，降低刀具磨損 減少渣土的透水性2、渣土改良材料：膨潤土 水 聚合物 泡沫劑 最常用、最經(jīng)濟(jì)且適用地質(zhì)范圍最廣的渣土改良材料一般選用泡沫劑。3、泡沫劑的特點(diǎn)：能獲得渣土較低的密度與渣土的易混合特性含有較低的化學(xué)成分

6、（環(huán)保）與渣土不易分離特性（與渣土分離一般需7-8小時(shí)）強(qiáng)止水性在掘進(jìn)過程中應(yīng)時(shí)刻注意碴土的狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)節(jié)泡沫和水的注入量，保持碴土的可朔性 和流動(dòng)性。4、泡沫劑算泡沫注入率 Foam Injection Rate（FIR）泡沫注入率（FIR）=泡沫的流量（Qfoam） /渣土的流量（Qsoil ）渣土的流量（Qsoil ）=掌子面的面積（Aface） X掘進(jìn)速度（VtbQ 泡沫的流量（Qfoam）二泡沫注入率（FIR） X渣土的流量（Qsoil） 膨脹率 Foam Expansion Rate膨脹率（FER二泡沫的流量（Qfoam） /液體的流量（Qliquid ）FER=12 1J泡沫空氣

7、的流量(Qair )Qir =(FER-1) X Qquid X (P 土倉 + 1)改良后的渣土狀態(tài)（成牙膏狀）泡沫發(fā)生效果的檢查：可觀察泡沫顆粒的大小來判斷泡沫的發(fā)生效果四、掘進(jìn)方向的控制1、掘進(jìn)方向的控制原則：? 使盾構(gòu)機(jī)趨向DTA中心線方向，蛇行糾偏，防止過急糾偏? 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整應(yīng)適應(yīng)管片的狀態(tài)，管片的選型拼裝應(yīng)適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及趨勢? 底部推進(jìn)油缸的壓力稍高于頂部的壓力，防止盾構(gòu)機(jī)栽頭2、糾偏曲線掘進(jìn)方向的控制是通過調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)幾組油缸的不同壓力來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)盾構(gòu)油缸左側(cè)壓力大于右側(cè)時(shí)， 盾構(gòu)姿態(tài)自左向右擺； 當(dāng)上側(cè)壓力大于下側(cè)壓力時(shí)， 盾構(gòu)姿態(tài)自上向下 擺；依次類推即可調(diào)整盾

8、構(gòu)的姿態(tài)， 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的方向偏離隧道中線時(shí)， 應(yīng)按偏離的多少緩慢 糾偏，防止過急糾偏。盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)的調(diào)節(jié)：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)較硬巖層掘進(jìn)時(shí)或長時(shí)間一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu) 機(jī)會(huì)發(fā)生滾動(dòng)現(xiàn)象，這時(shí)可停止掘進(jìn)，反向啟動(dòng)刀盤后掘進(jìn)。一般不盾構(gòu)機(jī)的滾動(dòng)值 （rotate） 不能超過設(shè)定值10，否則會(huì)自動(dòng)停機(jī)。3、糾偏過急對管片的影響盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整應(yīng)適合管片的狀態(tài)即盾尾間隙，管片的選型拼裝應(yīng)適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及趨勢。在隧道轉(zhuǎn)彎和盾構(gòu)掘進(jìn)方向調(diào)整時(shí)，管片所能承受的推力和管片環(huán)不在同一直線上， 管片所受的斜向推力可能導(dǎo)致管片破損，此時(shí)要注意控制推力的大小。為了保證盾構(gòu)的鉸接密封、盾尾密封工作良好，同時(shí)也為了保證隧道管

9、片不受破壞， 在 調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的過程中，要優(yōu)先考慮盾尾間隙的大小，在調(diào)向的過程中不能有太大的趨勢., 一般在VMT上顯示的任一趨勢值（trend）不應(yīng)大于10,避免調(diào)向過猛。糾偏過急會(huì)造成管片開裂或管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。在軟硬不均的地層中，盾構(gòu)會(huì)向地層軟的方向偏轉(zhuǎn)，姿態(tài)難以控制，此時(shí)要仔細(xì)調(diào)整各組油缸的推力，控制好掘進(jìn)的方向。合適的盾尾間隙是保護(hù)管片所必需的，在調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)要先考慮到盾尾間隙的大小,50mm。在掘進(jìn)方向不超限的前提下，以緩慢的糾偏速度來保證盾尾間隙最小不小于五、掘進(jìn)與刀具1、刀具的破巖機(jī)理滾刀破巖機(jī)理為了研究滾壓破巖的基本原理，我們首先研究刀刃在靜壓作用下侵入巖石的情況和巖石 破碎的

10、過程。在靜壓壓力 P （圖4）作用下刀刃侵入巖石，首先巖石與刀刃接觸面前方發(fā)生 局部粉碎或顯著的塑性變形而形成一個(gè)袋狀的核，也稱為密實(shí)核；其次侵入深度增加（此過程侵入深度與荷載按一定的比例增長）到一定深度時(shí)，由于錐形刀刃在垂直荷載作用下對周圍巖體產(chǎn)生側(cè)向擠壓， 密實(shí)核旁側(cè)的巖石會(huì)突然出現(xiàn)崩碎，如圖4所示；由于這種崩碎的突然出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致荷載突然降低出現(xiàn)躍進(jìn)現(xiàn)象，越是脆性巖石，這種躍進(jìn)式侵入特點(diǎn)越明顯， 塑性巖石則較緩和；因此在脆性巖石中應(yīng)用滾壓破巖方式其效率高，而相對來說在塑性巖石中采用滾壓破巖的效率要低。盤刀在滾壓巖石面上連續(xù)做同心圓運(yùn)動(dòng)，其外荷載之一為軸壓力（推力）使盤刀刀刃壓入巖石，產(chǎn)生類

11、似于靜壓破巖；其外荷載之二為滾動(dòng)力（扭矩）使盤刀刀刃沿軌跡線連續(xù)滾 壓巖石，并在盤刀通過處對巖體作用側(cè)向壓力，使盤刀運(yùn)動(dòng)軌跡線周邊的巖石不斷產(chǎn)生崩裂， 從而達(dá)到連續(xù)破巖。刀間距滾壓破巖狀況滾刀破巖原理示意圖切刀破巖機(jī)理切削破巖是利用切刀（或刮刀）施力與于被作用的巖土層上，靠刀具的刀刃從巖土體的外層上分離巖土，并使之脫離母體達(dá)到破巖的一種機(jī)械破巖方式，其基本原理如圖8所示。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)切削破巖的過程可分為以下二步：首先通過盾構(gòu)的掘進(jìn)推力將切刀的刀刃壓入巖土體，切入的阻力取決于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)及切刀的形狀；其次切刀隨著刀盤作同心圓運(yùn)動(dòng)，在刀具刀刃處與切削面成3角的方向上出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超

12、過巖土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，被切削部分產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)形成裂紋，并且在刀尖與巖土接觸部形成切削核，隨著切削核的增大，已形成裂紋的巖土體脫離開母體松散或碎削狀，而達(dá)到破巖的目的。一般來說， 對于巖體和固結(jié)程度高的硬土，先是出現(xiàn)裂紋，然后一塊塊地剝落；而對于較為松散的土層，往往是出現(xiàn)整體粉碎的現(xiàn)象；對于塑性地層（粘土）往往是出現(xiàn)連續(xù)切削，而無明顯的裂紋 出現(xiàn)或出現(xiàn)整體粉碎。切刀破巖機(jī)理示意圖2、刀具的失效形式滾刀的失效形式：正常磨損、刀圈斷裂、刀圈剝落、刀圈卷刃、刀圈移位、漏油、擋圈脫落、 偏磨（弦磨） 、多邊弦磨、刀體磨損、端蓋磨損、完全損壞。正常磨損 刀圈斷裂 刀圈斷裂碎片偏磨（弦磨） 偏磨與斷裂 滾刀被碴

13、土粘住3、掘進(jìn)參數(shù)及地質(zhì)對刀具的影響 硬巖掘進(jìn)時(shí)推力及速度過大會(huì)造成刀具崩刃斷裂 硬巖掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)向刀盤內(nèi)加水或泡沫以降低刀具溫度，防止刀圈溫度過高造成刀圈卷刃 或刀具因高溫出現(xiàn)漏油現(xiàn)象粘土層掘進(jìn)時(shí)泡沫、水等添加不合適即渣土改良效果不好會(huì)產(chǎn)生泥餅或刀具被渣土裹住 無法轉(zhuǎn)動(dòng)軟弱圍巖掘進(jìn)時(shí)，推力過大或刀盤轉(zhuǎn)速過快會(huì)造成局部刀具過載、密封失效等 軟弱圍巖掘進(jìn)時(shí)，坍塌的石塊可能會(huì)將刀體、端蓋、擋圈砸懷造成刀具漏油或擋圈脫落 等現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)造成滑動(dòng)密封受沖擊發(fā)生漏油現(xiàn)象六、特殊地層的掘進(jìn)不同的地層， 掘進(jìn)參數(shù)的選擇千差萬別， 這里僅根據(jù)我們在廣州二號線、 三號線、 深圳 地鐵及南京地鐵施工中所遇到的一些

14、特殊地層下的掘進(jìn)作一探討。掘進(jìn)時(shí)要隨時(shí)注意刀盤扭矩、螺旋機(jī)扭矩、推進(jìn)速度、土倉壓力、鉸接的變化，渣土狀況和 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等， 根據(jù)相應(yīng)的狀況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。 確保刀盤和刀具不超載， 掘進(jìn)方向不超 限。1、硬巖地層硬巖地層就是指盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面的各部分圍巖強(qiáng)度變化小，整體強(qiáng)度在 70MPa 以上。隧道全斷面都是 8Z2、 9Z 2。掘進(jìn)中刀盤的扭矩大， 推進(jìn)速度明顯減慢， 盾構(gòu)機(jī)有較大滾動(dòng)和震動(dòng)現(xiàn)象和連續(xù)的響聲， 渣土中會(huì)有很多的石塊出現(xiàn)。在此地層中應(yīng)采用高刀盤轉(zhuǎn)速、低推進(jìn)速度掘進(jìn)。掘進(jìn)時(shí)要向刀盤和螺旋機(jī)多加泡沫， 向土倉加水， 對刀盤和螺旋機(jī)進(jìn)行冷卻、 潤滑， 就是降低刀具和螺旋帶的磨損速度。

15、為了防 止刀具的超載，不能為了提高推進(jìn)速度而盲目加大油缸推力。硬巖地層（掌子面可清楚地看到刀具的軌跡為同心圓） 2、軟硬不均地層軟硬不均地層就是指盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面的地質(zhì)不均,斷面的上部、中部、下部、左邊、右邊的圍巖強(qiáng)度變化大，如上部是6Z 2,下部是9Z 2。掘進(jìn)中刀盤的扭矩變化大， 盾構(gòu)機(jī)有較大滾動(dòng)和震動(dòng)現(xiàn)象和間斷的響聲， 掘進(jìn)方向很難 控制,渣土中會(huì)有較大的石塊出現(xiàn)。在此地層中應(yīng)采用低刀盤轉(zhuǎn)速、 低推進(jìn)速度掘進(jìn)。 因?yàn)檎谱用娴刭|(zhì)不均, 掘進(jìn)時(shí), 刀盤 各部位會(huì)受力不均, 容易使部分刀具受力過大而不能轉(zhuǎn)動(dòng), 最終導(dǎo)致偏磨。 還有就是當(dāng)推進(jìn) 速度太快時(shí), 刀具的切入量也很大, 容易使刀盤扭矩突然

16、上升超過設(shè)定值而卡死, 甚至使刀 圈崩裂脫落。3、粘土地層 粘土地層就是指土質(zhì)比較粘,土的滲水性弱,與水不易混合,容易形成塊狀。一般是5Z 2、6Z 2 地層。掘進(jìn)中容易在刀盤上形成泥餅。 此種地層中掘進(jìn)應(yīng)向刀盤多加泡沫和水,多攪拌,改善渣土的流動(dòng)性和塑性；防止在 刀盤上形成泥餅, 裹住刀具使刀具不能轉(zhuǎn)動(dòng)而偏磨。 再有就是掘進(jìn)中要隨時(shí)注意刀盤扭矩和 究竟速度的變化, 當(dāng)掘進(jìn)速度明顯降低, 而刀盤扭矩卻增加時(shí), 很有可能是刀盤上形成了泥 餅,應(yīng)立即采取措施處理, 加泡沫加水?dāng)嚢璩ツ囡? 如地質(zhì)條件允許, 可開倉用水沖洗刀 盤,快速除去泥餅。4、含砂富水地層 此地層自穩(wěn)性差，含有大量砂粒、礫石，

17、遇水容易坍塌。 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中向土倉內(nèi)及刀盤面注入泡沫等添加材料， 改善碴土性能， 提高碴土的流 動(dòng)性和止水性， 防止涌水流砂和發(fā)生噴涌現(xiàn)象， 并利于螺旋輸送機(jī)排土。 每環(huán)掘進(jìn)結(jié)束前要 保證土倉相當(dāng)?shù)脑亮浚屜乱画h(huán)開始掘進(jìn)時(shí)不會(huì)因土倉水太多而發(fā)生噴涌。掘進(jìn)應(yīng)采用土壓平衡模式， 掘進(jìn)中要嚴(yán)格控制出渣量； 要加大盾尾油脂的注入量和調(diào)整 好盾構(gòu)姿態(tài)，防止水帶沙土從盾尾或鉸接密封處進(jìn)入隧道。5、硬巖破碎地層此地層巖石強(qiáng)度較大，但整體結(jié)構(gòu)性差；巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、透水能力強(qiáng)，巖層中含 有石英、角礫、硅化角礫。掘進(jìn)時(shí)刀盤扭矩變化大，有較大的振動(dòng)和響聲，對刀具的損傷較大，可能出現(xiàn)較大塊 巖石的崩落和震斷刀圈

18、。掘進(jìn)中要適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度，防止刀具因超載而損壞，多加泡沫改善碴土 性能，減小對刀具的磨損，提高碴土的流動(dòng)性和止水性，以防失水；加強(qiáng)盾尾密封油脂 的注入，確保盾尾密封效果；加強(qiáng)鉸接處的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證其 密封效果。隨時(shí)觀察出渣口渣土情況。在地質(zhì)條件允許的情況下，適當(dāng)增加檢查刀具的頻 率。硬巖破碎地層6、過江河地段 此地層除隧道本身的地質(zhì)條件外，還存在隧道外圍的高土壓和高水壓影響。 過江河前，要對設(shè)備進(jìn)行全面的檢查保養(yǎng)，保證設(shè)備的完好，特別是盾尾密封，鉸接 密封、刀具的完好。選擇土壓平衡模式掘進(jìn)， 掘進(jìn)時(shí)要盡量降低對地層的擾動(dòng)， 防止土倉與河水直接連通， 加泡沫增加

19、對地層的止水性， 加強(qiáng)盾尾密封油脂的注入， 確保盾尾密封效果；加強(qiáng)鉸接處 的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證其密封效果。調(diào)整好注漿配比，適當(dāng)提高漿 液的凝固速度。七、掘進(jìn)中異常現(xiàn)象的處理? 推力大，扭矩小，推進(jìn)速度小 可能的原因：鉸接油缸壓力過大，必要時(shí)釋放；土倉壓力過高；刀具嚴(yán)重磨損。? 刀盤扭矩大，推進(jìn)速度小 可能的原因及處理：可能有泥餅產(chǎn)生，應(yīng)立即停止掘進(jìn)并加泡沫、水?dāng)嚢琛? 土倉壓力上升快可能的原因及處理：掌子面坍塌，應(yīng)適當(dāng)加快掘進(jìn)速度并增加土倉壓力防止更大 的坍塌。? 噴涌可能的原因，地層含水量大或渣土改良效果不好不能形成土塞效應(yīng)，一般關(guān)閉螺旋輸送機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)一段以增加土倉內(nèi)渣土含量并改良土質(zhì)? 油溫上升快可能的原因：刀盤扭矩或推力過大，或設(shè)備系統(tǒng)故障（如冷卻系統(tǒng)）應(yīng)立即停機(jī)檢查或調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。? 刀盤被卡住可能的原因及處理： 刀盤扭矩過大或設(shè)定值過低，應(yīng)立即停機(jī)檢查并調(diào)整設(shè)定值,反轉(zhuǎn)刀