富水砂卵石地層土壓平衡盾構隧道施工關鍵技術

1、富水砂卵石地層土壓平衡盾構隧道富水砂卵石地層土壓平衡盾構隧道施工關鍵技術施工關鍵技術中鐵十三局集團第二工程有限公司中鐵十三局集團第二工程有限公司成都地鐵項目部成都地鐵項目部 王國義王國義主要內容主要內容 1 1、工程概況及特點、工程概況及特點 2 2、主要研究技術、主要研究技術 2.1 砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控 2.2 刀具磨損機理與預測刀具磨損機理與預測 2.3 砂卵石地層帶壓換刀技術砂卵石地層帶壓換刀技術 2.4 盾尾同步注漿材料及注漿參數(shù)盾尾同步注漿材料及注漿參數(shù) 2.5 盾構穿越建（構）筑物控制措施盾構穿越建（構）筑物控制措施1 1 工程概況

2、及特點工程概況及特點成都地鐵成都地鐵1 1號線號線2 2標線路平面示意圖標線路平面示意圖 l 工程概況工程概況l本工程中使用的土壓平衡盾構機本工程中使用的土壓平衡盾構機( (海瑞克公司生產(chǎn)海瑞克公司生產(chǎn)) ) 最大工作壓力3bar，盾體加刀盤長8.65m，加后配套總長88m，總重量約550t，總配置功率約2000kVA，主軸承直徑3米，額定扭矩5980kNm，脫困扭矩7150kNm，最大推力34210kN，最大掘進速度80mmmin。 工程概況工程概況l盾構穿越的砂卵石地層特點盾構穿越的砂卵石地層特點渣土不均勻，卵石含量高渣土不均勻，卵石含量高 流動性差流動性差 與刀具摩擦系數(shù)大與刀具摩擦系數(shù)

3、大 單塊卵石強度高單塊卵石強度高 粘聚力小，結構松散粘聚力小，結構松散 工程特點工程特點 刀盤扭矩大，消耗嚴重；刀盤扭矩大，消耗嚴重；在大直徑盾構情況下，工作面土壓較難控制；在大直徑盾構情況下，工作面土壓較難控制；掘進效率低；掘進效率低；刀具、刀盤磨損嚴重；刀具、刀盤磨損嚴重；意大利都靈地鐵意大利都靈地鐵 臺北捷運臺北捷運 日本春日井共同溝日本春日井共同溝 成都地鐵成都地鐵 l掘進實例及存在的主要問題掘進實例及存在的主要問題工程特點工程特點 2 主要研究技術主要研究技術 2.1 砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控制砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控制 2.2 刀具磨損機理與預測刀具磨損機理與預

4、測 2.3 砂卵石地層帶壓換刀技術砂卵石地層帶壓換刀技術 2.4 盾尾同步注漿材料及注漿參數(shù)盾尾同步注漿材料及注漿參數(shù) 2.5 盾構穿越建（構）筑物控制措施盾構穿越建（構）筑物控制措施2.12.1砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控制砂卵石地層土壓平衡盾構掘進機理及控制 l EPBEPB土壓平衡相關參數(shù)土壓平衡相關參數(shù)l 砂卵石地層的掘進模擬計算砂卵石地層的掘進模擬計算l 砂卵石地層土壓平衡特點砂卵石地層土壓平衡特點l 實測參數(shù)反饋實測參數(shù)反饋l 土壓平衡控制方法土壓平衡控制方法l 渣土改良措施渣土改良措施l 砂卵石地層砂卵石地層EPBEPB土壓平衡相關參數(shù)土壓平衡相關參數(shù) 100%總支撐壓力土

5、壓(EPSR)土壓壓支撐力 土壓支撐率（土壓支撐率（EPSREPSR）l EPBEPB土壓平衡相關參數(shù)土壓平衡相關參數(shù) SSTSSER12土倉豎向壓力規(guī)則系數(shù)（土倉豎向壓力規(guī)則系數(shù)（RMEPRMEP） 侖官第侖官第635635環(huán)土壓力分布特征（環(huán)土壓力分布特征（R R2 20.740.74）l EPBEPB土壓平衡相關參數(shù)土壓平衡相關參數(shù) 21k土倉前后應力比（土倉前后應力比（HSRHSR）l 砂卵石地層的掘進模擬計算砂卵石地層的掘進模擬計算 盾構掘進的離散元模型盾構掘進的離散元模型l 砂卵石地層的土壓平衡特點砂卵石地層的土壓平衡特點 土壓支撐率土壓支撐率不同狀態(tài)下的土壓支撐率不同狀態(tài)下的土壓

6、支撐率工作面支護壓力分布工作面支護壓力分布l 砂卵石地層的土壓平衡特點砂卵石地層的土壓平衡特點 土壓力規(guī)則系數(shù)土壓力規(guī)則系數(shù) 沿土倉水平土壓力分布（沿土倉水平土壓力分布（R R2 20.460.46）l 砂卵石地層的土壓平衡特點砂卵石地層的土壓平衡特點 土倉內渣土結塊時水平土壓力分布土倉內渣土結塊時水平土壓力分布水平土壓力規(guī)則系數(shù)水平土壓力規(guī)則系數(shù)l 砂卵石地層的土壓平衡特點砂卵石地層的土壓平衡特點 土倉前后土應力比土倉前后土應力比理想平衡狀態(tài)水平應力變化理想平衡狀態(tài)水平應力變化盈壓狀態(tài)水平應力變化曲線盈壓狀態(tài)水平應力變化曲線 （1 1）砂卵石地層）砂卵石地層EPBEPB掘進是通過刀具的擾動、

7、擠壓作用，在刀盤前上方形成了一掘進是通過刀具的擾動、擠壓作用，在刀盤前上方形成了一“松散帶松散帶”，而盾構刀具主要和該松散帶發(fā)生作用。由于，而盾構刀具主要和該松散帶發(fā)生作用。由于“松散帶松散帶”的存在，改變了的存在，改變了傳統(tǒng)的刀盤、刀具的作用方式，并且引起了盾構施工的傳統(tǒng)的刀盤、刀具的作用方式，并且引起了盾構施工的“地層損失率地層損失率”的變化；的變化；（2 2）工作面的水平支撐應力和土倉后壓力隔板的應力有一定的差別，土倉前后應力）工作面的水平支撐應力和土倉后壓力隔板的應力有一定的差別，土倉前后應力比大于比大于1 1，局部出現(xiàn)大于，局部出現(xiàn)大于2 2的情況。一方面表明了的情況。一方面表明了E

8、PBEPB掘進時依靠壓力隔板的應力來控制掘進時依靠壓力隔板的應力來控制工作面的應力的控制方法已不大合理。另一方面表明刀盤面板上承擔了過多的支護面工作面的應力的控制方法已不大合理。另一方面表明刀盤面板上承擔了過多的支護面壓力，致使工作面的土壓支撐率降低；壓力，致使工作面的土壓支撐率降低；（3 3）土倉豎向應力也由于多種因素的影響，豎向規(guī)則系數(shù)僅為）土倉豎向應力也由于多種因素的影響，豎向規(guī)則系數(shù)僅為0.50.5左右。且在土倉左右。且在土倉盈壓狀態(tài)下，土倉中部出現(xiàn)盈壓狀態(tài)下，土倉中部出現(xiàn)“應力凸起應力凸起”現(xiàn)象，容易造成土倉內土體的固結，產(chǎn)生結現(xiàn)象，容易造成土倉內土體的固結，產(chǎn)生結塊現(xiàn)象；塊現(xiàn)象；（

9、4 4）砂卵石地層中的土壓支撐率只有）砂卵石地層中的土壓支撐率只有40%40%左右，且盈壓率越高，土壓支撐率越低，左右，且盈壓率越高，土壓支撐率越低，渣土流動性愈差，土壓支撐率愈低。在砂卵石地層中應盡量增大土壓支撐率，以減小渣土流動性愈差，土壓支撐率愈低。在砂卵石地層中應盡量增大土壓支撐率，以減小盾構的消耗；盾構的消耗；l 砂卵石地層的土壓平衡特點砂卵石地層的土壓平衡特點 l 土壓平衡參數(shù)反饋土壓平衡參數(shù)反饋 成都砂卵石地層下，盾構土倉內豎向土壓力規(guī)則系數(shù)為成都砂卵石地層下，盾構土倉內豎向土壓力規(guī)則系數(shù)為0.50.5左右，左右，土倉內土壓力分布不均勻；土倉內土壓力分布不均勻； 土倉中部出現(xiàn)應力

10、偏大的現(xiàn)象，與數(shù)值計算中的中部土倉中部出現(xiàn)應力偏大的現(xiàn)象，與數(shù)值計算中的中部“應力凸起應力凸起”相一致；相一致； 成都砂卵石地層中的盾構土壓平衡應該與其他地層的土壓平衡相成都砂卵石地層中的盾構土壓平衡應該與其他地層的土壓平衡相區(qū)別。相應的，在軟土地層中盾構土壓平衡控制理論不適應于成都地區(qū)別。相應的，在軟土地層中盾構土壓平衡控制理論不適應于成都地層。層。l 土壓平衡控制方法土壓平衡控制方法 土壓分布特點土倉豎向均勻土倉前后應力比工作面土壓支撐率提高渣土特性改進施工參數(shù)土壓平衡管理思路土壓平衡管理思路l 渣土改良試驗渣土改良試驗 No.No.試驗項目試驗項目 目目 的的試驗求取值試驗求取值試驗設備

11、試驗設備1 1塌落度試塌落度試驗驗改良土的塑流性改良土的塑流性塌落度（塌落度（cmcm）流動度（流動度（cmcm）標準塌落度桶標準塌落度桶2 2滲水試驗滲水試驗改良土的止水性改良土的止水性滲透系數(shù)（滲透系數(shù)（cm/scm/s）自制直徑為自制直徑為20cm20cm的有機的有機玻璃滲透系數(shù)儀玻璃滲透系數(shù)儀3 3滑動試驗滑動試驗改良土和鋼之間的摩改良土和鋼之間的摩擦擦鐵塊與土體之間鐵塊與土體之間摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)自制角鋼和土體接觸，自制角鋼和土體接觸，采用拉力計測得拉力采用拉力計測得拉力4 4電機攪拌電機攪拌試驗試驗攪拌難易程度、內摩攪拌難易程度、內摩擦角、粘聚力擦角、粘聚力電流消耗電流消耗轉速為轉速

12、為60rpm60rpm的攪拌機，的攪拌機，數(shù)字電流計數(shù)字電流計5 5觀觀 察察是否離析，流動性、是否離析，流動性、包裹小卵石的情況包裹小卵石的情況 試驗測試項目試驗測試項目 拉力計鋼條改良土體試驗方法試驗方法No.No.1 12 23 34 4改良類型改良類型泡沫泡沫礦物材料礦物材料復合式復合式硅溶膠硅溶膠材材 料料采用采用YT-2YT-2型泡沫型泡沫劑劑粘土和膨潤粘土和膨潤土土泡沫泡沫+ +礦物材料礦物材料采用硅膠溶液和采用硅膠溶液和強電解質制成強電解質制成試驗添加材料類型試驗添加材料類型 每格每格1mm添加泡沫和礦物材料后添加泡沫和礦物材料后添加泡沫后添加泡沫后 不同類型的改良方法及成本不

13、同類型的改良方法及成本A A顆粒較小情況顆粒較小情況B B一般情況一般情況C C偏大顆粒偏大顆粒顆粒特征顆粒特征10mm20mm20mm的顆粒占的顆粒占505065%65%20mm20mm的顆粒占的顆粒占70%70%以以上上泡沫泡沫注入率：注入率：252535%35%注入率：注入率：303040%40%注入率：注入率：202030%30%粘土粘土可少注或不注可少注或不注注入率：注入率：202035%35%濃度：濃度：303040%40%注入率：注入率：353545%45%濃度：濃度：404050%50%膨潤土膨潤土注入率：注入率：5 58%8%濃度濃度8 810%10%注入率：注入率：8 81

14、0%10%濃度：濃度：101012%12%注入率：注入率：101012%12%濃度：濃度：101015%15%改良成本改良成本低低中等中等偏高偏高 (1)(1) 對于細顆粒含量較大的地層，只要含水率達到對于細顆粒含量較大的地層，只要含水率達到18%18%，流動性等指標已經(jīng)能達，流動性等指標已經(jīng)能達到很好，只需要添加適量的泡沫以減小土體與刀盤、刀具及機械之間的摩擦；到很好，只需要添加適量的泡沫以減小土體與刀盤、刀具及機械之間的摩擦；(2)(2) 對于含大顆粒較多的地層，改良的主要目的是解決流動性和抗?jié)B性，建議采對于含大顆粒較多的地層，改良的主要目的是解決流動性和抗?jié)B性，建議采用加入礦物材料的方法

15、補充細顆粒；意大利都靈地鐵采用增加細顆粒的方法進行用加入礦物材料的方法補充細顆粒；意大利都靈地鐵采用增加細顆粒的方法進行渣土改良。渣土改良。(3)(3) 采用硅膠對渣土進行改良，對于富水的大顆粒卵石改良效果不是很明顯，而采用硅膠對渣土進行改良，對于富水的大顆粒卵石改良效果不是很明顯，而且存在改良成本過高的不足；且存在改良成本過高的不足；(4)(4) 建議采用建議采用“泡沫泡沫+ +礦物材料礦物材料”的改良方案對該土體進行改良，發(fā)揮了兩種材的改良方案對該土體進行改良，發(fā)揮了兩種材料具有互補性，泡沫主要在細顆粒中起到減磨和提高流動性的作用，礦物材料主料具有互補性，泡沫主要在細顆粒中起到減磨和提高流

16、動性的作用，礦物材料主要起到增加細顆粒含量，提高渣土流塑性，提高抗?jié)B性；在粗顆粒多的地段，減要起到增加細顆粒含量，提高渣土流塑性，提高抗?jié)B性；在粗顆粒多的地段，減小泡沫注入量，增大礦物添加材的注入量；在細顆粒較多的地段，減少礦物添加小泡沫注入量，增大礦物添加材的注入量；在細顆粒較多的地段，減少礦物添加量，增大泡沫注入量；量，增大泡沫注入量；(5)(5) 在水頭高的地段，盡量減少泡沫用量，增大高濃度粘土的注入率。在水頭高的地段，盡量減少泡沫用量，增大高濃度粘土的注入率。渣土改良綜合評價渣土改良綜合評價 2.2 2.2 刀具磨損機理研究與預測刀具磨損機理研究與預測 l 刀具配置的應用效果刀具配置的

17、應用效果l 滾刀磨損分析及建議滾刀磨損分析及建議l 刮刀磨損分析及建議刮刀磨損分析及建議l 刀具損耗刀具損耗l 刀具耐磨性改造刀具耐磨性改造l 刀具配置的應用效果刀具配置的應用效果 4 4把中心雙刃滾刀，把中心雙刃滾刀， 3232把單刃滾刀，把單刃滾刀， 2828把寬刮刀以及把寬刮刀以及8 +88 +8弧形弧形邊刮刀的組合配置適應成都砂卵石地層絕大多數(shù)路段的掘進要求。邊刮刀的組合配置適應成都砂卵石地層絕大多數(shù)路段的掘進要求。 當在泥巖中掘進時，將滾刀當在泥巖中掘進時，將滾刀( (含雙刃含雙刃) )孔位對應換成羊角形強刀刮孔位對應換成羊角形強刀刮刀滿足掘進要求，且可以降低工程成本。刀滿足掘進要求

18、，且可以降低工程成本。 海瑞克盾構機原始的海瑞克盾構機原始的3 3條條Hardox 400Hardox 400耐磨條設計不能滿足成都砂耐磨條設計不能滿足成都砂卵石地層的需要，但是其重型刀盤的強度剛度基本滿足要求。卵石地層的需要，但是其重型刀盤的強度剛度基本滿足要求。 原始盤形滾刀刀尖厚度太小，不適應砂卵地層的使用要求，滾刀原始盤形滾刀刀尖厚度太小，不適應砂卵地層的使用要求，滾刀刀圈耐磨和刀轂的剛度也需要提高及改進。刀圈耐磨和刀轂的剛度也需要提高及改進。l 滾刀磨損分析滾刀磨損分析正常磨損正常磨損滾刀偏（弦）磨滾刀偏（弦）磨滾刀磨損主要以非正常磨損為主，破滾刀磨損主要以非正常磨損為主，破壞方式一

19、般有三種：壞方式一般有三種： 刀圈斷裂損壞；刀圈斷裂損壞； 滾刀密封、軸承損壞與刀圈偏磨；滾刀密封、軸承損壞與刀圈偏磨； 滾刀殼體變形磨損。滾刀殼體變形磨損。l 滾刀磨損分析滾刀磨損分析掘進中滾刀受力示意圖掘進中滾刀受力示意圖 滾刀與砂卵石地層的作用滾刀與砂卵石地層的作用 開挖面松散，不能給滾刀提供足夠的反力，無法提供足夠的轉動力矩；開挖面松散，不能給滾刀提供足夠的反力，無法提供足夠的轉動力矩； 刀箱內渣土的結塊、結餅，使得滾刀的阻力力矩增大；刀箱內渣土的結塊、結餅，使得滾刀的阻力力矩增大； 由于掘進松散帶的存在，刀鼓直接和松散帶的卵石接觸，經(jīng)過卵石的撞擊，造由于掘進松散帶的存在，刀鼓直接和松

20、散帶的卵石接觸，經(jīng)過卵石的撞擊，造成了主軸承的啟動扭矩增大，從而造成成了主軸承的啟動扭矩增大，從而造成T T阻阻加大，使得轉動困難；加大，使得轉動困難； 由于滾刀的長期不轉動，使得砂卵石在一個方向摩擦，造成滾刀嚴重偏磨。由于滾刀的長期不轉動，使得砂卵石在一個方向摩擦，造成滾刀嚴重偏磨。l 滾刀磨損分析滾刀磨損分析刀盤側面部位滾刀磨損嚴重的分析刀盤側面部位滾刀磨損嚴重的分析 松散帶示意圖松散帶示意圖 l 滾刀磨損分析滾刀磨損分析 刀盤中心結餅刀盤中心結餅沿土倉豎向水平應力分布圖沿土倉豎向水平應力分布圖中心滾刀偏磨原因分析中心滾刀偏磨原因分析 （1 1）在有可能的情況下，盡量使用雙刃滾刀，這樣可以

21、增大刀圈和開挖面的接觸）在有可能的情況下，盡量使用雙刃滾刀，這樣可以增大刀圈和開挖面的接觸面積，可使轉動扭矩增大；面積，可使轉動扭矩增大；（2 2）可使用帶齒的刀圈。在滾刀刀圈上鑲嵌合金鋼，以增大刀圈和開挖面接觸時）可使用帶齒的刀圈。在滾刀刀圈上鑲嵌合金鋼，以增大刀圈和開挖面接觸時 的摩擦系數(shù)，因而起到增大轉動扭矩的效果；的摩擦系數(shù)，因而起到增大轉動扭矩的效果；（3 3）減小滾刀的啟動扭矩。若啟動扭矩過大，也會給滾刀轉動帶來困難，因此，）減小滾刀的啟動扭矩。若啟動扭矩過大，也會給滾刀轉動帶來困難，因此，在保證滾刀軸承密封安全條件的允許下，可適當降低滾刀的啟動扭矩；在保證滾刀軸承密封安全條件的允

22、許下，可適當降低滾刀的啟動扭矩；（4 4）對刀箱內空隙進行改造。減小刀箱深度，同時采取倒喇叭形狀，有力于渣土）對刀箱內空隙進行改造。減小刀箱深度，同時采取倒喇叭形狀，有力于渣土的流動，不至于聚集于刀箱內，導致阻力力矩增大；的流動，不至于聚集于刀箱內，導致阻力力矩增大；（5 5）對滾刀刀鼓采取加焊耐磨層防護措施，以防止刀鼓破壞使得阻力力矩增大。）對滾刀刀鼓采取加焊耐磨層防護措施，以防止刀鼓破壞使得阻力力矩增大。 滾刀的適應性設計建議滾刀的適應性設計建議 l 刮刀磨損分析刮刀磨損分析寬刮刀磨損寬刮刀磨損 刮刀的磨損情況刮刀的磨損情況破壞形式：破壞形式： 刮刀磨損變形刮刀磨損變形 刮刀合金齒脫落刮刀

23、合金齒脫落 固定螺栓斷裂固定螺栓斷裂不同位置刮刀的磨損特點不同位置刮刀的磨損特點（1 1）單個刮刀的磨損為兩側磨損大，中間磨損?。唬﹩蝹€刮刀的磨損為兩側磨損大，中間磨損??；（2 2）刮刀的前角面磨損小，后角面磨損大；）刮刀的前角面磨損小，后角面磨損大；（3 3）同一號位置的刮刀的磨損量基本一樣；）同一號位置的刮刀的磨損量基本一樣；（4 4）隨號數(shù)增大，刮刀的磨損也越嚴重。）隨號數(shù)增大，刮刀的磨損也越嚴重。 l 刮刀磨損分析刮刀磨損分析顆粒成樣賦予刮刀速度水平及豎向刀具磨損后未磨損的刮刀前后角都為0后角不為0設置記錄墻體受力計算與分析刀座刀盤面板小刮刀VzVx l 刮刀磨損分析結論刮刀磨損分析結

24、論 靠近邊部刮刀應加強耐磨性能，單個刮刀兩側應加強耐磨措施；靠近邊部刮刀應加強耐磨性能，單個刮刀兩側應加強耐磨措施； 刮刀磨損主要是后角方向，前角方向磨損較小，需要在后角面方刮刀磨損主要是后角方向，前角方向磨損較小，需要在后角面方向增大刀具的寬度；向增大刀具的寬度； 若采用超硬重型刀具，則在刀具后角方向實施硬化堆焊。若采用超硬重型刀具，則在刀具后角方向實施硬化堆焊。 對于刮刀做切削運動來說，具有一定切掉的后角可以有效的減小對于刮刀做切削運動來說，具有一定切掉的后角可以有效的減小刀盤扭矩和刀具的磨損。刀盤扭矩和刀具的磨損。 l 刀具磨損預測刀具磨損預測 根據(jù)刀具磨損的測量數(shù)據(jù)，計算得到了該地層中

25、刮刀的磨損系數(shù)，根據(jù)刀具磨損的測量數(shù)據(jù)，計算得到了該地層中刮刀的磨損系數(shù)，預測不同部位的刮刀的磨損。計算表明，后角面方向的刀體部分很容預測不同部位的刮刀的磨損。計算表明，后角面方向的刀體部分很容易被磨損掉，從而造成對刀具、刀盤面板的磨損。因此，建議對后角易被磨損掉，從而造成對刀具、刀盤面板的磨損。因此，建議對后角面處的刮刀寬度及厚度進行加強。面處的刮刀寬度及厚度進行加強。 根據(jù)計算情況，對于刮刀根據(jù)計算情況，對于刮刀20mm20mm的凸出量顯然不能滿足刀盤邊部的的凸出量顯然不能滿足刀盤邊部的要求，應適當增大刀具厚度。為了合理的利用刮刀，建議面板上按不要求，應適當增大刀具厚度。為了合理的利用刮刀

26、，建議面板上按不同位置布置兩種類型的刮刀：輕型刮刀和重型刮刀。同位置布置兩種類型的刮刀：輕型刮刀和重型刮刀。 l 刀具磨損預測刀具磨損預測 各刮刀位置刀具最小厚度各刮刀位置刀具最小厚度計算結果計算結果刮刀號刮刀號1#1#2#2#3#3#4#4#5#5#6#6#7#7#距離中心的距離（距離中心的距離（mmmm）11151115135513551595159518351835207520752315231525552555旋轉一周所走的形程旋轉一周所走的形程/m/m7.017.018.518.5110.0210.0211.5311.5313.0413.0414.5514.5516.0516.05總

27、行程總行程/m/m574895748969790697908217482174945579455710694110694111932411932413162131626 6磨損量磨損量/mm/mm5 5151530304545606067677979計算最小厚度計算最小厚度/mm/mm10102020212128.428.4363644445050建議刮刀厚度建議刮刀厚度/mm/mm3030303030306060606060606060 前前957m957m各項消耗占刀具總消耗的比例各項消耗占刀具總消耗的比例滾刀磨損示意圖滾刀磨損示意圖l 刀具損耗分析刀具損耗分析 l 刀具損耗分析刀具損耗分

28、析(1) (1) 未對渣土進行有效的改良情況下，每延米刀具損耗約未對渣土進行有效的改良情況下，每延米刀具損耗約73007300元。其中元。其中滾刀損耗最多，占總消耗的滾刀損耗最多，占總消耗的61%61%；(2) (2) 通過渣土改良，減小刀具與地層之間的摩擦，降低了刀具消耗，將通過渣土改良，減小刀具與地層之間的摩擦，降低了刀具消耗，將每延米刀具損耗降低每延米刀具損耗降低20%20%；(3) (3) 在刀盤盤圈前端面布置貝殼刀，同樣起到切削砂卵石的作用，且刀在刀盤盤圈前端面布置貝殼刀，同樣起到切削砂卵石的作用，且刀具成本能有大幅下降，可在試驗的基礎上適當采用；具成本能有大幅下降，可在試驗的基礎上

29、適當采用；(4) (4) 通過松散路段及粉細砂路段，可以采用加強先行刀在刀盤正面與滾通過松散路段及粉細砂路段，可以采用加強先行刀在刀盤正面與滾刀交錯安裝。實踐證明既節(jié)約刀具成本，又能夠保證掘進速度。刀交錯安裝。實踐證明既節(jié)約刀具成本，又能夠保證掘進速度。 l 刀具耐磨性改造刀具耐磨性改造(1) (1) 耐磨環(huán)位置用耐磨環(huán)位置用5050* *8080的扁鋼間隔開的扁鋼間隔開2525* *2525的槽，在槽中堆的槽，在槽中堆2525* *2525* *8080的的 硬質合金條耐磨效果理想。硬質合金條耐磨效果理想。(2)(2) 滾刀用高合金材料制造，刀尖加厚至滾刀用高合金材料制造，刀尖加厚至24mm

30、24mm，周邊的單刃滾刀均改裝，周邊的單刃滾刀均改裝 雙刃滾刀，可以有效增加刀具使用壽命。雙刃滾刀，可以有效增加刀具使用壽命。(3)(3) 加厚滾刀刀轂，可采用高合金鋼制造，并通過熱處理使刀轂具有高加厚滾刀刀轂，可采用高合金鋼制造，并通過熱處理使刀轂具有高 硬度和高的淬透厚度，經(jīng)實踐檢驗效果理想。硬度和高的淬透厚度，經(jīng)實踐檢驗效果理想。(4)(4) 在確保母體足夠強度和剛度所需厚度下，加厚刮刀硬質合金塊的厚在確保母體足夠強度和剛度所需厚度下，加厚刮刀硬質合金塊的厚 度，以增加刮刀的切割能力和耐磨性能；度，以增加刮刀的切割能力和耐磨性能；(5)(5) 不改變外形條件，刮刀刀座用基體不改變外形條件

31、，刮刀刀座用基體+ +耐磨合金做成，增加刀座導流耐磨合金做成，增加刀座導流 狀背面耐磨性。狀背面耐磨性。刀具改進刀具改進刀具改進刀具改進刀盤的其它改進的措施刀盤的其它改進的措施 2.3 2.3 砂卵石地層帶壓換刀技術砂卵石地層帶壓換刀技術 l 砂卵石地層坍塌機理砂卵石地層坍塌機理l 帶壓換刀關鍵措施帶壓換刀關鍵措施l 帶壓換刀實踐帶壓換刀實踐l 砂卵石地層坍塌現(xiàn)象砂卵石地層坍塌現(xiàn)象 松散帶的渣土從松散帶的渣土從刀盤開口涌入土倉刀盤開口涌入土倉前方松散帶坍塌之后前方松散帶坍塌之后開挖面前上方的空洞開挖面前上方的空洞地表坍塌地表坍塌l 砂卵石地層坍塌機理砂卵石地層坍塌機理 l主要換刀方式比選主要換

32、刀方式比選序號序號換刀模式換刀模式加固效果加固效果對地面直對地面直接影響接影響成本成本 工期工期 技術難度及風險技術難度及風險1 1 直接開倉換刀直接開倉換刀最差最差較小較小較低較低 較短較短不可行不可行2 2 降水加固模式降水加固模式差差大大低低短短低低3 3 地表注漿加固地表注漿加固較差較差大大較高較高 較長較長低低4 4圍護樁加固圍護樁加固較好較好大大高高長長低低5 5氣壓加固氣壓加固較好較好較小較小較低較低 較短較短高高l 氣壓的主要作用氣壓的主要作用 可阻止來自開挖面的涌水，防止開挖面坍塌?？勺柚箒碜蚤_挖面的涌水，防止開挖面坍塌。 因壓氣壓力本身的支撐作用使開挖面穩(wěn)定。因壓氣壓力本身

33、的支撐作用使開挖面穩(wěn)定。 由于壓氣對圍巖縫隙起到排擠水的作用，增加了粉砂、粘土層或由于壓氣對圍巖縫隙起到排擠水的作用，增加了粉砂、粘土層或含有粉砂粘土成分的砂質土的強度，從而增加了開挖面的穩(wěn)定性。含有粉砂粘土成分的砂質土的強度，從而增加了開挖面的穩(wěn)定性。l 帶壓換刀關鍵措施帶壓換刀關鍵措施 u 土倉封閉土倉封閉 成都以砂卵石地層為主，卵石間顆粒之間的孔隙大，透氣性大。在成都以砂卵石地層為主，卵石間顆粒之間的孔隙大，透氣性大。在帶壓換刀時，必須對土倉進行封閉處理，防止漏氣而引起開挖面坍塌。帶壓換刀時，必須對土倉進行封閉處理，防止漏氣而引起開挖面坍塌。在實施時向開挖面及盾構周圍注入膨潤土，利用膨潤

34、土的吸水膨脹作用，在實施時向開挖面及盾構周圍注入膨潤土，利用膨潤土的吸水膨脹作用，對盾構周圍的地層進行封堵，使氣壓形成有效的支護。對盾構周圍的地層進行封堵，使氣壓形成有效的支護。u 氣壓的設定氣壓的設定 選擇壓氣壓力的方法，因覆土厚度、地質、隧道直徑而異，正常情選擇壓氣壓力的方法，因覆土厚度、地質、隧道直徑而異，正常情況下取壓氣壓力等于從盾構頂部算起況下取壓氣壓力等于從盾構頂部算起D/2D/3D/2D/3位置的地下水壓力。位置的地下水壓力。l 砂卵石地層帶壓換刀實踐砂卵石地層帶壓換刀實踐 刀盤進渣開口前狀況刀盤進渣開口前狀況 刀箱形成的軟泥餅刀箱形成的軟泥餅 刀盤頂部與前盾接縫處刀盤頂部與前盾

35、接縫處研究結論研究結論 （1 1）在成都砂卵石地層下，通過合適的輔助手段封閉地層，能夠實現(xiàn)帶壓換刀；）在成都砂卵石地層下，通過合適的輔助手段封閉地層，能夠實現(xiàn)帶壓換刀；（2 2）通過氣壓可阻止來自開挖面的涌水，同時對周圍土層起到排水固結的作用，）通過氣壓可阻止來自開挖面的涌水，同時對周圍土層起到排水固結的作用，增強土體的強度，增加開挖面的穩(wěn)定；增強土體的強度，增加開挖面的穩(wěn)定；（3 3）卵石粘土在高壓環(huán)境下，在成拱無擾動情況下，具有較強的自穩(wěn)性。）卵石粘土在高壓環(huán)境下，在成拱無擾動情況下，具有較強的自穩(wěn)性。（4 4）根據(jù)水位高低，高壓空氣可以起到減緩周邊水流入土倉內的速度，一定程度）根據(jù)水位高

36、低，高壓空氣可以起到減緩周邊水流入土倉內的速度，一定程度上可以排開土倉內地下水，目前水位使用上可以排開土倉內地下水，目前水位使用0.50.50.7bar0.7bar的壓力可保持土倉內干燥無的壓力可保持土倉內干燥無水，地層可支撐水，地層可支撐3-43-4天時間不塌陷，氣壓小于天時間不塌陷，氣壓小于0.4bar0.4bar時排水困難；時排水困難；（5 5）注入的膨潤土在刀盤未轉動的前期，可在卵石層面上形成泥膜依附于掌子面，）注入的膨潤土在刀盤未轉動的前期，可在卵石層面上形成泥膜依附于掌子面，但無助于土倉內壓力保持，當?shù)侗P轉動和遇水浸泡后，膨潤土變質失效；但無助于土倉內壓力保持，當?shù)侗P轉動和遇水浸泡

37、后，膨潤土變質失效；研究結論研究結論 （6 6）共）共40m40m3 3空氣壓縮機若不能滿足壓力保持在空氣壓縮機若不能滿足壓力保持在0.5bar0.5bar以上，在土倉內產(chǎn)生的以上，在土倉內產(chǎn)生的高壓空氣減壓反應使人不能長時間工作。且高壓空氣減壓反應使人不能長時間工作。且0.5bar0.5bar以下的壓力水位上漲快，不以下的壓力水位上漲快，不適宜換刀；適宜換刀；（7 7）建議對刀具檢查更換地點進行合理預測，對選定換刀地點進行調查，確）建議對刀具檢查更換地點進行合理預測，對選定換刀地點進行調查，確定盾構機上方的管線，地質鉆探孔，降水井等瀉壓通道堵死；定盾構機上方的管線，地質鉆探孔，降水井等瀉壓通

38、道堵死；（8 8）建議在選定的加壓地點提前十環(huán)左右進行注入膨潤土對掘進隧道砂卵石）建議在選定的加壓地點提前十環(huán)左右進行注入膨潤土對掘進隧道砂卵石地層進行封堵，尤其是盾體外部需要注入膨潤土進行封堵。實現(xiàn)此步有二種方地層進行封堵，尤其是盾體外部需要注入膨潤土進行封堵。實現(xiàn)此步有二種方式，一是從刀盤前向里加入膨潤土，二是從盾體四周向里加入膨潤土，兩種方式，一是從刀盤前向里加入膨潤土，二是從盾體四周向里加入膨潤土，兩種方式均能實現(xiàn)。式均能實現(xiàn)。 2.4 2.4 盾尾同步注漿材料與注漿參數(shù)盾尾同步注漿材料與注漿參數(shù)l 砂卵石地層同步注漿材料砂卵石地層同步注漿材料l 砂卵石地層同步注漿參數(shù)砂卵石地層同步注

39、漿參數(shù)l 同步注漿控制措施同步注漿控制措施l 砂卵石地層對同步注漿漿液要求砂卵石地層對同步注漿漿液要求 具有能完全填補盾尾空隙的流動性；具有能完全填補盾尾空隙的流動性； 漿液在規(guī)定的時間內固化；漿液在規(guī)定的時間內固化； 在早期強度就能達到大于土體的強度；在早期強度就能達到大于土體的強度； 不發(fā)生體積縮水現(xiàn)象；不發(fā)生體積縮水現(xiàn)象； 在受到地下水稀釋后要不發(fā)生材料分離；在受到地下水稀釋后要不發(fā)生材料分離； 結硬后材料不應有游離水的出現(xiàn)；結硬后材料不應有游離水的出現(xiàn)； 經(jīng)濟性；經(jīng)濟性； 施工方便。施工方便。 l 砂卵石地層同步注漿材料砂卵石地層同步注漿材料漿液比重漿液比重 凝結時間凝結時間塌落度試驗

40、塌落度試驗 流動度試驗流動度試驗稠度試驗稠度試驗 水下澆注試驗水下澆注試驗抗壓強度試驗抗壓強度試驗 抗水沖分散試驗抗水沖分散試驗析水率析水率注漿材料試驗項目注漿材料試驗項目注漿材料試驗材料注漿材料試驗材料水泥水泥 粘土粘土膨潤土膨潤土 粉煤灰粉煤灰增效劑增效劑l 砂卵石地層同步注漿材料砂卵石地層同步注漿材料 盾構從富水地段通過盾構從富水地段通過材料名稱材料名稱水水水泥水泥細砂細砂膨潤土膨潤土黃粘土粉黃粘土粉外加外加劑劑所占百比所占百比28%28%7%7%38%38%6%6%21%21%每方用量每方用量448kg448kg112kg112kg608kg608kg96kg96kg288 kg288

41、 kg150g150g盾構推進至不同地段時漿液配比建議盾構推進至不同地段時漿液配比建議 盾尾同步注漿時，需防止地下水在漿液凝固前沖散漿液，所注漿液應具盾尾同步注漿時，需防止地下水在漿液凝固前沖散漿液，所注漿液應具有較強的保水性和較短凝膠時間。在試驗的基礎上提出如下配比。經(jīng)測定，有較強的保水性和較短凝膠時間。在試驗的基礎上提出如下配比。經(jīng)測定，此配比漿液凝結時間：此配比漿液凝結時間：8 81010小時，小時，=1500kg/m=1500kg/m3 3，2828天強度：天強度：10.3Mpa10.3Mpa。建議漿液配比建議漿液配比 水位較低的情況下水位較低的情況下材料名稱材料名稱水水水泥水泥細砂細

42、砂膨潤土膨潤土粉煤灰粉煤灰外加劑外加劑所占百比所占百比28%28%6%6%40%40%4%4%22%22%每方用量每方用量448kg448kg96kg96kg640kg640kg64kg64kg704704288g288g盾構推進至不同地段時漿液配比建議盾構推進至不同地段時漿液配比建議 該種情況不用考慮漿液被地下水的沖淡，沖散作用，漿液的保水性、抗該種情況不用考慮漿液被地下水的沖淡，沖散作用，漿液的保水性、抗水沖能力，因此不必添加粘土粉即可。材料的配比見下表水沖能力，因此不必添加粘土粉即可。材料的配比見下表2.162.16。經(jīng)實驗測。經(jīng)實驗測定：初凝時間：定：初凝時間：8-108-10小時，小

43、時，=1600kg/m=1600kg/m3 3，2828天強度：天強度：1212. .1Mpa1Mpa。盾構從盾構從水位較低的地段通過水位較低的地段通過 盾構穿過建筑物時盾構穿過建筑物時 材料名稱材料名稱水水水泥水泥中細砂中細砂膨潤土膨潤土黃粘土粉黃粘土粉外加劑外加劑所占百分比所占百分比3535191935354 47 7每方用量每方用量595 kg595 kg323 kg323 kg595 kg595 kg68 kg68 kg119 kg119 kg3.23g3.23g盾構推進至不同地段時漿液配比建議盾構推進至不同地段時漿液配比建議 盾構通過建筑物時，注漿后希望能盡快獲得漿液固結體強度。由于

44、原料中黃盾構通過建筑物時，注漿后希望能盡快獲得漿液固結體強度。由于原料中黃粘土粉本身性質影響漿液早期強度與凝結時間，因此相應增加了水泥和減少了黃粘土粉本身性質影響漿液早期強度與凝結時間，因此相應增加了水泥和減少了黃粘土粉用量。配方中外加劑為粘土粉用量。配方中外加劑為GTGT復合早強減水劑。材料的配比如下表所示。經(jīng)測復合早強減水劑。材料的配比如下表所示。經(jīng)測定，此配比漿液凝結時間：定，此配比漿液凝結時間：5-85-8小時，小時，=1700kg/m=1700kg/m3 3，2828天強度：天強度：13.5Mpa13.5Mpa。盾構通過建筑物盾構通過建筑物 材料名稱材料名稱水水水泥水泥中細砂中細砂膨

45、潤土膨潤土粉煤灰粉煤灰外加劑外加劑所占百比所占百比37375 535355 518%18%每方用量每方用量592kg592kg80 kg80 kg560 kg560 kg80 kg80 kg288 kg288 kg150g150g盾構推進至不同地段時漿液配比建議盾構推進至不同地段時漿液配比建議 盾構從暗挖隧道內始發(fā)盾構從暗挖隧道內始發(fā)盾構從暗挖隧道內始發(fā)時，盾尾在暗挖段要停機注漿填充暗挖隧道和管片之盾構從暗挖隧道內始發(fā)時，盾尾在暗挖段要停機注漿填充暗挖隧道和管片之間的空隙，時間約幾個小時，因此漿液配比要在保證砂漿稠度、傾析率、固結間的空隙，時間約幾個小時，因此漿液配比要在保證砂漿稠度、傾析率、

46、固結率、強度等指標的基礎上延長其凝膠時間，防止停機時間長時把盾尾粘住。經(jīng)率、強度等指標的基礎上延長其凝膠時間，防止停機時間長時把盾尾粘住。經(jīng)實驗選用下表配方。凝結時間：實驗選用下表配方。凝結時間：8-108-10小時，小時，=1600kg/m=1600kg/m3 3，2828天強度天強度11.1Mpa11.1Mpa。盾構從暗挖隧道內始發(fā)盾構從暗挖隧道內始發(fā)注漿材料研究結論注漿材料研究結論 （1 1）膨潤土的加入使注漿漿液的穩(wěn)定性得到提高，可泵性增大，根據(jù)本次試）膨潤土的加入使注漿漿液的穩(wěn)定性得到提高，可泵性增大，根據(jù)本次試驗結果及其他工程應用膨潤土的經(jīng)驗，確定在該地層情況的同步注漿的膨潤土添驗

47、結果及其他工程應用膨潤土的經(jīng)驗，確定在該地層情況的同步注漿的膨潤土添加量；加量；（2 2）黃粘土粉的加入使注漿漿液的粘聚能力增大，提高了漿液整體性和抗水）黃粘土粉的加入使注漿漿液的粘聚能力增大，提高了漿液整體性和抗水性，特別水沖情況下的抗分散能力。并使?jié){液的強度上的比較快。但是，添加了性，特別水沖情況下的抗分散能力。并使?jié){液的強度上的比較快。但是，添加了粘土粉的漿液，其流動性明顯降低；粘土粉的漿液，其流動性明顯降低；（3 3）漿液的含水量和粘土含量是決定漿液凝結時間和流動性的主要因素；）漿液的含水量和粘土含量是決定漿液凝結時間和流動性的主要因素；（4 4）試驗所得出的優(yōu)化配合比，在盾構推進時得

48、到應用，較好地滿足地鐵盾）試驗所得出的優(yōu)化配合比，在盾構推進時得到應用，較好地滿足地鐵盾構法同步注漿施工工藝的要求，達到了較好的注漿效果。構法同步注漿施工工藝的要求，達到了較好的注漿效果。l 砂卵石地層同步注漿參數(shù)砂卵石地層同步注漿參數(shù) （1 1）在成都砂卵石地層盾尾同步注漿時，注漿壓力（頂部）控制在）在成都砂卵石地層盾尾同步注漿時，注漿壓力（頂部）控制在0.20.20.25MPa0.25MPa，由于，由于“松散帶松散帶”的存在，同步注漿的注漿率不應小于的存在，同步注漿的注漿率不應小于180180(7.28(7.28方方) )； （2 2）應以注漿壓力來控制注漿量，注漿壓力達不到設定值時不能停

49、注，這樣）應以注漿壓力來控制注漿量，注漿壓力達不到設定值時不能停注，這樣才能保證漿液填滿開挖間隙。根據(jù)穿越條件，特殊地段進行二次補注漿；才能保證漿液填滿開挖間隙。根據(jù)穿越條件，特殊地段進行二次補注漿； （3 3）注漿壓力應綜合考慮地質條件、管片強度、盾構機型及注漿材料的特性。）注漿壓力應綜合考慮地質條件、管片強度、盾構機型及注漿材料的特性。防止注漿壓力過大防止注漿壓力過大, ,造成地層劈裂或管片錯臺；造成地層劈裂或管片錯臺； （4 4）根據(jù)地層情況和實際地層損失調整注漿填充率，可以較好填充地層，有）根據(jù)地層情況和實際地層損失調整注漿填充率，可以較好填充地層，有效控制地表沉降，對注漿不足或注漿效

50、果不好的地方進行補強注漿，以增加注漿效控制地表沉降，對注漿不足或注漿效果不好的地方進行補強注漿，以增加注漿層的密實性并提高防水效果層的密實性并提高防水效果； （5 5）在施工中應根據(jù)洞內管片襯砌變形和地表及周圍建筑物變形監(jiān)測結果進）在施工中應根據(jù)洞內管片襯砌變形和地表及周圍建筑物變形監(jiān)測結果進行信息反饋，及時修正注漿參數(shù)和施工方法。行信息反饋，及時修正注漿參數(shù)和施工方法。同步注漿參數(shù)研究結論同步注漿參數(shù)研究結論 合理選擇注漿漿液類型合理選擇注漿漿液類型 合理選擇注漿壓力、注漿量合理選擇注漿壓力、注漿量 加強管片沉浮的監(jiān)測加強管片沉浮的監(jiān)測 結合地面監(jiān)測實時調整結合地面監(jiān)測實時調整 制訂詳細的注

51、漿質量控制程序制訂詳細的注漿質量控制程序 防止注漿管堵塞防止注漿管堵塞同步注漿控制措施同步注漿控制措施 2.5 2.5 盾構穿越建（構）筑物控制措施盾構穿越建（構）筑物控制措施 l 盾構穿越冶金賓館盾構穿越冶金賓館 樁基樁基l 盾構穿越四川省經(jīng)委安監(jiān)局盾構穿越四川省經(jīng)委安監(jiān)局 條基條基 l 盾構穿越萬福橋盾構穿越萬福橋 條形擴大基礎條形擴大基礎 l 盾構穿越冶金賓館盾構穿越冶金賓館 冶金賓館基礎結構與隧道剖面關系示意圖冶金賓館基礎結構與隧道剖面關系示意圖冶金賓館西側建筑結構形式冶金賓館西側建筑結構形式盾構隧道注漿孔注漿孔地面墻體240厚砼C15C15見砂石用砼做護壁240厚標磚承臺C20墊層C

52、10承臺C20C15C15承臺C20BXAXCX1 人工填土2-3 粉質粘土2-8-3 卵石土3-7-3 卵石土4-4-3 卵石土57cm57cm 樁基托換 A-A剖面圖托換梁平面布置圖AA隧道托換承臺樁樁樁原承臺原承臺原承臺托換承臺托換承臺柱柱柱托換梁盾構穿越時采取的輔助措施盾構穿越時采取的輔助措施 荷載轉移承臺及樁基礎400*12鋼管鋼筋砼柱400*12鋼管左側支撐右側支撐盾構穿越時采取的輔助措施盾構穿越時采取的輔助措施 跟蹤注漿 北加固區(qū)樁基礎5a-49b-19b-29b-39a-39a-29a-19-39-29-18-38-28-17-37-27-16-36-26-15-45-35-2

53、5-14-44-34-24-13-43-33-23-12-82-72-62-52-42-32-22-11-71-61-51-41-31-21-1ZDK8+572.88ZDK8+570.48ZDK8+567.98ZDK8+563.28ZDK8+556.08ZDK8+541.68ZDK8+534.48ZDK8+527.28ZDK8+520.08ZDK8+513.48ZDK8+548.88左線右線YDK8+550CXAXBX冶金賓館加固平面圖加固區(qū)CXAXBX冶金賓館加固剖面圖左線隧道承臺C20C15C15承臺C20墊層C10承臺C20240厚標磚見砂石用砼做護壁 0.00C15240厚砼C15墻體

54、地面注漿孔注漿孔盾構穿越時采取的輔助措施盾構穿越時采取的輔助措施 施工實測數(shù)據(jù)分析施工實測數(shù)據(jù)分析 樁基沉降時程曲線樁基沉降時程曲線 左側支撐軸力變化時程曲線左側支撐軸力變化時程曲線 （1 1）采用荷載轉移方法可以將中間承臺承擔的荷載轉移至兩側承臺，同時對上）采用荷載轉移方法可以將中間承臺承擔的荷載轉移至兩側承臺，同時對上部結構起到支撐作用，可增加穿越施工時結構的安全系數(shù)；部結構起到支撐作用，可增加穿越施工時結構的安全系數(shù)； （2 2）采用樁基托換措施對隧道結構的安全有利；可以有效減小隧頂樁基的最大）采用樁基托換措施對隧道結構的安全有利；可以有效減小隧頂樁基的最大沉降，減小各樁之間的不均勻沉降，較好的控制建筑物傾斜；可以減小隧頂樁基承沉降，減小各樁之間的不均勻沉降，較好的控制建筑物傾斜；可以減小隧頂樁基承擔的荷載，減小由于承載力損失導致的過大沉降；擔的荷載，減小由于承載力損失導致的過大沉降； （3 3）地面跟蹤注漿能夠對樁端部土體進行有效的加固，尤其在砂卵石層中，能）地面跟蹤注漿能夠對樁端部土體進行有效的加固，尤其在砂卵石層中，能夠對盾構同步注漿的效果進行補充，減小由于注漿量不足而導致的樁基過大沉降；夠對盾構同步注漿的效果進行補充，減小由于注漿量不足而導致的樁基過大沉降； （4 4）為平衡樁基所傳遞的荷載，盾構在穿越時應適