淺談盾構機選型及配置

淺談盾構機選型及配置

1主要技術參數北京地鐵四號線貫穿北京西部城市南北，從南鄭西橋延伸至豐臺南四環(huán)路，途經公車、宣武、城西、海海四個區(qū)。一路上，有24個車站，最后到達海參崴北部的安河橋支線。線路全長29公里。沿線所經地層大都為粉質粘土、粉土、砂層(粉細砂、中粗砂)、砂卵石等地層,地層較軟弱,構造比較均一。其中頤和園-北宮門盾構區(qū)間采用盾構法施工,區(qū)間所處地質條件比較復雜,沿線穿越永定河沖洪積扇,并受到西北玉泉山和香山等山脈的影響,且局部穿越出露的極硬巖,具有山前沖洪積扇地層的復合特性。同時,部分斷面巖石風化嚴重,且存在漂石和同一斷面軟硬不均等盾構施工不利現(xiàn)象,施工難度大,施工技術要求高。本文結合依托工程的孤石和軟硬不均等地質特點,,對包括盾構機選型和刀具配置等盾構機主要技術參數進行較深入的探討。同時,對掘進模式的優(yōu)選、掘進參數、盾構機姿態(tài)的控制等方面的技術措施進行了研究,對盾構施工過程中存在的問題進行了分析,并提出了相應的對策,形成了一套較為成熟的施工技術方法。2工程總結和國內外研究現(xiàn)狀2.1晚更新世沖洪積層北京地鐵4號線頤(和園)-北(宮門)盾構區(qū)間位于頤和園東南側,沿頤和園北側圍墻規(guī)劃的頤和園路向西北方向至清河岸邊新安河橋頭,迄止里程DK25+349.749―K26+428.300,區(qū)間長度左線長1074.919m、右線長1078.551m。根據地勘資料,區(qū)間穿越第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層,局部穿越二迭系紅廟嶺組。第四紀沖洪積層主要以粉土、粉質粘土、粉細砂、卵石圓礫層為主;二迭系紅廟嶺組主要以強-中風化礫巖、微風化礫巖、微風化砂巖、強-中風化礫巖為主。根據掘進情況發(fā)現(xiàn)在頤北區(qū)間的DK25+951―DK26+020(中央黨校南校區(qū)假山與宿舍樓之間)隧道下部有中-微風化砂巖出露,呈塊狀,較破碎;DK26+073.75至DK26+080.95隧道斷面上出現(xiàn)大面積的微風化砂巖,巖石中包裹著未風化的“結合體”(經清華大學土木水利學院建筑材料試驗室判定為含花崗巖成分的石英長石),其最大單軸抗壓強度達169MPa,巖體較完整。但是左右線巖面有較大的差異:左線巖面較高,全斷面巖石長度長;而右線巖面較低,幾乎全是軟硬不均地層。鉆孔中實測兩層地下水,第一層為潛水,第二層為層間潛水。由于本段地下水不具有承壓性,總體上對盾構施工沒有太大影響,但是盾構施工對含水的砂層產生一些不利因素,尤其是盾構開挖面上部的砂層容易受到擾動而引起局部坍塌。2.2盾構刀盤刀具破碎本工程施工難點主要是漂石和同一斷面軟硬不均。地下孤石(球狀風化巖)是復合地層的典型代表之一。其主要特征是體量小,與周圍巖體強度相差甚大,且大部分賦存在全風化～強風化巖體中。由于球狀風化巖的上述特征,使其不易被鉆探發(fā)現(xiàn),極易影響盾構施工。施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有:刀具磨損嚴重、刀座變形、更換困難;刀盤磨耗導致刀盤強度和剛度降低,刀盤變形;刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞、盾構機負載加大;被刀盤推向隧道側面的大漂石甚至導致盾構轉向,偏離隧道軸線等。國內最早遇到孤石的工程實例是深圳地鐵,球狀風化巖的存在導致盾構掘進過程中刀盤嚴重變形,險些釀成重大事故。廣州地鐵三號線市番-天華區(qū)間隧道在開挖過程中遇到的花崗巖球狀風化體的巖體單軸抗壓強度超過160MPa。成都地鐵一號線一期工程區(qū)間隧道大多通過富水砂卵石地層,且含有少量大粒徑孤石,孤石的最大粒徑達670mm,孤石單軸抗壓強度65.5―184MPa。針對盾構過孤石時的施工問題,盡管采取了許多措施,在一些問題上有所突破,但總體效果仍然不是很理想,仍處于摸索階段,并且尚未找到一種切實有效的施工方法。國內外就軟硬不均地層盾構施工技術進行了較多的研究,但成功的案例很少。新加坡地鐵CCL1線隧道曾遇到軟硬不均的不穩(wěn)定地層,發(fā)生了地層坍塌事故,一再拖延工期。日本青木公司采用土壓和泥水盾構施工的廣州地鐵一號線,遇到部分軟硬不均地層,曾發(fā)生地層坍塌、地面四層樓房倒塌的事故。葡萄牙Oporto地鐵采用盾構法施工的C線2.3km隧道和S線2.7km區(qū)間隧道,也曾遇到部分軟硬不均地層,最終導致盾構刀盤刀具損壞。在我國,廣州地鐵在越三區(qū)間隧道施工中成功地實現(xiàn)了軟硬不均地層盾構掘進。北京地鐵4號線將穿越粘土、砂卵、硬巖、孤石和軟硬不均等多種復雜地層,牽涉面非常廣,可借鑒的成功經驗非常有限。3復合式土壓平衡盾構機參數根據北京市地鐵4號線頤北區(qū)間山間沖洪積扇地層的地質特點,對地質斷面進行了認真分析,并綜合經濟合理性的要求,選用了德國海瑞克6.28復合式土壓平衡盾構機。該型盾構機具有廣泛的適應性和優(yōu)良的可靠性,在世界上類似工程領域享有豐富的施工經驗和業(yè)績。3.1破巖參數的確定本標段盾構區(qū)間工程地質比較復雜。針對該段不良地質,與海瑞克公司的技術專家進行了若干次技術交流后,確定了設備的破巖參數。值得注意的是盾構機刀盤的驅動扭矩、總推力的大小是決定一臺盾構機是否能適合復雜多變地層的關鍵參數。另外,還有刀盤的剛度強度以及刀具的選配也是至關重要的。3.2雙刀小刀盤由于本區(qū)段為地質情況復雜,為避免在“上軟下硬”地段換刀的風險,始發(fā)刀具采用雙刃滾刀和齒刀(羊角刀)結合的刀具配置,即:邊緣區(qū)配備8把雙刃滾刀,正面區(qū)和中心區(qū)共配備14把齒刀。盾構機的刀盤采用平面直角形式,中心區(qū)安裝6把雙刃滾刀/齒刀(羊角刀),正面區(qū)安裝8把雙刃滾刀/齒刀(羊角刀),邊緣區(qū)安裝5把雙刃滾刀/齒刀(羊角刀);64把小刮刀以及32把邊緣刮刀。滾刀和小刮刀分別高出刀盤面板175mm和140mm;雙刃滾刀的刀刃間距100mm,通過刀盤布局,中心區(qū)的刀間距為100mm,正面區(qū)的刀間距100mm,邊緣區(qū)的刀間距30mm。以此可以看出,邊緣區(qū)的破巖能力是最強的,而中心區(qū)的破巖能力最弱。同時,由于在刀盤轉動時,邊緣區(qū)刀具的線速度最大,所以磨損也最快?，F(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn),該復合式土壓平衡盾構機的各項機械性能以及動力驅動指標是適應的。但是對局部單軸抗壓強度超過80MPa的極硬巖來說,刀盤以及刀具的數量顯得明顯不足,尤其是未風化的“結核體”強度已經遠遠大于刀盤的破巖能力。3.3斷面層序1)土壓平衡盾構機具有敞開式(開胸式)、半敞開式(半開胸式)、土壓平衡模式(閉胸式)三種掘進模式。根據本區(qū)間的地質情況,結合不同地層的特征,所選用的掘進模式也不相同。全斷面巖層掘進:采用敞開式掘進模式,使用泡沫劑來改良渣土;2)軟弱地層掘進:采用土壓平衡模式,渣土改良主要采用泡沫和適量的膨潤土。土倉壓力不需要頻繁調節(jié),只需要保證土倉壓力略大于掌子面的土壓和水壓力之和即可;3)砂卵石及“上軟下硬”地層掘進:此段地層比較復雜,斷面上地層差異很大。由于斷面上部地層軟弱并局部有含水的砂層,所以容易引起上部塌方,所以也采用土壓平衡模式掘進。但在這種不良地層掘進時土倉壓力不易控制:過高,則盾構推力和扭矩增大,作用在開挖面的有效推力不易掌握;過低,則易引起開挖面坍塌造成地面沉陷。3.4掘進試驗段監(jiān)測盾構施工前,要根據不同的工程地質特性以及隧道的埋置深度計算確定主要的掘進參數,包括:盾構姿態(tài)、推力、扭矩、掘進速度、刀盤轉速、貫入度、土倉壓力,并根據始發(fā)掘進試驗段的監(jiān)測情況進行及時的調整。值得強調的是,由于土壓平衡模式下實際上是一種通過螺旋機的旋轉出土形成的動態(tài)平衡,所以在實際操作過程中螺旋機的轉速和壓力也要引起足夠重視。15傳感器壓力掘進時土倉壓力0.8―1.0bar;停機拼環(huán)時1.2以上;2推擠和扭矩推力6000―10000kN;設定工作油壓180bar(急停扭矩約3500kN.m);32刀算速度0.8―1.0r/min;4引入率20―30mm/rpm;52同時注漿壓力和注漿量漿液采用水泥砂漿,注漿壓力1.8―2.8bar(嚴禁超過3bar),注漿量大于5.8m3/環(huán);63螺釘泵旋轉小于8r/min。3.5千斤頂推力糾偏在復雜地層,特別是在存在孤石和軟硬不均地層中掘進時,盾構機姿態(tài)控制非常重要,若未及時調整掘進參數就可能導致盾構機偏離設計軸線。調整千斤頂推力糾偏效果時會加大刀具的磨損,同時糾偏過猛,存在盾構機被卡和管片錯臺加大的風險。因此,盾構機在復雜地層中掘進時,一定要控制好盾構姿態(tài),一旦盾構姿態(tài)出現(xiàn)偏離,要遵循“勤糾偏,緩糾偏”的原則,不能急糾猛糾,造成刀具的無謂磨損,甚至盾構機難以前進。4對脆弱性的分析與對策4.1掘進模式從本區(qū)間的掘進情況看,盾構機在軟弱地層(包括部分強風化巖層)中掘進是比較順利的。盾構機單日掘進最高可達27環(huán)/日,月掘進可達500m以上,地表沉降和隆起控制在-20―10mm。除了掘進參數較為合理外,很大一個客觀因素是強風化巖層的巖面高度沒有超過刀盤的中心區(qū)且?guī)r體較破碎,邊緣區(qū)滾刀起到了一定的作用,正面區(qū)齒刀可以將小塊的巖石刮進土倉。在全斷面基巖地段掘進,盾構機時而出現(xiàn)扭矩跳變、刀盤急停,推力增大的現(xiàn)象。此時,及時地將齒刀全部更換為雙刃滾刀,掘進45天通過該區(qū)段(里程DK26+073.75—DK26+122.6)。經土倉取樣檢驗,判斷為石英含量較高的微風化砂巖,單軸抗壓強度124Mpa,一共更換滾刀27把。在上軟下硬地層中,上層為砂卵和粘土交互地層,下層為微風化砂巖,兩種地層強度相差較大,下層砂巖最大強度達到169MPa。在上軟下硬地層中掘進時,巖層上覆蓋的含水砂層極易造成坍塌,巖面在縱向和橫向都有明顯的變化,需要不斷地轉換掘進模式,及時調整掘進參數。推力一般設定在12000kN左右,最高時達到了15000kN左右,扭矩常常跳變引起刀盤急停。由于巖石強度遠遠大于滾刀特別是中心區(qū)的破巖設計強度,因此,刀具磨損嚴重換刀頻率大大增加,共更換滾刀70多把。作業(yè)時還發(fā)現(xiàn)巖面中鑲嵌大塊的“結核體”,滾刀在上面幾乎沒有留下軌跡。為了控制地表沉降,防止掌子面上層土體在刀盤轉動時塌方,決定采用土壓平衡模式掘進,選用合適的泡沫劑來改良渣土,通過形成土塞效應來保證盾構機的安全施工。但是由于開挖面上部砂層松散、流動性大,無法進行帶壓換刀作業(yè),所以每一次換刀都要進行長時間的地面注漿加固,僅這81.82m上軟下硬地層的掘進就用了近124天時間,增加了盾構機的停機時間,嚴重影響施工工期。4.2復合地層的土壓平衡在復合地層中掘進,主要是要處理好以下幾個環(huán)節(jié):一是土壓的動態(tài)平衡,尤其是軟硬不均地層中的土壓平衡;二是配置合理的刀具和掘進參數,確保盾構機在復合地層中能正常掘進;三是在巖層中的持續(xù)快速的掘進。通過本區(qū)間的復雜地層的盾構施工,采取了相應的對策。4.2.1中心刀盤破巖能力調整刀盤構成刀具不穩(wěn)定因素1)海瑞克盾構機在總推力設計方面綽綽有余,但在工作扭矩和脫困扭矩方面顯得不足,施工中由于扭矩“跳變”容易引起刀盤急停,應適當加大;2)刀盤若采用平面直角刀盤,則應選擇強度和剛度較高的刀盤,在中心區(qū)適當增加耐磨層,防止中心刀具損壞后傷及面板;3)適當增加刀具數量,提高中心區(qū)刀具的破巖能力。中心滾刀刀間距大、線速度最小、破巖能力差,決定了刀盤的整體破巖能力;4)巖層或者部分巖層掘進盡量選配單刃滾刀。雙刃滾刀的刀間距為100mm,刀圈的啟動扭矩偏大,在開挖巖面不平整或裂隙發(fā)育時易發(fā)生“卡刀”和“偏磨”,造成刀具異常損壞;5)安裝和更換刀具時要注意刀具的安裝精度,確保刀刃基本在一個平面上。尤其是更換新刀時,由于換刀作業(yè)環(huán)境惡劣,新舊刀具磨損程度不同,刀具的固定螺栓緊固程度不盡相同,容易引起個別刀具在轉動時松動造成損壞。4.2.2做好盾構掘進的準備。在術后1)盾構施工前,必須在設計詳勘的基礎上進行加密補勘,在周邊環(huán)境條件允許的前提下盡可能地揭示隧道斷面上的地質情況,認真分析不同地層的特征差異,為掘進參數的選擇提供依據;2)選擇安全的刀具檢查更換地點,及時更換磨損刀具;3)規(guī)劃合理的場地布置,配備足夠的配套設備。盾構掘進是否順利往往也取決于這方面;4)加強各個施工環(huán)節(jié)的協(xié)調,如運輸、土方外運、管片供給等;5)重視盾構機司機的培訓,提高操作人員責任心;6)加強設備管理,減少非正常停機時間。4.2.3砂卵層基砂基1)根據地層特征,確定合理的掘進參數;2)選用適合的渣土改良添加劑。在軟弱地層掘進時,宜采用泡沫劑;在砂卵石層掘進時,加大土倉內膨潤土的注入量著重改善土倉內渣土的和易性,以達到穩(wěn)定土倉壓力的目的;3)重視螺旋機的操作。土壓平衡是通過螺旋機的動作所達到的動態(tài)平衡,在敞開模式掘進時也是提高刀具切削效率、有效降低刀具磨損的手段。5施工技術方法北京地鐵4號線頤北區(qū)間隧道所處地層復雜,存在漂石和同一斷面軟