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1、盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨摘要:研究目的:盾构机目前已广泛应用于各种土建工程领域。利用盾构技术解决地铁工程中长距离硬岩掘进的工程实例不多见。本文主要研究运用盾构机在硬岩段掘进的适应能力以及在硬岩段掘进可能出现的问题和需采取的措施。研究方法:文章通过广州地铁1个长距离硬岩掘进的工程实例,收集施工过程中相关的数据、出现的问题以及所采取的对策等资料,并对这些信息进行分析。研究结果:根据该工程的施工过程得出盾构机在硬岩中的掘进是可行的,出现的问题能够通过采取相应的措施予以克服。研究结论:由于本段硬岩有极细小裂隙且裂隙多被石英细脉充填,因此盾构能够顺利掘进。可以得出结论:只要裂隙发育,即使岩石单轴抗
2、压强度高,可以通过选用适宜的盾构机型、合理地进行刀盘和刀具配置,完全可以顺利地在硬岩中掘进,而且比其它工法掘进速度更高。关键词:盾构机;长距离硬岩;掘进;探讨盾构技术已广泛应用于软土地层和复合地层中修建地铁隧道,尤其是广州、深圳的复合地层可能遇到各种土类、岩类及其混合类。若遇到长距离(大于100m)的硬岩,通常采用传统工法即利用矿山法开挖隧道,盾构机拼装管片通过。这是建立在以往在硬岩中成洞速度与工法间的关系的统计基础的结论既连续硬岩段长度将近100m以后,矿山法的成洞速度大于盾构法。本工程的硬岩在招标设计中同样是利用上述结论采用矿山法开挖,盾构机拼装管片。由于工期因素,无法按原定组合工法实施,
3、只能尝试用盾构技术解决长距离硬岩掘进问题。1工程概况1.1工程范围广州轨道交通四号线大学城专线(仑大盾构区间),北起仑头后底岗盾构始发井始发,经仑头村穿越仑头海至官洲岛,到达官洲站,通过官洲站再次始发后经官洲村、官洲河,至大学城吊出井,矿山法施工到大学城站结束。总长为2826.5m,其中盾构法区间隧道为2301.3m,包括7个联络通道、2个废水泵房。其中始发段和仑头海底两段合计共有300多米9Z微风化混合岩的硬岩段。1.2硬岩段施工招标设计始发段的硬岩在招标设计中考虑到盾构机破硬岩效率可能不及矿山法,所以招标设计的施工工法是按传统工法考虑既以钻爆法开挖,管片拼装通过,来攻克长距离硬岩段的。但工
4、程在实施过程中,由于始发井围护结构地下连续墙入岩较深,而且没有出现地质剖面图中的7Z地层,完全是岩性较硬的9Z地层,因此地下连续墙施工进度十分缓慢,工期滞后十分严重,导致钻爆法开挖,管片拼装通过的组合工法难以按原招标设计施工工期目标实施,同时在仑头海底也存在9Z硬岩段,根据当时进度状况和为顺利快速通过仑头海积累硬岩掘进经验,经过多次方案研讨认为,通过选择耐磨性好的刀具以及加大刀具检查频率和更换刀具频率是有解决长距离硬岩掘进难题的,并同意始发段硬岩段由原来钻爆法开挖,管片拼装通过变更为盾构直接掘进通过。1.3工程地质描述该工程盾构始发后处于直线上,始发线路坡度为27.75。从上至下地层依次为4-
5、3坡积土层、5Z-2红层硬塑或中密状残积土层、6Z混合岩全风化带、7Z混合岩强风化带、8Z混合岩中等风化带和9Z混合岩微风化带,具体见始发阶段地质剖面图。其中有100多m,隧道洞身完全处于9Z混合岩微风化带,该套地层岩性为:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。此段9Z微风化混合岩的硬岩段长度将近200m,根据地质补充勘察资料显示该段天然抗压强度平均值为78.2Mpa,岩样取芯的最大单轴抗压强度达到98.1MPa。盾构隧道结构主要穿越的相关各地层特性描述如下:7Z层混合岩强风化带:岩性为震旦系混合岩,呈褐黄
6、、褐红及灰白等色,岩石已遭强烈风化,裂隙发育,岩芯多呈土夹碎块状,手捏易碎。8Z混合岩中等风化带:呈黄色、褐灰、青灰色等,岩石中粗粒结构,块状构造,矿物成分基本未变化,节理裂隙较发育,岩芯较新鲜,多呈碎块状,局部短柱状,裂隙面具褐色风化膜,锤击声较脆,轻击不易碎。9Z层混合岩微风化带:呈青灰色、褐灰色、少量灰白色,中粗粒结构,块状构造,裂隙多较发育,岩芯呈短柱状、碎块状为主,部分长柱状,岩石多破碎,敲击声脆。2选用的盾构机及其相关参数针对该工程线路地层分布情况经过综合考虑、比选,选用的是德国海瑞克土6280mm土压平衡盾构机。2.1盾构机构成盾构机由主机及后配套辅助系统构成。主机包括:刀盘、刀
7、盘驱动、壳体、推进系统、人员仓、螺旋输送机、管片安装机。后配套辅助系统包括:出碴系统、碴土改良系统、管片运输系统、同步注浆系统、液压泵站、注脂系统、控制系统、供电系统、压缩空气系统、水系统、通风系统。2.1.1盾构机主要构件相关参数(1)盾构机外径6260mm(2)盾尾内径6060mm(3)盾尾间隙30mm(4)盾构全长11655mm(5)开口率:26%2.1.2刀盘刀盘结构设计为带有进料口的切割式圆盘。其开口率约为26%。带有4条支撑臂的厚壁法兰板支座用来联接主驱动和刀盘。4条支撑臂结构均为厚壁钢管,可以将油液和泡沫剂等液体供到刀盘结构上。刀盘的进料口即进渣通道通道有4个,这4个开口在刀盘的
8、外边缘是进料的主要通道,它们可以将开挖下来的碴土导入到刀盘背后的土仓里。刀盘开口最大宽度是200mm,这就保证了通过刀盘的碴土也可以通过螺旋输送机(螺旋输送机能通过的最大砾石直径为210mm)。在刀盘后部的中心,装有一个旋转接头装置,用来把来源于盾体内的液压油和泡沫剂等液体供给旋转的刀盘。2.1.3刀具布置由于线路在后底岗段的地层分布以9Z为主,所以刀具选择是破岩石能力强效果好的双刃滚刀和单刃滚刀;用于制造刀盘钢结构的钢材质为16MnR,刚度、强度满足掘进要求。刀具具体布置为:4把双刃滚刀,单刃滚刀31把,边刮刀8把,正面切刀64把,超挖刀1把。详见图2。3掘进过程的数据采集和参数的探讨3.1
9、碴样的采集(1)1环-30环:为7Z号地层,采集3次碴样;(2)31环-47环:为7Z和8Z号混合地层,采集5次碴样;(3)48环-69环:为8Z号混合地层,采集5次碴样;(4)70环-134环:为9Z号地层,采集8次碴样。详见表1。3.2泡沫注入参数(1)130环:泡沫浓度2%;注入压力平均为2.0bar;液体流量平均为148L/min;空气流量平均为1960L/min,发泡率为13.2。(2)3147环:泡沫浓度1.5%;注入压力平均为2.0bar;液体流量平均为140L/min;空气流量平均为1800L/min,发泡率为12.8。(3)48134环:泡沫浓度1%;注入压力平均为2.0ba
10、r;液体流量平均为160L/min;空气流量平均为2100L/min,发泡率为13.1。3.3注浆参数(1)130环平均注浆压力1.8bar,平均注浆量为4.7m3。(2)3147环平均注浆压力1.6bar,平均注浆量为4.9m3。(3)48134环平均注浆压力1.6bar,平均注浆量为5.0m3。3.4推进泵压力(传感器布置如图3)(1)A组:130环平均为42bar,3160平均为38bar,6175环平均为40bar,7698环平均为41bar,99134环平均为45bar。(2)B组:130环平均为70bar,3160平均为75bar,6175环平均为77bar,7698环平均为80b
11、ar,99134环平均为95bar。(3)C组:130环平均为80bar,3160平均为99bar,6175环平均为111bar,7698环平均为128bar,99134环平均为106bar。(4)D组:130环平均为65bar,3160平均为70bar,6175环平均为86bar,7698环平均为91bar,99134环平均为89bar。3.5土仓压力(传感器布置如图4)1#传感器:130环平均为0.6bar;3147环平均为0.3bar;48134环平均为0.2bar。2#传感器:130环平均为0.8bar;3147环平均为0.3bar;48134环平均为0.4bar。3#传感器:130环
12、平均为0.9bar;3147环平均为0.3bar;48134环平均为0.4bar。4#传感器:130环平均为0.9bar;3147环平均为0.6bar;48134环平均为0.6bar。5#传感器:130环平均为0.9bar;3147环平均为0.6bar;48134环平均为0.6bar。3.6刀具磨损情况检查及刀具更换在掘进200m期间开仓全面检查刀具2次,分别为:(1)第35环,全部刀具磨损量在5mm以内。无需换刀,继续掘进。(2)第98环,13#、14#、16#、38#单刃滚刀发生偏磨,其余刀具均属于正常磨损,磨损量在15mm32mm之间,此处进行全部刀具更换。开仓掌子面呈青灰色,滚刀削岩痕
13、迹很明显。3.7几个主要参数关系的探讨整理上述相关数据,归纳为表2:3.7.1不同地质条件下的刀盘转速、掘进速度、推力的关系1环30环以前为7Z号岩层,31环47环为7Z和8Z号混合地层,48环69环为8Z号地层,70环134环为9Z地层。1环30环平均掘进速度为23mm,平均推力610;t31环47环平均掘进速度为25mm,平均推力650,t刀盘转速平均为1.6转/min;48环69环平均掘进速度为28mm,平均推力790,t刀盘转速平均为1.7转/min;70环134环平均掘进速度为24mm,平均推力900,t刀盘转速平均为1.8转/min。始发时为7Z号岩层,实际操作时推力略有控制,基本
14、控制在800t以下,掘进速度并不快,在31环69环为7Z和8Z地层,推力增加速度也有所提高,70环134环,推力增加,但速度有所下降。在9Z地层中最低速度为18mm/min,此时推力为940t。在硬岩地段适当加快刀盘转速,增加推力情况下才有可能取得较快的掘进速度。硬岩中贯入度太大,将导致滚刀和刮刀同时破岩,引发刮刀造成致命损害,进而影响滚刀破岩能力,最终令盾构机无法正常掘进。3.7.2泡沫注入与刀盘扭矩的关系泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子,降低其吸附性能,从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具、降低刀盘温度等作用。对于软岩和粘性土,合理的泡沫注入尤为重要。在130环(岩层为7Z岩层
15、),泡沫注入量较大,刀盘扭矩平均为2800Nm,刀盘扭矩变化幅度不大;3160环(岩层为7Z、8Z岩层),泡沫注入量有所减少,刀盘扭矩平均为3000Nm;61134环(岩层为9Z),泡沫注入量少,刀盘扭矩平均为3200Nm,刀盘扭矩变化幅度较大。从显示的数据及开仓情况看出,泡沫的注入量与地层是相匹配的,在7Z地层中加大泡沫的用量,在8Z9Z地层中降低泡沫的用量,即满足施工的需求,没有形成泥饼,也降低费用。4掘进过程中出现的主要问题及原因分析和采取对策4.1同步注浆管堵塞在掘进初期,同步注浆管堵管频繁发生,除了送浆管路曲折转弯段较多有影响外,主要原因是使用的膨润土为易沉淀和胶结的钙基膨润土,经过试验比选,更换为钠基膨润土,之后堵管问题得到了明显的改善。但因为粉煤灰掺入量不匹配的原因,仍然存在浆液容易离析的现象。经过边掘进边试配
