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1、复杂岩石地层盾构掘进效能影响因素分析朱福成摘要：基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验，对泥岩、砂岩交互地层条件 下泥水盾构的掘进效能及其影响因素进行研究。利用现场采集的数据，运用回归 分析的方法，主要分析盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系。 研究成果表明，岩石强度越高，刀盘每转切深和掘进速率就越低，二者呈幕函数 曲线关系;随着刀盘推力的增大，切深呈幕函数关系增加；而随着刀盘切深的增加， 刀盘扭矩则呈线性增加。对比两种地层的掘进特性，相对而言，泥岩地层掘进效 能较高，但需要较大的扭矩，而在砂岩地层进需要较大的推力才能获得理想的 掘进效能。关键词：隧道工程:盾构:掘进效能;刀盘推力:
2、刀盘扭矩;泥岩;砂岩引言：为提高掘进效率，改进掘进机与地层的匹配性设计，对掘进机的操作 特性进行研究。基于深圳地铁盾构掘进试验，分析复杂岩石地层盾构刀盘扭矩、 刀盘推力及转速的参数选用原则，在此基础上，分析主掘进参数与切深的关系。 随后，对不同地层条件下刀盘扭矩与推力之间的匹配性进行分析，绘制了刀盘扭 矩与推力之间的操作特性曲线，并用于分析和制定不同地层条件下的主掘进参数 匹配方案。对于较软的泥岩，刀盘扭矩先达到最大值，而推力却不能发挥其最大 能力;岩石强度增高，所需推力增加，在发挥扭矩能力的前提下，推力也能发挥其 功能，从而使二者达到最佳操作关系;若岩石强度过高，推力保持在最大值，但切 深很
3、浅，滚刀旋转阻力减小，刀盘扭矩很难发挥最大能力。因此，应视地层软硬， 根据刀盘推力与扭矩的操作特性对刀盘的主掘进参数进行合理设计，并在掘进过 程中实时调整其匹配关系。1复杂岩石地层盾构掘进现状及面临的问题复杂岩石地层盾构掘进技术是开采掘进工作的重要技术之一,探究这一技术的 效能及影响因素十分必要。1.1盾构掘进面临的施工环境越来越复杂盾构法掘进在隧道掘进过程中应用较多，但该技术主要适宜在单一的软土、 软岩地层或砂层及其互层的地层中掘进。但在实际应用过程中施工的地质情况往 往比较复杂。例如:软硬不均、软硬交互、岩石强度差异大等等是比较常见矿区地 层的实际情况。复杂的岩石地质层对盾构掘进技术提出了
4、更高要求。另一方面， 盾构法大多应用于小范围的掘进。现代社会盾构掘进技术施工的环境越来越复杂, 对掘进的精度要求越来越高。1.2盾构掘进实现了全面机械化掘进全面机械化掘进大大提高了盾构掘进的施工效率，是国内项目施工技术的一 大发展。机械化程度越来高，如何有效使用掘进机械并保持机械的良好工作效率 是盾构掘进技术应用的关键。从盾构技术应用的实现来看，机械损害严重是影响 该技术发展的关键。掘进过程中机械刀具意外破坏和非正常磨损非常严重，同时 其他辅助工作费用也有所增加。管片错台、管片姿态及成型隧道轴线难以控制等 等都是盾构掘进过程中暴露的出的问题。不仅增加了掘进成本，还影响了开采的 周期。盾构掘进机
5、械是通过刀盘旋转，利用刀具切割岩石或土体工作的。掘进机 械的刀盘、刀具的切割效能是评价掘进效率的重要因素。包括刀盘每转的切人深 度及掘进速率。如何提高掘进机械的掘进效率是当前技术公关的主要方向。1.3安全事故是掘进工作面临的技术难题从掘进机械的工作原理来看,机械刀盘工作时通过推力将刀盘切人岩石，随着 刀盘的旋转盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，在刀盘的推力、扭矩共同作用下,对岩层 产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，形成碎片，达到掘进目的。对掘进机械工作原 理的理解可以更好地分析影响盾构切深和掘进效率的主要因素。结合相关的理论 研究成果，地质条件机械参数及操作特性等被视为影响盾构掘进机械效率的主要 因素。
6、其中地质条件对掘进效率的影响占主要。受复杂地质条件的影响，地下水 压力等综合因素的影响,在岩层开采掘进过程中极易发生坍塌等安全事故。机械参 数和操作特性等因素的影响处于其次。复杂地质条件下如何安全开展开采生产， 是其开采技术发展难点和重点。2刀具管理当遇到软硬不均地层或地层条件突然变化时，易造成局部刀具受力过载而被 异常损坏，刀盘和轴承也因受偏心荷载作用，对盾构工作状态产生不利影响。为 了保护刀盘刀具，使盾构工作与正常状态，掘进时需要经常有计划地检查和更换 刀具。2.1刀具检查刀具作为盾构最前端直接与岩体接合的部件,其工作状态直接影响盾构的掘进 效能。在复杂岩石地层施工的过程中，开仓检查、更换
7、刀具是不可避免的工作。 土压平衡盾构.上配备有带压进仓系统，可以在确保掌子面稳定的前提下，进行带 压进仓检查、更换刀具。硬岩条件下，刀具在掘进过程中，由于硬基岩作用，刀 具会受到冲击，且伴随动载荷突变现象，因此硬岩段每掘进23环，必须开仓检查 刀具磨损情况及刀具螺栓松动情况，特别是边缘滚刀及边缘刮刀的磨损量，不能 超过最大磨损允许值（通常为15mm）。螺栓松动必须及时复紧，螺栓缺失的必须补 上。在软硬不均尤其是上软下硬、富水断裂破碎带等情况下，更换刀具较为困 难，若开仓控制不当甚至造成掌子面坍塌等严重事故。因此在无法实现带压进仓 的情况下，必须对掌子面地层进行辅助加固。2.2刀具更换盾构在硬岩
8、地层中掘进，正常磨损情况下的刀具更换标准一般为：当周边刀刀 圈磨损掉1015mm、面刀和中心双刃刀的刀圈磨损掉2025mm时就需要更换。 盾构刀具管理方面，建立系统全面的盾构刀具管理制度显得尤为重要，如定期和 不定期刀具检查制度等，切实做到确保刀具安装质量、及时检查刀具工作状况、 严格控制刀具磨损量。在检查刀具磨损情况时，开仓检查的方法最为直接有效， 但却存在很高的风险，可能造成开挖面的坍塌，进而影响隧道周边建筑物的安全。 除此之外，还可使用异味添加剂（这种方法适合在硬岩地层中应用）或安装刀具磨 损感应装置，在刀具或刀盘内安装液压传感系统，一旦刀具磨损到一定程度就会 自动报警指示。另外，在掘进
9、过程中，还可通过综合分析掘进参数、岩碴形状与 温度、刀盘振动等来判断刀具状况。2.3管片空间定位控制盾构成型管片的轴线及界限控制是隧道施工的主要设计参数和关键点。盾构 在岩石地层与软弱地层施工的最大区别是，在软弱地层中，刀盘切削后随着盾构 向前推进，周围土体对盾体和管片很快形成包裹和挤压，所以控制好盾体姿态基 本就满足了隧道成型设计参数的要求;但盾构在岩石地层施工时，由于地层稳定性 较好，盾构推进后地层基本不会对管片形成包裹和挤压，在掘进直径区域内，管 片空间定位较困难。影响盾构管片空间定位主要因素有两个:其一是盾构的推进力， 为了克服因盾构自重而产生的低头现象，正常施工时下部分区的油缸压力最
10、大， 这会造成管片向.上的趋势，直接导致管片高程的增加，严重时将超过设计要求。其二是同步注浆压力，进行同步注浆时，浆液受到自重影结语：复杂岩石地质层盾构掘进效能的改善对当前掘进开采水平的提高有着 重要意义。在实现盾构掘进全面机械化操作的基础上，提高机械掘进效能能有效 控制掘进成本，实现盾构开采掘进的科学管理。地质条件、机械参数及操作特性是 影响盾构掘进效能的主要因素。复杂矿区地质层盾构掘进效能的控制也是适应社 会发展需要的重要技术创新通过该技术的推广将大大提高盾构掘进的开采效率。参考文献1赵全民软硬岩条件下土压平衡盾构施工控制要点及对策J 隧道建设,2005,S1).2李茂文刘建国韩雪峰等长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究山隧道建 设,2009,(4).3康宝生.全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理J隧道建设,2012,(1).
