成都地区含卵石、漂石地层盾构施工的几个关键技术问题(专家修改缩减版)——徐经理发20139.10

1、中国中铁四局集团有限公司中国中铁四局集团有限公司成都地铁成都地铁4 4号线一期工程土建号线一期工程土建7 7标项目经理部标项目经理部二二一三年九月一三年九月成都地区含卵石、漂石地层盾构施工的成都地区含卵石、漂石地层盾构施工的几个关键技术问题几个关键技术问题摘摘 要要 本文针对成都市高富水高卵石含量兼漂石地层的特殊地质条件下盾构施工的几个关键技术如盾构机的选型技术、大漂石处理技术、开舱及换刀具技术、泥饼处理技术等进行了研究和总结，为进一步拓展成都地铁盾构施工市场做好技术准备，并供类似工程提供借鉴。1、成都市区地质构造的特点2、成都市区地铁盾构施工需要解决 的几个技术关键问题 3、对进一步开展相关

2、问题研究的建议1 1、成都市区地质构造的特点、成都市区地质构造的特点 成都市区主要地质构造为高富水砂卵石且偶含大漂石的地层，为松散砂卵石、密实砂卵石地层，郊区尤其东部为具有弱至中等膨胀性土（岩）的地层，为强风化岩、中风化岩地层。盾构施工地质条件与我单位在上海、天津、杭州、深圳等地的工程地质有明显差异，其主要不同点表现在： a、盾构机的刀盘形式、刀具选择及布置、排土及盾构密封的设计上； b、掘进过程中渣土改良，开舱换刀、清理泥饼，大漂石的处理等关键技术上。2、成都市区地铁盾构施工需要解决的几个技术关键问题、成都市区地铁盾构施工需要解决的几个技术关键问题1 1）盾构机的选型问题）盾构机的选型问题（

3、1）刀盘、刀具选择 对于刀盘选型问题，从掌子面稳定方面考虑，采用面板式刀盘是比较好的，但要解决刀盘耐磨性需要提高的问题。另外面板开口率不宜过小，否则稍大砂卵石无法通过开口进入土舱。 从长距离在地层中掘进、排除大砾石方面考虑，采用辐条式刀盘较好，但对于成都市地下水压大、卵石地层稳定性差，易坍塌的卵石地层而言，不易掌握水土压力平衡；小幅面板+辐条式的组合刀盘是比较好的，其刀盘可以减轻切刀的实际负荷扭矩，增大排出开挖土砂的能力，将土舱内的土压有效地传递给开挖面；在耐磨性方面，如果其轮辐为柱式，耐磨性能比面板式好，但其刀盘的外周磨损也是比较严重的。针对成都地铁2号线的地质情况，推荐使用以小幅面板+辐条

4、式的组合刀盘。（C）面板式 为了破碎大粒径漂石，在配刀上可以按破碎中硬岩的方案配刀，用滚刀实现对大粒径漂石和砾石的破碎，切刀和刮刀对滚刀破碎的岩土进行及时收拢到土仓。滚刀刀刃距刀盘面板的高度要比切刀和刮刀距刀盘面板的高度高，这样在遇到大粒径漂石和砾石地段掘进时，滚刀进行破碎从而可以保护切刀和刮刀不受损坏。同时切刀和刮刀及时切割下经滚刀破碎的泥土又保护了滚刀少受泥土的磨削。（2 2）排土系统的选定）排土系统的选定 盾构机排土设备是螺旋输送机，它是一个连续工作的系统，由可旋转的螺旋叶片和静止螺旋外壳组成。螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没有中心轴的带式出土器，以便在中心输送较大的石块（

5、见下图）。前者的驱动方式是直接驱动叶片中心轴，其优点是止水性好，缺点是可排出的砾石的粒径小；后者的驱动方式是直接驱动装有叶片的外筒，优点是可排出的砾石的粒径大，缺点是止水性差。 对于成都地铁，若采取轴式螺旋输送机，则对处理大粒径漂石就需要采取一定的措施，在螺旋输送机的前端可设置一道闸门，当大漂石进入土舱内时将该道闸门关闭，同时土舱内加气压防止水灌入，从螺旋输送机的前端将漂石取出或打碎后取出。 若采取带式螺旋输送机，带式螺旋输送机在高地下水位、高水压条件下会发生喷涌问题，对于喷涌事故发生最好的预防措施是： a、通过向开挖下来的土体中添加聚合物改良渣土，增加渣土的可塑性，即通过螺旋输送机注入聚合物

6、改良渣土形成土塞，但缺点是对螺旋输送机形成磨损 b、采用多段螺旋输送机从而降低出口处的水压力。 以罗宾斯盾构为例，多级螺旋输送系统包括下述2个系统；1号螺旋机：带式输送(不带轴), 允许最大通过石粒直径500毫米；2号螺旋机：前三个螺距采用带式不含轴, 剩下部分采用带轴式螺旋输送系统；2个螺旋机之间, 设计一个闸门；2号螺旋机的前三个螺距部位,设计一个专门处理大粒径石头的闸门；2号螺旋机的尾部为另一个主要卸料闸门。1st-stage screw conveyor2nd-stage screw conveyorBoulder correcting gateGate No.1（3 3）盾构密封的改

7、良问题）盾构密封的改良问题 由于成都地铁高水位的关系，盾构密封要求较高。盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾密封和铰接密封三个方面，遵循“以防为主、多道设防、杜绝漏水”的原则，施工时也应遵循各项规范要求。a a、主轴承密封、主轴承密封 目的是保护刀盘轴承，使其免受土砂、地下水、添加剂的侵入，所以必须能承受土仓内的泥土压、地下水压、泥水压、添加剂注入压力和气压等。因此主要有两个密封系统进行密封：外层的密封系统负责挖掘舱的密封，内层的密封系统负责大气压力区域的密封。 由于成都地铁主要在砂砾石地层掘进，地层卵石含量高、变化快、水压大、水位高的特点，主轴承可以采用此种密封系统。对于在困难条件下掘进的土压平

8、衡盾构机应用效果良好。b、铰接密封 中盾和盾尾之间通过铰接油缸连接，两者之间由一定夹角，从而使盾构在掘进时可以方便的转向。铰接密封通常为双排充气密封，外侧常闭，内侧为应急密封设计，需要耐磨橡胶制成，并要求有良好的密封效果。c、盾尾止水刷 是为防止注浆材料、地下水和开挖面泥浆与泥土从钢壳面板和管片外围涌入盾构机内部而设置的，同时对盾构而言还具有保压的作用。为解决高水压的问题，盾尾密封钢丝刷采用3-4道，钢丝刷之间注入密封材料或润滑油脂密封，止水能力达到水压3bar，可靠性很高。2）按漂石、粘土地层特点改良渣土性能问题 适合土压平衡盾构机的理想土体要求具有 良好的塑性变形； 软稠度； 内摩擦角小；

9、 渗透系数小。盾构通过膨胀土（岩）、粘土层，含卵石粘土时，土层中主要表现为裂隙水，孔隙水，地下水位低，水压小，盾构掘进时刀盘结泥饼和滚刀偏磨的可能性较高。在盾构掘进施工时需向刀盘前方注入泡沫，对刀盘、刀具与渣土之间全方位的润滑作用（泡沫经充分发泡后扩散到整个刀盘面板）同时在土舱内添加适量水，全面改善渣土和易性（形成土、水、石的混合体），降低渣土粘性。所加泡沫和水的量要根据总推力、土舱压力、掘进速度等各项掘进参数进行综合分析后确定。太多反而不能维持土压平衡，造成地面沉降。3)对盾构掘进中遇到大漂石、大卵石的处理问题（1）首先在盾构机设计上考虑粒径小于500mm的大漂石、卵石可以通过 螺旋输送机直

10、接排出；粒径大于500mm的可以通过盾构机刀盘上的单、双刃滚刀将其破碎后通过螺旋输送机排出。（2）对大于500mm的大漂石、卵石一旦滚刀破岩能力不足时，考虑采用以下辅助措施： 2、成都市区地铁盾构施工需要解决的几个技术关键问题、成都市区地铁盾构施工需要解决的几个技术关键问题a、在地面不具备加固条件的情况下，利用盾构机上预留的超前注浆孔，对刀盘前方地层进行洞内超前注浆加固后，利用刀具切削或开舱处理大漂石。b、加固效果不佳难以确保进舱安全时，采用带压进舱方式进行处理。c、粒径过大开舱无法处理时，可在地面采用人工挖孔桩挖至大漂石、卵石处采用静态破碎。4)开舱换刀、泥饼清理（1）刀具的更换与管理 a、

11、刀具的类型及适应性 主要刀具类型为齿刀（撕裂刀）、割刀、周边刮刀、周圈侧面保护刀，并备有单刃滚刀、双刃滚刀。其中单刃滚刀和齿刀的刀座形式相同，根据不同的地质类型两种刀具可以互换，这样大大提高了刀盘对地层的适应性。 所有的刀具都可以在刀盘背后换装，从而保证安全、高效地更换刀具。由于刀盘能正反旋转，因此割刀也是正反方向布置。b、刀具检查和更换由于地下工程施工不确定性的特点，且地处卵石土层，在该地层中掘进刀具磨损较快，刀具一般每掘进300350m左右进行一次刀具更换，根据刀具磨损情况，一次更换30%滚刀和10%刮刀。另外，在施工过程中，如发现盾构掘进参数异常，如掘进速度缓慢、出土温度高、刀盘扭矩大等

12、，表明刀具磨损严重，同时可通过在刀具上安装磨损检测装置，检测盾构推进时刀具的磨损情况，根据检测结果确定是否需要换刀。常压换刀要点： 综合地质勘察资料对正面土层性质作进一步判断，选择合适位置。 通常是由人工进入土舱进行刀具的更换作业，当隧道处于卵石土层时，含水量高、渗透系数大，换刀前对正面土体进行加固处理，正面土体加固方法可根据现场实际情况确定。地面有条件的可在地面进行降水，地面没有地基加固施工条件的。 针对成都地层采用地面加固和降水进行常压换刀。 刀具更换标准。一般情况边缘滚刀磨损超过1cm；正面滚刀磨损超过1.5cm；边缘刮刀磨损超过1cm。（2）泥饼的清理泥饼通常会粘附在刀盘上，造成刀盘开

13、口率减小、滚刀不能自转。通常会表现为刀盘扭矩小、总推力大、渣土温度高、推进速度慢、液压油温高等现象，造成盾构无法继续正常掘进。泥饼通常需要开舱清理，和刀具更换开舱流程一样，开舱后由作业人员以镐头或钢钎将刀盘开口处、滚刀间隙泥饼清理干净后即可，一般泥饼清理通常和刀具更换放在一起进行。（3）在常压开仓换刀不具备条件的情况下采用带压换刀。a、保证开舱作业气压系统和供电系统的完好。 b、停机前压气环境准备要充分 c、制定完善施工方案，严格执行带压开仓操作程序。 d、开仓结束后，尽快恢复掘进。 （4）应急及预防措施 当发现正面土体有坍塌的迹象，立刻分析坍塌部位、范围，继续坍塌的影响，若确实无法保证换刀安全，则及时组织施工人员撤离土舱，关闭土舱闸门，马上进行密闭式(不出土)推进，靠上前方土体，连续推进，使盾构机穿越换刀点后及时对坍塌处采取打孔注浆等加固措施。同时加强地表监测，监测频率为：1次/2小时，必要时加密监测频率。在开舱之前联系好有关的单位，使出现险情时能及时通知有关单位进行抢险工作。换刀失败后要根据具体情况另行就近重新选择换刀点。3 3、对进一步开展相关问题研究的建议、对进一步开展相关问题研究的建议1）盾构设备适应能力及选型研究2）盾构工法