复杂条件下盾构施工技术（1）-选型及砂卵石地层

1、复杂条件下盾构隧道施工（管理）技术-1、盾构选型及北京砂卵石地层盾构掘进一、 盾构选型管片盾构开挖面初期开放型手掘式盾构 定义： 用盾构机一边防止土砂的坍塌，一边进行挖掘，推进，并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道的方法 新干线TUNNEL开敞式闭胸式SHIELD闭胸式SHIELDSHIELDO.D.：東京湾横断道路TUNNEL闭胸式SHIELDSHIELDO.D.：年圆泥水式盾构（）地下鉄车站部区间同時施工闭胸式SHIELD手掘式半机械式机械式全敞开式半敞开式挤压式泥水式土压式闭胸式盾构土压平衡式加泥式土压平衡式盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。国内外根据各种

2、使用条件的不同，使用的盾构也不同，特别是面板及刀具的形式多种多样。目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。手掘式盾构 半机械式盾构 网格式盾构 土压平衡盾构原理图 泥水平衡盾构原理地 层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区盾构选型的基本原则开挖面稳定地层的适应性地下水处理沉降施工适宜性安全性辅助工法环境及公害 一般原则地质条件手掘式盾构半机械掘削式盾构机械掘削盾构网格式盾构泥水式盾构土压式盾构土压盾构泥土盾构分类土质N值含水率(%)辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类冲积性粘土腐植土淤泥、粘土砂质淤泥

3、粘土砂质淤泥粘土00205510300100-3008050AAAAA-A-A-A-A洪积性粘土垆姆粘土砂质垆姆粘土砂质垆姆粘土1020152520505020- - - - - - 软岩风化页岩、泥岩503040 ABABABABABABABABABAB -AAAAAAA- 注（1）手掘式盾构、半机械掘削式盾构、机械掘削式盾构、网格式盾构，原则上采用气压工法。 无：不使用辅助工法 ：原则上适合条件 A：化学注浆工法 有：使用辅助工法 ：使用时须加讨论 B：降水法 ：原则上不适合的条件 -：特殊情况下也可以使用 （2）主要表示希望选定的工法，但是也包括部分土质不适合的不得不采用的情形。序号项目

4、变频电动机驱动（A）一般电动机驱动（B）液压驱动（C）说 明1驱动部外形尺寸中大小一般情况下A:B:C=(1.52):2.5:1.02后续设备少少较多C需要液压泵、大油箱、冷却装置等，故后续设备较多3效率（）0.950.90.65电机驱动效率高于液压驱动4起动电流小小小A:利用变频起动电流小B:采用切断磁粉离合器起动，电流小C:由于无负荷起动电流小5起动扭矩大较小大A:起动扭矩可达额定扭矩的120B:约小20C: 起动扭矩可达额定扭矩的1206起动冲击小大中A:由于变频软起动，冲击小B:离合器离合，冲击大C:控制液压泵排气、可以低转速、缓慢起动，故冲击较小7转速控制（微调性）好差好A:由于变频

5、，可控制转速和进行微调B:由于采用离合器，不能实现无级调速C:控制液压泵排量，可控制转速和进行微调8噪音小小大C:液压系统的噪音一般大于电动机系统9盾构内温度低较低较高C:液压系统功耗大，故温度较高10维护保养易易较困难B:维护保养工作较少C:液压系统的维护和保养一般较复杂，要求较高。盾构刀盘驱动方式比较表 注：A驱动传递过程：变频电机减速器驱动刀盘B驱动传递过程：电机离合器（磁耦）减速器驱动刀盘C驱动传递过程：液压马达减速器驱动刀盘 盾构类型与渗透性的关系盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的影响因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，

6、可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构 。盾构类型与颗粒级配的关系 一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。 盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中蓝色区域为淤泥粘土区，为土压平衡盾构适应范围，绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，黄色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。盾构类型与颗粒级配的关系图粒

7、径比例盾构类型与水压的关系当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机。二、我国典型地区盾构选型我国盾构应用较多或较早的地区是上海、广州及北京地区，可以说这三个地区分别代表了我国三大区域的土层特征，盾构特征。上海是软土区域，广州（深圳）是软弱不均区域北京是砂卵石地层为特点。上海地铁盾构选型 1. 盾构机选型依据及一般程序 上海属于软土地层，盾构机选型依据按其重

8、要性排列如下： 土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数） 开挖面稳定（自立性能） 隧道埋深、地下水位 设计隧道的断面 环境条件、沿线场地（附近管线和建构筑物及其结构特性） 衬砌类型 工期 造价 宜用的辅助工法 设计路线、线形、坡度 电气等其它设备条件 实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质情况，还要考虑到盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征。同时，还要逐个研究以下几个项目： (1) 开挖面有无障碍物； (2) 气压施工时开挖面能否自立稳定； (3) 气压施工并用

9、其它辅助施工法后开挖面能否稳定； (4) 挤压推进、切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定； (5) 开挖面在加入水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定； (6) 经济性。 2. 根据地质条件选择盾构机类型 砂质土类自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工。若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构。砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。因在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高，反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。 针对地下水条件，若其压力值较高（大于0.1MPa），就应优先考虑使用密封型

10、的盾构，以保证工程的安全，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。 对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构的话，须增加一个鳄式碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。 3盾构机选型的其它条件 除了地质条件以外的盾构机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、基地条件等。 工期制约条件 因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。 造价制约因素 一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是

11、敞口式盾构机个象密闭式盾构机那样有复杂的后配套系统，在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，宜优先选用敞口式盾构机。 环境因素的制约 敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的掘进机。 基地条件的制约 泥水平衡式的掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，若需使用泥水平衡盾构开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。 设计线路、平面竖向曲线形状的制约 若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为6m的盾构，其长度也有何67m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施上中转弯的灵活性。 4辅助工法的使用 掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注浆法等。前

12、三种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主要是用于保证隧道开挖而的稳定，注浆法还能减少盾构机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，若采用手掘进、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改变地层的物理力学指标，增加其自立性能，确保开挖面的稳定。冻结法的施工成本较高，一般情况下不采用，但在长隧道的盾构对接中使用。 5盾构工法的选定程序流程图广州地铁盾构选型 广州地区复

13、合地层的概念与特点 ： 广州位于珠江三角洲冲积平原的边沿,滨临南海,其中也分布少量的低丘沟壑地貌。广州降水非常丰富,珠江水系的河流密布,地下水位较高。 广州市区表层广泛分布第四纪沉积物,下覆是中生代白垩系红色碎屑岩,北部地区有显露古生代二叠系和石炭系的砂页岩、页岩以及前震旦系变质岩,东北部有燕山晚期侵入的花岗岩等。第四系沉积物主要由陆相和海相沉积的淤泥、沙层、沙砾质粘土层等构成。下覆地层由于风化原因,其残积层的厚度和深度差异较大,中度风化 微风化岩石的抗压强度为10150 MPa 。广州地区地质构造较为简单, 比较大的褶皱有珠江向斜、广州背斜和沙河向斜,规模较大的断裂有七条,基岩裂隙比较发育。

14、 盾构选型中的地质因素： 广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细沙层,又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩,以及介于上述两类岩土之间具不同风化程度的软塑 硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。因此选择用于广州地铁施工的盾构时,要求它必须有与上述地质条件相匹配的性能。广州地铁施工用盾构选型需考虑的地质因素: (1) 第四系松软土层 广州地区第四系覆盖层较厚,其中冲洪积的淤泥、淤泥质粘沙土、中细沙层等是特别松软的地层, 主要分布于市区西部的黄沙、荔湾一带及珠江河

15、道支叉两岸。由于它们饱水、稳定性差、无自稳能力, 开挖时易坍塌、涌水、涌沙,地面沉降明显。因此,要求通过此类土层的盾构必须具有良好的密水性能,具有生产和保持足够泥水压力和土压平衡压力的功能。 第四系冲洪积沙质粘土和红色碎屑残积层及全风化带多呈流塑至硬塑状,透水性弱,稳定性差,适宜采用土压平衡盾构施工,但应注意通过粘粒成分高的土层时盾构刀盘要有防止刀盘面被粘结的功能。(2)白垩系泥岩、砂质泥岩、砂岩等地层 这是广州地铁沿线碰到的主要岩层,随着风化程度的不同,其岩石强度和稳定性变化较大,但整体稳定性属中等。适宜选用复合型土压平衡盾构施工。但施工中应注意地层的上下软硬不均及纵向软硬相间的问题。中微风

16、化钙质和铁质胶结的砂岩、砂砾岩的岩石强度较高(最高达60 MPa 左右), 是盾构刀盘、刀具选择时必须加以考虑的因素。(3)中生代燕山期花岗岩及震旦系混合岩 广州地铁区间隧道部分地段围岩为花岗类岩体和混合岩岩体。此类岩体的以下特点是盾构选型时必须考虑的因素: 中等风化及微风化岩,岩石抗压强度达到140 MPa 以上; 岩石中石英含量较高, 对刀盘和刀具的磨损性强; 全风化及部分强风化带整体破碎,遇水和扰动后易液化、流坍,而其中存在的球状风化“孤石”却十分坚硬、耐磨。(4) 断层破碎带 广州地铁区间隧道经常碰到规模不等的断层破碎带,它多为富水且稳定性差,少量为铁、钙质或硅质胶结的角砾岩,十分坚硬

17、,这些都会给盾构施工造成困难。要求盾构具有良好的密水性能,同时为了对断层带属性和影响范围作出预报,要求盾构应配备地质超前钻探的机具或装备这些设备的预留装置。 (5)穿越江河地段 广州地处珠江三角洲的河流密布区边缘,地铁隧道下穿江河时有发生,遇到此情况时,应根据江河河床段工程地质、水文地质条件选择合理的施工方法。如果下穿隧道围岩为软弱、透水性强的岩土层或透水断层破碎带时,最好选用泥水盾构;如果下穿隧道围岩为透水性弱或不透水的粘性土或基岩时, 可根据不透水(或弱透水) 层距隧道顶部的厚度选用土压平衡盾构或泥水盾构。无论选择何种类型的盾构,防止江河水涌入隧道、确保围岩稳定是关键。广州地质对盾构性能的

18、特殊要求: (1)机械的主要部分应有充分的可靠度 特别是刀盘结构体、主轴承等应保证在一个区间施工完成之前不出现大的问题,避免在施工过程中进行维修。(2) 驱动系统应有较高的工作弹性 驱动系统应适应复杂多变的地层,特别是在同一开挖面存在软硬不同的地层时,刀盘的转速应均匀,有足够的脱困扭矩。从已经成功施工的工程应用来看,采用液压驱动是比较好的选择。(3) 刀盘有较强的适应性 刀盘应配备有充足的刀具,且刀具可以更换,以分别对付软硬不同的围岩。(4) 刀盘有较高的开口率 较高的开口率可以防止刀盘在粘性较高的地层中掘进时中心部位结成泥饼,地铁二号线穿越珠江的海珠广场 市二宫区间施工时,刀盘中心部位的泥饼

19、就成为施工的最大障碍之一。(5) 配备碴土改良设备 碴土改良设备能向土仓和开挖面注入土质改良剂，既可以降低刀盘和螺旋输送机的转动扭矩、降低机械负荷, 又可以防止产生泥饼, 在渗透性大的地层还可以减少地下水的流失。(6) 配备人仓加压系统及碎岩系统为顺利通过软硬不均和球形风化孤石等地段, 应配备人仓加压系统,并应配备碎岩系统。(7) 主机有超前钻孔预留口 盾构主机上设置超前钻机一方面可以超前探测地质状况,另一方面在无法从地表进行地层加固时可以从隧道内加固地层。(8) 可靠盾构铰接部分 盾构的铰接部分应有充分的可靠性,且应配备铰接紧急密封。从几个工程实例看,铰接位置的漏水漏砂曾经造成数起地层下陷事

20、故。下表列出了广州不同地质要求的盾构配置状况 对盾构机掘进有不利影响的 典型工程地质和水文地质 残积土的粘土以及泥岩类岩石经研磨后形成的粉粒状矿物质，在受压、受热、受湿环境条件下，会在刀盘表面或土仓内形成泥饼。 上软下硬或上硬下软的不均匀地层难以全天候进行动态平衡控制，易导致顶部坍塌。 软硬地层突变及花岗岩地区的球状风化体，会使刀盘变形和刀具崩裂。 富水断裂带和岩石破碎带等地层会导致螺旋输送机出土口涌水涌砂，造成施工困难； 过江河或砂层、淤泥层，易失水和扰动引发大的沉降； 土压平衡状态施工遇到石英含量的地层时，刀具磨损严重。盾构机对复合地层适应性的因素研究 设计寿命： 盾构机设计寿命的提高对复

21、合地层中盾构机的掘进施工影响较大，区别于单一均质地层，在复合地层中的最大不同点是，盾构机本身在设计上就必须考虑到对付千差万别地层变化。设计寿命作为一个反映盾构机综合性能的重要指标，其寿命的长短将直接关系到其应付各种地质条件的可行性和安全性。例如，在广州地铁使用引进的盾构机当中，部分按主轴承4000h、掘进3km使用寿命设计的盾构机所表现的对付不同性质地层的掘进能力明显不如那些按主轴承10000h、掘进10km使用寿命设计的盾构机。为了保证10km的使用寿命，盾构厂家主要在钢结构的强度和主轴承密封系统进行了明显的优化。 主要技术参数： 盾构机的推力和扭矩取多大合适，一直是研究的重点。对于同一个项

22、目，不同的制造商或承包商给出的盾构机主要参数，如刀盘转速和相应的扭矩相差甚远，这表明：不同的制造商对同一地区的地质条件的理解和认识明显不同。事实上，依据于地质特征的盾构机参数计算模式的局限性是显然的，目前还无法用一个或几个数学模型来准确模拟开挖介质，即千变万化的广州地质特征。广州的盾构施工实践已经把类似地质条件、同直径（约6m）隧道对盾构机主要技术参数，如最大推力、额定扭矩等，提出了明确的要求。 刀盘开口和刀具的配置： 选择刀具配置，应充分研究刀具的均衡性原理各种刀具的破岩机理，除考虑各种刀具的轨迹覆盖整个刀盘面外，刀具的组合形式、刀具的高度及高度差等性能或指标也很重要。螺旋输送机的功能优化

23、渣土改良设备 人仓及加压环境下作业设备 刀盘轴向平移装置 保压泵碴系统 辅助施工设施 三、粉细砂地层盾构掘进 富水粉细砂层含水量丰富,透水性很强。盾构在穿越这类地层时，对土体产生扰动极易发生流砂或板结现象； 砂土液化引起的涌水、涌沙现象使盾构开挖面失去稳定平衡，产生开挖面失稳现象，进而对隧道本身和隧道周边建（构）筑物的安全产生影响。 我国在稳定性差的富水粉细砂层中使用土压平衡盾构设计施和工经验不足,频繁出现险情和事故。 南京地铁1号线某标在富水粉细砂地层盾构出洞时出现两次流沙现象, 地面下陷1.5m。 南京某标段在盾构到达时发生坍塌，路面最大沉降最大达4m。 上海轨道交通四号线靠近黄浦江的某标

24、段盾构隧道在联络通道施工时出现大量流沙，导致隧道上方地表价值过亿的泵房因沉降过大而报废，相邻数栋建筑物严重倾斜而无法使用,江堤出现险情。工期展延超过两年，经济损失超过人民币6亿元。砂性地层中盾构推进的影响 存在的问题 土压平衡盾构施工成功的关键之是合理进行土压力管理，使开挖面保持稳定。为保证密封舱内的土压力能够真实反映，需要要将开挖面切削下来的土体在密封舱内调整成一种“塑性流动状态”的土体。如果地层是淤泥质枯土层的话，只要在密封舱内通过旋转翼板搅拌，就可满足这种状态顺利进行施工。但是，如果地层是粘粒(粒径小于0005mm)的含量较少(小于10)的卵石层、砂土地层、粉土层、风化岩地层，进入密封舱

25、的土体就很难形成这种“塑性流动状态”，从而给土压力保持带来困难，导致施工出现以下问题。 开挖面失稳 当盾构开挖面中心水、土压力与盾构机密封舱内压力无法平衡的时候，将产生开挖面失稳。土压平衡盾构在砂性土层中施工时，由于砂性土流动性极差，切削下来的土体并不能充满整个密封舱，进入舱内砂性土大颗粒沉积在密封舱的底部，而细小颗粒浮在上层，出现分层离析、表层失水、开挖面上部的土压力无法被舱内压力平衡，发生土体失稳。 高水头压力下，大刀盘切削振动可能引起工作面附近砂土液化，孔隙水压力上升，有效应力减小，抗剪强度降低甚至丧失。液化引起的管涌流砂使工作面失去稳定平衡。土体失稳将引起大幅度的地层位移，使得相邻的建

26、、构筑物产生差异沉降，管线破裂，地表发生大范围沉陷，造成巨大的经济损失。 产生开挖面稳定问题的原因如下：土压平衡式盾构是将开挖下来的土料泥土化，由刀盘上轮辐开孔进入开挖面后的密封舱，通过施加适当的土压力并控制出土量，使密封舱土体挤压密实，保持与工作面水、土体侧压力动态平衡，开挖面处于稳定状态。 要保证开挖面的稳定必须注意以下几个环节：首先，盾构施工过程中必须在开挖面和隔板之间充满土料，这里土料是作为一种荷载传递的介质，将密封舱的压力由刀盘上的开孔传递到开挖面上，以维持工作面的稳定；其次，在盾构推进挖土和管片拼装过程中，始终保证盾构机密封舱内压力孔始终略微大于正面主动侧压力PS和水压力Pw之和。

27、 土压平衡式盾构在砂性土层中比较容易丧失稳定性主要是由于砂性土、砂质粉土等土层由于土的渗透性好，受扰动后产生水土分离流出，土与水不能形成具有一定流动性的土料，无法完全充满开挖面与隔板之间的土舱，致使在开挖面上局部区域压力不平衡从而导致工作面失稳。由此可见要保证土压平衡式盾构在砂性土等特殊土层中施工时工作面的稳定，应当增加砂性土的保水性，改善其流动性。 盾构推进时周围土体发生液化导致土体沉降 虽然土压平衡盾构施工时不会对盾构周围土体造成影响，但在砂性土等粘粒含量较少的特殊土层中的盾构推进过程会发生一个特殊现象，尤其是颗粒级配不理想和相对密度较小的土层中容易发生液化。 密封舱内砂土积聚，切削推进困

28、难 土压平衡式盾构穿越砂性土地层时，若砂土中含有少量粘粒，则在盾构密封舱内的压力较高时，渣土往往无法顺利排出，在这样的情况下如果继续强行推进，那么密封舱内的砂粒失水固结越压越紧，将会使千斤顶的顶推力增加，刀盘的扭矩变大盾构无法正常推进，甚至会使刀具损伤，主轴承断裂，盾构严重损伤。上海地铁明珠二期I临平路溧阳路区间盾构隧道，在粉砂地层中施工，盾构推进时遇到这个问题，密封舱的闭塞密封舱内压力失控、扭矩变大、盾构推进困难，同时还引起较大的地层位移和地表沉降。 密封舱闭塞问题产生原因：土压平衡式盾构在砂性土层中掘进时，密封舱压力较在粘性土中掘进时高。含有少量粘粒的砂性土经刀盘切削进入密封舱后，由于砂性

29、土本身具有较大的内摩擦力，加上少量粘粒所提供的粘结力，使得渣土在较高的密封舱压力作用下，发生应力重分布，在螺旋出土器的进出口附近容易产生拱作用，拱外渣土无法进入出土器，造成密封舱闭塞。消除密封舱闭塞现象的关键在于消除压力拱，参照普氏理论，压力拱形成的一个重要原因就是松散体之间存在较大摩擦力和粘结力，因而应当从降低渣土的内摩擦角着手考虑。 舱内泥砂“结饼” 当土压平衡式盾构在粘聚力和内摩擦角都比较大的土层中施工时，在密封舱内，主轴承附近的土体往往会排水固结，形成饼状，若不及时采取措施，结饼的范围将不断的扩大，最终充满整个密封舱，使得刀盘扭矩增大、切削困难甚至无法进行。2002年，深圳地铁一期工程

30、就遇到了这样的问题，最后不得不停止推进，打开密封舱人工处理，由此引起了临近建筑物沉降，地表塌陷，对工程的影响巨大。 密封舱结饼现象问题产生原因：在砾质粘性土等同时具有较大的粘聚力和内摩擦角的土层中进行盾构掘进时，由于刀盘转动较慢，密封舱中的土体受到的搅拌作用的影响由周边向中间递减，在密封舱主轴处的土体基本上只受到沿盾构轴向的压力，在此荷载下，渣土中的孔隙水排出，发生固结，形成泥饼。若不及时处理，泥饼将向周边不断扩大直至充满整个密封舱。与密封舱闭塞现象相似，引起结饼现象的关键在于砾质粘性土本身所具有的较大的粘聚力和内摩擦角，如何降低渣土的粘聚力和内摩擦角是解决结饼问题的核心。 排土口喷涌 通常情

31、况下，在螺旋出土器的出口处，所排出的渣土中的水的压力为零，渣土在自重作用下落入传输带，然而在渗透性较大的砂性土中施工时，密封舱和排土器内的土体不能完全有效地抵抗开挖面上较高的水压力，会在螺旋出土器的口部产生喷涌。采用土压平衡式盾构施工的深圳地铁曾经遇到过这样的问题，广州地铁施工中也出现过因为喷涌而严重影响施工工期的情况。 喷涌发生问题产生原因：盾构正面的砂土中的水头压力所产生的向螺旋出土器出口的渗流力经过密封舱以及螺旋出土器过程的水头损失，还会在螺旋出土器的出口产生喷涌。 喷涌发生的主体是强度较低的扰动土，发生路径是筒状的螺旋出土器，而且土体本身处于运动中，只是由于运动的速度和压力失控发生的现

32、象。喷涌发生的关键是砂性土具有良好的渗透性，不能对流经的水造成较大的水头损失。开挖面稳定理论分析方法盾构所经地层的砂卵石四、北京地区砂卵石地层盾构掘进如何解决砂卵石地层盾构掘进问题是北京盾构选型的关键问题粒径超过200mm影响掘进的主要是刀盘刀具磨损（1）盾构刀具（刀盘）磨损的因素；（2）盾构刀具磨损特征研究；（3）砂卵石地层刀具磨损系数及不换刀能掘进的最长距离；（4）从机械和土性改良两方面研究减少刀具（刀盘）磨损的方法；切削刀的开挖方式与土的破坏机理 切削刀的基本切削过程是：切削刀通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使得被开挖土体产生应力与变形。其中刀刃的切削作用使切削层土体沿刀刃方向产生分

33、离。前刀面的推挤作用使得已分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。刀具切削时，通常做两个方向的运动： 沿开挖面的运动，它起着分离岩土的作用； 切入开挖面的运动，它改变切削的厚度，如图3.10。 切削刀工作原理图切削刀的开挖方式 (a) 流动型切屑 (b) 裂断型切屑 (c) 剪断型切屑 (d) 剥离型切屑某盾构刀具磨损事故分析 基本情况介绍 北京地铁五号线某标段，采用面板式土压平衡盾构机掘进。推进到约346m处遇到异常，无法继续推进。标纵断面图盾构所在地层条件盾构刀盘所在位置断面图刀盘大部分位 于圆砾层中 可预见其磨损 将相当严重 停机前的掘进参数及其他特征刀盘扭矩值一直居高不下，而且波动幅度

34、较小。刀盘过载频繁，扭矩过大。 推进时间延长，泡沫和膨润土用量增大，渣土含水量增大。 千斤顶推力增大。 排出渣土变热。 至289环时推进时，刀盘扭矩急剧上升无法继续推进。刀盘扭矩Push Cylinders摩擦力推进时间管片拼装时间位置推力土压土压力mKNmKNbarKNKNminmin278332.40346876341.213724.123910KN53min37 min279333.60319690351.464493.574541KN77min53 min280334.80315599411.454462.795478KN70min99 min281336.003348110161.5

35、04616.686399KN59min68 min282337.203411110841.454462.796621KN65min55 min283338.403256106821.374216.576465KN79min77 min284339.603342123561.394278.128078KN104min88 min285340.80343797921.334093.465699KN105min75 min286342.00342586351.544739.793895KN88min67 min287343.20335091131.484555.124558KN219min88 mi

36、n盾构机停止前各环掘进参数一览刀盘扭矩居高不下，推力增大，推进时间长推力变化图284环时推力已急剧上升接近顶峰，只好降低速度，缓慢推进掘进时间图288环时推进时间剧增无法掘进 刀具磨损状况外周边刀已完全磨损第一排齿刀（切削刀）严重磨损刀具磨损状况刀具磨损系数及分析刀具的磨损系数采用公式：K/L计算代入量测数据经计算得磨损系数：k0.491mm/km如此高的磨损系数，如不想办法降低，土压平衡盾构在北京砂卵石地层将无法施工。辐条式刀盘及耐磨刀具配置切削刀的刀头种类及其工作原理 主切削刀主切削刀一般形状及其切削土体示意图 主切削刀的切削原理是在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插人到地层内部，像犁子犁

37、地一样切削地层。 ： 前角 ：后角先行刀（超前刀）先行刀的设计原理是：考虑与主切削刀组合协同工作。在主切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为主切削刀创造良好的切削条件。 主切削刀与主超前刀协同切削土体示意图先行刀的切削宽度比主切削刀窄，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高切削刀的切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。 设置在刀盘中心位置，尺寸较大的鱼尾状的刀具。鱼尾刀的设计和布置原理是： 将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，使鱼尾刀最先切削土体，让盾构机先小圆切削土体后扩大到全

38、断面切削土体； 将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体增加一项翻转运动（如同犁地一般）。这样既解决了中心部分土体的切削问题，改善了切削土体的流动性，又提高了盾构机整体掘进水平。 鱼尾刀切削土体示意图鱼尾刀 砂卵石地层采用滚刀效果不好，改用盘圈贝型刀较好地解决了盾构机切削砂卵石的难题。盘圈贝型刀示意图如下。盘圈贝型刀较成功案例基本情况 北京地铁五号线18标和四号线14标，均采用土压平衡盾构机施工，刀盘为辐条式，开口率大，在刀具高差上配置了先行刀和副切削刀（如下图）。刀盘辐条上的刀具辐条式刀盘配置了先行刀和主副切削刀北京地铁五号线某标 盾构掘进刀具磨损调研基本情况 五号线某标整

39、个盾构掘进区间长度为820m，盾构刀盘累积转数为33200转，其中正转（顺时针方向）17045转，反转（逆时针方向）16155转。盾构通过土层以粉细砂层、圆砾层及粘质粉土、砂质粉土为主。刀具磨损量测刀具磨损量量测采用游标卡尺刀具磨损状况图（部分）（1）B-C 辐条间边刀（2）D-E 辐条间边刀（3）先行刀C1 （4）先行刀B2 （5）先行刀F4 （6）切削刀DL1 刀具几乎没太多磨损量测的项目（1）外周边刀磨损量量测 测量了各边刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（2）先行刀磨损量的量测 测量了先行刀的磨损量，并计算出了各自的磨损系数。（3）切削刀磨损量的量测 测量了切削刀的磨损量，并计算出

40、了各自的磨损系数。同时对其宽度方向的磨损量也进行了量测，还对刀头的缺损、脱落以及刀具母材的磨损程度进行了详细记录。 对上述量测结果进行统计分析，作一元线性回归，并绘各刀具磨损量与切削轨迹关系图如下.刀具磨损状况刀具磨损很小刀具磨损状况刀具磨损很大有缺损脱落 北京地铁四号线某标 盾构掘进刀具磨损基本情况两区间盾构掘进共为1920m，盾构刀盘累积转数为118049转，其中正转（顺时针方向）60470转，反转（逆时针方向）56428转。刀具磨损量测 刀具磨损的量测项目和量测方法同前。分析结果所示如下图 （图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km） 。砂卵石地层各刀具磨损比较分析 为分析各刀具磨损之间的

41、差别，将上面的量测数据统计分析，在同一表中作出各刀具磨损量与掘进距离间的关系，并对先行刀和切削刀进行线性回归，如下图所示（图中磨损量单位mm,切削轨迹长单位Km）。 各刀磨损量与切削轨迹关系图 刀具磨损的预测 采用有效的改良技术后，平均而言在北京部分断面砂卵石地层刀具磨损系数可控制在：先行刀0.027左右，切削刀可控制在0.008左右。条件极为恶劣的全断面砂卵石，磨损系数也可分别控制在0.034左右。但由于砂卵石地层掘进刀具易发生缺损、崩刃等偶然现象，因此个别刀具的磨损系数可能达到0.09甚至更大。不换刀可掘进的最长距离：部分断面砂卵石地层可达到2000m左右；条件非常恶劣的全断面砂卵石，也可

42、掘进1300m左右不换刀。磨耗检测：一般，判断刀头的磨损程度，是根据盾构记录的推进数据的变化，从土质和机械两方面进行综合判断。条件具备时并用辅助性磨耗探测装置，常用的磨耗探测装置有油压式、电气式、超声波式等。北京地区砂卵石地层盾构 选型及施工经验小结一般要求 北京地铁盾构隧道施工，多在粉细砂层、圆砾层及卵石层中进行，刀盘、刀具磨损较大，须对刀盘、刀具磨损的检测及更换等有充分的估计。在定购盾构机时，应充分考虑北京地层条件特点，确定盾构机的面板型式以及刀具配置等，以满足北京地铁盾构施工的需要。盾构施工前应根据地层的磨耗性、刀盘刀具类型及配置等制定刀具使用计划。 盾构掘进施工前，应综合考虑地层条件，

43、地面条件等因素，确定合理的可能换刀位置。 施工中应使用泡沫、泥浆等添加材料，并采取其它减磨、降矩措施，提高刀盘、刀具的寿命。刀盘、刀具的磨损与施工参数的选择、施工方法等密切相关，应充分考虑这些因素的影响，审慎施工。施工中应密切观察推力、扭矩、渣土性状、机体振动状态等，分析其原因，采取应对措施。 应设定异常掘进的警戒推力及扭矩值，如遇异常情况，应立即停机检查。 北京地铁盾构隧道施工中的刀盘、刀具磨损现象非常复杂，详细情况正在调查和研究中，随着调查研究的深入及施工经验的增多，将及时做补充修订。刀盘及刀具的选择刀头材质的选择 （1） 刀具一般采用真空烧制的E5类钢材，对于有特殊耐磨要求的刀具宜采用耐

44、磨能力是E5 两倍的所谓SINTERH1P真空烧制的E3类钢材。（2 ） 表面硬化的方法一般是堆焊耐磨材料，可采用碳化钨或高铬堆焊焊条，堆焊层硬度宜高于HRC60；（3） 采用超硬重型刀，刀具背面实施硬化堆焊。刀头种类及型状 （1） 主切削刀；其切入角度影响切削能力的发挥，应根据施工地层情况，选择切入角度；（2） 主超前刀（也称先行刀）：采用主超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削扭矩，提高刀具切削效率，减少主切削刀的磨耗。（3） 鱼尾刀：为改善中心部位的切削和搅拌效果，宜在刀盘中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。（4） 盘圈贝型刀：实质上是超前刀，在盾构机穿越砂卵石地层特别是大粒

45、径砂卵石地层时宜采用。（5） 仿形刀：仿形刀的目的是盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削创造所需空间。刀具配置（1） 增加刀具的数量，即增加刀具的行数及每一行的刀具布设数量；（2）采用长、短刀并用法，即长刀具磨损后，短刀具开始接替长刀具磨损。其高低差一般为20mm30mm。（3）切削刀头的安装方法有销钉、螺栓及焊接等方法。预测需要更换时，须采用不需进入前舱就能装卸的方法进行安装。 在北京地层条件下，应加大刀盘开口率，减少切削土体在刀盘空间的滞留时间，以保证切削土体顺利进入土舱，减少刀盘、刀具的磨损。 刀盘开口率必须充分探讨刀头的耐磨耗性，事前预测磨耗量，制定切实可行的对策，以便施

46、工能顺利进行。刀具磨损的预测及检测方法最外圈的刀具磨耗量的推测值可按下式计算：KDNL/V 式中：磨耗量（mm）； K磨耗系数（mm/km）； D盾构机的外径（m）； N刀盘转速（rpm）； L刀具切削长度（km）； V掘进速度（m/min）。 磨耗系数一览表磨耗系数K多选用由实践得出的如下表所示的数值，但目前北京地层条件下尚无可靠数据，此表的数据仅作为参考。磨耗检测：一般，判断刀头的磨损程度，是根据盾构记录的推进数据的变化，从土质和机械两方面进行综合判断。条件具备时并用辅助性磨耗探测装置，常用的磨耗探测装置有油压式、电气式、超声波式等。当经验不多，预计磨损严重时，可进行开舱检查。开舱检查必须

47、在开挖面稳定的条件下进行。 （1） 选择合适的添加材改良材料(气泡、泥浆等)，并实施科学的施工管理，以降低刀盘刀具磨损；（2） 适当调整掘进速度及转速等；（3） 宜适时交替使用刀盘正、反转，并尽可能使正、反方向切削刀的切削长度相同。（4） 在自立性好的地段可以采用适当的减压施工措施。（5） 目前，刀具更换尚无统一的标准，作为参考值，一般磨损量达到25cm时须换刀。降低刀盘磨损的施工工艺及换刀标准换刀作业（舱内）开舱换刀应尽可能在预定地点进行，并做好开舱前的所有准备工作。换刀作业不得不在隧道内进行时，必须进行化学加固、气压施工等辅助施工法，以确保开挖面稳定。为了施工安全、顺利地进行，应准备好应急

48、措施。换刀作业应清扫刀头上粘附的砂土，设置脚支架，确认需要更换的刀头，运入工具、器材，进行换刀作业。并作好换刀记录。换刀作业程序（1 ） 首先要对所换刀具进行检查，看是否有损坏或裂痕，磨损是否严重。（2 ） 若确认需更换刀具，则在刀具运输过程中要注意，不应有严重碰撞及磨损。（3 ） 每次更换时，工作人员先将刀具周围的泥土清掉，保证有一定的工作空间。再用套筒及加力杆卸下固定螺栓，注意不要让螺栓掉到土舱下部。将换下的刀具递到人闸内，同时将固定螺栓和固定座用水清洗干净，还要检查一下是否有裂纹，如有裂纹必须更换新螺栓，以确保刀具有足够的固定强度。（4） 将新的刀具按原来的位置安装好，将固定螺栓拧紧。（5） 每次只能带一批刀具进舱，每批刀具换完后，把废刀具放进料闸内，与此同时操作手转动刀盘。工作人员把下一批刀具送入土舱内，再继续更换下一组刀具。（6） 每换完一批后，由值班机械工程师检查安装质量，看是否有漏掉的或者没有固定好的。机械工程师确认无误后方可继续作业。更换速度按实际情况定，必须以保证施工安全和安装质量为前提。（7） 在舱内刀具更换作业过程中，土建工程师应密切注意开挖面的土质情况和地层中地下水的状况。当开挖面有异常情况时，应立即组织工作人员退出土舱，关好闸门。（8） 在更换刀具过程中，所有的刀具都是通过旋松其固定螺栓进行