无水砂卵石地层盾构设计及施工技术

报告人： 报告时间：交流提纲一、概述二、砂卵石地层盾构掘进案例介绍及分析三、刀盘框架结构设计四、刀具设计及布置五、建议一、概述经验交流的目的1、降低刀具磨损，减少刀具更换次数通常，在全断面大粒径砂卵石地层中，盾构机在掘进二三百米左右后，就需要更换刀具。一般情况下，地铁盾构区间都是在1000米左右，甚至更长，如果在城市的繁华地段，盾构施工发生开仓修复、更换刀具，不仅耗资、耗时巨大，而且容易造成地表塌陷等重大灾害事故。2、优化砂卵石地层刀具配置及布置方法针对北京、沈阳及成都部分地区的土质（全断面砂卵石层，有的局部有大于φ600mm以上的漂石），通过对土压平衡盾构机的辐条式刀盘性能、刀具磨损原理及砾石磨损原理的理解和应用，总结出了一套行之有效的刀具布置及配合刀具的盾构掘进技术参数的确定方法，从而解决盾构机在全断面砂卵石层中具备长距离掘进不换刀的技术难题。刀具失效分析1、砂卵石地层分类按照是否含水分为无水砂卵石和含水砂卵石（含水较小，但对刀具选型有影响）；按照砂卵石粒径大小分类，一般以300mm为界限（石的粒径直接影响刀盘框架及刀具布置）；按照砂含量百分比分类，以含沙量30%为界限（刀具布置）。2、砂卵石地层对刀具的影响：最大粒径<300mm最大粒径>300mm含砂率<30%磨损为主，不考虑冲击冲击为主，磨损为辅含砂率>30%特别注重磨损冲击，磨损1.2 刀具失效分析3、刀具失效分析刀具失效现象可能原因刀具非正常失效合金刀头掉落刀头抗折力小或刀头焊接不合格刀具受冲击掉落刀体或刀座焊接不合格刀具正常失效合金刀头严重磨损合金刀头硬度不够合金刀头掉落刀体或刀座严重磨损二、砂卵石地层中盾构长距离掘进案例分析含水小粒径砂卵石，且含砂量不均变化地层案例：北京南水北调配套工程（一期）2标段（颐和园北宫门段）富水小粒径砂卵石，且含砂量大于30%沈阳地铁一号线13标北京地铁九号线03标变化地层案例：北京南水北调配套工程（一期）2标段（颐和园北宫门段）工程概况一期检修闸1、曲线上始发，连续两个R＝400m半径的急曲线和6.7‰大坡度，并穿越高密度、低矮、结构很差的平房和浅覆土河道；2、不足2m的超近距离条件下穿大型立交桥越群桩基，桥桩竖向沉降和水平位移要求十分严格，仅仅2mm，国内尚无同类工程；3、盾构全程均在圆砾石低含砂量高水位地层内掘进，其中700m为全断面圆砾层。地质、水文条件地层透水性很强；盾构段总长1961m示圆砾最大粒径为17cm，平均粒径5~10cm；盾构穿越地层地下水比较丰富，且工程位置与清河相距较近（约30m），地下水与清河存在水力联系。工程地质条件和水文条件对盾构施工影响较大，是本工程的特点和难点。穿越桥桩简介北五环肖家河立交桥上部结构为预应力混凝土连续箱梁，桥桩均为直径1.2m钻孔灌注摩擦桩，桩长约20m。两根一组，通过承台联系，承台上为独柱。2.1.33穿越桥桩简介输水隧洞轴线隧顶覆土厚度约12m，盾构由西向东依次穿越肖家河桥北侧B匝道ZB10#~ZB11#轴间、Y线YZ8#~YZ9#轴间以及D匝道ZD-1#~ZD-2#轴间。所穿越桥桩编号为ZB10、ZB11、ZD1、ZD2和YZ8，共计有16根桩受影响，其中，距桩基YZ-8最小水平距离仅1.975m，平均距离在3m左右。输水隧洞轴线输水隧洞轴线ZB-10输水隧洞轴线2.1.33 穿越桥桩简介通过情况：桥梁差异沉降<2mm；完全满足桥梁设计要求及使用要求。掘进效果介绍该工程施工时间：2007年7月初至10月中旬。单班（12小时）最快22环；单周最快181环；单月最快634环。中间全线一次穿越，没有更换刀具本工程所用盾构机介绍盾构机主要参数本盾构机为石川岛播磨重工业株式会社（IHI)生产的Φ6140mm加泥式土压平衡盾构机，设计适用土层为砂砾石层。盾构机壳体长度8580mm，盾构机长10650m。盾构机设计条件为管片内径5000mm，外径6000mm，管片最大宽度为1.5m。刀盘开口率75%。外径最小转弯半径

6140mm250m推力

3%37500kN最大扭矩

5105.6kN转速 0~1.6rpm2.1.5 本工程所用盾构机介绍刀盘及刀具介绍6.17m，转速通常情况为外周线速度为0.355m/s，开口率72%。布置的刀具依其作用不同，主要有五种：①周边刀，也称保径刀，由超宽的切削刀构成，用于切削外周土体，保证开挖断面直径；②主切削刀，用于开大部分断面开挖；③鱼尾刀，用于开挖面中心断面开挖，起到定心和疏松部分土体的作用；④先行刀，在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低主切削刀的冲击荷载，减小切削阻力；⑤超挖刀。用于急纠偏左右。2.1.5 刀盘整体本台盾构机所配置刀具包括周边刀6把、主切削刀82把、行刀30把、鱼尾刀1把、超挖刀2把（其中 1把备用），其中超挖刀行程150mm。30地层案例：沈阳地铁一号线13标工程概况沈阳地铁一号线13标工程施工场地位于沈阳市和平区沈河区交接地段，标段单线长1330.267 m。地质、水文条件盾构穿越断面地层大部分为圆砾层,富含地下水,地层透水性很强本区间范围内的地形变化平缓，地面标高介于49.64～51.72m，最大地面高差2.08m。地貌类型为浑河新扇。勘察深度内的由第四系全新统人工填筑层（Q4ml）、第四系全新统浑河新扇冲洪积层（Q41al+pl）、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层（Q32al+pl）、第四系下更新统冰水沉积地层（Q1fg1）组成。本区间隧道上覆地层主要为杂填土①层、粉质粘土④－1层、粉细砂④－2层、中粗砂④－3层，砾砂④－4层和圆砾④－5层，洞身穿越地层主要为粉质粘土⑤－1层、中粗砂④－3层，中粗砂⑤－3层，砾砂④－4层、砾砂⑤－4层，和圆砾④－5层、圆砾⑤－5层。2.2.2

地质、水文条件怀～中区间场地内无地表水，在勘察深度内均在7.40～9.90m，相当于绝对标高42.03～42.84m。地下水水温14～15℃。地下水主要补给来源为浑的方向是由东向西，含水层的渗透系数平均值为85m/d。标准冻结深度1.2m。盾构下穿建筑群简介地表建构筑物统计表建筑物名称与隧道的关系线路通过范围结构类型基础类型及其它承载力隧道埋深(m)西顺城街双线上方DK16+767～+780双向8车道城市主干道460Kpa10.638怀远门双线上方DK16+780～+812主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构94年维修，桩基础，桩长约。460Kpa11.688兴隆轩右线上方DK16+783～+7956层砖混结构基础不详460Kpa11.438金昊名城左线外侧DK16+783～+7957层砖混结构古建筑物加固而成。460Kpa11.438古籍书店双线上方DK16+842～+8664层砖混结构年代久远，基础不详460Kpa13.088正阳小区81号双线上方DK16+866～+9837层砖混结构。桩底标高约，桩基础距离隧道顶部约。人工挖孔桩,桩长,桩径0.8,C20砼。开发商:沈河区房产局修建科；1993年修建460Kpa16.058盛京旅游文化广场双线上方DK17+018～dkDK7+0653层基础不详，开发商:沈河区房产局17.8882.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称兴隆轩线路通过范围建筑物名称兴隆轩线路通过范围DK16+768~DK16+780与隧道的关系右线隧道上方建筑物结构形式6层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)11.4382.2.3盾构下穿建筑群简介建筑物名称怀远门建筑物名称怀远门线路通过范围DK16+780~DK16+812与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式主楼高约8层、耳楼高约5层，灰砂砖墙、砼过梁结构基础类型及其它桩基础，桩长约10m地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)11.688备注94年维修过一次2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称古籍书店线路通过范围DK16+842~DK16+866与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式4层砖混结构基础类型及其它年代较久，基础不详地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)13.088备注94年维修过一次2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称正阳小区线路通过范围DK16+866~DK16+983与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式7层砖混结构基础类型及其它人工挖孔桩、桩长10米，桩基础距离隧道顶部约5.5m地基承载力460Kpa隧道覆土厚度(m)16.058备注1993年建造2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称盛京旅游文化广场线路通过范围DK17+018~DK17+065与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式3层砖混结构基础类型及其它基础不详地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)17.888备注2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称文轩阳光园线路通过范围DK17+170~DK17+240与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式6层基础类型及其它挖孔桩最深9米，桩径0.8-1.2米地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)20.965备注2001年修建2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称紫金商厦线路通过范围DK17+280~DK17+360与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式地上7层，地下1层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为39米，距离隧道顶约12.5m地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)21.968备注1993年修建2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称文化大楼线路通过范围DK17+385~DK17+422与隧道的关系双线隧道上方建筑物结构形式4层，局部5层基础类型及其它桩基类型不详，桩基础底标高为37.4m，距离隧道顶约11.1m地基承载力400Kpa隧道覆土厚度(m)21.968备注1993年修建2.2.3 盾构下穿建筑群简介建筑物名称沈阳春天线路通过范围DK17+660~DK17+710与隧道的关系左线旁建筑物结构形式地上7层，地下2层基础类型及其它人工挖孔桩，桩长10m地基承载力540Kpa隧道覆土厚度(m)20.171备注1993年修建，底部有防空洞盾构下穿建筑群简介区间隧道穿越中街路的步行街，长约298.2m，右线隧道从步行街南边房屋底穿过，左线从步行街街中心穿过，左线距离北边房屋基础最小6.23m（沈洲商场），距离南边房屋最小5.54m。因此右线隧道掘进通过步行街影响最大的是南边的房屋建筑。2.2.4

工程特点本段施工又不同于一般圆砾层的盾构施工，主要有以下几个特点，根据此特点，我们制定了一些针对性措施。工程特点沉降控制措施下穿建筑物沉降的控制安全评估 合理参数

减阻注浆

加强监控施工前，对建筑物现况进行安全评估，确以此为依据确定三级汇报制度，确定预警值、警报值。

合理调整盾构机掘进参数（刀盘转速、塑流化改造、同步注浆、二次补注浆等），以快速、匀速、连续的原则施工。

在盾构机机头、机尾外注入减阻浆降低对盾构外土体的扰动。

加强建筑物的监控量测，根据反馈数据及时调整掘进参数。掘进效果介绍该工程实施时间：2008年10月初至2009年9月中旬。单班（12小时）最快23环；单周最快179环；单月最快701沉降控制在5mm之内；单向区间没有检修刀具；沈阳工程所用盾构机介绍盾构机主要参数外径6140mm壳体长度8580mm盾构机总长10650mm掘进千斤顶37500kn2500kN11根+2000kN5根最大推进速度n最大扭矩6m转速1）刀盘总功率550kW6 本工程所用盾构机介绍刀盘及刀具磨损情况汇总主切刀 先行刀 先行刀匀变化地层案例：北京地铁九号线03标工程概况丰台东大街站～丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置，整体呈南北走向，隧道覆土9～12m左右。地质、水文条件丰台东大街站～丰台北路站区间沿丰台东大街下方设置整体呈南北走向，隧道覆土9～12m。 盾构穿越地质自上而下依次为杂填土①、粉质粘土②5、卵石圆砾⑤、卵石圆砾⑦。盾构机主要穿越层为圆砾卵石⑤层，地勘揭露最大粒径420mm，估计最大粒径不小于800mm，一般粒径20～80mm， 粒径大于20mm的颗粒约为总质量的55%～75%，卵石单轴抗压强度87.74～165.16MPa，盾构穿越地层内无地下水。地质、水文条件车站挖掘砾石状况 入洞口处砾石掘进效果介绍度非常高，且地层中不含地，该地层中盾构施工被定义施工均半途而废，改为暗挖创造了以下优异的成绩。~2011年6月底。度非常高，且地层中不含地，该地层中盾构施工被定义施工均半途而废，改为暗挖创造了以下优异的成绩。~2011年6月底。为世界性难题，其它相邻标段盾构施工，如此恶劣地层条件下我们仍该工程进行时间：2011年2月20单班（12小时）掘进记录：20环日掘进记录：35环；周掘进记录：187月掘进记录：450掘进效果介绍2013年6月，由北京市住房和城乡建设委员会主持召开了“无水漂卵砾石地层盾构施工关键技术”科技成果鉴定会，鉴定为总体达到国际领先水平，具有良好的推广价值。并于2014年获得北京市科技进步二等奖。2.3.4

本工程所用盾构机介绍（1）盾构机主要参数本工程投入的两台盾构机为我市政四公司与日本JTSC公司共同设计制造的加泥式土压平衡盾构机。1c11-009号盾构机 1c11-010号盾构机九号线03标所用盾构机介绍外径Φ6.１4m壳体总长8805mm全长13455mm总推进力40000kN 1350kN/m2推进千斤顶2500kN×16根铰接千斤顶2500kN×12根盾构最大掘进速度92mm/min（全镐动作时）无轴螺旋通过砾石粒径Φ650mmxL1100mm（无轴螺旋内筒直径900mm）刀盘参数驱动方式电动变频驱动扭矩 (45Hz时)5235kN-m(扭矩系数α=22.6)(对应于10台电机550kw时）扭矩(120%时)6200kN-m（时间80秒）转速～1.6rpm总功率660kW（可再增加两台电机）刀盘支撑方式中间支撑2.3.4 九号线03标所用盾构机介绍本机的设计理念与欧洲系列盾构机截然不同，主要为：以疏为主：增大螺旋输送机直径，尽最大可能排渣；以隔为辅：适当降低刀盘开口率，预留滚刀位置。种设计尤其适用于类似北京含有大粒径卵石的砂卵石地层此 。种设计尤其适用于类似北京含有大粒径卵石的砂卵石地层2.3.4 九号线03标所用盾构机介绍刀盘特点在刀具的设计上，我们考虑到施工中刀具和卵石撞击等不利因素，自主设计刀具布置，采用“滚动剥落动态平衡”的盾构开挖模式，采取了多层牙型交错刀具布置，解决刀盘刀具磨损过快问题，改善了盾构掘进条件。九号线03标所用盾构机介绍1盘开口率达到54%。2、增强刀具的抗撞及冲击性。3、优化刀具的布置。分3层高低布置，以保护刀圈及减轻内圈刀具压力。证刀盘框架受力均衡，运转平稳；主切刀正反方向布置，刀具整体采用牙型交错排列。4、加强刀盘刀具的耐磨性。性；5鱼尾刀加泥口是刀盘长距离掘进的一个关键。掘进情况介绍（1）出渣情况介绍出渣视频三、刀盘框架结构设计3.1

刀盘框架结构设计、提高刀盘有效开口率：（一设计原则）刀盘开口率：刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值，刀盘切削下来的渣土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。刀盘有效开口率：在相同开口率情况下，辐条或格栅挡板布置形式不一样，也会影响砾石进入土仓概率。应当尽可能提高刀盘的有效开口率，提高砾石通过的粒径，减少刀盘对砾石破碎概率，以此减小对刀具的压力。、辐条结构形式便于刀具的分层布置；在统一切削轨迹内，多层刀具布置，才能有效提高长距离掘进。刀具连接方式：销接，焊接，栓接，背装；3.1

刀盘框架结构设计、塑流化注入口设置由于漂卵砾石地层塑性流动性差，设定的土压无法顺利传递到开挖面，盾构推进过程中很难建立起连续、动态的土压平衡，同时大粒径卵石易使刀盘及螺旋输送机卡死、土舱内易结泥饼，影响盾构掘进。土体改良剂的种类及目的3.1

刀盘框架结构设计对此我们对各类土体改良剂性能与地层的匹配关系进行研究，自主研发泥浆泡沫同步添加技术，并成功应用于无水漂卵砾石地层流塑化改造，实现了减少刀盘、刀具磨损和土压的持续动态平衡。刀盘中心部，一定要设置塑流化材料注入口；辐条部位塑流化注入口，必须具备独立注入功能；各种塑流化材料注入能够随意更改。、刀盘搅拌棒的设置、刀盘支撑臂设计四、刀具设计及布置4.1 刀具的设计硬质合金材料的选择盾构切削刀具一般采用矿山工具用YG类硬质合金。日本常用的硬质合金有三种（见表一）,E3硬度与抗压强度最高，表明耐磨性最好，但抗弯和抗拉强度最低，说明其抗冲击能力最差；E5与之相反；E4性能介于E3和E5之间。在砂卵石地层中掘进的盾构刀具材料应选择抗冲击能力强的E5。牌号硬度HRA抗折力（kg/mm2）Co含量（%）压缩强度（kg/mm2）拉伸强度 （kg/mm2)热膨胀系数（10-6/K)WC粒径(μm)裂缝试验(μm)E3﹥88﹥1607~12—————88.52907~943013054~10119E4﹥87﹥1708~13—————87.531010~124101405.54~10—E5﹥86﹥2009~17—————86.532013~1538014564~10384.1 刀具的设计刀具寿命的计算（本处指纯磨损，撞击破损，不适用此式）刀具寿命SL是指刀具在切削时达到极限磨损厚度MH的最长线性滑移距离，一般按下式计算：SL=MH/KE式中，SL：刀具寿命(km)；MH:刀具极限磨损厚度(mm)；KE:刀具磨损系数(mm/km)。4.1 刀具的设计根据日本有关盾构制造商的经验，针对砂卵石地层、对应E5刀具的磨损系数KE=0.03mm/km。选定刀具尺寸后，刀具极限磨损厚度MH是一常数，下图所示主刀的极限磨损厚度为20mm。刀具寿命SL与刀盘转速、盾构掘进距离、盾构推进速度２０和各刀具安装位置有关，得到：２０SL=π·Dx·n·L/V式中，Dx：各刀具的安装直径（m）；n：刀盘转速（r·p·m）；L：盾构掘进距离（km）；V：盾构推进速度（mm/min）

质２０２０ 刀盘刀柄刀具的设计实践中，通常用SL对应的盾构掘进距离L作为刀具寿命指标。由以上两式可推导出：L=MH·V/(KE·π·Dx·n)以上图所示刀具寿命计算为例，由于外周刀线速度最大，故取Dx为刀盘的切削直径，Dx=6.17，n＝1.1，V按40mm/min计，MH=40，则得到盾构掘最长进距离L=2.5km。土质区分合金刀头磨损系数KE(E5种类)软粘土(N值0～5)0.005mm/km砂、混有石子的砂红土(含洪积粘土)0.02mm/km砂砾0.03mm/km刀具的布置根据盾构在砂卵石地层掘进的特点，为便于实现曲线（或纠偏）掘进，减轻砂卵石对刀盘外周的磨损，防止刀具磨损后开挖断面直径小于盾构外径，刀盘的切削直径应大于盾构外径，其直径差一般取20-30mm。布置的刀具依其作用不同，主要有四种①外周刀，也称保④先行刀，在开挖面沿径向分层切削，预先疏松土体，降低主刀的冲击荷载，减小切削力矩。在刀具尺寸的选择上，要根据砂卵石粒径确定。如按本文所述地质条件，主刀宽度不宜小于150mm，先行刀宽度也要与之相对应。4.2 刀具的布置下图为北京地铁9号线03标的盾构机刀盘布置图：@NxM=1050NN@NxM=1050NN?6170（最外径）@NxM=1050NN?6170（最外径）@NxM=1050NN

注泥口刀具的布置说明：切削刀具进行高低层布置，当高层的刀具磨损20mm时，低层的刀具就开始接替工作，高层的刀具为了防止意外的破损和脱落，刀具的配置数量都相应加倍。实际上经过工程实践证明：刀具的分层布置能减少低层刀具的磨损量，而同层增加的刀具几乎不能减少同层刀具的磨损量，而只能起到因有个别刀具意外破损和脱落后替补的作用。配置数量都相应加倍，一般先行刀比切削刀高出50mm，从而充分发挥先行刀的作用，有利的保护切削刀。而切削刀完整性能减少砂砾对先行刀刀体的磨损。要，当保径刀失效后，盾构机的推力会大大增加，在砂砾层中很可能会由于推力的阻力过大而使推速过慢，甚至停止。对应刀具的施工参数优化降低刀盘转速（Nc）根据合金刀