富水砂卵石地层中盾构换刀技术研究

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1、富水砂卵石地层中盾构换刀技术研究李博1苏华友1段浩2（1.西南科技大学四川绵阳621000；2.中煤邯郸中原建设监理咨询有限公司河北邯郸056031；）摘要：由于成都地铁主要穿越地层为砂卵石地层，砂卵石对盾构机的刀具磨损较为严重，需要及时、频繁的更换刀具。目前采用的换刀方式主要有常压进仓换刀和带压进仓换刀两种。本文通过对成都地铁的几种盾构换刀方案进行探讨，得出适合成都地铁的换刀技术。关键词：砂卵石盾构带压换刀加固1概述成都富水砂卵石地层对盾构法施工来说是一个挑战，盾构刀盘刀具面临切削破碎大粒径卵石甚至孤石，刀具的磨损和更换在

2、所难免，根据前期施工数据，平均140m左右就需更换一次刀具；盾构本体耐磨性能在长距离不间断推进过程中将受到严峻考验，如何保证及时更换磨损过量的刀盘刀具及本体耐磨材料，保证刀盘的切削能力和耐磨性能，是盾构法施工成功的关键。2地层条件及地层失稳机理2.1地层条件砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，颗粒直接胶结能力差，结构松散，受扰动后极易失稳，造成地层位移坍塌。从而给人员和财产造成很大的损失。（1）地层对外界的扰动敏感。原状围岩在不扰动的情况下能保持较好的稳定状态，特别是在无水的情况下，这一点在成都的基坑开挖工程中已经得到很好的验

3、证；（2）单个岩块强度高。据试验数据，单个卵石块的单轴抗压强度可高达150~170MPa；（3）围岩的内摩擦角Φ大。根据试验数据，内摩擦角在不改良的情况下有40°。2.2地层失稳机理在盾构机刀盘转动的同时，对地层有一定扰动，在刀盘的前方和上方形成松散带，在换刀过程中松散的渣土不可避免的要进入土仓，就会在刀盘的前上方造成地层损失。由于该地层的内摩擦角Φ较大，因此，有一定的拱效应，并在拱效应的作用下，该地层损失进一步向地表转移，最终反应到地表，造成地表塌陷。3换刀方案的选取目前常用的换刀方式是常压进仓换刀。也就是对盾构机前方土体

4、进行加固后，再常压进仓换刀。这样的换刀方式，因为前方土体已加固，换刀人员的安全有保障，但是需对换刀位置进行围蔽，给城市交通带来不便，另外对成都砂卵石地层进行加固效果不是很好，因此合理选择加固方案成为换刀的一个难题。除了采用常压进仓换刀，还可采用带压进仓换刀的方式。但带压进仓换刀面临的难题是：成都的砂卵石地层富水性较好，土体不够稳定，由于土层透气性较强，加压时不易保压，带压进仓操作人员的安全得不到很好的保证。结合成都地铁换刀效果，虽然带压进仓换刀的效率较低，但它不需对地表进行加固，不用在地面围蔽，对城市交通的影响小，便于控制换

5、刀过程中地表的沉降，地表不易塌陷。因此，在成都地铁施工过程中，应主要选用带压换刀的方式。3.1换刀位置的选择换刀方式确定后，就得合理选择换刀位置。换刀位置的选择主要考虑以下几个因素：（1）自己分析详勘地质报告和补充地质勘察成果，了解清楚拟换刀位置的地质条件，包括岩层、岩层的稳定性、水文地质特征等，以便选择一个地质条件相对较好的换刀位置。（2）拟换刀位置的地面条件拟换刀位置的地质条件选定后，还应对其地面条件进行详细调查，包括：换刀位置是否有管线穿过、其埋深条件如何、是否需要改迁或保护等；换刀位置是否需要进行交通疏解，若需要，应

6、及时与交通管理部门协调沟通，取得认可；换刀位置是否有相邻建（构）筑物，与相邻建（构）筑物的距离关系，是否需要保护，如需保护还应与建（构）筑物的产权单位联系，取得谅解或同意等。简言之，就地面条件而言，换刀位置选择的原则，就是尽量避开建（构）筑物、管线、交通繁忙的道路。（3）刀盘、刀具的磨损情况由于成都地铁盾构隧道基本都在砂卵石地层中施工，对盾构机刀具、刀盘的磨损较大。应仔细分析盾构掘进参数，判断刀具、刀盘的磨损情况，必要时可通过气压仓观察刀具、刀盘的磨损情况。一旦发现刀具、刀盘磨损严重，应尽早确定换刀，以免带来不可预知的后果。

7、（4）经济性与安全性的平衡对刀盘、刀具的更换，在考虑其经济性的同时，也不能忽视安全性。换刀距离的选择需要掌握经济性和安全性的平衡，目前来说，更多的要考虑安全性的问题。通过对以上因素的综合分析，结合成都地铁特有的地层条件和选用盾构机的固有条件，可以确定相邻两次换刀距离控制在150m左右为宜。3.2加固方式的选择3.2.1盾构对加固方式的要求地铁施工，尤其是市区施工，对换刀加固有以下几点要求：（1）费用低由于沙卵石掘进中，刀具磨损严重，必须频繁的检查和更换刀具。这就要求加固成本经济。（2）加固效果良好加固既要保证土仓内作业工人的

8、安全，又要控制地表变形。因此，必须要有良好的效果，保证掌子面土体的稳定性，防止其坍塌。（3）效率高，施工周期短加固方法必须高效，以减少对盾构施工进度的影响。（4）尽量不占用地表减少对市民生活的影响，争取做到不扰民施工。3.2.2现有加固方式目前，在成都地铁对换刀位置的加固方式主要有以下几种