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1、专业资料盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施摘 要复合地层盾构掘进中,盾构机刀盘结泥饼的现象是城市地铁隧道施工中的一个难题。从地层地质、盾构机自身设计制造及施工控制等因素对刀盘结泥饼的原因进行了分析,提出了防治泥饼的施工措施,为类似工程提供了解决此类问题的思路和途径。1 前 言随着我国大城市人口日益增多和地面交通设施的负荷日益加重,地下空间的开发利用就成了广大城市规划设计人员关注的焦点,盾构工法也在城市轨道交通工程中被广泛采用。在广州、深圳等地区的泥岩和泥质粉砂岩地层中,盾构掘进施工常常会遇到刀盘结泥饼这一难题,它
2、的存在关系到了掘进的安全性、设备的耐久性和施工组织的合理性。2 “泥饼”的形成机理图1 滚刀结泥饼图示泥饼(图1、图2)是盾构刀盘切削下来的细小砂土颗粒、碎屑在土舱内重新聚集而成的半固结和固结状的块状体,早在半个世纪以前日本的盾构专家就提出过这样的问题,并在实践中不断探索解决其方法。我国从上海打浦路隧道开始修建以来,盾构工程界也在不断寻求解决“泥饼”问题的途径。泥饼的存在加重了盾构机刀盘和刀具的负荷,常常使掘进参数出现突变,使施工效率大大降低。word文档下载可编辑专业资料图2 刀盘幅条和回转体处结泥饼图示3.1 泥饼的
3、成因3.1.1 地层地质因素隧道穿越的复合地层多为全—强风化的泥岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩,这几类岩层富含粘土矿物颗粒屑和粉末状,这些碎屑粉末状的粘土颗粒是形成泥-仑区间隧道的施工中,技术人员对结有,在刀具的切削和刀盘的冲击作用下,岩块变成碎饼的基础材料。在很多隧道的施工中，技术人员对结有泥饼的环段取砂土样进行试验分析,试验采用冲水称重和简单的筛分法。图3是泥饼生成与地层地质关系曲线,从图中可以看出:泥岩和泥质粉砂岩的粘土粒、碎屑含量低于20%时,泥饼生成机率很小;当粘土粒、碎屑含量大于25%时,随着施工工艺和施工设备的不
4、利因素组合,泥饼发生可能性增加。word文档下载可编辑专业资料图3 泥饼生成与地层地质关系曲线3.1.2 盾构机的刀盘、刀具系统缺陷盾构刀盘和刀具设计制造缺陷会导至施工掘进中“泥饼”的产生,其成因如表1所示。从表中可以看出,刀盘中心区开口率是泥岩和砂岩地层盾构进中结泥饼的重要因素,地铁采用的三菱、小松、海瑞克、威尔特等盾构机开口率多在33%～38%之间,可以认为33%是保证少结泥饼的开口率下限值。刀盘内的搅拌棒及幅条型式、数量也是另一泥饼产生的因素。刀具布置不合理会导致切削下的砂土块度不均、滚刀磨损,进而降低掘进和排土效
5、率,使其产生泥饼。表1 盾构机刀盘、刀具缺陷导致泥饼生成原因一览盾构机部位泥饼生成原因①刀盘----中心区域开口率过小②刀盘----搅拌棒(包括主动、被动)数量少于6根(图4)③刀盘----刀盘幅条横截面呈方形,不够圆滑(图5)④土舱----土舱容积小于20m3,砂土临时存放能力不足⑤刀具----刀盘刀具平面布置不合理,有切削不到的盲区⑥刀具----各型滚刀、刮刀布置高差小于20mm,层次不分明(图6)word文档下载可编辑专业资料图4 土舱内主动和被动搅拌棒图示图5 呈方型的刀盘幅条图示3.1.3 施工控制因素除地层地
6、质和刀盘刀具设计制造缺陷外,施工过程中的操作者的行为也是刀盘结泥饼的一个不可忽视的因素,归结为以下几条word文档下载可编辑专业资料(1)未能正确判断复合地层下的盾构掘进模式在土压平衡模式时土舱内土压设定值过高,导致切削下来的土砂不能顺利通过螺旋机排出,在土舱内堆积挤压,密实度和密度越来越大,最终形成泥饼。(2)掘进施工中砂土改良不到位为改善切削砂土的和易性(干稀度、流动性),通常在刀盘和土舱内加入水、膨润土和泡沫剂,泡沫剂是一种化学物质,它对砂土有膨化、润滑和降低附着力的作用,对降低砂土和刀盘刀具温度也起主要作用。施工
7、过程中因经验和现场判断失误,对加入的改良剂的浓度配比、注入压力、注入量等掌握不准,导致砂土得不到很好改良,促成泥饼产生。(3)盾构机械维护保养问题因系统冷却水温度偏高,或是刀盘高速旋转后与周围土体介质摩擦生热,使土舱内温度升高,对泥饼有“烧结促成”作用。设置在刀盘面板上的注入孔时常被堵塞,无法适时按量加入泡沫剂,砂土和易性得不到有效改良。3.2 泥饼生成环段掘进参数分析对结有泥饼的左线隧道598环主要的盾构掘进参数进行了统计分析,其结果如图7所示。图7 万-仑区间左线隧道598环掘进参数曲线从图中可以看出,当掘进中出现“
8、速度逐步降低、推力明显增大、扭矩逐渐减小”的情况时,刀盘及刀具已开始结泥饼。泥饼的存在,对整个盾构掘进是不利的,对刀盘刀具有较大的危害:滚刀偏磨(图8)、刀盘钢结构受损(图9)、刀盘中心轴向后移位。图8 磨偏的单刃滚刀图示word文档下载可编辑专业资料图9 加焊受损的刀盘幅条图示4 防结泥饼的施工措施4.1 盾构机设
