富水砂卵石地层盾构施工“减磨降矩”的措施

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1、富水砂卵石地层盾构施工“减磨降矩”的措施中铁十四局集团有限公司济南250014摘要：木文以兰州地铁施工为例，分析了土压平衡盾构机在砂卵石地层施工中刀盘磨损大、扭矩大的原因，并提出了刀盘“减磨降矩”的有效措施。关键词：富水砂卵石；刀盘；减磨降矩；措施1.工程概况兰州地铁陈官营〜奥体中心区间隧道埋深8.3〜13.2米，盾构穿越段主要地层为2-10卵石（含量60%）、3-11卵石（含量61%）、4-1泥岩，如图1所示，卵石含量多、粒径大。区间2-10卵石、3-11卵石层普遍分布粒径大于20cm的漂石，分布随机性较强。图1砂卵石地层木项目卵石地层主要特点如

2、下：⑴漂卵石多、强度高、粒径大，卵石含量60%,卵石粒径为20〜60mm,漂石含量较少，最大粒径可达500mm。⑵高富水和水压高，地下水埋深3.10m〜10.90m,渗透系数大，为强透水层。⑶地层透气性和磨琢性大，流动性和胶结性差，对盾构机刀盘磨损较为严重。⑷地层松散且掌子面、拱顶地层不稳。2.砂卵石地层盾构法掘进的力学特性砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基木特征是结构松散、无胶结，卵石粒径大小不等，且卵石空隙多被中、粗砂充填，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，刀盘与卵石层接触压力不等，导致刀盘震动,在顶进力作用下很容易破坏

3、原来的平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使掌子面失去约束产生不稳定。围岩中的大块卵石、砾石越多，粒径越大，这种扰动程度就越大，特别是隧顶大块卵石剥落引起上覆地层的突然沉陷，加剧刀盘的磨损。1.幵挖面稳定机理分析开挖土仓由刀盘、切U环、隔板及螺旋输送机螺旋轴等围成的一个密闭空间。土压平衡盾构就是将刀盘开挖的渣土填满土仓，并通过搅拌棒搅拌。盾构推进产生的推力通过隔板对土仓内渣土进行加压，产生泥土压力，这一压力作用于整个作业面，使作业面稳定，刀盘切削下来的渣土量与螺旋输送机往外输送量相平衡，维持土仓内压力稳定在预定的范围内。土仓内土压力通过土压传感

4、器进行测量，并通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速等来控制。在高富水砂卵石地层中施工时，由于渣土流动性差，砂卵石摩檫力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓内压力不易稳定，所以需进行渣土改良。向土仓内注入膨润土或者泡沬剂，然后进行充分搅拌，使渣土具有塑性和不透水性，保持土仓内土压稳定，继而维持整个开挖面的稳定。切削土体颗粒与刀盘摩檫大，刀盘、刀具等磨损严重，经常超过预期。土压平衡盾构机刀盘磨损呈现局部的连续性，集中在某个外周区域，造成刀具严重偏磨，直至整把刀报废。例如：周边刮刀的磨损直接导致刮刀附近刀盘本体的严重磨损，磨损量超过7cm。2.“减

5、磨降矩”措施4.1优化刀盘的结构型式砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，内摩擦角人，咬合力强，不易普通切削，但受扰动后极易自行崩塌。选择正确的刀盘结构型式是砂卵石地层实现快速、长距离掘进的关键条件，并可奋效降低刀具的非正常磨损，总结高富水砂卵石地层刀盘的结构型式：⑴优先选择辐条式刀盘（见图2），刀盘整体开UI率提高到35%〜40%，同吋增强盾构刀盘面板、刀具等的耐磨性。图2辐条式刀盘结构图⑵通过在刀盘开U部分和外缘焊接硬化表面，在刀盘的每个进渣U的周围进行硬化处理并堆焊耐磨材料，在刀盘外圈设置保护刀具等措施保护刀盘结构,在盾构机刀盘的周边可焊

6、多道耐磨条，刀盘的面板可优先选用进UMT焊条焊接有格栅状的耐磨材料，以充分保证刀盘的耐磨性能。⑶对于含透镜体砂层施工的盾构机，刀盘应采取冇利于渣土流动的中间支撑式，同吋在中心部位设置有效的泡沫系统，避免结泥饼现象的出现。⑷在砂卵石地层中，盾构机刀具切削土体是一种“剥落式”的切削土体方式，所以一定要重视刀具的布置结构型式。刀盘刀具的布置应当进行段差设计，充分发挥各类刀具的作用。刀具设置种类及数量详见图3。图3刀具种类及数量4.2渣土改良措施渣土改良系统在砂卵石地层中可减少刀具磨损，保证开挖面稳定，减少盾构机负荷，提高掘进效率。结合兰州地层的特点，采取

7、多种改良方式：⑴建议在刀盘中央部位设置2处注入口，另外刀盘外周设置3处，隔仓上部和中心各设置2处。⑵主要采用泡沫作为主要的渣土改良剂，主要原因是砂卵石含量较高,内摩擦角较大，在掘进过程中螺旋输送机扭矩较大，容易出现螺旋输送机卡滞现象造成出土闲难，影响掘进。泡沫剂产生的气体很容易分散于溶液中形成大量的微细气泡，泡沫的液膜具冇一定的表面黏度和弹性，利用微细泡沫的润滑效果使开挖土呈塑性流动；泡沬收到强力搅拌，微细泡沫与开挖土均匀混合，将置换土颗粒中的孔隙水，因而提高止水性，便于渣土的流动与运输。泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%,水97%。泡沫组成：90〜9

8、5%压缩空气和5〜10%泡沬溶液混合而成。泡沫的注入量按幵挖方量及渣土实际情况计算：一般300〜600L/m3。如此计算，