大直徑泥水盾構(gòu)常規(guī)刀盤在上軟下硬地層中的掘進(jìn)管理

摘要：各種復(fù)雜地質(zhì)條件下需要更大直徑的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，但因常規(guī)刀盤受地質(zhì)和地面條件等因素影響，不具備隨時進(jìn)行檢查和更換刀具的條件。因此在復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)，對各項掘進(jìn)參數(shù)和刀盤刀具的實時有效的監(jiān)控和管理尤為重要。以杭州環(huán)城北路天目山路提升改造工程為例，從刀盤刀具管理，掘進(jìn)參數(shù)控制和沖刷系統(tǒng)三個方面進(jìn)行分析總結(jié)，為今后類似工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì);大直徑泥水盾構(gòu);刀盤刀具;沖刷;參數(shù)控制;掘進(jìn)管理

1" "工程概況

杭州市環(huán)城北路-天目山路提升改造工程2標(biāo)段全長約3.26km。盾構(gòu)隧道南線長1742.694m，北線長1742.976m。采用兩臺開挖直徑13.46m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)隧道穿越地層主要為：④₂淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑦黏土、⑥₁淤泥質(zhì)黏土、?₁全風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r、?₂強(qiáng)風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r、?₃中風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r。穿越地層為典型的上軟下硬，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)軸線上抬，且地層中的黏土易糊刀盤和堵塞泥漿艙門，引起壓力波動，不利于地面沉降控制。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖1所示。

2" "盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

本工程使用的中鐵788/789號泥水盾構(gòu)機(jī)，主機(jī)總長約為13.24m，整機(jī)總長約136m;主機(jī)質(zhì)量約1869.2t，后配套拖車質(zhì)量約1208.8t。刀盤采用常規(guī)刀盤，開挖直徑為φ13460mm，刀盤采用8主梁+8輔梁的結(jié)構(gòu)形式，開口率31%。 刀具配置情況如表1所示。

刀具配置具體為：中心采用 18 寸單軸雙刃滾刀、正面至次外軌跡為 20 寸單刃滾刀，同時刀盤邊緣弧形區(qū)域最外軌跡布置三把滾刀，其余弧形區(qū)域軌跡布置兩把滾刀，提高了刀盤邊緣滾刀抗磨損能力。針對特殊地層選用扁齒刀圈，提高滾刀抗磨損能力。刀盤一共設(shè)計有 81 個刀具軌跡，中心及正面刀間距為 90mm，具體間距尺寸如圖2所示：

同時滾刀配置有旋轉(zhuǎn)實時監(jiān)測功能，為了更好的對刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備配置有刀具旋轉(zhuǎn)實時監(jiān)測系統(tǒng)。編號為#81-2、#75-2、#71-2、#70-2、#43、#21的滾刀配置了有線式滾刀旋轉(zhuǎn)檢測傳感器，編號為#57、#59的滾刀配置了無線式滾刀旋轉(zhuǎn)檢測傳感器。

北線盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)至上軟下硬段情況。第一段掘進(jìn)長度約21m，中風(fēng)化巖層侵入隧道斷面高度約2.65m。第二段掘進(jìn)長度約為22.5m，中風(fēng)化巖層侵入隧道斷面高度約4.58m。第三段掘進(jìn)長度約為43.44m，中風(fēng)化巖層侵入隧道斷面高度約7.16m，北線穿越基巖突起段斷面圖如圖3所示。北線掘進(jìn)至基巖突起段掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

基巖突起段掘進(jìn)參數(shù)折線如圖4、圖5所示。

結(jié)合盾構(gòu)地質(zhì)斷面圖和參數(shù)表及折線圖中可以看出，隨著刀盤進(jìn)入中風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r范圍和高度逐漸增大，扭矩出現(xiàn)逐漸增大且波動較明顯，推力逐漸增大，掘進(jìn)速度明顯下降。北線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至520環(huán)時進(jìn)倉檢查刀盤刀具，發(fā)現(xiàn)刀盤外圈出渣口位置已大部分被粘土堵住，刀盤面板粘結(jié)泥餅。刀盤面板背部粘結(jié)泥餅情況如圖6所示。

3" "掘進(jìn)參數(shù)惡化情況分析

由于刀盤安裝的為扁齒滾刀，在上軟下硬地層，扁齒滾刀刀刃破巖能力稍弱，因此造成刀盤在此地層段長時間磨削，使磨削下來的極細(xì)小顆粒粘附在刀盤面板，且掘進(jìn)時間較長，粘結(jié)情況逐漸嚴(yán)重，最終導(dǎo)致將出渣口堵死。

受刀盤出渣口加強(qiáng)隔板影響，導(dǎo)致出渣不暢，切削下來的渣土極易粘結(jié)在隔板上，因此造成刀盤形成泥餅。

原盾構(gòu)沖刷系統(tǒng)僅有上部兩根向中心扭腿區(qū)域沖刷管路，沒有垂直于刀盤面板背部的沖刷管路，因此不能及時將刀盤切削下來的渣土進(jìn)行沖刷，導(dǎo)致粘結(jié)在隔板區(qū)域。盾構(gòu)機(jī)原泥水倉沖刷管路位置如圖7、盾構(gòu)機(jī)原泥水倉沖刷系統(tǒng)示意圖見圖8所示。

5" "應(yīng)對措施

增加超高壓沖刷水泵，利用盾構(gòu)機(jī)原泥水倉和氣墊倉聯(lián)通管路，增設(shè)垂直于刀盤面板的沖刷管路。新增沖刷管路可沖刷刀盤外圈3m區(qū)域范圍。新增刀盤沖刷管路位置如圖9、改造后刀盤可沖刷區(qū)域如圖10所示。

利用刀盤可視化系統(tǒng)加強(qiáng)對刀盤面板檢查頻率。選擇刀盤合適里程位置，如刀盤上方地面處于綠化帶位置。合適時間段，如夜晚地面道路車流量比較小時將泥水倉液位降低至刀盤可視化攝像頭所能觀測到的位置，觀察刀盤面板情況，若發(fā)現(xiàn)有粘結(jié)泥餅現(xiàn)象，則適當(dāng)增大沖刷壓力，并且在掘進(jìn)過程中適當(dāng)增加停機(jī)循環(huán)沖刷時間，減小刀盤粘結(jié)泥餅的概率。

滾刀旋轉(zhuǎn)檢測數(shù)據(jù)和地質(zhì)二次補(bǔ)勘綜合分析判斷刀盤前方地層情況，提前對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。滾刀旋轉(zhuǎn)檢測數(shù)據(jù)如圖11所示。

根據(jù)滾刀旋轉(zhuǎn)實時監(jiān)測系統(tǒng)可以看出，滾刀在開挖掌子面左下3/4范圍內(nèi)，所采集的滾刀旋轉(zhuǎn)檢測點比較密集和規(guī)律，說明掌子面在此區(qū)域范圍內(nèi)巖層較硬，在右上約1/4范圍內(nèi)，所采集的滾刀旋轉(zhuǎn)檢測點比較稀疏且不規(guī)律，說明掌子面自此區(qū)域范圍內(nèi)巖層較弱，因此滾刀會出現(xiàn)不規(guī)則轉(zhuǎn)動。結(jié)合地面二次補(bǔ)勘情況參數(shù)表，如表3所示。

從二次補(bǔ)勘強(qiáng)度參數(shù)表與滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，掌子面地層強(qiáng)度分布基本吻合，因此每環(huán)加強(qiáng)對滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)檢查分析，隨時根據(jù)掌子面情況變化對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)滾動角，適當(dāng)增加刀盤旋轉(zhuǎn)方向變化降低黏土粘結(jié)的概率。

6" "結(jié)論

通過以上措施，北線盾構(gòu)機(jī)參數(shù)較之前有較明顯提升，北線隧道盾構(gòu)機(jī)貫通后刀盤外圈出渣口基本無泥餅堵塞現(xiàn)象。因常規(guī)刀盤不同常壓刀盤，無法隨時進(jìn)行刀具檢查更換，因此要充分利用盾構(gòu)機(jī)的滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)，同時應(yīng)根據(jù)實際情況對泥漿沖刷系統(tǒng)進(jìn)行針對性改造，結(jié)合二次地質(zhì)補(bǔ)勘情況，準(zhǔn)確分析判斷掌子面地質(zhì)情況，提前對各項掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 李光耀.獅子洋隧道泥水盾構(gòu)穿越上軟下硬地層施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010（11）：89-94.

[2] 潘興良.上軟下硬地層大直徑泥水盾構(gòu)刀盤泥餅成因分析及防治措施[J]. 施工技術(shù)， 2021（22）：33-36+52.

[3] 向義雄.復(fù)雜地質(zhì)下超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工管理與風(fēng)險控制[J]. 低溫建筑技術(shù)， 2021（7）：134-137.