泥水平衡盾構(gòu)施工安全風險控制措施研究

王國佳

摘要：在富水砂礫層中進行泥水盾構(gòu)施工會對刀具造成嚴重磨損，為了減小刀具磨損，提高刀具的使用壽命，以實際工程為例對比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出對應的優(yōu)化措施。研究結(jié)果表明：三刃滾刀具有抗沖擊力強、不易磨損、所需扭矩小的優(yōu)點，有利于大幅度提高刀具的使用壽命，不僅能夠當作主切削刀，還可以起到保護徑刀的作用。控制泥漿密度處在1.15～1.20g/cm3范圍內(nèi)，在泥漿黏度和密度較高時，要加入適量水來對其進行稀釋；在泥漿的黏度和密度較低時，要加入適量適量膨潤土來增大其密度；應將其黏度控制為20～25s。刀盤總推力扭矩正常情況不超過15000kN，扭矩不超過2000kN·m，一旦刀盤和扭矩出現(xiàn)異常，必須對泥漿指標進行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：富水砂礫層；泥水盾構(gòu)；三刃滾刀；泥漿密度；泥漿黏度

0? ?引言

交通樞紐、河道、建筑物等地表建筑物會給城市地下工程建設帶來較大限制，在很大程度上增加了施工難度，通過盾構(gòu)法施工可以有效克服此類困難。富水砂礫層滲透系數(shù)較大，水壓力較高，選擇泥水盾構(gòu)可以較好的防止盾構(gòu)螺旋機噴涌情況的出現(xiàn)[1-3]。但此種施工方式同樣存在一些風險，其中風險較大的是刀盤磨損嚴重而失去作用，同時有關(guān)參數(shù)選擇錯誤會增加頂力和扭矩，阻礙施工進度。

目前，已有眾多學者對泥水盾構(gòu)施工影響因素進行了研究[4]。劉新榮[5]等以正交原理為基礎(chǔ)，通過有限元對泥水盾構(gòu)施工的影響因素進行研究，并對掘進參數(shù)進行了優(yōu)化。魏力峰[6]等整理了863環(huán)泥水盾構(gòu)掘進數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計學為基礎(chǔ)利用統(tǒng)計學方法分析各地層關(guān)鍵參數(shù)的相互聯(lián)系，并構(gòu)建了復雜地層中刀盤扭矩預測模型。

基于此，為了優(yōu)化富水砂礫層中泥水盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)，提高刀具的使用壽命，本文以實際工程為例，對比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出了對應的優(yōu)化措施，為相關(guān)工程提供了指導和借鑒。

1? ?工程概況

某地鐵線部分區(qū)間為標準單線單洞，分為左、右線，施工所用設備主要為一臺泥水盾構(gòu)機。區(qū)間隧道地質(zhì)大概分為4層，分別是礫砂（4-4）、圓礫（4-5）、礫砂（5-4）和圓礫（5-5），各土層滲透系數(shù)依次為60m/d、90m/d、60m/d和90m/d。

2? ?盾構(gòu)刀盤的選型與分析

2.1? ?選擇刀盤的標準

地鐵線盾構(gòu)所穿越的地層主要是砂礫層，盾構(gòu)機的刀具和刀盤在穿越此類地層時會受到較大程度的磨損。此次研究所選區(qū)間總長度為1.8km，如果刀具在施工過程中因磨損較大而無法使用，必須開艙更換刀具，由此會延長施工周期，提高施工成本。同時因為砂礫土有較高的滲透系數(shù)，且地下水豐富，實施開艙換刀會產(chǎn)生較大風險，所以在選擇刀盤類型時，必須保證在穿越1.8km的砂礫地層時不更換刀具，且要避免大直徑礫石對刀具造成較大損傷而出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。

2.2? ?刀盤選型

在富水砂礫層里選擇泥水平衡盾構(gòu)工法進行掘進時，為了保證正面施工的安全性和穩(wěn)定性，多選擇面板式刀盤。刀具類型主要選擇三刃滾刀、中心刀、切削刀和先行刀。為了確保在砂卵石地層里刀具有足夠耐磨性和抗沖擊能力，設計刀盤時并未選擇常用的單刃滾刀，而是特別設置了8把三刃滾刀，并將其均勻設置在正面和外周部位。

三刃滾刀與單刃滾刀相比，前者轉(zhuǎn)動力矩較小，在松軟砂卵石地層中轉(zhuǎn)動時的阻力更小，受到的磨損較小，使用時間也更長。在刀具數(shù)量一致時，三刃滾刀能夠設置更多的刃數(shù)，刃間距較小，對掘進范圍中的其余切削刀具有更強的保護能力。

2.3? ?刀盤磨損情況分析

實際盾構(gòu)施工1.8km沒有更換刀具，盾構(gòu)進洞后對刀具的磨損情況進行了統(tǒng)計。其中，切削刀和先行刀磨損情況的分布如圖1、圖2所示。

從圖1和圖2中能夠看出，切削刀合金高度為40mm時，磨損程度達到65%，磨損近24mm，但有少量刀具存在崩刀情況，近20%刀具的合金鋼磨損量超過30mm。先行刀合金剛高度為80mm，磨損程度達到65%，磨損近50mm，近15%刀具的合金鋼磨損量超過60mm。滾刀合金磨損量大部分小于20mm，但滾刀刀體磨損程度較大。

由此能夠得出，此次盾構(gòu)刀具的選擇和合金高度的設置，能夠滿足掘進1.8km的要求，磨損量基本保持在65%附近，但有部分（20%）刀具存在崩刀情況。造成此現(xiàn)象的主要原因，是刀盤旋轉(zhuǎn)時切削大顆粒卵石形成了沖擊荷載。由此說明，安裝8把抗沖擊滾刀，能夠?qū)Φ毒咂鸬胶芎玫谋Ｗo作用。

3? ?優(yōu)化泥水平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)

3.1? ?分析施工參數(shù)

在施工開始階段，為了保證掘進正面的安全性和穩(wěn)定性，最大程度上降低地面沉降，按照朗肯理論對切口水壓力進行計算，得出其值為260kPa，泥漿密度為1.2～1.3g/cm3，泥漿黏度為25～30s，推進速度為40mm/min。在施工前250環(huán)時間段內(nèi)，盾構(gòu)扭矩和推力逐漸增大，兩者峰值分別為3860kN·m和21550kN，刀盤電機明顯發(fā)熱，只能以減小推進速度的方式來保證施工的順利。除此之外，在施工時常有泥團從排泥泵中排出。

第1～600環(huán)泥水密度和黏度的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。盾構(gòu)扭矩與推力的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。從圖3至圖6中能夠看出，在盾構(gòu)掘進的第100～250內(nèi)，砂礫層中含有較多泥土，增大了回收后漿液的黏度，使其大部分超過25s，峰值可達到45s，所以在此范圍內(nèi)施工刀盤的扭矩和推力過大。對此可通過降低推進速度至20mm/min來減小推力。

3.2? ?優(yōu)化措施

在施工的前250環(huán)階段，為了保證掘進正面的安全性和穩(wěn)定性，在選擇泥漿性能和切口壓力時都取較高值，使正面泥膜具有較好的成形效果，形成與泥皮相似的現(xiàn)象。所以在盾構(gòu)掘進時，不僅推力和扭矩較大，同時排出了成塊泥團。在之后穿越富水砂礫層階段，參考其余泥水盾構(gòu)施工項目經(jīng)驗，并結(jié)合本項目實際情況，對泥漿指標進行了優(yōu)化。具體土層泥漿指標如表1所示。

3.2.1? ?控制密度

泥漿在砂礫地層里滲透速度較快，應控制泥漿密度在1.15～1.20g/cm3范圍內(nèi)。在泥漿黏度和密度較高時，要加入適量水來對其進行稀釋。在泥漿的黏度和密度較低時，要加入適量膨潤土來增大其密度。

3.2.2? ?控制黏度

受泥水黏度影響較大的是刀盤掘進切下和懸浮土體流動能力，泥水的黏度越大，土顆粒的懸浮性就越好。但過高的黏度會提高水泥的塑變值與凝膠強度，導致泥漿泵的負荷增大，并使泥水的分離更加困難。對上述因素綜合考慮后，取其黏度值為20～25s。

3.2.3? ?選用泥水分離設備

本項目中選擇了一套較為完善的泥水分離裝置。該裝置可最大程度回收粒徑小于20μm的懸浮顆粒物，并可將其投入新漿的調(diào)制中，由此顯著降低了工程造價。在施工過程中，由于一些土層和砂礫層里存在粉質(zhì)黏土，造成推進過程中泥漿的密度和黏度增大。

盾構(gòu)機的扭矩和推力在泥漿黏度大于1.2g/cm3時顯著增大，需要加水來稀釋泥漿。當施工距離較長時，分離設備會發(fā)生磨損。假如旋流器出現(xiàn)嚴重磨損，就必須及時更換，否則會對泥漿回收造成嚴重影響，并會增大黏度密度。

實施上述各項優(yōu)化措施后，盾構(gòu)機各項參數(shù)在后續(xù)施工過程中都較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大變化。由于泥水平衡盾構(gòu)開口率較小，同時泥膜能夠起到了保護作用，使得地面沉降累計值小于10mm。

4? ?結(jié)束語

為了優(yōu)化富水砂礫層中泥水盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)，提高刀具的使用壽命，以實際工程為例對比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出了對應的優(yōu)化措施，得出以下結(jié)論：

選擇盾構(gòu)掘進的方式在富水砂礫層中施工時，刀具與刀盤會受到嚴重磨損，為此要格外重視刀具的選型。三刃滾刀具有抗沖擊力強、不易磨損、所需扭矩小的優(yōu)點，可以大幅提高刀具的使用壽命，不僅能夠當作主切削刀，還可以起到保徑刀的作用。

應將泥漿密度控制在1.15～1.20g/cm³范圍內(nèi)。在泥漿黏度和密度較高時，要加入適量水來對其進行稀釋；在泥漿的黏度和密度較低時，要加入適量膨潤土來增大其密度。應將泥漿黏度控制在20～25s。刀盤總推力扭矩正常情況不超過15000kN，扭矩不超過2000kN·m，一旦刀盤和扭矩出現(xiàn)異常，必須對泥漿指標進行調(diào)整，以避免形成正面泥餅和泥皮。

參考文獻

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