談巖溶地區(qū)超淺覆土泥水盾構(gòu)快速施工改進(jìn)技術(shù)

趙 三 寶

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

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談巖溶地區(qū)超淺覆土泥水盾構(gòu)快速施工改進(jìn)技術(shù)

趙 三 寶

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

結(jié)合工程實例，介紹了巖溶地區(qū)超淺覆土泥水盾構(gòu)快速施工技術(shù)原理，對盾構(gòu)機(jī)刀盤、盾體及后配套進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，有效增強(qiáng)了刀具抗沖擊效果，保證了盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)。

巖溶地區(qū)，超淺覆土，泥水盾構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計

目前盾構(gòu)機(jī)的形式很多，性能各異，如果選擇不當(dāng)，會造成不良后果。盾構(gòu)機(jī)的選型應(yīng)根據(jù)地鐵沿線的工程條件及水文地質(zhì)，嚴(yán)格按照適用性、可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性這四者相互統(tǒng)一來進(jìn)行選擇。本文結(jié)合工程實踐就巖溶地區(qū)超淺覆土泥水盾構(gòu)快速施工改進(jìn)技術(shù)做一介紹。

1 工程概況

廣州市軌道交通九號線施工1標(biāo)飛鵝嶺—花都汽車城區(qū)間位于廣花盆地，地貌上屬于河流沖洪積平原，地勢平坦寬廣，沿線地面高程一般在10.00 m～20.00 m之間。盾構(gòu)隧道線路設(shè)1處V形坡，隧道穿越地層中，多處分布在地下水溶蝕作用而形成的溶洞和土洞中，溶洞、土洞的見洞率達(dá)到了43.4%。該地區(qū)的巖溶及土洞發(fā)育規(guī)律性差，呈無序狀態(tài)，其形態(tài)特征、規(guī)模和分布范圍難以確定，施工地形十分復(fù)雜。

2 盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)和設(shè)計特點

根據(jù)本標(biāo)段特殊地質(zhì)條件，用于施工的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)必須具有穩(wěn)定開挖面、平衡泥水壓力、平穩(wěn)穿越軟硬變化較大的地層，最大限度減少地表沉陷的功能，必須具有較強(qiáng)的糾偏抗扭與彎道施工的能力，必須具有較好的經(jīng)濟(jì)性和較長的使用壽命，必須確保各項作業(yè)的安全性和可靠性。結(jié)合目前上海、廣州、天津和南京地鐵一號線盾構(gòu)區(qū)間施工資料，選用帶面板式刀盤的泥水平衡式(EPB)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，是目前在軟土地層中，進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工的一種較好機(jī)型，可以較好的控制地表的變形。最終選用了德國海瑞克φ6 280 mm鉸接型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

3 巖溶地區(qū)超淺覆土泥水盾構(gòu)快速施工改進(jìn)技術(shù)

3.1 施工技術(shù)原理

刀盤刀具配置正面雙刃滾刀8把(刀間距100 mm)，邊緣雙刃滾刀6把(含一把超挖滾刀38.40號，刀間距50 mm)，中心雙刃滾刀6把(刀間距90 mm)，正面切刀64把(刀刃寬100 mm)，邊緣刮刀32把(三孔刮刀)以及4根攪拌棒。由于隧道通過微風(fēng)化巖層，為了保護(hù)邊刮刀、切刀，在滾刀磨損后仍能避免切刀進(jìn)行破巖，確保切刀的使用壽命，滾刀刃口高于邊刮刀和切刀：刀具刃口高度設(shè)計分別為滾刀175 mm，切刀140 mm，邊緣刮刀145 mm。在曲線半徑小的隧道掘進(jìn)時，為了保證盾構(gòu)的調(diào)向，需要有較大的開挖直徑，因此刀盤上需配置超挖滾刀。為提高刀盤的壽命，刀盤面板及周邊焊有耐磨條。

3.2 刀盤損壞概況

補(bǔ)勘及詳勘顯示，隧道在左線里程ZDK1+740～ZDK1+880(645環(huán)～738環(huán)),ZDK1+900～ZDK2+220(752環(huán)～965環(huán))和右線里程YDK1+580～YDK1+650(538環(huán)～583環(huán)),YDK1+880～YDK2+250(738環(huán)～985環(huán))底板或洞身微風(fēng)化巖層且?guī)r石抗壓強(qiáng)度為40 MPa～83.6 MPa，堅硬程度較高；且微風(fēng)化巖層上部直接為砂層或粘土層，巖性變化極大。盾構(gòu)施工過程中，在微風(fēng)化巖地層里，刀具更換較為頻繁，盾構(gòu)掘進(jìn)速度較為緩慢。主要原因是，盾構(gòu)在較硬巖層中掘進(jìn)時，刀盤磨損或損壞較為嚴(yán)重。實際施工過程中，除此區(qū)域外隧道區(qū)域還有部分巖層及未探明的建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)，致使刀具損壞嚴(yán)重。根據(jù)更換刀具時的觀察，發(fā)現(xiàn)在微風(fēng)化石灰?guī)r地層里，刀盤損壞情況主要體現(xiàn)狀況有以下幾種：滾刀偏磨、刀轂及刀軸損壞；邊刮刀、切刀的掉落；攪拌棒的掉落等。

3.3 刀盤優(yōu)化方案

1)刀盤使用情況：施工過程中根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計原裝刀盤在過九號線上軟下硬地層階段刀盤刀具損壞嚴(yán)重，切刀及刀座大面積脫落和變形數(shù)量，邊緣刮刀脫落嚴(yán)重，攪拌棒經(jīng)常掉落。在③，④，⑦，⑨號地層掘進(jìn)中刀盤刀具出現(xiàn)問題總結(jié)如下：a.雙刃滾刀損壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在軸承損壞，刀軸、刀轂炸裂等，在帶壓開倉過程中不易拆出，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。b.邊緣刮刀大面積脫落，脫落的刀具將碎石機(jī)萼片卡住，堵倉艙內(nèi)積渣過多導(dǎo)致刀盤主動攪拌棒被絆掉，無攪拌棒情況下開挖的渣土在土倉內(nèi)不易排出。c.正面切刀連同刀座也出現(xiàn)大面積脫落，切刀螺栓孔拉跨，切刀刀座變形，排出到P2.1泵時堵泵對泵的葉輪及泵殼損壞極大。d.刀盤主動攪拌棒脫落，造成土艙內(nèi)石塊堆積，造成堵倉，掘進(jìn)困難。

2)改進(jìn)措施：在刀具的布置上，應(yīng)采取重點區(qū)域重點布置的原則。由于刀盤外圍刀具的切削路徑長、巖石強(qiáng)度高，所以應(yīng)適當(dāng)增加外圍刀具的數(shù)量。由于刀盤周邊的刀具切削路線長，線速度大，因而磨損快、易折斷、壽命短。很多地區(qū)的地鐵工程實踐都表明每次換刀，磨損最嚴(yán)重的都是盾構(gòu)刀盤外圍的滾刀。滾刀損壞后直接影響其運(yùn)行軌跡上的刮刀、切刀等。因此需要對刀盤上的滾刀布置方案進(jìn)行優(yōu)化，具體方案如下：a.滾刀。原刀盤刀具配置正面雙刃滾刀8把(刀間距100 mm)，邊緣雙刃滾刀6把(含1把超挖滾刀38.40號，刀間距50 mm)，中心雙刃滾刀6把(刀間距90 mm)，現(xiàn)增加5把滾刀：邊緣滾刀3把(38號 39號，35號 36號，31號 32號)，正面滾刀2把(26號 27號，23號 24號)。b.切刀。切刀改造為刀刃寬度為150 mm，刀座四孔螺栓固定，刀座螺栓孔內(nèi)設(shè)計可更換的絲套，刀具背后焊接刀具穩(wěn)定塊。欲達(dá)到效果：四孔切刀增加了刀具的穩(wěn)定性，抗沖擊性，刀具背面增加穩(wěn)定塊為的是刀盤在與刀具形成反轉(zhuǎn)時減小對切刀的沖擊；正面切刀刀刃寬度增加，刀間距增加有助于掘進(jìn)時粘塊順利進(jìn)入至開挖倉。切刀數(shù)量約為40把；刀高140 mm；寬度為150 mm；切刀布置圖如圖1所示。c.邊刮刀。邊緣刮刀改造為6孔螺栓固定的刀具，刀座六孔設(shè)計，刀座螺栓孔內(nèi)設(shè)計可更換的絲套，刀具背后焊接刀具穩(wěn)定塊。欲達(dá)到效果：增加邊緣刮刀碰到硬巖地層時的沖擊性，避免刀具脫落卡碎石機(jī)，絆攪拌棒。邊緣刮刀刀高140 mm，數(shù)量16組(32把)。d.攪拌棒改進(jìn)。在通常情況下，攪拌棒直接焊接在盾構(gòu)面板上，外力過大將容易導(dǎo)致其脫落，而在本工程應(yīng)用中，地層復(fù)雜多變，巖層裂隙發(fā)育，在刀盤切屑過程中將出現(xiàn)大塊掉落的巖體，并在土倉內(nèi)下部堆積，在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，攪拌棒與堆積大塊巖體發(fā)生碰撞，致使攪拌棒脫落，進(jìn)一步加快了大塊巖體在艙體的堆積，巖體不能及時抽排至碎石機(jī)處進(jìn)行破碎，造成倉體堵塞，掘進(jìn)困難，需進(jìn)行開倉處理，費時費力。

對上述情況進(jìn)行綜合分析，決定對攪拌棒采取相應(yīng)改進(jìn)措施，提高施工功效，具體改進(jìn)辦法為：攪拌棒改造，主動攪拌棒4個，原位置布置，攪拌棒伸出長度與原結(jié)構(gòu)相同，攪拌棒焊接加強(qiáng)處理，在刀盤上打孔，將攪拌棒插入打入孔洞中再進(jìn)行焊接，達(dá)到加強(qiáng)的效果，同時在攪拌棒焊接耐磨網(wǎng)格，如圖2所示。欲達(dá)到效果：控制因刀具脫落引起的攪拌棒脫落，引起堵倉的現(xiàn)象。

3.4 盾體優(yōu)化方案

1)施工存在的問題。碎石機(jī)、格柵遇到刀具脫落情況下，碎石機(jī)格柵經(jīng)常損壞，在掌子面部分為砂層的情況下，碎石機(jī)、格柵維修無法實現(xiàn)常壓開倉維修作業(yè)。

2)改進(jìn)措施。為實現(xiàn)軟地層常壓開倉檢查維修碎石機(jī)，本次改造在前艙門增加液壓開關(guān)門，用于在地層地質(zhì)不好的條件下完成碎石機(jī)的常壓維修工作。原設(shè)備未設(shè)計泥漿門，現(xiàn)需重新設(shè)計制造泥漿門裝置，泥漿門采用液壓油缸驅(qū)動，并設(shè)計有氣囊密封，保證密封效果。具體方案見圖3。

3.5 后配套優(yōu)化方案

1)施工存在問題：盾構(gòu)在巖層施工時，經(jīng)常會出現(xiàn)掉落的切刀和大碎石塊金福盾構(gòu)機(jī)配套的出漿泵P2.1泵，對泵造成嚴(yán)重?fù)p壞。

2)改進(jìn)措施：原設(shè)備未設(shè)計采石箱，導(dǎo)致掉落切刀進(jìn)入排漿泵，對泵造成嚴(yán)重?fù)p壞，現(xiàn)增加采石箱設(shè)計，具體方案見圖4，圖5。

4 結(jié)語

盾構(gòu)在較硬巖層中掘進(jìn)時，刀盤及刀具磨損或損壞較為嚴(yán)重，通過對盾構(gòu)機(jī)刀盤、盾體及后配套的優(yōu)化改進(jìn)，有效增強(qiáng)了刀具抗沖擊效果，對因刀具脫落引起的攪拌棒開裂起到一定的預(yù)防作用，保證了盾構(gòu)機(jī)的順利掘進(jìn)。

[1] 邢慧堂.南京長江隧道泥水盾構(gòu)穿越江中超淺覆土段施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(2):68-73.

[2] 周忠陸，鐘志全.淺覆土透水砂層泥水盾構(gòu)越江技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2009,30(1):63-65.

The rapid construction improvement technology of ultra shallow cover earth slurry shield in karst area

Zhao Sanbao

(ChinaRailwayThirdEngineeringGroupLimitedCompany,Taiyuan030001,China)

Combining with the engineering example, this paper introduced the rapid construction technology principle of ultra shallow cover earth slurry shield in karst area, made optimization design to shield tunneling machine cutter, shield and back auxiliary, effectively enhanced the anti shock effect of cutter, ensured the smooth driving of shield tunneling machine.

karst area, ultra shallow cover earth, slurry shield, optimization design

1009-6825(2017)06-0175-02

2016-12-14

趙三寶(1973- )，男，高級工程師

U455

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