土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理_圖文

1、2土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理上海市土木工程學(xué)會1 土壓平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理1.1 土壓平衡盾構(gòu)的基本原理土壓平衡盾構(gòu)屬封閉式盾構(gòu)。盾構(gòu)推 進時,其前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層土體,切削下來的土體進入土艙。當(dāng)土體充滿土艙時,其被動土壓與掘削面上的土、水壓基本相同,故掘削面實現(xiàn)平衡 (即穩(wěn)定 。示意圖如圖 6.1所示。由圖可知,這類盾構(gòu)靠螺旋輸送機將碴土 (即掘削棄土 排送至土箱,運至地表。由裝在螺旋輸送機排土 口處的滑動閘門或旋轉(zhuǎn)漏斗控制出土量,確保掘削面穩(wěn)定。土壓盾構(gòu)穩(wěn)定掘削面的機理, 因工程地質(zhì)條件的不同而不同。 通?？煞譃檎承酝梁蜕百|(zhì) 土兩類,這里分別進行敘述。因刀盤掘削下來的土體的粘結(jié)性

2、受到破壞, 故變得松散易于流動。 即使粘聚力大的土層, 碴土的塑流性也會增大, 故可通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和出土口處的滑動閘門對排土量進行 控制。對塑流性大的松軟土體也可采用專用土砂泵、管道排土。地層含砂量超過一定限度時, 土體流性明顯變差, 土艙內(nèi)的土體發(fā)生堆積、 壓密、 固結(jié), 致使碴土難于排送, 盾構(gòu)推進被迫停止。 解決這個問題的措施是向土艙內(nèi)注水、空氣、 膨潤 土或泥漿等注入材,并作連續(xù)攪拌,以便提高土體的塑流性,確保碴土的順利排放。就砂、 砂礫的砂質(zhì)土地層而言, 因土顆粒間的摩擦角大故摩擦阻力大; 滲透系數(shù)大。當(dāng) 地下水位較高、 水壓較大時, 靠掘削土壓和排土機構(gòu)的調(diào)節(jié)作用很難平衡掘

3、削面上的土壓和 水壓。 再加上掘削土體自身的流動性差, 所以在無其它措施的情況下, 掘削面穩(wěn)定極其困難。 為此人們開發(fā)了向掘削面壓注水、空氣、膨潤土、粘土、泥水或泥漿等添加材,不斷攪拌, 改變掘削土的成分比例,以此確保掘削土的流動性、止水性,使掘削面穩(wěn)定。按穩(wěn)定掘削面機構(gòu)劃分的土壓平衡盾構(gòu)大致有如下幾種,見表 1。表 1 土壓盾構(gòu)的種類圖 1 土壓盾構(gòu)基本形狀 圖 2 土壓平衡盾構(gòu)種類面板式土壓盾構(gòu) 輻條式土壓盾構(gòu) , 不采用土壓盾構(gòu)時,必須根據(jù)地層土質(zhì)條件建立一個施工系統(tǒng)。該系統(tǒng)由掘削推進裝置、 掘削面穩(wěn)定裝置、添加材注入裝置、 攪拌裝置、碴土運出排放裝置等裝置構(gòu)成。因該施工系統(tǒng)與土壓、地下

4、水壓、土質(zhì)、最大粒徑、顆粒級配、含水量,加材的種類、配比、濃度、注 入量、注入速度,刀盤扭矩,推進速度、排土裝置等諸多因素有關(guān)。所以必須事先對這些因 素的影響進行周密細致的調(diào)查, 以便選擇滿足設(shè)計要求的有充足裕度的且可進行恰當(dāng)管理的 各種裝置、設(shè)備、系統(tǒng)。因土壓盾構(gòu)掘削面與隔板之間充滿掘削泥土,各種機械零部件的更換和改造極為困難, 所以必須考慮其耐久性和耐磨性。各機械單元應(yīng)注意的事項如下:(1掘削刀盤的支承方式 :必須根據(jù)土質(zhì)條件選擇可以充分發(fā)揮其特長的支承方式。(2刀盤 面板:要不要面板應(yīng)根據(jù)掘削面的穩(wěn)定性、土艙內(nèi)檢修和掘削刀具更換的安全性等 條件確定。 使用面板時應(yīng)據(jù)土質(zhì)條件 (粘聚力、

5、礫石 、障礙物狀況, 總之以不妨礙泥土流入 為原則選擇面板開口的寬度和數(shù)量。 扭矩:通常根據(jù)土質(zhì)條件,有無礫石確定。一般情況下,掘削時的摩擦扭矩、土的 攪拌 (向上 扭矩都比泥水盾構(gòu)的情形要大,另外,也要考慮開挖面不能自立時的富裕度。 盾尾密封:特別重要的是對于地下水壓、壁后注漿壓應(yīng)具有良好的密封性,為了提 高止水性能,止水帶的設(shè)置層數(shù)不能太少。 土壓計:為測量土艙內(nèi)的泥土壓力,必須選用精度高、耐久性好的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,并設(shè) 置在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?千斤頂安全鎖:在開挖面土壓力作用下,盾構(gòu)始終受到正面土壓作用,為了在管片 組裝等推進停止過程中盾構(gòu)機不發(fā)生后退,液壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置銷定裝置。(3掘削面穩(wěn)定測量為

6、了判斷開挖面的穩(wěn)定性, 可在盾構(gòu)上裝設(shè)土壓、排土量、刀盤扭矩、盾構(gòu)千斤頂推力 等計測儀器和開挖面坍塌探測儀等。通過實測數(shù)據(jù)的分析,判斷掘削面的穩(wěn)定狀況。(4添加材注入裝置土壓平衡式盾構(gòu)上的加材注入裝置由添加材注入泵、 設(shè)置在刀盤和土艙內(nèi)等處的添加材 注入口等組成。注入位置、注入口徑、注入口數(shù)量應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、盾構(gòu)直徑、機械構(gòu)造進行選 擇。因注入口被土砂堵塞時,修理、清掃等都很困難,故應(yīng)采用防堵結(jié)構(gòu)。添加材注入裝置必須能跟蹤刀盤扭矩的變動, 及時改變注入材料在地層中的滲透, 排出 碴土的狀態(tài),土艙內(nèi)的泥土壓等參數(shù),即調(diào)節(jié)注入壓和注入量。(5攪拌裝置攪拌裝置必須在刀盤的開挖部位, 取土部位有效地使土砂

7、進行相對運動, 防止發(fā)生共轉(zhuǎn)、 粘附、沉積等現(xiàn)象。攪拌裝置有以下幾種,可單獨使用,也可組合使用。 刀盤 (刀頭、輪輻、中間梁 。 刀盤背面的攪拌翼。 調(diào)協(xié)在螺旋排土器芯軸上的攪拌翼。 設(shè)置在隔壁上的固定翼。 獨立驅(qū)動攪拌翼。(6排土裝置土壓平衡式盾構(gòu)上的排土裝置必須是能夠保持渣土和土壓力、地下水壓力的平衡,并 具有按盾構(gòu)推進量調(diào)節(jié)排土量的控制功能。排土機構(gòu)有以下方式: 螺旋式排土器 +閘門方式 螺旋式排土器 +排土口加壓裝置方式 螺旋式排土器 +旋轉(zhuǎn)式送料器 (旋轉(zhuǎn)料斗、閥門 方式 螺旋式排土器 +壓力泵方式 螺旋式排土器 +泥漿泵考慮排土裝置時,必須考慮與土質(zhì)、 礫石直徑、地下水等地層條件和

8、盾構(gòu)直徑、隧道內(nèi) 外條件選擇最為合適的設(shè)備。螺旋式排土器的型式大致區(qū)分為 有軸螺旋式排土器 和 無軸螺旋式排土器 。 挖掘礫石 地層時,需按排土能力考慮輸送機型式和尺寸大小 (直徑 。尤其在透水性好的土質(zhì)條件下使用無軸螺旋式排土器時, 需認真研究止水性等壓力保持 能力。1.2 削土加壓式盾構(gòu)削土加壓盾構(gòu), 即利用刀盤掘削下來的原狀土穩(wěn)定掘削面的盾構(gòu)。 這種盾構(gòu)主要適用的 土質(zhì)為粉砂粘土、細粉砂粘土、含少量礫石的細砂粘土等沖積層細粒軟土 (N值不超過 15, 天然含水率 25%,滲透系數(shù) K<5×10-2cm/s,這些土體的摩擦角小,塑流性大 。這種盾構(gòu) 是土壓盾構(gòu)的基本型式。

9、這種盾構(gòu)靠刀盤掘削土體; 靠刀盤、 攪拌葉片及螺旋輸土機的旋轉(zhuǎn) 破壞土體的壓密性, 降低其強度, 提高其塑流性。 推進裝置通過掘削土對掘削面施加被動土 壓實現(xiàn)掘削面的穩(wěn)定。 在維持掘削面穩(wěn)定的前提下, 由螺旋輸土機的出土口排土給土車, 運 送至隧道外部。(1 刀盤 : 掘削刀盤通常設(shè)置在盾構(gòu)的前端,由加勁肋和面板構(gòu)成。加勁肋上裝有刀具,用 來掘削土體;面板是承受掘削面水、土壓力的第一道擋土機構(gòu)。切削刀盤一般選擇周邊支承, 刀盤輻條、 進土孔和面板的尺寸及布設(shè)主要取決于盾構(gòu)外 徑和土質(zhì)特點, 設(shè)計原是可使掘削土順利地流向螺旋輸土機, 并避免土艙處周邊外的掘削土 的壓密固結(jié)。 圖 3 刀盤和液壓驅(qū)

10、動 , 圖 4 螺旋輸送機(2 排土機構(gòu) : 由螺旋碴土輸土機、排土控制器及泥土輸出設(shè)備構(gòu)成。(3 土體攪拌機構(gòu)這里只介紹掘土量和排土量的運行管理, 其目的是確保掘削面穩(wěn)定。 避免地層沉降過大 給鄰近構(gòu)造物帶來的不良影響。具體運行管理方式有以下三種: 控制挖土量。先將螺旋輸土機的轉(zhuǎn)速調(diào)整到某一定值,保持排土量基本不變,然后 由設(shè)置在土艙內(nèi)的土壓計和刀盤的掘削扭矩的監(jiān)測儀表控制盾構(gòu)的推力和速度。 控制排土量。先將盾構(gòu)的掘進速度調(diào)整到一定值,保持掘土量基本不變,然后由設(shè) 置在螺旋輸土機內(nèi)的土壓計的實測值控制螺旋輸土機的轉(zhuǎn)速,或轉(zhuǎn)斗排土的轉(zhuǎn)速。 同時控制掘土量和排土量。把上述兩種方式組合起來同時控制

11、。效果較好,但運行 管理復(fù)雜。1. 工作原理當(dāng)掘削地層為滲水系數(shù)大的砂層、 砂礫層時, 若再利用削土加壓土壓盾構(gòu), 盡管土艙內(nèi) 掘削土可以平衡掘削面上的土壓, 但由于孔隙率大 (細粒成分少 無法阻止地下水的涌入, 即 地下水會從螺旋輸土機的排土口噴出, 使盾構(gòu)掘進受阻。 作為阻止地下水涌入的措施, 可在 輸土機的排土口處設(shè)置一個排土調(diào)整槽, 該槽上部設(shè)一個加壓水注入口, 底部設(shè)一個泥水排 放口。 由加壓水注入口注入加壓水, 與掘削面上的水壓平衡 (阻止地下水涌入 起穩(wěn)定掘削面 的作用。螺旋輸土機把土艙內(nèi)的掘削土運送給排土調(diào)整槽,掘削土在槽內(nèi)與水混合成泥水, 隨后由管道輸?shù)降乇?經(jīng)地表的土、 水

12、分離后,分離水返回排土調(diào)整槽循環(huán)使用。 示意圖如 圖 2所示。 圖 5 加水式土壓平衡盾構(gòu)2. 盾構(gòu)機構(gòu)造特點加水土壓盾構(gòu)是一種裝有面板的封閉型盾構(gòu)。刀盤的構(gòu)造與削土加壓盾構(gòu)基本相同, 區(qū)別在于除可安裝一般掘削刀具外, 還裝有可切割礫石的刀具。 刀盤的開口率按預(yù)計礫石的 最大直徑?jīng)Q定, 一般為 20%60%。 螺旋輸土機排土口處設(shè)有排土調(diào)整槽, 用來送入有壓水 確保掘削面穩(wěn)定輸出泥水經(jīng)管道排至地表。艙 , ,遲 ,3. 運行管理加水式盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的管理系指排土量的管理和加入水壓力的管理, 要求隨時掌握盾 構(gòu)掘進的挖掘土量和排土量的關(guān)系, 使土腔內(nèi)的土保持在最佳滯留狀態(tài), 同時要求加壓水的 壓

13、力與地下水壓力平衡。(1排土率的管理 :排土量基本上可由盾構(gòu)的推進速度和螺旋輸土機的轉(zhuǎn)速來控制。排土率可 以通過盾構(gòu)的推進速度和盾構(gòu)開挖面的面積計算出的挖掘土量與裝在入水管和排泥管上的 流量計、密度計所反映的排土量相比較而求得 (可用與泥水加壓盾構(gòu)相同的方法求得 。 為使土艙內(nèi)的掘削土量保持最佳滯留狀態(tài), 應(yīng)對總推力、 刀盤扭矩、 螺旋輸送機扭矩等 進行測定,通過測定結(jié)果的反饋來進行最佳管理。(2加入水壓力的管理 :加入水壓力的管理是以土艙內(nèi)孔隙水壓力的測定結(jié)果作為地下水的壓 力基準值,進而控制排土調(diào)整槽中的加入水壓力。加入水壓力的控制可根據(jù)流體輸送泵的轉(zhuǎn)速、閥門的開度進行調(diào)整。加入水壓力的管

14、理是以開挖面穩(wěn)定、容易挖掘為準則 (最佳加入水壓力 ,依據(jù)地層土質(zhì) 條件和掘削情況來制定, 但是, 在管理上,除考慮了以上基本條件之外,還規(guī)定了一個以盾 構(gòu)中心水壓力為準的上、下容許變動值,并在此范圍內(nèi)進行管理。1.4 加泥土壓盾構(gòu)加泥式土壓平衡盾構(gòu),是靠向掘削面注入泥土、泥漿和高濃度泥水等潤滑材料,借助 攪拌翼在密封土艙內(nèi)將其與切削土混合, 使之在成為塑流性較好和不透水泥狀土, 以利于排 土和使掘削面穩(wěn)定的一類盾構(gòu)機。 掘進施工中可隨時調(diào)整施工參數(shù), 使掘削土量與排土量基 本平衡。盾構(gòu)機仍由螺旋輸送機排土、碴土由出土車運輸。加泥式土壓平衡盾構(gòu) (以下簡稱 加泥土壓盾構(gòu) 的構(gòu)造見圖 6。這類盾

15、構(gòu)主要用于在軟弱粘土層、易坍塌的含水砂層及混有卵石的砂礫層等地層中隧 道的掘進施工。 圖 6. 泥土加壓式盾構(gòu)機與削土加壓式盾構(gòu)相比較, 加泥式盾構(gòu)是無面板的輻條式盾構(gòu), 密封土艙內(nèi)設(shè)有泥土注 入裝置和泥土攪拌裝置、排土裝置等與前者相同,這類盾構(gòu)特點如下:a 可改善切削土的性能。在砂土或砂礫地層中,土體的塑流性差,開挖面有地下水 滲入時還會引起崩塌。 盾構(gòu)機有向切削土加注泥土等潤滑材料并進行攪拌的功能, 可使其成 為塑流性好和不透水的泥狀土。b 以泥土壓穩(wěn)定開挖面。泥狀土充滿密封艙和螺旋輸送機后,在盾構(gòu)推進力的作用 下可使切削土對開挖面開成被動土壓力, 與開挖面上的水、 土壓力相平衡, 以使開

16、挖面保持 穩(wěn)定。c 泥土壓的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。在密封艙內(nèi)裝有土壓計、可隨時監(jiān)測切削土的壓力, 并自動調(diào)控排土量,使之與掘削土量保持平衡。添加材料一般采用由粘土、 膨潤土 CMC 、 高吸水性樹脂及發(fā)泡劑等材料制成的泥漿液。 切削土體為軟弱粘性土?xí)r, 可不需注入泥漿, 但在砂土和砂礫等地層中則必須注入泥漿。 泥 漿中泥土的含量可大致采用表 2所示的數(shù)據(jù)。表 2 不同土質(zhì)時的泥漿濃度和使用量 在掘進施工中, 加泥量應(yīng)根據(jù)刀盤扭矩、 螺旋輸送機轉(zhuǎn)速、 推進速度和排土量等隨時進行調(diào) 整。為使掘削面保持穩(wěn)定, 掘進施工中或應(yīng)對排土量和土壓進行管理和控制, 排土量可按下 述兩種方法進行計算。(1測出空車和載

17、重車的重量,據(jù)以算出排土量。(2根據(jù)盾構(gòu)推進量和螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速,按下式計算排土量:ANP Q = (1.1 式中: Q 排土量;排土效率;A 螺旋輸送機斷面積;N 轉(zhuǎn)速;P 螺旋翼片的間距。由于刀盤不設(shè)面板, 掘削面完全由密封艙內(nèi)的泥土壓支撐, 故土壓可通過安裝在密封艙 內(nèi)的土壓計直接進行測量和管理。通常需使土壓 P 處于以下范圍: w p w P P P P P <<<+a (1.2 式中:a P 主動土壓力; p P 被動土壓力; w P 地下水壓力。通常先根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果確定設(shè)定土壓力 0P ,同時制定土壓的上、下限,其允許范圍 為 ( (00P P P P +-上面

18、幾節(jié)敘述的土壓盾構(gòu)可以說均為軟土土壓盾構(gòu)。 這些盾構(gòu)對穿越路線上強度差別較 大的地層 (如巖層、 軟巖、 軟土等 及掘削全斷面內(nèi)縱向強度不均勻等復(fù)雜地層而言, 已失去 適應(yīng)性。 為此人們開發(fā)了適應(yīng)上述復(fù)雜地層的所謂的土壓復(fù)合盾構(gòu)。 為了適應(yīng)復(fù)雜地層條件 需要復(fù)合盾構(gòu)機的刀盤上裝有 2種 (或 2種以上 刀具, 即可切削軟土, 也可切削軟巖、 砂礫 和硬巖層。圖 6.4示出的是復(fù)合盾構(gòu)的構(gòu)造圖;照片 6.1是復(fù)合盾構(gòu)刀盤正視外貌;照片 6.2、 6.3、 6.4均為復(fù)合盾構(gòu)實物外貌。其它裝置與一般土壓盾構(gòu)相同,不再贅述。本節(jié)重 點敘述復(fù)合盾構(gòu)的穩(wěn)定掘削面的方式、適用范圍、施工注意事項及工程實例。

19、 圖 7 復(fù)合盾構(gòu)構(gòu)造圖 因為復(fù)合盾構(gòu)掘削地層的對象為復(fù)合地層,即從軟土層延伸到硬巖。所以復(fù)合盾構(gòu)工法 與一般的軟土盾構(gòu)工法存在一定的差異。歸納起來,存在以下幾點: 對硬地層而言, 盾構(gòu)的切削刀具以可以破碎巖層的滾刀為主。 就面板而言, 多為穹形, 即使面板最外緣也作滾動切削,以便確保外圍巖層的破碎。 就巖層而言,錨固千斤頂錨固在井壁上,取其反力推進盾構(gòu) (TBM機 。一次襯砌可據(jù) 地層狀況作如下處理, 可以用簡單的鋼制支承和擋板作襯; 也可以用噴射混凝土法作襯; 也 可不作襯 (巖層強度極大 。 就破碎帶和軟地層而言主, 與通常的軟土盾構(gòu)掘進一樣使用管片組裝一次襯砌, 并以 該管片上取得的反

20、力作為盾構(gòu)的推進力。 因為在巖層中采用以滾刀為主的面板, 而在土砂層中采用以 T 刀具為主的面板, 所以 地層變化時應(yīng)在變化點更換面板。復(fù)合盾構(gòu)機運行多采用方式識別和智能控制系統(tǒng),操作人員可據(jù)硬巖、軟巖、復(fù)合地層 及軟土層的條件設(shè)定穩(wěn)定掘削面的方式。穩(wěn)定方式大致分為以下 3種,見表 3。表 3穩(wěn)定掘削面的方式及有關(guān)事項圖 8 復(fù)合型土壓盾構(gòu)刀盤正視 (土壓、敞開并用 圖 (1不加壓穩(wěn)定方式不加壓穩(wěn)定方式即土艙內(nèi)的氣壓為大氣壓, 無需在土艙內(nèi)建立氣壓或土壓平衡以支承掘 削面上的土壓和水壓。 完全靠掘削地層自身的自立能力確保掘削面的穩(wěn)定。 就這種掘削方式 而言, 盾構(gòu)機的刀盤具有較大的切削和破碎硬

21、巖的能力。 掘削下來的巖渣通過刀盤上的開口 (即卸渣口 進入土艙,隨后被深入土艙底部的螺旋輸送機送出。(2氣壓穩(wěn)定式氣壓穩(wěn)定式盾構(gòu)掘進時,土艙內(nèi)下半部是巖渣,上半部是壓縮空氣 (氣壓 <0.2MPa,靠 該氣壓對抗掘削面上的土壓 +地下水壓,防止掘削面的土體坍塌及地下水的涌入。(3土壓穩(wěn)定式這里的土壓穩(wěn)定式盾構(gòu)的工作原理, 就是前面敘述過的土壓平衡盾構(gòu)的工作原理。 即刀 盤切削下來的渣土充滿土艙, 與此同時, 螺旋輸送機排土。 掘進過程中始終維持掘削土量與 排土量相等來確保掘削面的穩(wěn)定及防止地下水的滲入。即確保盾構(gòu)掘進的順利正常進行。 3. 適用地層的范圍復(fù)合盾構(gòu)適用的地層范圍是硬巖、軟

22、巖、硬土、軟土及上述巖、土的復(fù)合層。復(fù)合盾構(gòu)工法施工成敗的關(guān)鍵在于認真地作好掘進管理, 實現(xiàn)信息化施工。 掘進管理包 括掘削面的狀態(tài)管理 (土壓、水壓、推力、扭矩、推進量、排土量、注入土艙的泥漿的質(zhì)量、 背后注漿量等等 ;隧道中心軸線的偏移量;一次襯砌的拼裝質(zhì)量;背后注漿的狀況及地層 變形的狀況等。下面重點介紹施工中一些值得注意的事項。硬因應(yīng) ,1. 刀具更換在巖層中施工時,如果盾構(gòu)刀具受損,則可對土艙施加氣壓,作業(yè)人員入艙更換刀具。 更換刀具時要選擇土體自立性好的層段進行,最好選擇全斷面均為巖層的區(qū)段。在軟土層或粘度較高的礫質(zhì)粘土層中施工時, 應(yīng)盡可能不使用滾刀, 同時增加刀盤的開 口率。在

23、強度較高的風(fēng)化巖中施工時應(yīng)及時安裝滾刀; 在強底較低的風(fēng)化巖中施工時, 應(yīng)安裝 T 型刀具或超前刀具。2. 盾構(gòu)在不同地層分界面處的施工盾構(gòu)由軟土層進入全斷面巖層, 即由土壓平衡態(tài)向氣壓或不加壓態(tài)過渡時, 除適當(dāng)降低 土壓設(shè)定值, 增加同步注漿量、 調(diào)整各區(qū)域油壓差以及改變盾構(gòu)千斤頂?shù)暮狭ξ恢猛? 還應(yīng) 放慢推進速度。盾構(gòu)由全斷面巖層進入軟土層, 即由氣壓方式或不加壓態(tài), 向土壓平衡態(tài)過渡時, 除適 當(dāng)提高土壓設(shè)定值, 減少同步注漿量外, 還應(yīng)提高盾構(gòu)與設(shè)計軸線的相對坡度, 調(diào)整各區(qū)域 油壓差改變盾構(gòu)千斤頂?shù)暮狭ξ恢煤头较?提高推進速度。3. 盾構(gòu)穿越斷裂帶的施工 施工前應(yīng)確切地掌握斷裂帶的分

24、布狀態(tài),視實際情況對隧道頂部以上的斷裂帶土層 進行加固。 盾構(gòu)切口切入斷裂帶時,應(yīng)考慮盾構(gòu)正前方巖土性質(zhì)的變化,對盾構(gòu)姿態(tài)和出土量 等參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整,以防止盾構(gòu)產(chǎn)生下傾、上仰。為了抑制沉降和斷裂帶涌水的不利影響,應(yīng)及時實施同步注漿。 盾構(gòu)穿越后,為確保隧道穩(wěn)定,防止斷裂帶向盾構(gòu)切口涌水,必須及時的向隧道外 周的斷裂帶土層進行背后注漿,以便切斷向切口的涌水通路。 配備抽水泵及時抽去盾構(gòu)掘削面上的積水,確保盾構(gòu)高速掘進,嚴格控制螺旋輸送 機閘門的開度,避免噴涌造成的地層沉降。4. 盾構(gòu)在巖層中的施工 合理利用超挖刀和中折千斤頂,以達到糾偏效果和控制盾構(gòu)機的的姿態(tài)。 孤石處理 :孤石出現(xiàn)后立即停止推

25、進并鎖定千斤頂, 防止盾構(gòu)后退。 若前方地層的自 立性好, 則先清空土艙內(nèi)的泥土并建立氣壓平衡, 隨后作業(yè)人員通過人行閘進入土艙, 對孤 石進行粉碎; 若地層自立性差或根本不能自立, 則需先對土體進行加固處理, 隨后方可允許 作業(yè)人員進艙工作。5. 刀盤泥餅的形成及防止當(dāng)在裂隙水豐富且塑性較大的風(fēng)化巖中掘時, 若盾構(gòu)土艙設(shè)定壓力過高, 經(jīng)切削破碎后 的風(fēng)化巖與裂隙水混合, 經(jīng)刀盤碾壓極易在刀盤正面及土艙內(nèi)壁上形成粘附泥餅, 從而致使 刀盤的切削效率大降,刀盤扭矩、推力大增,設(shè)備故障率大增。為了防止泥餅的產(chǎn)生,通常 采用下列措施: 土艙內(nèi)水、土、氣壓力設(shè)定值不宜過高,應(yīng)設(shè)法減少刀盤與正面巖土的擠

26、壓應(yīng)力。 采取壓發(fā)泡劑等措施切斷裂隙水的通道,防止地層中的裂隙水涌入。 合理布設(shè)刀盤刀具,遇到塑性大在,裂隙水豐富的風(fēng)化巖土?xí)r,應(yīng)及時拆除滾刀。 向刀盤正面壓注一定量的發(fā)泡劑或潤滑水,減小刀盤與正面土體的碾磨力,同時還 可增加破碎土的塑流性。 在土艙內(nèi)加以適當(dāng)?shù)臍鈮?提高螺旋輸送機的排土能力。2 泥水平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理2.1 泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機理及適用土層范圍泥水加壓式盾構(gòu)開挖面土體是依靠泥水壓力對開挖面上的水土壓力發(fā)揮平衡作用以求 得穩(wěn)定。泥水壓力主要是在掘進中起支護作用,其原理見圖 9。當(dāng)盾構(gòu)底部處于地下水位以 下的深度為 H 時,其水壓力為 H 水 ,而在盾構(gòu)正面密封艙 (即泥水壓力室

27、 底部的泥水壓 力為 +(泥 h H , 由此可見地下水壓力小于泥水壓力。 因此在盾構(gòu)正面密封艙內(nèi)通入高 于地下水位 h 的泥水,則在開挖面任何一點 y 處的地下水壓力為 y 水 ,泥水壓力 +(泥 h y 。一般情況下 h 取 2m, 而 泥 大于 水 ,開挖面任何一點的泥水壓力總是大于 地下水力,從而就形成了一個向外的水力梯度,這是保持開挖面穩(wěn)定的基本條件。此外, 由于泥水中的粘粒受到上述壓力差作用在開挖面形成一層泥膜, 對提高開挖面的 穩(wěn)定性起到極其重要的作用, 尤其在均勻系數(shù)較小的砂層中的穩(wěn)定作用尤為顯著。 泥水的容 重隨土層的不同而變化, 在粘性土中容重可小一些, 在砂層或砂礫層中容

28、重要大一些, 見表 4。 圖 9 泥水加壓盾構(gòu)作用原理表 4 泥水容重參考值 當(dāng)盾構(gòu)停止掘進時, 開挖面切削土層的大刀盤便停止轉(zhuǎn)動及進土, 變成為一個大型的正 面支撐板,對開挖面保護穩(wěn)定是有利的。隨著泥水加壓盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展, 有關(guān)泥水加壓盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的理論亦隨著深化和 發(fā)展。泥水加壓盾構(gòu)是通過在支承環(huán)前面裝置隔板的密封艙中, 注入適當(dāng)壓力的泥漿, 使其在 開挖面形成泥膜, 支承正面土體, 并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜, 與泥水混合 后、 形成高密度泥漿, 然后由排泥泵及管道把泥漿輸送到地面處理。 整個過程是通過建立在 地面中央控制室內(nèi)的泥水平衡自動控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理。在泥水平衡的

29、理論中, 泥膜的形成是至關(guān)重要的, 當(dāng)泥水壓力大于地下水壓力時, 泥水 按達西定律滲入土壤, 形成與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒, 被捕獲并積聚于土壤與泥水 的接觸表面, 泥膜就此形成。 隨著時間的推移, 泥膜的厚度不斷增加, 滲透抵抗力逐漸增強。 當(dāng)泥膜抵抗力遠大于正面土壓時,產(chǎn)生泥水平衡效果。從泥水平衡理論中可以看出, 在泥水加壓式盾構(gòu)法施工中, 盡快形成不滲透泥膜是一個 相當(dāng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。然而,要形成泥膜必須滿足下列四項基本條件。(1泥水最大粒徑 -泥水最大顆粒粒徑對泥膜形成的效果有很大影響。 根據(jù)土層滲透系 數(shù) K 和的不同要求,泥水最大顆粒粒徑亦不同,它們之間必需相互匹配,其關(guān)系見表

30、5 表 5 泥水最大粒徑與 K 值關(guān)系參表 (2顆粒級配 -顆粒級配對泥膜形成具有很大的影響,最佳的泥水顆粒徑分布形式必 須通過大量實驗來確定。(3泥水深度 -泥水深度提高能使泥水屈服值升高, 同時能使泥膜的穩(wěn)定性增強。 實驗 證明高密度的泥水可以產(chǎn)生高質(zhì)量的泥膜。(4泥水壓力 雖然滲透體積隨泥水壓力上升而上升,但它的增加量遠小于壓力的增加 量, 而增加泥水壓力將提高作用于開挖面的有效支承壓力, 因此, 開挖面處在高質(zhì)量泥水條 件下,增加泥水壓力會提高開挖面的穩(wěn)定性。泥水加壓盾構(gòu)處于正常掘進狀態(tài)時, 刀頭并不直接切削土體, 而是對刀盤正面已形成的 泥膜進行切削, 在切削后的一瞬間, 又形成了下

31、一層泥膜,由于盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速是一定值,而 且盾構(gòu)推進速度最大能力又受到一定限制, 因此掘進速度只和切入土體的深度有關(guān), 而和泥 膜無關(guān)。但是當(dāng)泥水加壓式盾構(gòu)在不正常掘進狀態(tài)時, 特別當(dāng)泥水質(zhì)量和切口水壓達不到設(shè)計要 求時, 泥膜需經(jīng)過較長時間才能形成, 這樣就約束了掘進速度。 高質(zhì)量泥水形成泥膜的時間 為 1-2秒。泥水加壓式盾構(gòu)在掘進過程中, 泥水不斷循環(huán), 開挖面的泥膜因受大刀盤的切削而處在 形成破壞形成的過程中。 由于地層的變化等因素, 開挖面的平衡是相對的, 為保持開挖 面的穩(wěn)定, 在泥水加壓式盾構(gòu)掘進施工開挖面穩(wěn)定就成為重要的管理項目之一, 它直接影響 著隧道施工質(zhì)量。 合理地進行泥水

32、管理、 切口水壓管理和同步注漿管理控制每環(huán)掘削量是開 挖而穩(wěn)定的必要保證。 由于泥水加壓式盾構(gòu)在掘進過程中, 開挖面充滿泥水, 泥水室前側(cè)是 切削刀盤, 后側(cè)是密封隔墻, 四周是盾構(gòu), 殼體施工操作人員是不可能用肉眼直接觀察到開 挖面穩(wěn)定狀況。為此,通常采用下述方法對開挖面穩(wěn)定狀況進行判斷。(1根據(jù)地質(zhì)情況進行理論性的每環(huán)掘削量土砂計算所求得的理論掘削量將作為控制每環(huán)實際掘削土砂量的大致目標(biāo)。(2實際掘削土砂量實際掘削土砂量是通過中央控制室的掘進管理系統(tǒng), 直接顯示在計算機屏幕上, 它能較 真實的反映實際掘削過程中的掘削土砂量。 但由于設(shè)置在泥水輸送管路系統(tǒng)中用經(jīng)測定泥水 密度和泥水流量的密度

33、計、流量儀等儀器的差,使實際掘削土砂量因測量精度而產(chǎn)生誤差。為了將系統(tǒng)誤差縮小到最低 (挖掘在測量儀表正常精度范圍內(nèi) , 需在旁路運轉(zhuǎn)時, 定期 檢查校正設(shè)備。(3實際掘削土砂量 W(干砂量 與偏差流量 q 的關(guān)系偏差流量 q 瞬時計算式Q V A (Q q 0S 1+-=式中:q 偏差流量 (m3/minA 盾構(gòu)刀盤面積 (m2S V -推進速度 (m/min0Q -進泥流量 (m3/min1Q -排泥流量 (m3/min上式變換可得到排泥流量計算式q Q V A (Q 0S 1+=+由此可見, 實際掘削量 W (干砂量 與偏差流量 q 的關(guān)系, 偏差流量為正值時, 盾 構(gòu)處于“超挖”狀態(tài),

34、干砂量比砂量比標(biāo)準值大:偏差流量為負值時,盾構(gòu)處于“溢水” 狀態(tài),干砂量比標(biāo)準值小。(4掘削量的判斷方法每掘進 50-100環(huán)后,統(tǒng)計 10-50環(huán)泥水質(zhì)量較好、每環(huán)掘進后盾構(gòu)切口上方地面沉降 量較小的掘削量, 并將統(tǒng)計值輸入計算機。 在掘進過程中, 動態(tài)觀測本環(huán)掘削量曲線與統(tǒng)計 曲線的變化情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)掘削量過大時,應(yīng)立即檢查泥水密度、 粘度和切口水壓。此外, 也可以利用探測 裝置,調(diào)查土體坍塌情況,在查明原因后應(yīng)及時調(diào)整有關(guān)參數(shù),確保開挖面穩(wěn)定。泥水質(zhì)量的好壞將直接影響泥膜形成的時間和開挖面的穩(wěn)定。 溢水量是測定泥水漿液質(zhì) 量的一個較好的方法。在延安東路南線隧道泥水盾構(gòu)施工中認為較好質(zhì)量不泥

35、水溢水量為(h m /A 2. 62l , A 為掘削斷面積 2m 。當(dāng) 掘 削 停 止 時 , 中 央 控 制 室 觀 測 單 位 時 間 內(nèi) 的 累 計 值 , 如 果 泥 水 溢 水 量 大 于(h m /A 2. 62l ,則應(yīng)檢查泥水質(zhì)量和管路系統(tǒng)泥漿情況。3 利用探測裝置進行土體崩塌檢查為保證開挖面穩(wěn)定, 有必要利用安裝在盾構(gòu)頂部的探測裝置定期進行檢查, 判斷盾構(gòu) 前上方的土體有無松動。一般要求每天進行 23次的檢查,并做好探測記錄。如發(fā)現(xiàn)土體有可能崩塌時, 應(yīng)首先對探測結(jié)果進行綜合分析, 并適當(dāng)增加泥水密度和 進行泥水循環(huán)。地表沉降也是反映盾構(gòu)正面穩(wěn)定的一個方面。因此需要在盾構(gòu)掘

36、進沿途布置沉降測 點,跟蹤測量因盾構(gòu)掘進而引起的地表的沉降情況。一般每天需對盾構(gòu)前 1020m 、盾構(gòu) 后 3050m 軸線區(qū)域內(nèi)的各沉降點進行監(jiān)測。 同時, 也應(yīng)對 3050m 以后的各點進行定期 測量,直至沉降穩(wěn)定上為止。開挖面不穩(wěn)定而產(chǎn)生的地表沉降往往發(fā)生在盾構(gòu)切口前方, 這時應(yīng)檢查泥水質(zhì)量及切 口水壓。當(dāng)盾構(gòu)后方發(fā)生較大沉降時,多數(shù)是由于同步注漿不足所致,這時應(yīng)提高同步注 漿率,改善產(chǎn)注漿效果。5. 開挖面水壓信號檢查在檢查開挖面水壓時, 應(yīng)注意檢查開挖面水壓信號傳感器, 有時會因為管路堵塞而影 響正常采集數(shù)據(jù)。泥水加壓盾構(gòu)最初是在沖積粘土和洪積砂土交錯出現(xiàn)的特殊地層中使用, 由于泥水

37、對 開挖面的作用明顯,因此在軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動的砂土層、砂礫層、卵石砂礫層、砂 礫和堅硬土的互層等地層中均適應(yīng),圖 10所表示的是適應(yīng)于泥水加壓盾構(gòu)的地質(zhì)和 N 值 的關(guān)系。 圖 10 泥水加壓盾構(gòu)的適應(yīng)地層目前泥水加壓盾構(gòu)工法對地層的適用范圍正不斷擴大, 即使處于惡化的施工環(huán)境和存 在地下水等的不良條件下,由于有相應(yīng)的處理方法,因而被認為幾乎能適應(yīng)所有的地層。 現(xiàn)就下列不同土質(zhì),從經(jīng)濟而又安全地掘削施工方面作一比較。粘土礦物相互間電化學(xué)結(jié)合面形成的粘性土層, 近似變質(zhì)了瓊膠塊關(guān)體、 所以由泥水比 重和加壓帶來的力就容易形成對開挖面的穩(wěn)定, 不論粘性土層的狀態(tài)如何、 都適應(yīng)于用泥水 加壓盾

38、構(gòu)工法施工的地層,日本的沖積層和洪積層的兩層粘性土層,在敞開型盾構(gòu)工法中, 因開挖面敞開時間過長而引起的開挖面坍塌和彈塑性變形, 是很能難防止地面下沉的。 密閉 型盾構(gòu)工法, 因周圍土體受到擾動而造成的地面沉降較大, 泥水加壓盾構(gòu)在加壓時, 又用刀 盤作圓周切削可解決上述地表沉降的問題, 因而泥水加壓構(gòu)是最適當(dāng)?shù)摹?同時泥水加壓盾構(gòu) 也適用 超出密閉型盾構(gòu)使用范圍的 (由于粘性、液性界限和砂的比例等 粉砂土及粘土層。不含水的砂層由于漏漿, 就不能保持住對開挖面的加壓和穩(wěn)定。 通常, 在含有某一數(shù)量 的粉砂土、 粘土的沖積層中,幾乎都有一定的含水量,全部都是細砂的地層是少見的, 干燥 的松弛砂也

39、很少有, 由于砂層內(nèi)摩擦角有許多是在 028=左右、 所以大部分可用泥水加壓 來保持開挖面的穩(wěn)定。 松馳的含水量多的砂量, 在其它盾構(gòu)工法中是很難保持土層穩(wěn)定, 采 用泥水加壓盾構(gòu)并提高其泥水比重、粘度和壓力是適用的。顆粒級配組成好的密實礫石層開挖面是穩(wěn)定的, 沒有必要采用泥水加壓盾構(gòu)。 但是對于 水分多、 不含有作為粘合劑的粉砂土及粘土等, 相撞時會發(fā)出嘎拉嘎拉響聲的礫石層和有大 直徑的礫石層, 若不實行任何措施, 就會發(fā)生開挖面塌方的事故。 因此安裝礫石破碎裝置和 排礫裝置, 增加了泥水加壓盾構(gòu)的適用場合。 當(dāng)使用泥水時, 開挖面的穩(wěn)定就容易保持。在有地下水可能涌出的場合下, 管片不再是不

40、能進行拼裝了。 但若不詳細地調(diào)查礫石層顆粒級 配組成、地層變動情況、 地下水涌出量、 流量以及礫石的嚙合等狀況, 則是否需要采用泥水 就值得考慮了。貝殼層很難稱為一種土層、 但含有水存在于土體中的貝殼很多, 同上述礫石層一樣更加 堅硬,開挖面很難穩(wěn)定,但使用泥水并用大刀盤挖土就可以成為能適應(yīng)的地層。除巖層以外, 泥水加壓盾構(gòu)能適于各類地質(zhì)的土層, 對開挖面難以穩(wěn)定的土質(zhì)特別有效, 除地層 (含水 因素以外, 還能克服地面條件和其它地下條件的因素所造成的種種困難而取得 成效, 譬如上部是河或海等有水體的地方;有道路、建筑物的地方;有土中埋設(shè)物和地下結(jié) 構(gòu)物的地方, 適合于要減少沉降的地方等。 在

41、這些場所采用泥水加壓盾構(gòu), 無論在工法上還 是經(jīng)濟上都是有效的,見表 5吧。表 5 盾構(gòu)選型參考表原則上通用 應(yīng)用時需要探討 1617 2.2 泥水盾構(gòu)掘進工況切削方式切削方式通常有下圖三種,見圖 24。其中回轉(zhuǎn)切削方式的結(jié)構(gòu)緊湊,因其易于調(diào)整側(cè)向 傾斜,一般多采用這種方式。 圖 11 泥水盾構(gòu)常用切削方式一般根據(jù)施工要求和土質(zhì)條件確定構(gòu)造形狀。幅條形狀可減少切削時的實際扭矩,便 于將土砂排出。 面板形狀對工作面的支護及工作面保存注漿材料有效。 刀盤前端的形狀分為 中心凸出、 全部凸出。凹陷等數(shù)種, 選用時應(yīng)根據(jù)工作面的穩(wěn)定條件來決定。在含有大礫石 的地層中,要注意由于形狀不同會產(chǎn)生耐磨耗程度

42、不同的問題。(1 旋轉(zhuǎn)刀盤支承方式旋轉(zhuǎn)刀盤在支承構(gòu)造上主要有兩大方式:中心支承方式和周邊支承方式。滾筒刀支承方式見圖 12,中心周邊支承方式見圖 13,中心支承方式的泥水加壓平衡盾 構(gòu)掘進機見圖 14、圖 15, 周邊支承方式的泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進機見圖 16, 圖 17。 圖 12 滾筒力支承方式 圖 13 中心周邊支承方式 圖 14 中心支承方式 6.15m 泥水加壓平衡盾構(gòu) 圖 15 中心支承方式 10.02m 泥水加平衡盾構(gòu) 圖 16 周邊支承方式 3.97m 泥水加壓平衡盾構(gòu) 圖 17 周邊支承方式 6.75m 泥水加壓平衡盾構(gòu)根據(jù)各自特征、 開挖面狀況、 土質(zhì)以及礫徑等可選擇相應(yīng)支

43、承方式使用。 這兩種支承方 式的主要特征比較如表 6 旋轉(zhuǎn)刀盤的兩種支承方式比較21 此外, 尚有中間支承方式。 這種中間支承方式特征是在強度方面均衡, 多用大中直徑的盾構(gòu)中。 如日本東京灣海底隧道泥水盾構(gòu)的刀盤支承方式, 根據(jù)下述條件, 采用了中間支承 方式:·外徑為 14.14m 大直徑盾構(gòu)掘進機;·由于掘削的土層多數(shù)是洪積性的粘性土土層,事先采用能防止土砂在倉內(nèi)粘附滯留的 形式;·能承受作用在刀盤上的偏心荷重所產(chǎn)生的扭矩; ·地鐵復(fù)線級以上的泥水盾構(gòu)都采用中間支承方式, 并有大直徑盾構(gòu)用支承方式的實績; ·刀盤驅(qū)動方式采用在效率上、噪音方

44、面及坑內(nèi)溫度等作業(yè)環(huán)境上有利的電驅(qū)動方式。 考慮到上述幾點因素,配置了能充分承受外壓的結(jié)構(gòu)及材料。 中間支承方式 14.14m 泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進機見圖 18。圖 18 中間支承方式 14.14m 泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進機對于泥水盾構(gòu)直徑 7m 左右的刀盤中間支承方式, 通常有多種。 除與土質(zhì)等因素有關(guān)外, 還與粒徑有關(guān)。 日本大川隧道泥水盾構(gòu)施工的地層中除混雜有粘性土外, 根據(jù)鉆探結(jié)果砂礫 層中的礫徑 30mm 左右, 約按 3倍取值, 按最大礫徑 100mm 來作定中間支承方式。 參見圖。 22圖 19 7.15m 泥水盾構(gòu)刀盤中間支承方式在采用中間支承方式時,為防止粘土在土倉內(nèi)粘附,應(yīng)事

45、先采取預(yù)防措施,下述是阪 神鐵路隧道直徑 7.15m 泥水盾構(gòu)對粘性土的防附著措施。這條隧道一次掘進長度 2325m , 掘削的土質(zhì)種類多樣,其中遇到洪積粘性土。由于洪積粘性土 Uc 1是自立性強,且非常硬粘性土,在其它工程中曾發(fā)生過粘附土倉 內(nèi),妨礙泥水流動,造成堵塞和不能掘進的事例。對于預(yù)計可能將會發(fā)生粘土附著和堵塞的面板里面以及土倉內(nèi)的各個地方,所采取的 防止泥水滯留, 防止粘土塊附著的措施有:在送泥管前端方向設(shè)置岐管; 在中間部設(shè)置固定 翼:中間梁的圓形狀化 :設(shè)置攪拌翼、清洗管等。具體處理措施風(fēng)表 7和圖 20。 圖 20 防止洪積粘性土粘附的處理措施圖表 7 防止粘性土粘附的主要措

46、施 圖 21 直徑 11.22m 泥水加壓平衡盾構(gòu)大刀盤 面板機械掘削式盾構(gòu)掘進機中的面板,在通過泥水加壓的同時也是支護開挖面的重要機構(gòu)。 因此, 面板開口的寬度、 形狀及大小等至少要滿足能夠排除掉礫石和障礙物, 并且有良好的 耐磨損性和耐腐蝕性。 刀具 (刀齒、刀頭 刀具多數(shù)是采用在母材上焊接超硬合金鋼的材料,要求母材耐磨性能高,焊接性能好。 能常使用相當(dāng)于鎳鉻鉬鋼 (SNCM8 的鋼材。超硬合金鋼要求硬而不脆,生產(chǎn)的盾構(gòu)一般使 用日本工業(yè)標(biāo)準所規(guī)定的 JIM3916材料。刀頭形狀必須與土質(zhì)相適應(yīng),在粉砂層和粘土層中使用切削形;在礫石層中使用能起 出礫石的刀形;在泥巖、礫石等場合則使用圓盤滾

47、刀,能起到使巖體受擠壓力面碎裂作用。 一般情況下,為了讓刀頭能在左右旋轉(zhuǎn)時使用,多數(shù)將刀頭安裝成左右對稱形。但也 有當(dāng)反方向旋轉(zhuǎn)掘進時,因刀齒背面受到磨損,使母材與面板間的安裝部位受磨損而減少, 引起刀齒脫現(xiàn)象。在掘進礫石層時, 經(jīng)常能看到刀齒的缺損。 因此,希望刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計成能 在掘進中途可以更換的開式。切削刀的配置必須根據(jù)圍巖條件、 盾構(gòu)外徑、 切削刀頭回轉(zhuǎn)數(shù)、 施工掘進長度等確定。 在隧道長距離掘進中,有關(guān)刀頭防磨損問題是一個最大難題,日本大阪野田阪神鐵路 隧道河段,包括橫穿約 800m 寬的淀河在內(nèi),一次掘進長度 2325m 的隧道,是屬于極長距 離隧道,覆土厚度范圍在 941m ,表

48、明覆土厚度差距其距甚大。掘削的土質(zhì)種類多樣,并 且處在砂層和砂礫層中,受到地下水壓力有 0.4Mpa ,為高水壓下的隧道掘進施工,因此, 在這工程用的兩臺泥水盾構(gòu)掘進機制造時就開始采取防磨損措施,取得了良好效果。主要處理措施:·增加刀頭排列的行數(shù)在面板的同一軌跡上,為了能重復(fù)掘削,通過增加刀頭列的行數(shù)來增加刀頭數(shù)量,以 減輕每一刀頭的負擔(dān)。·安裝破碎礫石用的滾刀頭經(jīng)過滾刀先行后, 使礫石破碎, 再通過沖擊使礫石損壞、 脫落, 這樣就保護了主刀頭。 ·采用長短刀頭將有高低不等 (30mm 的長短刀頭編為一組,當(dāng)長的刀頭 (一次刀頭 磨損后,用短的23刀頭 (二次刀頭

49、 可以進行切削,這樣在總體上使臨界磨損量增大。 圖 248 刀頭配置圖·采用超硬的重型刀頭連同安裝刀頭用的架座也一起大型化,加大安裝在刀頭前端超硬刀頭的重量,以達到 增大刀的臨界磨損量。·采用雙刀頭為了用刀頭基材磨損來防止超硬刀的脫落,在刀頭基材中埋入超硬刀。·刀頭的背面防護在超硬刀背面施行了充分的硬化堆焊,以防止基材的磨損。·配置先行刀頭由先行刀頭的先行掘削,達到減低主刀頭的切削負荷。刀頭磨損實測圖見圖 22,刀頭磨損狀況見圖 23。 圖 22 刀頭磨損實測圖表上行線 下行線2425 上行線 主刀 下行線 主刀 刀盤開口槽 (進土開口部位 刀盤開口率以

50、下式表示:rSA A =式中: 開口率S A 面板開口部分總面積 (不包括刀頭的投影面積 r A 盾構(gòu)開挖斷面積在一般條件下,幅條數(shù)與盾構(gòu)外徑成比例增加,開口率也有加大的傾向。 即使是粘性土,也是將開口率加大進行開挖。在易坍塌的地層中,如果開口率加大,則有過多的土砂易被排出的危險,必須注意 開口槽形狀及尺寸往往受幅條數(shù)、排出土石的尺寸等所制約,必須注意。供進土用的開口槽置于刀盤的后部,其寬度根據(jù)最大礫徑來決定。但是,從整個出土圖 23 進洞時的面板狀況圖標(biāo) 24 刀頭的磨損狀況量來進行比較, 如果只有少量的礫石, 那么適合最大礫徑的寬度未必就是適合的希望在考慮 開挖開挖面穩(wěn)定的同時, 盡可能選

51、擇最小面積的開口槽。 在開挖工作面有破碎礫石功能的盾 構(gòu)中,對開口尺寸有時也要給以限制。通過開口寬度為 10cm 左右。此外,也有使用改變開 口槽寬度的開式。開口槽的數(shù)量和形狀種類繁多,其面積多數(shù)占刀盤面積 10%左右。結(jié)合土質(zhì)條件,選 擇幅條的寬度及數(shù)目,可大致如下:礫石地層采用與礫石直徑相符的幅條寬度,其數(shù)量 少一些好; 砂性地層采用最小限度的寬度,期數(shù)量也宜少; 粘性土地層采用適用排土的幅條寬度,其數(shù)量多些 好。刀盤開口槽開閉裝置在盾構(gòu)掘進處于停止?fàn)顟B(tài)或開挖面不穩(wěn)定時,需要 關(guān)閉刀盤的開口槽。刀盤的開口槽開閉裝置的構(gòu)造形式有以下幾種。 ·擋板式將刀盤停止在一定的位置上,由千斤頂

52、從后面隔板 處將擋板伸向刀盤,關(guān)閉切削刀盤開口槽。這種形式正 受到廣泛使用,只能用于中心支承式刀盤,使其做到全開或全閉,但不能半或半閉,見圖 25。·滑板式滑板式是采用拉門方式。 但是當(dāng)土砂刮入時, 由于礫石破壞拉門會造成動作不良。 拉門 的優(yōu)點是可以通過拉門開度來換開口率。 它可用于中心支承和周邊支承式兩種形式上, 見圖 33。·轉(zhuǎn)板式由于是用銷子固定轉(zhuǎn)板,動作不良現(xiàn)象少。它不僅能全開,也可以半開。但由于結(jié)構(gòu)復(fù) 雜, 因礫石引直起的損壞和粘性土的粘附, 使開口槽也有堵塞危險。 轉(zhuǎn)板式只適用于周邊支 承式刀盤,見圖 34。 ·橡膠板壓著式橡膠板壓著式是隨著推進產(chǎn)生

53、的壓力使插入開挖面?zhèn)鹊南鹉z板打開,若一旦將力釋放,圖 25 擋板式開閉裝置 圖 26 滑板式開閉裝置圖 27 轉(zhuǎn)板式開閉裝置則橡膠板被推到開挖面來進行支撐的方式,但使用較少。·百葉門式兩層面板,象百葉門那樣錯開來堵塞開口槽,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜幾乎不使用。 刀盤軸承和土砂密土封 ·中心支承式中心支承式應(yīng)能與大型中心軸旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的各種力抗衡。 小直徑盾構(gòu)的徑向軸承系用油 脂供油軸承,大直徑盾構(gòu)現(xiàn)使用靜壓軸承。靜壓軸發(fā)承的作用是在用油壓支承荷載的同時, 減少因起動時金屬接觸產(chǎn)生的損傷。 用 油壓使其浮起達到減少磨損。徑向軸承采用軸向球面滾柱軸承。土砂密封一般使用鐵橡膠 U 型密封。其結(jié)

54、構(gòu)是在 U 型密封部,從其背面供油到 U 型密 封和主軸間,并設(shè)定高于泥水壓力的油壓,以防止泥水的滲入。·周邊支承式徑向軸承有金屬、滾柱軸承等,但金屬較多,軸向軸承有滾柱、金屬、滾柱軸承等,其 中滾柱最多。驅(qū)動部密封為雙層凸緣形密封, 一般從凸緣背面壓送油脂。 該密封是聚胺脂橡膠, 用供 入油脂來防止泥水滲入和滑動部的磨損。(1刀盤扭矩刀盤所需扭矩由下列公式進行計算, 另外還要考慮到經(jīng)驗公式和余量后才能決定刀盤扭 矩。中心支承式321T T T T +=式中:1T -由土的切削削阻力產(chǎn)生的扭矩2T 與土的摩擦阻力所產(chǎn)生的扭矩3T 機械阻力產(chǎn)生的扭矩周邊支承式式中 54321T T T

55、 T T T +=1T 由土的切削阻力產(chǎn)生的扭矩2T 與土的摩擦阻力所產(chǎn)生的扭矩3T 機械阻力產(chǎn)生的扭矩4T 機械阻力 (徑向荷載 產(chǎn)生的扭矩5T -密封阻力產(chǎn)生的扭矩經(jīng)驗公式3D T =式中 T 刀盤扭矩 (t-m系數(shù)D 盾構(gòu)掘進機外徑值的平均值一般為: 中心支承式 0.91.1 周邊支承式 1.01.5不同土質(zhì)的 值 (根據(jù)經(jīng)驗 見表 8。表 8 根據(jù)不同土質(zhì)的 參數(shù)值 (5推力盾構(gòu)掘進機設(shè)備的推力是對下列阻力進行計算并取其兩倍值。2 F F F F (F 4321+=式中:1F 土和盾構(gòu)殼體的摩擦阻力 -2F 管片和盾構(gòu)殼體的摩擦阻力 (三環(huán)左右的重量作用于盾構(gòu)殼體 3F 刀盤的剪切阻力

56、 4F 正面阻力 (土壓 +水壓 從施工中可以了解到幾乎是用 1/2的力推進,并和原計算值幾乎一致。施工中,設(shè)備推力為 100120t/m2,中心支承式和周邊支承式都采用相同的值。盾構(gòu)掘進機 裝備力的推力的逐年變化見圖 28。 圖 28 盾構(gòu)掘進機裝備推力的逐年變化盾構(gòu)千斤頂?shù)呐渲糜衅骄植荚趫A周上的形式和在下部左右等部位略多配置幾個的形 式。這種配置是用于防止盾構(gòu)下傾或曲線段較多的場合,但位置的確定要兼顧管片的強度。此外, 盾構(gòu)千斤頂?shù)膿螇K一定要對到管片的肋骨等部位, 以便于推力的傳遞。 若千斤頂中心 偏向內(nèi)側(cè)或管片受到偏壓,則都將造成管片破損。盾尾密封是安裝于盾構(gòu)掘進機體尾部的內(nèi)側(cè)、 位于

57、盾尾與管片之間、 是用來防止地下水、 泥水和壁后注漿漿液對盾尾的滲漏。 由于泥水加壓平衡盾構(gòu)切口部位泥水室中因加壓, 使泥 水滲入盾構(gòu)殼體周圍并流入背部,將會引起開挖面壓力降低, 影響開挖面穩(wěn)定。因此, 盾尾 密封裝置的耐久性及其密封性能就成為一個特殊而重要的問題。 由于密封裝置是設(shè)在滑動部 位, 所以當(dāng)其受力后面被磨損和撕拉引起損壞時, 就會滲漏較多的漿液和土砂, 進而嚴重影 響隧道襯砌在盾尾部位的拼裝作業(yè)。實際施工中希望使用能夠修復(fù)的盾尾密封裝置。最近盾尾密封的開發(fā)大有進展, 特別是泥水加壓平衡盾構(gòu), 有三層鋼絲刷, 使盾尾部位 的泄漏和泥水的劣化程度逐漸減少。在盾尾密封材料中,有橡膠、鋼、不銹鋼、聚胺脂和一 些組合材料等,其形狀有板狀、繩狀、刷子