大漂石、砂砾地层及高地下水位的地质水文条件下土压平衡

　　摘要：大漂石、卵石地层及高地下水压的地质水文条件下盾构掘进，面临的困难是地下水位高、大砾石和漂石的处理以及长距离在砂砾石地层中掘进。本文阐述此种地质水文条件下，土压平衡盾构机刀盘、刀具和螺旋输送机的选择及其原理。
　　关键词：大漂石；卵石层；高水位；刀盘；刀具；螺旋输送机；土压平衡盾构机
　　1前言
　　根据工程的地质有以下两个特点：一是卵石层卵石含量高、粒径大：有报告称卵石含量竟占68%，粒径30～550mm，局部地段大粒径砾石含量较高且局部富集成群，已发现漂石最大粒径670mm；二是地下水位高，透水系数大。
　　采用盾构法施工，是穿越这样复杂地层的首选。面临的困难是地下水位高、大砾石和漂石的处理以及长距离在砂砾石地层中掘进的盾构机正确选型。
　　由于卵石漂石在管道中输送时阻力大，输送效率低，因此相对于泥水平衡盾构机而言，在此种地质水文条件下，宜优选加泥式土压平衡盾构。
　　那么土压平衡盾构机在这种地质水文条件下，要克服长距离沙砾层掘进、大砾石和漂石的处理、地下水位高的情况下发生管涌，盾构机的主要部分，比如刀盘、刀具和螺旋输送机，又该如何选型呢？下面将谈谈这方面的一些看法。
　　2刀盘、刀具选型
　　在上述地质中掘进，刀盘主要考虑的是刀盘、刀具的耐磨性以及如何破碎大粒径漂石。
　　2.1刀盘类型选择
　　在大漂石、砂砾地层及高地下水位的地质水文条件下，刀盘类型选择主要考虑如下因素：
　　1、石块大小
　　1)由于大粒径石块的存在，设计刀盘开口允许通过的最大粒径应不小于500mm。
　　2)为限制比螺旋输送机的最大处理直径大的石块进入刀盘仓，需要采用带有滚刀的平开式刀盘。石块会先被滚刀切碎，然后进入刀盘仓，最后被螺旋输送机输出。
　　3)在碎石含量多的砂卵石层，为防止由碎石所引起的磨耗损失，建议采用幅条式刀盘。
　　2、开挖面的稳定效应
　　1）平开式刀盘有利于控制塌方，但刀盘和刀具会出现严重的磨耗损失。
　　2）幅条式刀盘对塌方控制较差，但泥土很容易就会流进土仓，刀盘和刀具的磨耗损失可降到最低。
　　3、土压监控
　　1）平开式刀盘，通过监测开挖的泥土体积进行压力监测，是被动的压力控制方式。
　　2）幅条式刀盘，可直接通过土压传感器监测到土压，通过控制土压和监测开挖体积进行压力监测，是主动的压力控制方式。
　　针对成都地铁的地质情况，推荐使用以幅条式为主的辐条平板混合式刀盘。
　　2.2刀盘的结构
　　结合土压平衡式盾构机在广州地铁推进时的经验以及对成都地区漂石粒径大，卵石含量多的地质特点的深入研究，作以下几点建议。
　　1、盾构机刀盘的设计强度以在刀盘前方有50ton/m2阻力而刀盘不会破损来设计；为防止刀盘中心产生泥饼，增加中心滚刀和刀盘搅拌棒。
　　2、为使刀盘在硬质岩石掘进中有较好的削岩效果，其拱型结构需能设置39环的17英寸滚刀。为了能让粒径最大不超过500mm的卵石直接进仓，在保证强度刚度的情况下，尽可能加大中央开口部，建议开口率可设计为37％。
　　3、土体主入口及注水口设置：在刀盘开挖面中央设置2处土体注入口，在外周部设置3处，加上隔仓上部和中心部的2处，共配置有9处土体注入口，用于注入土体改良介质。此外，为了防止刀盘中央部的泥饼堵塞，设有2个清洗用的注水口，以便防止刀盘中心部位的泥饼产生。
　　4、搅拌棒设置：刀盘外周部3处装有固定搅拌棒，对于处理附着的土砂和刀盘及中间梁一起滚动容易引起土砂堵塞的现象，搅拌效果尤为明显。
　　2.3刀具的选择
　　对于刀具，必须满足如下条件：
　　1、选用硬度大、抗剪性好的优质钢材制作刀刃；
　　2、外周刀应多于其他切削轨迹上的切削刀；
　　3、刀盘上的刀具过渡平滑，刀具受力尽可能均衡；
　　4、各种刀具均可从刀盘内部进行拆卸及更换，以满足长距离掘进的需要。
　　主要刀具选择分述如下：
　　1、滚刀、切刀
　　建议采用17英寸圆盘刀，滚刀从刀盘伸出量150mm，以此来提高掘进速度。此外通过加大面板与土体之间的间隙，减小因刀盘前面的堵塞而产生的影响。整个刀盘布置8把中心双刃滚刀，23把单刃滚刀和110把刮刀。滚刀采用背装式设计，可在土仓内实现更换
　　2、贝壳刀
　　在遇到全部或接近全部为软土层地质条件下，设计使用特殊先行刀（俗称贝壳刀）取代全部滚刀。贝壳刀的基本形状如右图所示，具体的尺寸依据项目实际情况而定。采用背装式设计，可在土仓内实现更换
　　3、切刀：配备拳式切刀，直接用螺栓固定在刀盘辐条上，用于对抗挖掘硬岩、大颗粒砾石等时产生的剧烈冲击。
　　4、辅助切刀：刀盘面上，配备了24把辅助切刀。
　　5、外周侧面保护刀：外周侧面保护刀被安装在刀盘外周环部，同时还与外周环上的硬质堆焊一起发挥防止刀盘外周部磨损的作用。在刀盘外周部设置了12个防磨损刀头。
　　3螺旋输送机选型与防管涌方案
　　螺旋输送机类型的选择具体由地质条件决定。在成都地铁中，主要考虑如下因素：
　　1、石块大小
　　需要满足最大粒径500mm的卵石能够通过螺旋输送机输送出去。
　　根据目前螺旋输送机的情况，采用带式螺旋输送机，石块最大直径必须在螺旋输送机直径大约2/3以内；对于石块直径在500mm左右的，采用带式螺旋输送机更为合适。
　　2、地下水位
　　在高地下水位条件下，采用双门式优于单门式。因此，采用轴式螺旋输送机优于采用带式螺旋输送机。同时，采用多级螺旋输送机优于采用单级螺旋输送机。
　　综合以上，建议采用最少双门设计的二级螺旋输送机，该输送机中尾部螺旋选用轴式的，而前部选用带式的。这种“带式+轴式”的螺旋机设计，将极为有利于解决“管涌问题“。
　　这样，大直径的漂石可以通过一级带式螺旋输送机输送，当石块到了带式螺旋输送机的末端，中继门会关闭而石块修正门将会打开，以释放石块。
　　根据以上设计理念而形成的多级螺旋输送系统如图六。它包括下述2个系统：

　　1号螺旋机：带式输送，允许最大通过石粒直径450毫米；
　　2号螺旋机：前三个螺距采用带式不含轴，剩下部分采用带轴式螺旋输送系统；
　　2个螺旋机之间，设计一个闸门；
　　2号螺旋机的前三个螺距部位，设计一个专门处理大粒径石头的闸门。2号螺旋机的尾部为另一个主要卸料闸门。
　　正常操作情况下，2号螺旋输送机是解决喷涌现象的关键。由于估计每个螺距的压力降为0.2公斤，所以整个2号螺旋输送机能有效解决水压达到3公斤时的喷涌问题。
　　如果出现粒径达到450毫米的石块，该石块最多可以输送到2号输送机的第四个螺片处，此时关闭1号闸门，该石块可以方便地从大粒径闸门卸走。
　　以上螺旋输送机在日本札幌地铁工程6710mm土压平衡盾构机中应用并取得成功
　　4结论
　　1、针对砂卵石地层长距离掘进磨损大、石块粒径大的选型要点
　　1）盾构机刀盘的开口率增大至37％，在刀盘外缘部分，粒径小于400mm的石块可以正常通过。此外，刀盘中心部位允许粒径小于500mm的石块进入到土仓之内，并由“带式+轴式”螺旋输送机运送出去。
　　2）采用复合式地层的刀具布置方案，超过500mm的土渣可以通过滚刀的破碎达到进入土仓的粒径要求，配合大的刀盘开口率，从而有效的减小了石块因为小开口率刀盘进入不了土仓而反复磨损刀盘的情况，使得刀盘整体使用寿命大大增强。
　　3）耐磨设计
　　刀具均采用了特殊硬质高强度合金钢，确保在复杂地层条件下的使用寿命，减小更换刀具的频率和次数。刀盘面板、主体钢结构、螺旋输送机和螺旋轴均采用进口耐磨钢板采用耐磨钢板和耐磨焊丝结合的保护措施，具备良好的抗磨损性能。
　　2、针对高地下水位，防止管涌选型要点
　　1）采用“带式＋轴式”双螺旋输送机，能够有效的运送粒径不超过500mm的石块。 由于双闸门螺旋输送机设计，有效的在螺旋输送机内形成土塞区，防止喷涌情况的发生。
　　2）在刀盘面板、螺旋输送机和土仓隔板上布置有多个土壤改良用的溶剂喷口。在需要土体改良时，土体改良剂通过管路由各个注入口注入到土仓和刀盘前部的土体，经过刀盘旋转混合后，达到改良土体、防止管涌的目的。
　　参考文献
　　[1]张凤样等.盾构隧道施工手册.人民交通出版社，2005
　　[2]成都市地铁办.成都市地铁二号线试验段水文、工程、环境地质条件，主要问题及对策专题研究报告，2007
　　[3]罗宾斯公司有关成都地铁二号线土压平衡盾构机技术方案的相关资料，2008

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