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摘要：粉砂性土层是一种较为常见的地质情况，在隧道建设的过程中经常会遇到，这种土层对隧道的建设是有着一定影响的，目前在隧道建设当中应用最广的土压平衡盾构对粉砂性土层进行作业的过程中有着一定的难度，无论是对平衡盾构本身的刀具、螺旋机设备等的磨损还是泡沫系统存在的问题都阻碍了在粉砂性土层进行隧道建设的效率并且在很大程度上提高了工程成本。本文将对隧道建设中遇到粉砂性土层的情况下如何对土压平衡盾构进行优化通过对刀具、螺旋机设备的优化来减少磨损再对泡沫系统的不足进行弥补从而在最大程度上保证工程的效率以及降低工程造价。
关键词：粉砂性 土层 盾构 施工 优化措施
我国的地质环境极为复杂，丘陵、平原、盆地多种错综复杂的地形使得其地质也有着一定的差别，在隧道建设的过程中遇到不同的地质需要进行不同的盾构优化从而保证工程的顺利进行。粉砂性土层是一种较为常见的特殊地质土层在这种土层的基础上进行隧道的建设是极为吃力的，其对于盾构设备的磨损是较大的，加之这种地质环境下盾构泡沫系统也存在着一定的问题，因此如果对盾构施工进行优化从而使其更加适应于粉砂性土层则成为了建筑行业里一个较为关键的问题。今天笔者将和大家谈一谈关于粉砂性土层中盾构施工的优化措施。
1、刀具与螺旋机设备的耐磨加固
1.1 刀具的耐磨加固
粉砂土层地质当中盾构的刀盘尤其是刀头的磨损是极为严重的，是盾构刀具在一般粘性土中磨损的两倍左右，这实际上不难理解粉砂土层当中含有大量的沙粒而沙粒本身的硬度达到了9以上，而金属的硬度远远不及因此出现磨损也是较为正常的。刀头本身是自带磨损条的但是在粉砂土层的环境下磨损条很快就会被磨损殆尽，刀头就会直接开始磨损当刀头磨损到一定程度合金刀齿就会出现掉落，这无疑会对整个挖掘的效率造成极大影响。盾构开始挖掘后想要对刀头的刀齿进行修复是一件极为费力耗时的工作，如果每次都进行修复的话其所消耗的时间几乎是无可接受的。在这种情况下最为简单有效的方法就是对刀齿位置上的耐磨条进行加固从而减小磨损的出现。不过在哪一个位置进行耐磨条的加固也是一个需要讨论的问题，如果对所有的刀头都进行加固那么无疑会浪费大量的时间和成本，因此必须对加固刀头的范围进行选择。一般情况下刀盘 1/2 半径范围内的刀头，由于转动线速较小，磨损不严重，不需要进行加固；在刀盘1/2半径 ~3/4半径范围内的刀头。需要适当加强，建议加焊宽度 10 mm、厚度5 mm的耐磨条；在刀盘3/4半径范围外的刀头，需要重点加强，建议加焊宽度20mm、厚度10mm的耐磨条。
1.2 螺旋机叶轮加固
粉砂土层除了对刀具有着较为明显的磨损外对于螺旋机叶轮的磨损也是较为明显的。在墩头左线推进是，经常会出现螺旋机扭矩偏大并且稳定性变差的情况甚至有时候螺旋机也会卡死，这种情况下只能够通过在土舱当中加水减少摩擦来保持渣土的流动性从而减少螺旋机的故障频率，但是这种方法必然会使得螺旋机出现严重的磨损。螺旋机的盾土仓分为起按盾土舱区域即前盾区和螺旋机套筒区即螺旋区。在这两个区域内螺旋叶轮的磨损情况实际上是不一样的，前盾区的螺旋叶轮的磨损主要是存在于A面，其磨损深度较大，螺旋区的叶轮则是B面磨损较为严重并且叶轮边缘的形状是极为尖锐的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在前盾区叶轮片面上各位置转动线速度不一样造成的磨损不同，叶轮 A 面附近的转速最大，因此磨损也主要集中在A面。碴土进入螺旋机套筒内后，A 面与套筒内碴土接触较少，虽然转动线速度最快，但实际磨损并不大。同时，螺旋区内的碴土，处于叶轮之间的密闭空间， 这就造成 B 面上碴土间挤压力较大，且该挤压力与叶轮面各点线性速度成正比关系。该挤压力导致螺杆叶轮面上摩擦严重，故在螺旋区内叶轮面边缘磨损最大。由于螺旋机叶轮不同部位磨损区域不同，其耐磨加固措施也应有所区别。
2、泡沫系统的优化与改造
使用土压平衡盾构进行施工时，为了避免盾构在粉砂土层的环境下受到过大的磨损除了各种加固措施以外对土质进行改良也是最为常见的一种方式，通过对粉砂土层土质的优化来减少盾构的磨损程度从而提高施工效率是一种较为有效的方式。目前对于粉砂土层渎职的改良主要是采用在盾构机的土舱当中进行泡沫的注入来进行的，利用刀盘本身的旋转和搅拌棒的搅拌能够让泡沫盒进入土舱当中粉砂进行混合从而达到改良土质的目的。不仅如此通过泡沫来改良土质还可以使得盾构的千斤顶推力下降，刀盘的扭矩以及螺旋机的扭矩减少从而使得盾构的推进速度得到提升，使得盾构自身的负荷下降从而使得其耗能降低，使得整体的施工进度得以保证。
2.1 泡沫系统的缺陷
泡沫系统虽然有着诸多优势但是其同样有着较为明显的缺点，其缺点总结起来有四点，第一是盾构泡沫系统不易控制，通常采用的自动化模式虽然操作较为方便但是泡沫量却过大，半自动式则操作量过大无法进行精准的定位判断。第二则是维修不变，大部分泡沫设备都是进口产品系统一旦损坏就必须与制造商联系在通过差行家来进行修理维修费用高昂的同时需要耗费的实践也较长。第三则是子系统与盾构总系统形成联动，子系统集成在盾构总系统当中一旦泡沫子系统出现问题则会使得整个盾构系统受到影响无法正常运行，而这使得工程的效率无法得到保障。第四则是系统本身具有着极高的复杂性泡沫管的数量是四根并且有着众多的控制阀使得盾壳内的空间变得十分有限，工人在工作的过程中容易对管路和阀门造成损坏，加之所有的管线都是依靠电动阀门来调节流量其精度较差，反应速度慢。
2.2 泡沫系统的优化
首先在供水系统方面外部主供水管的压力为400 kPa，经调节可在内部形成 200 kPa 的工作水压，供1个或者2个伺服泵分别吸取泡沫或者添加剂使用。伺服泵可设置2种混合物（水+泡沫或者水+添加剂）混合比例为1%~5% 或 2%~10%。其次，在维修方面应当推行国产化泡沫系统，从相关变频电机到控制阀门组全部使用国产配件从而降低维修成本和维修耗时。再次，对泡沫子系统与盾构总系统进行分离，使得泡沫子系统独立于盾构系统之外，避免泡沫系统出错后对整个系统的影响。最后，则是对盾壳内的管线数量进行简化，通过对供水系统的改造将原本的4管线变为1管线，使得其控制的复杂性降低并且节约空间。过优化改造后，泡沫系统的操作性、稳定性明显提高，系统故障率显著减小。盾构正常掘进过程中刀盘扭矩降低20%， 数值稳定；螺旋机的扭矩也降低30%，推进速度达到 3~4 cm/min ，提高近3倍。
结束语：粉砂土层作为一种常见的土质其对于土压平衡盾构的磨损程度较大并且影响其推进效率，这一问题实际上是必须得以重视的，只有通过各类优化措施例如加固刀具与叶轮以及采用泡沫系统并对泡沫系统进行优化才能够使得盾构顺利推进，提升工程效率。
参考文献：
[1] 王新，沈奇.土压盾构在砂性土中施工关键技术研究[J].施工技术，2013，（2）
[2]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及对地层适应性研究[J].土木工程学报，2010，43（3）.
[3]毕景佩，郭志涛.盾构在砂层中的施工技术探讨[J].铜业工程，2011，（4）
论文作者:陈冲
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第12期
论文发表时间:2017/12/12
标签：盾构论文; 磨损论文; 泡沫论文; 螺旋论文; 叶轮论文; 土层论文; 系统论文; 《建筑科技》2017年第12期论文;