摘要：富水卵石层在盾构掘进过程中，会因丰富地下水与土体压力对掘进过程造成影响，同时地下水也会对刀具与刀盘造成侵蚀，因此，只有针对盾构机渣土改良技术展开研究，才可以实现提高掘进效果。基于此，本文首先将会简述地层土体结构，而后针对盾构机设计展开分析，进而针对渣土改良技术展开研究，以此制定出有效改良方式，旨为相关人员提供参考帮助。
关键词：富水卵石层；盾构机；渣土改良技术
引言
盾构在富水砂砾地层中掘进时，因地层中土体的渗透性系数较高，土体颗粒间的黏结力较小或无黏结力，丰富地下水存在会起到一定高度的水头压力作用，盾构开挖面土体被切削后不能在土仓内形成良好地流塑性，这时渣土则不能在螺旋机内形成土塞。因此，就应针对富水卵石层土压平衡盾构机渣土改良技术展开研究，以此来提高盾构掘进效率。
一、地层土体结构
土体基本都是由液体、固体以及气体所构成，个别土体中可能会蕴含较为天然的结构面，也会随着温度、应力与地下水发生变化。例如在水力所产生的压力，水就会将岩石透过，也可以称之为透水性，岩石的渗透参数是观察透水性的主要指标，通常岩石中的渗透性都会小于透水性，在一种岩石中如果出现裂缝的话，渗透性就会逐渐增加，因此，岩石的空隙性能够对透水性造成直接影响。此外，在设计盾构机时要明确盾构机施工所在地的土地结构，以此来实现提高盾构掘进效率与质量[1]。
二、盾构机设计
1.刀具布置
通常情况下盾构机在运作的过程中需要设计两把仿形刀，一把用作于正常土体开挖，另一把作为备用刀具，而仿形刀一般情况下需要安装在刀盘的边缘位置。在施工的过程中且使用仿形刀时，需要根据实际超挖部分与范围，来确定边缘位置的仿形刀伸缩情况，并且一般情况下仿形刀的伸出最大值约为70——150mm左右。当盾构机在作业的过程中以曲线段的方式推进时，可以通过仿形超挖土体开拓的空间来确保盾构机的曲线段推进，从而可以为盾构机曲线推进与转弯纠偏工作可以顺利进行。
2.开口率确认
刀盘开口率主要指的就是盾构机刀盘面板开口部位的总体面积与刀盘面积之间的对比值，而通常情况下，由刀盘切割下来的渣土会随着刀盘开口槽而流向储土仓，确定刀盘的开口率时需全面结合开挖地区的地质情况、开挖面的承载能力、开挖的效率，通过各项参数的计算得出刀具的形状、尺寸以及配置等。因为土压平衡盾构机的开口率较宽，这时实际选取的参数约在10%——30%。同时，刀盘开口的位置需要尽可能的靠近盾构刀盘的中心位置，以便可以降低渣土在盾构机刀盘中心出现无法流通的情况，最终造成盾构刀盘中心位置出现泥饼，降低盾构刀盘的实际运行效率。此外，因为盾构刀盘的中心位置线速度较低，而黏土、粉土以及膨润土等粘稠土体，在盾构刀盘的中心位置会出现流动性较小的情况，这时粘稠土体将无法流向储土仓，若要克服这一问题就需要增加中心位置的开口率，从而可以适应多种地形情况与土质情况[2]。
三、渣土改良技术
1.优化盾构开仓可操作性
1.1开仓前辅助施工
为保证舱内的加固效果，并确保开仓之后“后面来水”现象，须进行盾尾封堵，同时应采用三轴搅拌桩，对于盾构机刀盘停机的位置进行加固处理以确保地层的稳固性。封堵盾尾阶段材料应采用水泥浆，水泥采取350~400kg/m³掺量，膨润土采用300~400kg/m³掺量。
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1.2开仓前气体检测
开仓前，需严格进行舱内有毒、有害、易燃易爆气体检测工作，并基于《气体检测记录表》和《施工日记》进行检测记录，要求有害气体CO最高浓度≤0.0024%，甲烷浓度≤1%，H2S≤6.6ppm，O2浓度维持在18%~23.5%之间，确认气体检测合格后，方可打开仓门，对于检测不合格则应及时开展强制通风换气。
1.3开仓
开仓必须严格遵循《建筑施工现场有限空间作业安全审批表》开展工作，仓门打开后需要对撑子面地层进行初步判断，确认地层稳定后，打开通风口仓内盖板，引入风管通风开始空气循环，关闭泡沫系统作业，及时开展的刀盘清理，确认刀盘是否产生偏磨，若产生进行偏磨量确认，检查刀盘是否结泥饼，刀具处理阶段，必须确保通风连续性，且气体检测人员须时刻进行仓内气体观测，一旦发现气体异常立即撤出人员并加大通风力度。
1.4刀具更换
刀具更换阶段必须严格遵循如下标准，正面滚刀的刀圈若磨损量达到20mm，必须更换刀具；边缘滚刀的刀圈磨损量达到10mm则必须换刀，中心滚刀刀圈磨损量达到20mm期间必须换刀，同时边缘、正面刮刀若出现严重的崩齿现象，或是刀具的合金堆焊层磨损严重，则必须更换边缘刮刀或正面刮刀，刀具更换期间必须严格遵循“拆1装1、逐臂更换”原则。
1.5关闭仓门
仓门关闭阶段，首先确认工具、杂物是否有遗留在土仓内，确认无误后撤出人员，关闭所有预留送气口、阀门与排气口，仓门关闭后机械技术人员、盾构负责人须进行复核，确认仓门正常关闭后才可恢复掘进作业。
2.荷载计算
2.1盾构机正常运行工况分析
盾构机正常运行工况下，刀盘边缘为最大部分，变性值最大达到1.578mm，变形现象会自中心向边缘逐步扩散，盾构机刀盘受力期间，半径越大则受力越大，此刻，刀盘面板各部位的为应力存在差异，应通过设置边缘刀具来平衡刀盘边缘变形问题。应力分布方面，正常掘进作业下，面板各部位应力相同，主梁部位应力稍大，悬臂、法兰盘链接部位应力值最高，应力相对集中，故应采取合理的加工工艺，焊接阶段确保刀盘的整体变形始终处于可控范围内，在设计刀盘采用钢材料，屈服极限=345MP，最大应力值=189MPa，屈服安全系数=1.8，小于材料许用应力192MPa，故可保证刀盘整体结构强度。
2.2最大推力工况
在最大推力工况下，盾构刀盘副梁所对应的刀盘边缘变形量最大，为13mm变形量，从边逐渐向中心递减，在最大推力工况下，单独副梁对应的刀盘边缘等同于自由端，故会出现较大变形量，在最大推力掘进作业阶段，刀盘最大应力集中在刀盘固定部位，同悬臂连接处应力值达到330MPa，已经超过刀盘制作材料许用应力，故为保证刀盘安全运行与掘进的效率，防止刀盘因巨大变形影响工期，盾构机掘进阶段应避免使用最大推力开展掘进。
2.3启动受力工况分析
在盾构机启动阶段，刀盘最大位移同样位于边缘部分，变形量为0.017mm，相比最大推力和盾构机正常运行两种工况，启动受力阶段刀盘变形量较小。当盾构机采用最大扭矩启动，则刀盘此刻的最大扭矩=155MPa，该扭矩在刀盘设计材料许用影流范围内，因而不会对正常掘进造成影响[3]。
四、结束语
综上所述，土压平衡盾构要求作为支撑介质的土体具有良好的流塑性、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。由于盾构区间土体不能完全满足这些要求，为防止上述喷涌现象的发生，需要对渣土进行改良。其技术要点是通过盾构配置的专用装置向刀盘面，土仓内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂，使盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦力。
参考文献：
[1]邓江云, 陈勇, 杨武. 砂卵石地层中土压平衡盾构的渣土改良技术分析[J]. 市政技术, 2018(4):120-125.
[2]薛战龙. 富水砂卵石地层土压平衡盾构机掘速度讨论[J]. 军民两用技术与产品, 2018(22):235-235.
[3]肖超, 谭立新, 陈仁朋. 考虑渣土特征的盾构施工力学动态耦合仿真研究[J]. 岩土工程学报, 2019(6):1108-1115.
论文作者:聂艳青
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：盾构论文; 渣土论文; 应力论文; 刀具论文; 地层论文; 工况论文; 边缘论文; 《基层建设》2019年第30期论文;