摘要：本文针对盾构机在富水砂卵石地层中掘进，介绍了掘进中的重难点，刀盘、螺旋机如何选型、配置，进行有效的渣土改良及控制，洞内注浆参数的选择，预防、控制地面沉降，地面监测位置、时机确定，为今后类似问题的处理与解决提供了参考与借鉴。
关键词：盾构机；富水砂卵石；刀盘；渣土改良；注浆；监测
1.引言
在富水砂卵石地层中掘进，易对刀盘、刀具、渣土输送系统等部位磨损严重，选用盾构机时，要充分考虑刀盘、螺旋机的适应性；刀盘前极易出现固结泥饼现象，容易引起超挖，导致地面塌陷，施工中根据隧道所处位置与地层条件，合理设定开挖面压力，及时调整仓内泡沫、膨润土、水等材料的注入量，调整好渣土和易性，减小渣土对盾构刀具、刀盘的磨损及刀盘扭矩过大等问题，控制地层变形。调整土。合理确定同步注浆的材料、压力和流量，及时填充地层空隙，控制地面沉降，在施工过程中根据监测结果，及时进行调整。
2.刀盘及螺旋机的选用
盾构机在粒径较大的砂卵石地层中掘进时，经常遇到卵石将螺旋机卡死的情况，虽然通过螺旋机的正反转，前后伸缩能将一些石块排出，人工用风炮破碎，但是情况比较严重的会将螺旋机轴卡断，由于在隧道里修复，安全风险大、工期拖延久，社会影响不好，所以一定要避免断轴状况的发生。尽可能选择具有较大轮廓直径、牙高值和螺距的螺旋输送机，使其具有通过的较大直径卵石的能力，避免卵石不堵塞或卡死螺旋输送机。刀盘的开口一定要不能大于螺旋输送机的最大粒径尺寸，也可以采取在刀盘面板开口处增加格栅的方法阻止大粒径石块进入土仓。根据经验，我们一般选用开口率为35%左右的刀盘，开口率太大，大粒径卵石容易进入土仓、进入螺旋机，开口率太小影响渣土的流动性，影响掘进效率。
通常选用具有破碎大粒径卵石能力的盾构机。为能够破碎卵石刀盘需要配备滚刀以满足破碎卵石的功能，使大卵石的破碎成为可能。在砂卵石地层中硬岩滚刀的刃轨迹间距宜参照螺旋输送机能通过的最大粒径设定。
②刀盘及螺旋机适应性配置
A刀盘结构和布局
刀盘结构采用辐条加面板复合式结构，刀盘主要辐条和辐板采用Q345D材料，刀盘的强度和刚度均满足要求。刀盘整体开口率约37%。详见下图。
刀盘布局及开口率图
B刀具配置
a刀具配置：17英寸双联中心滚刀6把，刀高160mm，刀间距90-95mm；17英寸正面滚刀35把、17英寸边缘滚刀12把（其中最外轨迹2把），刀高175mm，正面滚刀刀间距100mm；切刀90把，刀宽度190mm，刀高140mm；边缘刮刀16把（开挖直径8600mm），刀高140mm；焊接式贝壳刀40把，刀高150mm。超挖刀1把。6把保径刀。刀盘面板设置4个液压式刀具磨损检测和1个钢结构磨损检测。详见刀高布置图
刀高布置图
b耐磨性：中心双联滚刀和单刃滚刀均采用镶嵌合金齿式滚刀，镶嵌合金齿式滚刀改变传统滚刀的设计理念，采用先进的热镶技术在刀圈上镶嵌合金齿，合金周边刀 圈母体敷焊 WC 硬质合金颗粒耐磨层，厚度5mm，WC 硬质合金颗粒性能与硬质合金相当，硬度可达到HRA85 以上，而刀圈基体采用优质的合金结构钢，热处理硬度达到 HRC50 以上，耐磨性至少是普通刀圈的 1.5 倍，减少换刀次数。刀盘正面焊接10mm厚耐磨板，刀盘面板设置4个液压式刀具耐磨检测和1个钢结构磨损检测。刀具磨损检测高度145mm，面板磨损检测高度10mm。耐磨网格焊条采用耐磨焊丝（CARBOFIL A600系列焊丝）所制堆焊层硬度在HRC51以上，具有优异的耐磨耐冲击性能。刀盘外圈合金宽度120mm，耐磨板厚度10mm，材质WNM400。详见下图；
刀盘外圈耐磨保护图
C螺旋机配置
螺旋机为实心轴设计，采用1台315kW的电机驱动，最大扭矩231kNm，转速0-22.1rpm，螺旋机轴（含叶片）直径1000mm，设计最大输送能力大624m³/h，螺距630mm，最大通过粒径450×590mm。螺旋机筒体上配置了渣土改良注入口，在本区间地层中掘进时可注入泡沫，改善渣土的流塑性。螺旋机出料口采用双闸门设计，在发生喷涌时可预防单闸门关闭不严等紧急情况发生。螺旋机叶片采用焊接耐磨块设计，整个螺旋机叶片上有50mm厚hArDox耐磨块，进料筒位置周圈也焊接了hArDox耐磨条，前三个螺旋叶片范围的轴上有耐磨保护，增强了螺旋机的耐磨性。详见下图；
螺旋机的耐磨设计
3.渣土改良及控制
在富水砂卵石地段进行渣土改良，利用膨润土挤压泵，通过向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆，在螺旋输送机内部形成土塞效应，有效防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩。利用盾构机上配置的单管单泵泡沫系统，通过刀盘面板泡沫孔向掌子面注入泡沫剂，减小砂土、卵石与刀盘、螺旋机的摩擦力，提高了土体流动性，保障出渣顺畅，以此加快掘进速度。通过盾体预留孔向土仓注入添加高分子聚合物进行渣土改良，可以增加水的稠度、吸收渣土中的水并改善渣土的结构，有效防止喷涌。
由于富水砂卵石地层经过刀盘扰动，地层变的非常松散，自稳性很差，在掘进过程中难易控制出土量，很容易造成超挖、地面沉降甚至地面塌陷。解决出渣量控制的首要条件是渣土改良，要求改良后的渣土可通过盾构机操作进行渣土排量有效控制；同时，出渣量要与盾构推进速度匹配。碴土应具有良好的塑性变形和软稠度，减小对刀盘和螺旋输送机的磨损；同时应具有足够的抗渗性，保证开挖面稳定性，减小对土层的扰动。
盾构机掘进过程中，采用比较单位掘进量的切削土砂运输车台数的方法或由螺旋输送机的转速来推算实际出土量（体积），并与理论出土体积进行比较，做好详细记录。实际出土体积与理论体积误差量应控制在正负3%以内。
4.注浆管理
盾构推进过程中，因地层特性及操作原因导致出渣超排，盾体上方出现松动或空腔，会引起同步注浆压力不稳定，注浆压力偏低，甚至会导致浆液沿裂隙流失。另外，注入大量的砂浆又造成盾体包裹，铰接油压超限，导致推进时盾构推力较大，推进速度缓慢的现象。所以，控制同步注浆主要以控制注浆量为主，控制压力为辅，根据注浆量和掘进速度确定同步注浆的注浆速度。盾构通过后及时二次注强注浆，对混凝土管片周围地层进行压密处理，二次注浆应主要以控制注浆压力为主，一直注到达到要求压力为止，一定保证浆液填满开挖间隙。建议注浆量以注浆压力达到0.35~0.40MPa为标准，采用水泥加水玻璃双液浆，通过浆液的渗透固结作用，保证第一时间稳定地层。
5.加强监控测量
盾构掘进施工时，刀盘转动、盾体前移会引起其上方的土体变形，管片与土体之间的间隙会引起土体沉降，过量的同步注浆、二次注浆则会引起土体隆起，诸多因素使盾构上方的土体成为变形最大的区域范围。而盾尾脱出后的3天内，由于盾尾同步注浆浆液的收缩和扰动地层的固结引起地层沉降变化较大。因此，一般要把盾构切口前20m至盾尾脱出后30m范围作为重点监测时段，监测初期应按照监测方案规定的量测频率进行，监测中可根据实测变形量和变形速率等情况调整量测频率。
当盾构穿越地面建筑物、铁路、桥梁、地下管廊等重要构筑物时，要提前布设好监测点，除了对穿越体进行观测外，还应增加对其周围土体的变形观测。根据多年在成都盾构施工经验，滞后沉降时有发生，后期也要安排必要监测。
6.结语
通过对盾构机适应性进行充分分析，配置合适的刀盘，采用泡沫剂、膨润土、高分子聚合物改良渣土，同步注浆、二次注浆有效控制了地面沉降，科学合理的地面监测预防了地面塌陷，为盾构机在富水砂卵石地层中掘进提供了可贵的经验和借鉴。
论文作者:解大利
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/1
标签：盾构论文; 渣土论文; 卵石论文; 螺旋论文; 注浆论文; 耐磨论文; 地层论文; 《基层建设》2019年第22期论文;