谈岩溶地区超浅覆土泥水盾构快速施工改进技术

赵 三 宝

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)



谈岩溶地区超浅覆土泥水盾构快速施工改进技术

赵 三 宝

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

结合工程实例，介绍了岩溶地区超浅覆土泥水盾构快速施工技术原理，对盾构机刀盘、盾体及后配套进行了优化设计，有效增强了刀具抗冲击效果，保证了盾构机的顺利掘进。

岩溶地区，超浅覆土，泥水盾构，优化设计

目前盾构机的形式很多，性能各异，如果选择不当，会造成不良后果。盾构机的选型应根据地铁沿线的工程条件及水文地质，严格按照适用性、可靠性、先进性和经济性这四者相互统一来进行选择。本文结合工程实践就岩溶地区超浅覆土泥水盾构快速施工改进技术做一介绍。

1 工程概况

广州市轨道交通九号线施工1标飞鹅岭—花都汽车城区间位于广花盆地，地貌上属于河流冲洪积平原，地势平坦宽广，沿线地面高程一般在10.00 m～20.00 m之间。盾构隧道线路设1处V形坡，隧道穿越地层中，多处分布在地下水溶蚀作用而形成的溶洞和土洞中，溶洞、土洞的见洞率达到了43.4%。该地区的岩溶及土洞发育规律性差，呈无序状态，其形态特征、规模和分布范围难以确定，施工地形十分复杂。

2 盾构机选型依据和设计特点

根据本标段特殊地质条件，用于施工的盾构掘进机必须具有稳定开挖面、平衡泥水压力、平稳穿越软硬变化较大的地层，最大限度减少地表沉陷的功能，必须具有较强的纠偏抗扭与弯道施工的能力，必须具有较好的经济性和较长的使用寿命，必须确保各项作业的安全性和可靠性。结合目前上海、广州、天津和南京地铁一号线盾构区间施工资料，选用带面板式刀盘的泥水平衡式(EPB)盾构掘进机，是目前在软土地层中，进行隧道掘进施工的一种较好机型，可以较好的控制地表的变形。最终选用了德国海瑞克φ6 280 mm铰接型泥水平衡盾构机。

3 岩溶地区超浅覆土泥水盾构快速施工改进技术

3.1 施工技术原理

刀盘刀具配置正面双刃滚刀8把(刀间距100 mm)，边缘双刃滚刀6把(含一把超挖滚刀38.40号，刀间距50 mm)，中心双刃滚刀6把(刀间距90 mm)，正面切刀64把(刀刃宽100 mm)，边缘刮刀32把(三孔刮刀)以及4根搅拌棒。由于隧道通过微风化岩层，为了保护边刮刀、切刀，在滚刀磨损后仍能避免切刀进行破岩，确保切刀的使用寿命，滚刀刃口高于边刮刀和切刀：刀具刃口高度设计分别为滚刀175 mm，切刀140 mm，边缘刮刀145 mm。在曲线半径小的隧道掘进时，为了保证盾构的调向，需要有较大的开挖直径，因此刀盘上需配置超挖滚刀。为提高刀盘的寿命，刀盘面板及周边焊有耐磨条。

3.2 刀盘损坏概况

补勘及详勘显示，隧道在左线里程ZDK1+740～ZDK1+880(645环～738环),ZDK1+900～ZDK2+220(752环～965环)和右线里程YDK1+580～YDK1+650(538环～583环),YDK1+880～YDK2+250(738环～985环)底板或洞身微风化岩层且岩石抗压强度为40 MPa～83.6 MPa，坚硬程度较高；且微风化岩层上部直接为砂层或粘土层，岩性变化极大。盾构施工过程中，在微风化岩地层里，刀具更换较为频繁，盾构掘进速度较为缓慢。主要原因是，盾构在较硬岩层中掘进时，刀盘磨损或损坏较为严重。实际施工过程中，除此区域外隧道区域还有部分岩层及未探明的建(构)筑物基础，致使刀具损坏严重。根据更换刀具时的观察，发现在微风化石灰岩地层里，刀盘损坏情况主要体现状况有以下几种：滚刀偏磨、刀毂及刀轴损坏；边刮刀、切刀的掉落；搅拌棒的掉落等。

3.3 刀盘优化方案

1)刀盘使用情况：施工过程中根据数据统计原装刀盘在过九号线上软下硬地层阶段刀盘刀具损坏严重，切刀及刀座大面积脱落和变形数量，边缘刮刀脱落严重，搅拌棒经常掉落。在③，④，⑦，⑨号地层掘进中刀盘刀具出现问题总结如下：a.双刃滚刀损坏严重，主要表现在轴承损坏，刀轴、刀毂炸裂等，在带压开仓过程中不易拆出，严重影响施工进度。b.边缘刮刀大面积脱落，脱落的刀具将碎石机萼片卡住，堵仓舱内积渣过多导致刀盘主动搅拌棒被绊掉，无搅拌棒情况下开挖的渣土在土仓内不易排出。c.正面切刀连同刀座也出现大面积脱落，切刀螺栓孔拉跨，切刀刀座变形，排出到P2.1泵时堵泵对泵的叶轮及泵壳损坏极大。d.刀盘主动搅拌棒脱落，造成土舱内石块堆积，造成堵仓，掘进困难。

2)改进措施：在刀具的布置上，应采取重点区域重点布置的原则。由于刀盘外围刀具的切削路径长、岩石强度高，所以应适当增加外围刀具的数量。由于刀盘周边的刀具切削路线长，线速度大，因而磨损快、易折断、寿命短。很多地区的地铁工程实践都表明每次换刀，磨损最严重的都是盾构刀盘外围的滚刀。滚刀损坏后直接影响其运行轨迹上的刮刀、切刀等。因此需要对刀盘上的滚刀布置方案进行优化，具体方案如下：a.滚刀。原刀盘刀具配置正面双刃滚刀8把(刀间距100 mm)，边缘双刃滚刀6把(含1把超挖滚刀38.40号，刀间距50 mm)，中心双刃滚刀6把(刀间距90 mm)，现增加5把滚刀：边缘滚刀3把(38号 39号，35号 36号，31号 32号)，正面滚刀2把(26号 27号，23号 24号)。b.切刀。切刀改造为刀刃宽度为150 mm，刀座四孔螺栓固定，刀座螺栓孔内设计可更换的丝套，刀具背后焊接刀具稳定块。欲达到效果：四孔切刀增加了刀具的稳定性，抗冲击性，刀具背面增加稳定块为的是刀盘在与刀具形成反转时减小对切刀的冲击；正面切刀刀刃宽度增加，刀间距增加有助于掘进时粘块顺利进入至开挖仓。切刀数量约为40把；刀高140 mm；宽度为150 mm；切刀布置图如图1所示。c.边刮刀。边缘刮刀改造为6孔螺栓固定的刀具，刀座六孔设计，刀座螺栓孔内设计可更换的丝套，刀具背后焊接刀具稳定块。欲达到效果：增加边缘刮刀碰到硬岩地层时的冲击性，避免刀具脱落卡碎石机，绊搅拌棒。边缘刮刀刀高140 mm，数量16组(32把)。d.搅拌棒改进。在通常情况下，搅拌棒直接焊接在盾构面板上，外力过大将容易导致其脱落，而在本工程应用中，地层复杂多变，岩层裂隙发育，在刀盘切屑过程中将出现大块掉落的岩体，并在土仓内下部堆积，在刀盘旋转过程中，搅拌棒与堆积大块岩体发生碰撞，致使搅拌棒脱落，进一步加快了大块岩体在舱体的堆积，岩体不能及时抽排至碎石机处进行破碎，造成仓体堵塞，掘进困难，需进行开仓处理，费时费力。

对上述情况进行综合分析，决定对搅拌棒采取相应改进措施，提高施工功效，具体改进办法为：搅拌棒改造，主动搅拌棒4个，原位置布置，搅拌棒伸出长度与原结构相同，搅拌棒焊接加强处理，在刀盘上打孔，将搅拌棒插入打入孔洞中再进行焊接，达到加强的效果，同时在搅拌棒焊接耐磨网格，如图2所示。欲达到效果：控制因刀具脱落引起的搅拌棒脱落，引起堵仓的现象。

3.4 盾体优化方案

1)施工存在的问题。碎石机、格栅遇到刀具脱落情况下，碎石机格栅经常损坏，在掌子面部分为砂层的情况下，碎石机、格栅维修无法实现常压开仓维修作业。

2)改进措施。为实现软地层常压开仓检查维修碎石机，本次改造在前舱门增加液压开关门，用于在地层地质不好的条件下完成碎石机的常压维修工作。原设备未设计泥浆门，现需重新设计制造泥浆门装置，泥浆门采用液压油缸驱动，并设计有气囊密封，保证密封效果。具体方案见图3。

3.5 后配套优化方案

1)施工存在问题：盾构在岩层施工时，经常会出现掉落的切刀和大碎石块金福盾构机配套的出浆泵P2.1泵，对泵造成严重损坏。

2)改进措施：原设备未设计采石箱，导致掉落切刀进入排浆泵，对泵造成严重损坏，现增加采石箱设计，具体方案见图4，图5。

4 结语

盾构在较硬岩层中掘进时，刀盘及刀具磨损或损坏较为严重，通过对盾构机刀盘、盾体及后配套的优化改进，有效增强了刀具抗冲击效果，对因刀具脱落引起的搅拌棒开裂起到一定的预防作用，保证了盾构机的顺利掘进。

[1] 邢慧堂.南京长江隧道泥水盾构穿越江中超浅覆土段施工技术[J].现代隧道技术,2010,47(2):68-73.

[2] 周忠陆，钟志全.浅覆土透水砂层泥水盾构越江技术[J].建筑机械化，2009,30(1):63-65.

The rapid construction improvement technology of ultra shallow cover earth slurry shield in karst area

Zhao Sanbao

(ChinaRailwayThirdEngineeringGroupLimitedCompany,Taiyuan030001,China)

Combining with the engineering example, this paper introduced the rapid construction technology principle of ultra shallow cover earth slurry shield in karst area, made optimization design to shield tunneling machine cutter, shield and back auxiliary, effectively enhanced the anti shock effect of cutter, ensured the smooth driving of shield tunneling machine.

karst area, ultra shallow cover earth, slurry shield, optimization design

1009-6825(2017)06-0175-02

2016-12-14

赵三宝(1973- )，男，高级工程师

U455

A