盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)含參數(shù)

1、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)培訓(xùn)總結(jié)一、掘進(jìn)參數(shù)的選擇1、掘進(jìn)參數(shù)的選擇依據(jù)： 地質(zhì)情況判斷 盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前姿態(tài) 地面監(jiān)測結(jié)果反應(yīng) 盾構(gòu)機(jī)狀況；地質(zhì)情況的判斷依據(jù)：地質(zhì)資料及補(bǔ)勘資料 掘進(jìn)參數(shù)變化 渣土狀態(tài)。也就是說，盾構(gòu)機(jī)目前要在什么樣的地層中施工，是硬巖、軟巖、沙層，還是斷層等； 目前盾構(gòu)機(jī)的中心線是不是與隧道設(shè)計(jì)中心線相吻合，有偏差，怎樣的偏差？地外表是不是有沉降？沉降了多少？建筑物是否有影響？盾構(gòu)機(jī)目前的刀具狀況怎樣的？各系統(tǒng)是不是 完好？等等由于盾構(gòu)機(jī)的可操作性很強(qiáng)，掘進(jìn)參數(shù)的選擇不能一概而定，需根據(jù)不同的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)。如：在地質(zhì)條件較破碎的地質(zhì)情況下應(yīng)采用低速掘進(jìn)，但刀具磨損較快時(shí)，應(yīng)

2、考率調(diào)整刀盤準(zhǔn)速和掘進(jìn)速度已獲得最正確的貫入度；又如：盾構(gòu)機(jī)栽頭且偏離中線較大時(shí)，應(yīng)考慮蛇行糾偏，防止過急糾偏造成管片開裂、錯臺或滲水等問題；所以掘進(jìn)中一定 要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，靈活正確地選擇掘進(jìn)參數(shù)。2、 影響掘進(jìn)的主要參數(shù)：掘進(jìn)模式、土倉壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力、推進(jìn) 速度、螺旋輸送機(jī)扭矩、皎接油缸的行程、泡沫注入率等二、 掘進(jìn)模式的選擇1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)有三種模式：敞開模式 半敞開模式 土壓平衡模式采取何種掘進(jìn)模式關(guān)鍵在于地層的自穩(wěn)性和地下水含量決定的。a、敞開模式該模式適用于能夠自穩(wěn)、地下水少的地層。該掘進(jìn)模式類似于TB嗽進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)切削下來的殖土進(jìn)入土倉內(nèi)即刻被螺旋輸送

3、機(jī)排出， 土倉內(nèi)僅有極少量的殖土， 土倉根本處于清空 狀態(tài)，掘進(jìn)中刀盤所受反扭力較小。 由于土倉內(nèi)壓力為大氣壓， 故不能支撐開挖面地層和防 止地下水滲入。b、半敞開模式半敞開式有的又稱為局部氣壓模式， 該掘進(jìn)模式適用于具有一定自穩(wěn)能力和地下水壓力不太高的地層。其防止地下水滲入的效果主要取決于壓縮空氣的壓力。掘進(jìn)中土倉內(nèi)的殖土未充滿土倉，尚有一定的空間，通過向土倉內(nèi)輸入壓縮空氣與殖土共同支撐開挖面和防止地 下水滲入。c、土壓平衡模式該掘進(jìn)模式適用于不能穩(wěn)定的軟土和富水地層。土壓平衡模式是將刀盤切削下來的殖土充滿土倉， 并通過推進(jìn)操作產(chǎn)生與土壓力和水壓力相平衡的土倉壓力來穩(wěn)定開挖面地層和防 止地下

4、水的滲入。該掘進(jìn)模式主要通過控制盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)的排土量來產(chǎn)生壓 力，并通過測量土倉內(nèi)土壓力來隨時(shí)調(diào)整、控制盾構(gòu)推進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速。在該掘進(jìn)模式下，刀盤所受的反扭力較大。2、土壓平衡的建立通過對掘進(jìn)速度、出土速度的控制實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的土倉壓力與掌子面的土壓和水壓平衡防止地層坍塌。即掌子面的壓力控制因素：盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速 螺旋輸送機(jī)的開度3、地表沉降的控制因素地表沉降的控制因素：土倉壓力、每環(huán)出土量、每環(huán)注漿量掘進(jìn)時(shí)土倉的壓力的控制如前所述根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速、螺旋輸送機(jī)的開度來控制；渣土的管理那么應(yīng)由主司機(jī)記錄每環(huán)的出土量，出土量過大時(shí)可采用關(guān)倉掘進(jìn)

5、，每循環(huán)的出殖量應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況計(jì)算得出或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把握理論體積x松散系數(shù)，一般為800390m3。應(yīng)根據(jù)管片外圓與盾殼之間的間隙以及滲透系數(shù)計(jì)算出每環(huán)的注漿量，以便更好地及時(shí)回填注漿，控制盾構(gòu)機(jī)通過后的地表沉降。三、硝土改進(jìn)1、渣土改進(jìn)的作用：降低渣土內(nèi)摩擦角及刀盤扭矩降低土壤的強(qiáng)度以利于開挖，降低刀具磨損減少渣土的透水性2、 渣土改進(jìn)材料：膨潤土 水聚合物泡沫劑最常用、最經(jīng)濟(jì)且適用地質(zhì)范圍最廣的渣土改進(jìn)材料一般選用泡沫劑。3、泡沫劑的特點(diǎn)：能獲得渣土較低的密度與渣土的易混合特性含有較低的化學(xué)成分(環(huán)保) 與渣土不易別離特性(與渣土別離一般需7-8小時(shí))強(qiáng)止水性在掘進(jìn)過程中應(yīng)時(shí)刻注意殖土的

6、狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)節(jié)泡沫和水的注入量，保持殖土的可朔性 和流動性。4、泡沫劑算泡沫注入率 Foam Injection Rate(FIR)泡沫注入率(FIR)=泡沫的流量(Qfoam)/渣土的流量(Qsoil) 渣土的流量(Qsoil)=掌子面的面積(Aface)X掘進(jìn)速度(VTB)泡沫的流量(Qfoam)=泡沫注入率(FIR) X 渣土的流量(Qsoil)膨脹率 Foam Expansion Rate膨脹率(FER =泡沫的流量(Qfoam) /液體的流量(Qliquid)FER=12 1_ J泡沫空氣的流量(Qair)Qir=(FER-1)XQquid X(P土倉+ 1)改進(jìn)后的渣土狀態(tài)(成牙膏

7、狀)泡沫發(fā)生效果的檢查：可觀察泡沫顆粒的大小來判斷泡沫的發(fā)生效果四、掘進(jìn)方向的控制1、掘進(jìn)方向的控制原那么：?使盾構(gòu)機(jī)趨向DTA中心線方向，蛇行糾偏，防止過急糾偏?盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整應(yīng)適應(yīng)管片的狀態(tài)，管片的選型拼裝應(yīng)適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及趨勢?底部推進(jìn)油缸的壓力稍高于頂部的壓力，防止盾構(gòu)機(jī)栽頭2、糾偏曲線掘進(jìn)方向的控制是通過調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)幾組油缸的不同壓力來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。當(dāng)盾構(gòu)油缸左側(cè)壓力大于右側(cè)時(shí)， 盾構(gòu)姿態(tài)自左向右擺； 當(dāng)上側(cè)壓力大于下側(cè)壓力時(shí)， 盾構(gòu)姿態(tài)自上向下 擺；依次類推即可調(diào)整盾構(gòu)的姿態(tài)， 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)的方向偏離隧道中線時(shí)， 應(yīng)按偏離的多少緩慢 糾偏，防止過急糾偏。糾偏管片安裝序列完成的隧道盾構(gòu)

8、機(jī)滾動的調(diào)節(jié)：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)較硬巖層掘進(jìn)時(shí)或長時(shí)間一個方向轉(zhuǎn)動刀盤掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)時(shí)機(jī)發(fā)生滾動現(xiàn)象，這時(shí)可停止掘進(jìn)，反向啟動刀盤后掘進(jìn)。一般不盾構(gòu)機(jī)的滾動值rotate不能超過設(shè)定值10,否那么會自動停機(jī)。3、糾偏過急對管片的影響盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整應(yīng)適合管片的狀態(tài)即盾尾間隙，管片的選型拼裝應(yīng)適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及趨勢。在隧道轉(zhuǎn)彎和盾構(gòu)掘進(jìn)方向調(diào)整時(shí)，管片所能承受的推力和管片環(huán)不在同一直線上， 管片所受的斜向推力可能導(dǎo)致管片破損，此時(shí)要注意控制推力的大小。為了保證盾構(gòu)的皎接密封、盾尾密封工作良好，同時(shí)也為了保證隧道管片不受破壞， 在 調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的過程中，要優(yōu)先考慮盾尾間隙的大小，在調(diào)向的過程中不能有太木的趨粉

9、.， 一般在VMT上顯示的任一趨勢值trend不應(yīng)大于10,防止調(diào)向過猛。糾偏過急會造成管片開裂或管片錯臺現(xiàn)象。在軟硬不均的地層中，盾構(gòu)會向地層軟的方向偏轉(zhuǎn)，姿態(tài)難以控制，此時(shí)要仔細(xì)調(diào)整各組油缸的推力，控制好掘進(jìn)的方向。適宜的盾尾間隙是保護(hù)管片所必需的，在調(diào)節(jié)盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)要先考慮到盾尾間隙的大小,在掘進(jìn)方向不超限的前提下，以緩慢的糾偏速度來保證盾尾間隙最小不小于五、掘進(jìn)與刀具1、刀具的破巖機(jī)理滾刀破巖機(jī)理為了研究滾壓破巖的根本原理，我們首先研究刀刃在靜壓作用下侵入巖石的情況和巖石破碎的過程。在靜壓壓力P圖4作用下刀刃侵入巖石，首先巖石與刀刃接觸面前方發(fā)生局部粉碎或顯著的塑性變形而形成一個袋狀的核

10、，也稱為密實(shí)核；其次侵入深度增加此過程侵入深度與荷載按一定的比例增長到一定深度時(shí)，由于錐形刀刃在垂直荷載作用下對周圍巖體產(chǎn)生側(cè)向擠壓， 密實(shí)核旁側(cè)的巖石會突然出現(xiàn)崩碎，如圖4所示；由于這種崩碎的突然出現(xiàn)，會導(dǎo)致荷載突然降低出現(xiàn)躍進(jìn)現(xiàn)象，越是脆性巖石，這種躍進(jìn)式侵入特點(diǎn)越明顯，塑性巖石那么較緩和；因此在脆性巖石中應(yīng)用滾壓破巖方式其效率高，而相對來說在塑性巖石中采用滾壓破巖的效率要低。盤刀在滾壓巖石面上連續(xù)做同心圓運(yùn)動，其外荷載之一為軸壓力推力使盤刀刀刃壓入巖石，產(chǎn)生類似于靜壓破巖；其外荷載之二為滾動力扭矩使盤刀刀刃沿軌跡線連續(xù)滾 壓巖石，并在盤刀通過處對巖體作用側(cè)向壓力， 從而到達(dá)連續(xù)破巖。50

11、mm。使盤刀運(yùn)動軌跡線周邊的巖石不斷產(chǎn)生崩裂,滾壓破巖狀況滾刀破巖原理示意圖切刀破巖機(jī)理切削破巖是利用切刀或刮刀施力與于被作用的巖土層上，靠刀具的刀刃從巖土體的外層上別離巖土，并使之脫離母體到達(dá)破巖的一種機(jī)械破巖方式，其根本原理如圖8所示。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)切削破巖的過程可分為以下二步：首先通過盾構(gòu)的掘進(jìn)推力將切刀的刀刃壓入巖土體，切入的阻力取決于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)及切刀的形狀；其次切刀隨著刀盤作同心圓運(yùn)動，在刀具刀刃處與切削面成3角的方向上出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過巖土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，被切削局部產(chǎn)生錯動形成裂紋，并且在刀尖與巖土接觸部形成切削核，隨著切削核的增大，已形成裂紋的巖土體脫離開母體松散

12、或碎削狀，而到達(dá)破巖的目的。一般來說， 對于巖體和固結(jié)程度高的硬土， 先是出現(xiàn)裂紋，然后一塊塊地剝落；而對于較為松散的土層， 往往是出現(xiàn)整體粉碎的現(xiàn)象；對于塑性地層粘土往往是出現(xiàn)連續(xù)切削，而無明顯的裂紋出現(xiàn)或出現(xiàn)整體粉碎。切刀破巖機(jī)理示意圖2、刀具的失效形式滾刀的失效形式：正常磨損、刀圈斷裂、刀圈剝落、刀圈卷刃、刀圈移位、漏油、擋圈脫落、 偏磨弦磨、多邊弦磨、刀體磨損、端蓋磨損、完全損壞。正常磨損刀圈斷裂刀圈斷裂碎片偏磨弦磨偏磨與斷裂滾刀被硝土粘住3、掘進(jìn)參數(shù)及地質(zhì)對刀具的影響硬巖掘進(jìn)時(shí)推力及速度過大會造成刀具崩刃斷裂硬巖掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)向刀盤內(nèi)加水或泡沫以降低刀具溫度，防止刀圈溫度過高造成刀圈卷刃

13、或刀具因高溫出現(xiàn)漏油現(xiàn)象粘土層掘進(jìn)時(shí)泡沫、水等添加不適宜即渣土改進(jìn)效果不好會產(chǎn)生泥餅或刀具被渣土裹住 無法轉(zhuǎn)動軟弱圍巖掘進(jìn)時(shí)，推力過大或刀盤轉(zhuǎn)速過快會造成局部刀具過載、密封失效等軟弱圍巖掘進(jìn)時(shí)，坍塌的石塊可能會將刀體、端蓋、擋圈砸懷造成刀具漏油或擋圈脫落等現(xiàn)象，同時(shí)也會造成滑動密封受沖擊發(fā)生漏油現(xiàn)象六、特殊地層的掘進(jìn)不同的地層，掘進(jìn)參數(shù)的選擇千差萬別，這里僅根據(jù)我們在廣州二號線、三號線、深圳地鐵及南京地鐵施工中所遇到的一些特殊地層下的掘進(jìn)作一探討。掘進(jìn)時(shí)要隨時(shí)注意刀盤扭矩、螺旋機(jī)扭矩、推進(jìn)速度、土倉壓力、皎接的變化，渣土狀況和盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等，根據(jù)相應(yīng)的狀況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。確保刀盤和刀具不超載，

14、 掘進(jìn)方向不超限。1、硬巖地層硬巖地層就是指盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面的各局部圍巖強(qiáng)度變化小，整體強(qiáng)度在70MPa以上。隧道全斷面都是8Z- 2、9Z- 2。掘進(jìn)中刀盤的扭矩大，推進(jìn)速度明顯減慢，盾構(gòu)機(jī)有較大滾動和震動現(xiàn)象和連續(xù)的響聲， 渣土中會有很多的石塊出現(xiàn)。在此地層中應(yīng)采用高刀盤轉(zhuǎn)速、低推進(jìn)速度掘進(jìn)。掘進(jìn)時(shí)要向刀盤和螺旋機(jī)多加泡沫，向土倉加水，對刀盤和螺旋機(jī)進(jìn)行冷卻、潤滑，就是降低刀具和螺旋帶的磨損速度。為了防止刀具的超載，不能為了提高推進(jìn)速度而盲目加大油缸推力。硬巖地層掌子面可清楚地看到刀具的軌跡為同心圓2、軟硬不均地層軟硬不均地層就是指盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面的地質(zhì)不均，斷面的上部、中部、下部、左邊、右邊

15、的圍巖強(qiáng)度變化大，如上部是6Z- 2,下部是9Z- 2。掘進(jìn)中刀盤的扭矩變化大，盾構(gòu)機(jī)有較大滾動和震動現(xiàn)象和間斷的響聲，掘進(jìn)方向很難控制，渣土中會有較大的石塊出現(xiàn)。在此地層中應(yīng)采用低刀盤轉(zhuǎn)速、 低推進(jìn)速度掘進(jìn)。因?yàn)檎谱用娴刭|(zhì)不均，掘進(jìn)時(shí)，刀盤 各部位會受力不均， 容易使局部刀具受力過大而不能轉(zhuǎn)動， 最終導(dǎo)致偏磨。還有就是當(dāng)推進(jìn) 速度太快時(shí)，刀具的切入量也很大， 容易使刀盤扭矩突然上升超過設(shè)定值而卡死，甚至使刀圈崩裂脫落。3、粘土地層粘土地層就是指土質(zhì)比擬粘，土的滲水性弱，與水不易混合，容易形成塊狀。一般是5Z 2、6Z 2地層。掘進(jìn)中容易在刀盤上形成泥餅。此種地層中掘進(jìn)應(yīng)向刀盤多加泡沫和水，多

16、攪拌，改善渣土的流動性和塑性；防止在刀盤上形成泥餅，裹住刀具使刀具不能轉(zhuǎn)動而偏磨。再有就是掘進(jìn)中要隨時(shí)注意刀盤扭矩和究竟速度的變化，當(dāng)掘進(jìn)速度明顯降低，而刀盤扭矩卻增加時(shí)，很有可能是刀盤上形成了泥 餅，應(yīng)立即采取措施處理， 加泡沫加水?dāng)嚢璩ツ囡灒?如地質(zhì)條件允許， 可開倉用水沖洗刀 盤，快速除去泥餅。4、含砂富水地層此地層自穩(wěn)性差，含有大量砂粒、礫石，遇水容易坍塌。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中向土倉內(nèi)及刀盤面注入泡沫等添加材料，改善殖土性能，提高殖土的流動性和止水性，防止涌水流砂和發(fā)生噴涌現(xiàn)象， 并利于螺旋輸送機(jī)排土。 每環(huán)掘進(jìn)結(jié)束前要 保證土倉相當(dāng)?shù)脑亮?，讓下一環(huán)開始掘進(jìn)時(shí)不會因土倉水太多而發(fā)生噴涌。

17、掘進(jìn)應(yīng)采用土壓平衡模式，掘進(jìn)中要嚴(yán)格控制出渣量；要加大盾尾油脂的注入量和調(diào)整 好盾構(gòu)姿態(tài)，防止水帶沙土從盾尾或皎接密封處進(jìn)入隧道。5、硬巖破碎地層此地層巖石強(qiáng)度較大，但整體結(jié)構(gòu)性差；巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、透水能力強(qiáng)，巖層中含 有石英、角礫、硅化角礫。掘進(jìn)時(shí)刀盤扭矩變化大，有較大的振動和響聲，對刀具的損傷較大，可能出現(xiàn)較大塊 巖石的崩落和震斷刀圈。掘進(jìn)中要適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度，防止刀具因超載而損壞，多加泡沫改善殖土 性能，減小對刀具的磨損，提高殖土的流動性和止水性，以防失水；加強(qiáng)盾尾密封油脂 的注入，確保盾尾密封效果；加強(qiáng)皎接處的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證其 密封效果。隨時(shí)觀察出渣口

18、渣土情況。在地質(zhì)條件允許的情況下，適當(dāng)增加檢查刀具的頻 率。硬巖破碎地層6、過江河地段此地層除隧道本身的地質(zhì)條件外，還存在隧道外圍的高土壓和高水壓影響。過江河前，要對設(shè)備進(jìn)行全面的檢查保養(yǎng)，保證設(shè)備的完好，特別是盾尾密封，皎接 密封、刀具的完好。選擇土壓平衡模式掘進(jìn)，掘進(jìn)時(shí)要盡量降低對地層的擾動，防止土倉與河水直接連通,加泡沫增加對地層的止水性，加強(qiáng)盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封效果；加強(qiáng)皎接處的密封檢查，及時(shí)調(diào)節(jié)密封壓板螺栓，保證其密封效果。調(diào)整好注漿配比，適當(dāng)提高漿 液的凝固速度。七、掘進(jìn)中異?，F(xiàn)象的處理? 推力大，扭矩小，推進(jìn)速度小可能的原因：皎接油缸壓力過大，必要時(shí)釋放；土倉壓力過高；刀具嚴(yán)重磨損。? 刀盤扭矩大，推進(jìn)速度小可能的原因及處理：可能有泥餅產(chǎn)生，應(yīng)立即停止掘進(jìn)并加泡沫、水?dāng)嚢琛? 土倉壓力上升快可能的原因及處理：掌子面坍塌，應(yīng)適當(dāng)加快掘進(jìn)速度并增加土倉壓力防止更大 的坍塌。?噴涌可能的原因，地層含水量大或渣土改進(jìn)效果不好不能形成土塞效應(yīng)，一般關(guān)閉螺旋輸送機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)一段以增加土倉內(nèi)渣土含量并改進(jìn)土質(zhì)?油溫上升快可能的原因：刀盤扭矩或推力過大，或設(shè)備系統(tǒng)故障如冷卻系統(tǒng)應(yīng)立即停機(jī)檢查或調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。?刀盤被卡住可能的原因及處理： 刀盤扭矩過大或設(shè)定值過低， 應(yīng)立即停機(jī)檢查并調(diào)整設(shè)定值, 反轉(zhuǎn)刀盤緩慢啟動或采用脫困模式