盾构长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层施工技术

盾构长距离穿越上软下硬富水石灰岩

地层施工技术

田瑞忠

(中铁十二局集团有限公司山西太原030024)

摘要：长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层一直是盾构施工的难题，掘进过程中刀具磨损严重、突遇溶洞、螺旋

机喷涌、频繁带压开仓换刀，严重影响掘进速度并存在极大的安全隐患。徐州市地铁2号线百果园站-拖龙山站 盾构区间有420 m连续长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层，对施工进度、组织效率、工程安全均提出了较高要 求。基于此，本文对盾构机刀盘刀具进行设计优化、螺旋机出土 口防喷涌改造、优化掘进参数有效地控制刀具磨 损，最后顺利完成本区间的施工任务并取得良好效果。

关键词：盾构机上软下硬富水石灰岩地层刀盘刀具优化设计掘进参数 中图分类号：U455.43

文献标识码：B

DOI： 10. 3969/j. issn. 1009-4539.2020.04.018

Construction Technology of Shield Tunneling Crossing Upper Soft and Lower

Hard Water-rich Limestone Stratum at a Long Distance

T1AN Ruizhong

(China Railway 12th Bureau Group Co. Ltd., Taiyuan Shanxi 030024, China)

Abstract ： Long-distance crossing through upper soft and lower hard water-rich limestone stratum has always been a difficult

problem for shield tunneling. In the process of tunneling, the tool wear is serious, karst cave is suddenly encountered, the screw machine spewed, the warehouse opened and the tool changed frequently with pressure, the tunneling speed is seriously affected and there are great safety risks. The shield section between Baiguoyuan Station and Tuolongshan Station of Xuzhou Metro Line 2 has 420 meters of continuous long distance passing through the upper soft and lower hard water-rich limestone stratum, which puts forward higher requirements for construction progress, organization efficiency and engineering safety. Based on this, the cutter head of shield machine is designed and optimized, the outlet of screw machine is transformed to prevent gushing, and the driving parameters are optimized to effectively control the cutter wear. Finally, the construction tasks in this area is successfully completed and good results are achieved.

Key words ： shield machine ； upper soft and lower hard ； water-rich limestone stratum ； cutterhead and cutter ； optimization

design； driving parameter

1 前言

多变的地下环境，地下区间施工大多会选择安全和 进度可靠的盾构法，但传统盾构法也表现出对复杂 随着城市轨道交通建设的不断发展，面对复杂

地层适应性差的缺点。土压平衡式盾构长距离穿 越上软下硬富水石灰岩地层一直是国内外盾构技 收稿日期：2020-02-20

基金项目：中铁十二局集团有限公司科技研发项目（12441805)术人员研究的重点和难题。传统盾构法在施工过 作者简介：田瑞忠（1%7_)，男，山西汾阳人，高级工程师，主要从

事城市轨道交通工程施工与管理方面的工作；E-mail:

程中往往凭经验设置掘进参数。盾构穿越上软下 893279127@ qq. com

硬地层推力和扭矩变化幅度大，掘进方向容易产生

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•隧道/地下工程-

偏差，有可能突遇溶洞、螺旋机喷涌，导致大量水土 回落至隧道和施工区域，甚至出现盾构机掉落以及 危及成型隧道安全的现象。另外盾构机刀具磨损 严重，频繁开仓换刀，严重影响盾构掘进速度，使得 施工进度和安全无法得到保证。本文主要从盾构 机刀盘刀具进行设计优化、螺旋机出土口防喷涌改造、通过优化掘进参数有效控制刀具磨损等方面进 行重点介绍。2

工程概况及水文地质

软下硬不良地层，经过适应性评估选择复合式土压 平衡盾构机，并根据以下地层特点对盾构机刀盘进 行针对性设计[2]:全断面硬岩的破岩能力；极端上 软下硬地层的刚性；高粘性地质防结泥饼；高冲击 地层的刀具保护;高粘地层和高硬岩层的刀盘结构 设计。

3.1.1刀盘设计优化

(1)

针对区间穿越高硬地层，刀盘体采用舞阳

钢铁Q345C高强度钢板焊接而成，焊后整体退火消 除内应力。刀盘面板加焊信铬材质耐磨钢板，刀盘 外圈镶嵌合金式耐磨条装带，其它部位以耐磨焊条 形成网状耐磨层提高刀盘整体耐磨性能。

(2) 由于区间穿越大量老黏土地层，刀盘进渣 口设计为锥形结构有利于渣土顺畅流入土舱，以免 淹土板结成块堵塞刀盘开口。

(3)

考虑刀具磨损后开挖直径仍能大于盾构切

口环的直径，设置刀盘直径为4)6 440 mm(管片外径 (|)6 200 mm)，以保证盾构姿态的调整。3.1.2刀具设计优化

(1)

考虑区间上软下硬地层距离较长，采用轴

式滚刀，便于软硬不均地层滚刀的更换。刀座式齿 刀替换滚刀后，可实现软岩地层的掘进。(2) 对于高强度岩石，适当配置盘形滚刀，达到 更好的破碎效果。

(3)

在上软下硬地

层中，采用滚刀高出切 刀布置形式，先有盘形 滚刀破岩，再有切刀刮 削人仓，以保障切刀使 用寿命[3]。

刀盘型式见图1，刀盘参数见表1，刀盘 优化技术措施见表2。3.2出土口改造技术

(1) 将出土口中心斜板改装成角度可调节 根据盾构穿越地层特性，调整中心斜板角度。对于含水量较小、流动性差的地层，中心斜板角度 (与水平方向夹角）设置为小角度，反之设置为大 角度[4]。

(2) 出土口中心斜板两侧加设引流侧板

图1

刀盘优化后型式

2.1工程概况

徐州地铁2号线百果园站-拖龙山站左右线区 间设计均采用盾构施工工法，线路从百果园站东端出 发,沿御景路和昆仑路南侧绿化带下方1〇 ~20 m深 自西向东敷设，最后到达娃哈哈自来水厂对面的拖 龙山站西端。右线全长1 299 m，左线全长1 309 m。 区间纵断面从百果园站出发后以26%c、3. 3%c的纵 坡向下至联络通道，再以4.7%c、26%c的坡度向上至 拖龙山站。2.2地质条件

本段盾构区间穿越地层为粉质黏土和老黏土， 下伏基岩主要为页岩和石灰岩。其中页岩以全〜 强风化为主，岩石抗压强度为5〜23 MPa;石灰岩以 中风化为主，岩石抗压强度为50〜166 MPa,平均抗 压强度90 MPa。岩石裂隙较发育，两层灰岩之间的 页岩在地下水波动情况下极易发展为溶洞或者空 洞。线路连续穿越软硬不均地层长420 m，上软下 硬地层使隧道拱顶围岩稳定性差[1]，极易发生 坍塌。

2.3水文条件

百果园站-拖龙山站区间岩溶裂隙水承压水 头较高，水量较大，水位补给迅速，岩石渗透系数 为2.38 ~ 3.02 m/d，平均2.78 m/d，单井涌水量为 198.7 mVd。抽水孔停泵后水位迅速恢复,10 ~20 s 内基本恢复至静水位35 ~37. 8 m。3

施工关键技术

3.1盾构机掘进装置优化配置技术

根据百果园站-拖龙山站盾构区间详勘及补 勘地质资料，区间穿越有石灰岩、页岩、老黏土等上74

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•隧道/地下工程*

两侧引流侧板设置在出土口中心斜板两侧，向 内倾斜，引流侧板附带底板。盾构在穿越老黏土层 时渣土呈硬塑状，流动性差，在出土口难以掉落，容 易造成出土口两侧挂土，引流侧板引导聚集老黏土 向中间流动，此时底板打开；掘进机经过含水量较 大的地层时底板合上[5]。

表1

名称结构形式开挖直径开口率双联中心滚刀正面滚刀边缘滚刀

参数复合式

刀盘泪关参数

名称切刀贝壳刀边缘刮刀回转接头

参数

1-降落漏斗;2-引流管；3-固定管;4-伸缩管；5-进土开口； 6-进 土出口； 7-可开合底板；8-电机机座；9-第一伺服电机；10-细长 丝杆；11-丝母；12-第一开合底板；13-第二开合底板；14-承重 插板；15-承重板；16-钢丝绳；17-第二伺服电机；18-绳轮

40把（髙丨30 mm，

间距170 mm)

6把12 对，高 130 mm8路泡沫+液压+

电气

6 440 mm33%

6 把（高 187.5 mm,

间距90 mm)

图2防喷涌出土口改良装置示意

3.3掘进参数选定

长距离上软下硬石灰岩地层盾构机掘进控制的 关键是如何减少刀具磨损延长刀具使用寿命进而减 少换刀次数[6]，确保盾构机平稳有序稳步推进。

根据现有对刀具磨损研究[7]资料可知刀具磨 损量计算公式和贯入度公式为：

S^j^Kx-nxDxNxL/V

(1)

20 把(高 187.5 mm，

磨损检测

间距85 mm)

12把

-

2个-

表2优化措施

刀盘优U:技术措施及效果

效果、作用小刀间距，刚性高

提高刚性应力小，刚性强

加强主体结构的结构强度和刚度

加强搅拌提升中心渣土改良提高渣土改良能力

耐磨性强渣土流动性好

6辐条+ 6面板结构

多组传力环焊接后整体退火主结构采用高强度厚板

P = V/N (2)

导出刀具磨损量和贯人度的关系，得出盾构机

在这种地层中每掘进10 m刀具的磨损量为：

8 = K x it x D/p

(3)

4个主动搅拌棒

中心区域4路改良剂注人口

式中，5为磨损量（mm) 为磨耗系数（mm/km)为盾构刀盘外径(m) ;/V为刀盘的转动速度（r/min); [为掘进距离（m) ; V为掘进速度（mm/min) 入度（mm/r)。

从公式(3)可以看出，在同一地层中使用固定 刀具，在同一盾构刀盘外径下，决定刀具磨损量大 小的可变因素为刀具切削土体和岩石的贯入度P， 且二者之间成反比，故提高刀具使用寿命的最佳办 法为提高刀具的贯人度。增大刀具贯人度可通过提 高掘进速度或降低刀盘转速，从而达到降低刀具磨损 量的目的。刀盘转速在不同地层中一般有经验可循 且变化幅度不大，根据以往经验并集合本工程地质实

际情况，刀盘转速控制在1.2〜1.3 r/min为宜。

提高盾构掘进速度最直接的办法为提高盾构机 的推力，但是盾构机推力一定要在合理的范围内，推 力的大小直接决定了刀具所承受的载荷。推力过小，

75为贯

8路回转接头

复合耐磨板（正面）+

铝合金耐磨板（外周）梯形进淹口结构

(3)加设延伸管装置

加设延伸管装置，用液压装置控制伸缩，与引 流侧板连接，管的长度延伸到传送带上。穿越富水 石灰岩地层时，容易产生喷涌，大量水土冲出出土 口回落到隧道及其它施工区域，通过延伸管装置, 将水土运至离传送带末端较远的地方，避免水土回 落至隧道。遇富水石灰岩地层引流侧板底板需收 起，与延伸管装置组成封闭系统。具体优化改造见 图2〇

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•隧速/地下工程_

则推进速度低，影响施工效率;推力过大，会导致滚刀 刀圈的偏磨或断裂[8]。因此需要对盾构机的推力进行 准确计算并确定实际推力范围，保证工程的顺利进行。

盾构的推力计算公式：

隧道的施工任务。上软下硬富水石灰岩地层达到

平均日掘进5环，大大提高了掘进功效并降低了安 全风险，成型隧道无错台、漏水、破损，未因盾构换 刀出现掌子面坍塌、超限地面沉降及建（构）筑物损 坏情况，安全快速完成了该区间的施工任务。

在盾构实际掘进过程中要对刀具的磨损、开 裂、螺栓松动等情况勤于检查，并在检查过程中摸 索总结该地层刀具磨损规律以便于指导施工。另 外，渣土超排控制、同步及二次注浆的及时和足量、 监控量测、带压换刀等技术[13]也是施工控制的重 点。石灰岩地层溶洞较发育，要高度重视超前地质 探测，必要时进行详细的补勘以探明溶洞分布情况 及大小,便于采取有效措施提前对溶洞进行处理以 确保盾构机安全顺利通过溶洞区域。

参考文献

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F = F\\+F2 + Fi+FA+F5 (4)

式中，们为盾构外壳与土体之间摩擦阻力；F2为刀 盘承受的主动土压力为切削土石所需要的推 力;F4为盾尾与管片之间的摩擦阻力；F5为牵引后 方台车的拉力。

根据本标段地勘资料进行计算，掌子面按照半 土半岩情况进行考虑，得出盾构总推力[9]F= 572 + 245 + 139 + 16 + 12 =984 t0

因此盾构应提供的总推力至少为984 t,式（4) 中F2、F3为直接作用在刀具上的作用力，两者之和 为384 t。盾构机刀盘上共配置44把18寸的盘形 滚刀，单把滚刀承受最大推力为25 t,掘进时推进油 缸的总推力不能大于25 t x44 = 1 100 t，再加、 F4、F5的总和，即为1 700 t,故本区间复合段地层 控制总推力范围为984 ~ 1 700 t。

同时必须考虑不同推力对扭矩的影响，一般推 力与扭矩是正比关系。过小的扭矩控制会减弱盾 构的切削能力，达不到预期切削效果；扭矩过高会 造成转动角变化过快、盾构机振动过大、油温和水 温过高、刀盘卡死等[1°]。

综上所述，盾构在上软下硬富水石灰岩地层中掘 进时[in，要在适合的刀盘转速、盾构机推力的前提下 尽量增大刀具贯人度[12]，这样既可以提高总体施工 进度，也可以减少刀具磨损,同时减少换刀次数。

最终现场盾构施工参数控制范围确定如下：总推力：（990-1 500)t;刀盘扭矩：（2 500 ~3 500)kN.m;掘进速度：（1〇 ~20)mm/min;刀盘转速：（1.2 ~1.3)r/min;贯人度：（7 ~16)mm/rD

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4结论

徐州地铁2号线百果园站-拖龙山站区间连续

穿越上软下硬富水石灰岩地层长420 m，岩石最高 强度166 MPa,平均90 MPa。在盾构掘进过程中通 过合理控制盾构掘进参数，减少了刀具磨损量，延

长了刀具使用寿命，左右线各换刀2次即完成区间 76

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