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        針對(duì)軟土地層基巖凸起大直徑盾構(gòu)刀盤選型分析

        2020-01-01 08:18:28張開猛
        中國設(shè)備工程 2019年23期
        關(guān)鍵詞:刀圈滾刀粉質(zhì)

        張開猛

        (中鐵隧道股份有限公司,河南 鄭州 450000)

        1 工程概述

        1.1 工程概況

        某道路提升改造工程是杭州市區(qū)規(guī)劃的雙向4 車道城市快速路,隧道內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h。02 標(biāo)盾構(gòu)隧道段從東端3#工作井始發(fā),沿某道路向西依次穿越密渡橋路、湖墅路、古新河、地鐵2 號(hào)線(下穿)、莫干山路、馬塍路、西溪河、保俶路到達(dá)2#工作井接收。南、北線隧道長度均為1743m,線路平面最小曲線半徑為R35000m,豎曲線半徑R4200m,最大坡度40‰。盾構(gòu)始發(fā)端覆土厚度為6m,接收端覆土厚度為13m,隧道最大覆土厚度為24m。

        1.2 工程地質(zhì)

        盾構(gòu)隧道依次穿越地層主要為:④1淤泥質(zhì)黏土、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥質(zhì)黏土、⑥2黏土、⑦1黏土、⑦4含黏性土礫砂、⑧2黏土、⑨1含砂粉質(zhì)粘土、⑨2粉砂、⑩1黏土、?1含礫粉質(zhì)粘土、?1全風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r、?2強(qiáng)風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r、?3中等風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r、1全風(fēng)化凝灰?guī)r等。主要地質(zhì)特性如下:

        ④1層淤泥質(zhì)黏土:流塑、無搖振反應(yīng)、韌性和干強(qiáng)度高。該層性質(zhì)差,高壓縮性。

        ④2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土:流塑、薄層狀、層間夾較多粉土、粉砂薄層、條帶,含量約占20%。

        ⑥1層淤泥質(zhì)黏土:流塑、無搖振反應(yīng)、韌性和干強(qiáng)度高。該層性質(zhì)差,高壓縮性。

        ⑥2層黏土:流塑、局部軟塑,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度和韌性高。該層性質(zhì)差,高壓縮性。

        ⑦1層粉質(zhì)黏土:可塑-硬可塑,韌性和干強(qiáng)度高。該層性質(zhì)較好,中壓縮性。

        ⑨1層含砂粉質(zhì)黏土:硬可塑為主,厚層狀,含較多粉砂,局部夾少量礫石,砂礫含量約占15%~20%,分布不均勻,局部砂土夾層狀富集,干強(qiáng)度中等,韌性中等。該層性質(zhì)較好,中壓縮性。

        ?3 中等風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r:飽和單軸抗壓強(qiáng)度值在42.7 ~110.7MPa 之間,平均值為60.7MPa,巖體較完整。南線約550m 的長度存在?3 上軟下硬地層,進(jìn)入隧道斷面最大高度10.5m。北線約380m 存在?3 上軟下硬地層,進(jìn)入隧道斷面最大高度5.2m。

        2 工程難點(diǎn)分析

        (1)淺覆土軟弱地層掘進(jìn)、下穿建構(gòu)筑物,地表沉降控制困難、盾構(gòu)姿態(tài)控制要求高。隧道頂部覆土6 ~24m,始發(fā)段覆土厚度為6m,接收段覆土厚度為13m。頂部主要為④2 淤泥質(zhì)黏土地層,下穿地鐵2 號(hào)線、古新河、西溪河,沿線兩側(cè)建構(gòu)筑物密集。

        (2)上軟下硬、高強(qiáng)度巖石地層掘進(jìn),可能存在刀具異常損壞、軸承偏載、異常磨損等問題。北線約380m、南線約550m 長度范圍內(nèi)存在中等風(fēng)化晶屑玻屑凝灰?guī)r基巖凸起,飽和單軸抗壓強(qiáng)度值在42.7 ~110.7MPa。

        (3)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土地層掘進(jìn),存在黏土塊滯排、泥水分離困難、刀盤結(jié)泥餅問題。④1、④2、⑥2 層淤泥質(zhì)粘土為流塑狀,⑦1、⑨1、⑩1 層粉質(zhì)粘土為硬可塑為主。

        3 盾構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)

        3.1 刀盤設(shè)計(jì)

        刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用8 主梁+8 面板復(fù)合形式,滿足足夠的剛性強(qiáng)度,同時(shí)需考慮刀具合理布置、渣土在倉內(nèi)的易流動(dòng)、易排渣。設(shè)計(jì)方案見圖1,刀盤參數(shù)見表1。

        圖1 刀盤設(shè)計(jì)

        3.2 刀盤刀具配置

        (1)刀盤中心設(shè)計(jì)18 寸滾刀和正面設(shè)計(jì)20 寸滾刀(滾刀可與撕裂刀、羊角刀互換),可增加滾刀的耐沖擊性、耐磨性、更易啟動(dòng)。(2)刀盤正面采用90mm 的較小刀間距設(shè)計(jì),周邊弧形區(qū)域每個(gè)軌跡布置2 個(gè)刀刃,可提高邊源區(qū)刀具掘進(jìn)距離;在正面半徑3040mm 以外的滾刀軌跡上向周邊布置焊接撕裂刀,保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)。(3)在刀盤周邊分2 層高差10mm 布置24 把保徑刀,增強(qiáng)刀盤保徑能力;配置普通超挖刀和滾刀超挖刀各1 把,在需要時(shí)滿足擴(kuò)挖需求。

        表1 刀盤參數(shù)表

        3.3 刀盤耐磨及檢測

        (1)刀盤面板無刀孔區(qū)域采用耐磨復(fù)合鋼板全覆蓋,大圓環(huán)外側(cè)為合金塊加高鉻高錳耐磨鋼板,大圓環(huán)后端面焊接耐磨復(fù)合鋼板。(2)設(shè)置面板磨損監(jiān)測、刮刀液壓式磨損檢測傳感器對(duì)面板和刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,設(shè)置滾刀旋轉(zhuǎn)檢測傳感器,可以監(jiān)測滾刀在軟土地層中掘進(jìn)是否旋轉(zhuǎn)。

        3.4 滾刀選型

        區(qū)間掘進(jìn)先后進(jìn)入軟土層、砂礫層、強(qiáng)風(fēng)化軟巖層、中風(fēng)化硬巖等地層。推進(jìn)過程中滾刀極易因軟土地層不轉(zhuǎn)偏磨、基巖突起段受到強(qiáng)力撞擊而損壞。結(jié)合滾刀的破巖機(jī)理及刀具形式,采用剃度硬度重型光面刀圈、重型加密扁齒刀圈兩種刀具配置方案:

        (1)方案一:剃度硬度重型光面刀圈。①采用刃厚22mm 圓頂重型刀圈,R8 或者R9 圓弧過渡。刃口截面為斜度不大的梯形,其截面近似于等截面。刀圈在磨損過程中,其寬度及與巖石接觸面積變化不大,對(duì)推進(jìn)力的增加和貫入度的影響較小,可以同時(shí)兼顧破巖與耐磨性。②采用剃度硬度刀圈,其沖擊功相比整體硬度刀圈可提高一倍,可以增強(qiáng)刀圈抗沖擊能力。

        表2 重型扁齒滾刀與光面滾刀對(duì)比案例分析

        (2)方案二:重型加密扁齒刀圈。①采用刃厚22mm 刀圈鑲?cè)氡恺X合金、WC 顆粒熔敷焊耐磨焊層可增大摩擦阻力,對(duì)于軟土地層易啟動(dòng),降低偏磨風(fēng)險(xiǎn)。②合金截面形狀為楔形、尺寸為φ22×40mm,合金齒埋深為36mm,埋深大不易掉齒,提高合金齒的抗撞擊能力,對(duì)于硬巖地層刀具切入掌子面時(shí)的阻力小,利于連續(xù)破巖;③加密重型鑲齒刀圈合金數(shù)量比不加密重型鑲齒刀圈增加約10 顆,合金間隙減小,中碳高合金結(jié)構(gòu)鋼刀圈材質(zhì)為普通光圈韌性的6 ~10 倍,耐磨性大大增強(qiáng)。

        (3)重型扁齒滾刀與光面滾刀對(duì)比案例分析。

        (4)滾刀選型建議。重型加密扁齒滾刀的耐磨性、刀圈抗沖擊能力、啟動(dòng)能力都優(yōu)于光面刀圈滾刀,在其他相似復(fù)雜巖層、中微風(fēng)化砂巖層、中風(fēng)化石灰?guī)r層及軟硬不均的破碎巖層中使用效果良好。延長刀具的使用壽命長,可減少區(qū)間換刀次數(shù),建議此區(qū)間使用重型加密扁齒滾刀。

        3.5 刀盤泥餅處理措施

        刀盤開口率31%,中心開口較大便于渣土流動(dòng);在刀盤背部中心旋轉(zhuǎn)接頭沖刷口,配置P0.1 泥漿泵沖刷系統(tǒng),最大沖刷流量1000m3/h,可對(duì)刀盤中心、背部進(jìn)行沖刷防止渣土堆積和結(jié)泥餅。

        4 下一步工程應(yīng)用

        在施工過程中進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)、刀具磨損檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析,結(jié)合不同地質(zhì)性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)的合理優(yōu)化。根據(jù)盾構(gòu)隧道地質(zhì)、現(xiàn)有地面道路條件以及刀具磨損檢測數(shù)據(jù)情況,在掘進(jìn)過程中預(yù)先擬定停機(jī)檢查刀具位置,避免刀盤、刀具的異常磨損影響施工。

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