王國(guó)佳

摘要：在富水砂礫層中進(jìn)行泥水盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)刀具造成嚴(yán)重磨損，為了減小刀具磨損，提高刀具的使用壽命，以實(shí)際工程為例對(duì)比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施。研究結(jié)果表明：三刃滾刀具有抗沖擊力強(qiáng)、不易磨損、所需扭矩小的優(yōu)點(diǎn)，有利于大幅度提高刀具的使用壽命，不僅能夠當(dāng)作主切削刀，還可以起到保護(hù)徑刀的作用。控制泥漿密度處在1.15～1.20g/cm3范圍內(nèi)，在泥漿黏度和密度較高時(shí)，要加入適量水來(lái)對(duì)其進(jìn)行稀釋；在泥漿的黏度和密度較低時(shí)，要加入適量適量膨潤(rùn)土來(lái)增大其密度；應(yīng)將其黏度控制為20～25s。刀盤(pán)總推力扭矩正常情況不超過(guò)15000kN，扭矩不超過(guò)2000kN·m，一旦刀盤(pán)和扭矩出現(xiàn)異常，必須對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)鍵詞：富水砂礫層；泥水盾構(gòu)；三刃滾刀；泥漿密度；泥漿黏度

0? ?引言

交通樞紐、河道、建筑物等地表建筑物會(huì)給城市地下工程建設(shè)帶來(lái)較大限制，在很大程度上增加了施工難度，通過(guò)盾構(gòu)法施工可以有效克服此類困難。富水砂礫層滲透系數(shù)較大，水壓力較高，選擇泥水盾構(gòu)可以較好的防止盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌情況的出現(xiàn)[1-3]。但此種施工方式同樣存在一些風(fēng)險(xiǎn)，其中風(fēng)險(xiǎn)較大的是刀盤(pán)磨損嚴(yán)重而失去作用，同時(shí)有關(guān)參數(shù)選擇錯(cuò)誤會(huì)增加頂力和扭矩，阻礙施工進(jìn)度。

目前，已有眾多學(xué)者對(duì)泥水盾構(gòu)施工影響因素進(jìn)行了研究[4]。劉新榮[5]等以正交原理為基礎(chǔ)，通過(guò)有限元對(duì)泥水盾構(gòu)施工的影響因素進(jìn)行研究，并對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。魏力峰[6]等整理了863環(huán)泥水盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析各地層關(guān)鍵參數(shù)的相互聯(lián)系，并構(gòu)建了復(fù)雜地層中刀盤(pán)扭矩預(yù)測(cè)模型。

基于此，為了優(yōu)化富水砂礫層中泥水盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)，提高刀具的使用壽命，本文以實(shí)際工程為例，對(duì)比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，為相關(guān)工程提供了指導(dǎo)和借鑒。

1? ?工程概況

某地鐵線部分區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)單線單洞，分為左、右線，施工所用設(shè)備主要為一臺(tái)泥水盾構(gòu)機(jī)。區(qū)間隧道地質(zhì)大概分為4層，分別是礫砂（4-4）、圓礫（4-5）、礫砂（5-4）和圓礫（5-5），各土層滲透系數(shù)依次為60m/d、90m/d、60m/d和90m/d。

2? ?盾構(gòu)刀盤(pán)的選型與分析

2.1? ?選擇刀盤(pán)的標(biāo)準(zhǔn)

地鐵線盾構(gòu)所穿越的地層主要是砂礫層，盾構(gòu)機(jī)的刀具和刀盤(pán)在穿越此類地層時(shí)會(huì)受到較大程度的磨損。此次研究所選區(qū)間總長(zhǎng)度為1.8km，如果刀具在施工過(guò)程中因磨損較大而無(wú)法使用，必須開(kāi)艙更換刀具，由此會(huì)延長(zhǎng)施工周期，提高施工成本。同時(shí)因?yàn)樯暗[土有較高的滲透系數(shù)，且地下水豐富，實(shí)施開(kāi)艙換刀會(huì)產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)，所以在選擇刀盤(pán)類型時(shí)，必須保證在穿越1.8km的砂礫地層時(shí)不更換刀具，且要避免大直徑礫石對(duì)刀具造成較大損傷而出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。

2.2? ?刀盤(pán)選型

在富水砂礫層里選擇泥水平衡盾構(gòu)工法進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，為了保證正面施工的安全性和穩(wěn)定性，多選擇面板式刀盤(pán)。刀具類型主要選擇三刃滾刀、中心刀、切削刀和先行刀。為了確保在砂卵石地層里刀具有足夠耐磨性和抗沖擊能力，設(shè)計(jì)刀盤(pán)時(shí)并未選擇常用的單刃滾刀，而是特別設(shè)置了8把三刃滾刀，并將其均勻設(shè)置在正面和外周部位。

三刃滾刀與單刃滾刀相比，前者轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小，在松軟砂卵石地層中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力更小，受到的磨損較小，使用時(shí)間也更長(zhǎng)。在刀具數(shù)量一致時(shí)，三刃滾刀能夠設(shè)置更多的刃數(shù)，刃間距較小，對(duì)掘進(jìn)范圍中的其余切削刀具有更強(qiáng)的保護(hù)能力。

2.3? ?刀盤(pán)磨損情況分析

實(shí)際盾構(gòu)施工1.8km沒(méi)有更換刀具，盾構(gòu)進(jìn)洞后對(duì)刀具的磨損情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。其中，切削刀和先行刀磨損情況的分布如圖1、圖2所示。

從圖1和圖2中能夠看出，切削刀合金高度為40mm時(shí)，磨損程度達(dá)到65%，磨損近24mm，但有少量刀具存在崩刀情況，近20%刀具的合金鋼磨損量超過(guò)30mm。先行刀合金剛高度為80mm，磨損程度達(dá)到65%，磨損近50mm，近15%刀具的合金鋼磨損量超過(guò)60mm。滾刀合金磨損量大部分小于20mm，但滾刀刀體磨損程度較大。

由此能夠得出，此次盾構(gòu)刀具的選擇和合金高度的設(shè)置，能夠滿足掘進(jìn)1.8km的要求，磨損量基本保持在65%附近，但有部分（20%）刀具存在崩刀情況。造成此現(xiàn)象的主要原因，是刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)切削大顆粒卵石形成了沖擊荷載。由此說(shuō)明，安裝8把抗沖擊滾刀，能夠?qū)Φ毒咂鸬胶芎玫谋Ｗo(hù)作用。

3? ?優(yōu)化泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

3.1? ?分析施工參數(shù)

在施工開(kāi)始階段，為了保證掘進(jìn)正面的安全性和穩(wěn)定性，最大程度上降低地面沉降，按照朗肯理論對(duì)切口水壓力進(jìn)行計(jì)算，得出其值為260kPa，泥漿密度為1.2～1.3g/cm3，泥漿黏度為25～30s，推進(jìn)速度為40mm/min。在施工前250環(huán)時(shí)間段內(nèi)，盾構(gòu)扭矩和推力逐漸增大，兩者峰值分別為3860kN·m和21550kN，刀盤(pán)電機(jī)明顯發(fā)熱，只能以減小推進(jìn)速度的方式來(lái)保證施工的順利。除此之外，在施工時(shí)常有泥團(tuán)從排泥泵中排出。

第1～600環(huán)泥水密度和黏度的變化規(guī)律如圖3和圖4所示。盾構(gòu)扭矩與推力的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。從圖3至圖6中能夠看出，在盾構(gòu)掘進(jìn)的第100～250內(nèi)，砂礫層中含有較多泥土，增大了回收后漿液的黏度，使其大部分超過(guò)25s，峰值可達(dá)到45s，所以在此范圍內(nèi)施工刀盤(pán)的扭矩和推力過(guò)大。對(duì)此可通過(guò)降低推進(jìn)速度至20mm/min來(lái)減小推力。

3.2? ?優(yōu)化措施

在施工的前250環(huán)階段，為了保證掘進(jìn)正面的安全性和穩(wěn)定性，在選擇泥漿性能和切口壓力時(shí)都取較高值，使正面泥膜具有較好的成形效果，形成與泥皮相似的現(xiàn)象。所以在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，不僅推力和扭矩較大，同時(shí)排出了成塊泥團(tuán)。在之后穿越富水砂礫層階段，參考其余泥水盾構(gòu)施工項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。具體土層泥漿指標(biāo)如表1所示。

3.2.1? ?控制密度

泥漿在砂礫地層里滲透速度較快，應(yīng)控制泥漿密度在1.15～1.20g/cm3范圍內(nèi)。在泥漿黏度和密度較高時(shí)，要加入適量水來(lái)對(duì)其進(jìn)行稀釋。在泥漿的黏度和密度較低時(shí)，要加入適量膨潤(rùn)土來(lái)增大其密度。

3.2.2? ?控制黏度

受泥水黏度影響較大的是刀盤(pán)掘進(jìn)切下和懸浮土體流動(dòng)能力，泥水的黏度越大，土顆粒的懸浮性就越好。但過(guò)高的黏度會(huì)提高水泥的塑變值與凝膠強(qiáng)度，導(dǎo)致泥漿泵的負(fù)荷增大，并使泥水的分離更加困難。對(duì)上述因素綜合考慮后，取其黏度值為20～25s。

3.2.3? ?選用泥水分離設(shè)備

本項(xiàng)目中選擇了一套較為完善的泥水分離裝置。該裝置可最大程度回收粒徑小于20μm的懸浮顆粒物，并可將其投入新漿的調(diào)制中，由此顯著降低了工程造價(jià)。在施工過(guò)程中，由于一些土層和砂礫層里存在粉質(zhì)黏土，造成推進(jìn)過(guò)程中泥漿的密度和黏度增大。

盾構(gòu)機(jī)的扭矩和推力在泥漿黏度大于1.2g/cm3時(shí)顯著增大，需要加水來(lái)稀釋泥漿。當(dāng)施工距離較長(zhǎng)時(shí)，分離設(shè)備會(huì)發(fā)生磨損。假如旋流器出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，就必須及時(shí)更換，否則會(huì)對(duì)泥漿回收造成嚴(yán)重影響，并會(huì)增大黏度密度。

實(shí)施上述各項(xiàng)優(yōu)化措施后，盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)在后續(xù)施工過(guò)程中都較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大變化。由于泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)口率較小，同時(shí)泥膜能夠起到了保護(hù)作用，使得地面沉降累計(jì)值小于10mm。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

為了優(yōu)化富水砂礫層中泥水盾構(gòu)施工的相關(guān)參數(shù)，提高刀具的使用壽命，以實(shí)際工程為例對(duì)比分析不同刀具的磨損情況和施工參數(shù)，提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，得出以下結(jié)論：

選擇盾構(gòu)掘進(jìn)的方式在富水砂礫層中施工時(shí)，刀具與刀盤(pán)會(huì)受到嚴(yán)重磨損，為此要格外重視刀具的選型。三刃滾刀具有抗沖擊力強(qiáng)、不易磨損、所需扭矩小的優(yōu)點(diǎn)，可以大幅提高刀具的使用壽命，不僅能夠當(dāng)作主切削刀，還可以起到保徑刀的作用。

應(yīng)將泥漿密度控制在1.15～1.20g/cm³范圍內(nèi)。在泥漿黏度和密度較高時(shí)，要加入適量水來(lái)對(duì)其進(jìn)行稀釋；在泥漿的黏度和密度較低時(shí)，要加入適量膨潤(rùn)土來(lái)增大其密度。應(yīng)將泥漿黏度控制在20～25s。刀盤(pán)總推力扭矩正常情況不超過(guò)15000kN，扭矩不超過(guò)2000kN·m，一旦刀盤(pán)和扭矩出現(xiàn)異常，必須對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，以避免形成正面泥餅和泥皮。

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