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富水砂砾石地层地铁区间隧道盾构机选型分析
作者:胡茜 何川 来源:中国论文下载中心 点击量: 发布时间:2013-7-14 19:30:50
保持稳定。在加压压力与切削地层的泥水压相等后,若能维持螺旋出土器的出土量与刀盘的切土量相等,则达到了平衡状态,即掘削面稳定。

  如前所述,成都是砂卵石极多、细石成分少的砂砾石地层,若采用土压式平衡盾构机,由于砂砾土的塑流性和抗渗性差,将使得排土难以顺畅从而无法满足掘削面稳定的要求,需混入提高流塑性和抗渗性的添加材,即要采用加泥式土压平衡盾构机。

  对于加泥式土压平衡盾构机,在成都地层中能顺利掘进需要解决的几个关键问题是:刀盘、刀具的耐磨性;如何破碎大粒径漂石;如何防止喷涌以及盾构的密封性能。

  首先对于刀盘,考虑到要在砂砾石层中要长距离掘进,又要能顺利排除大砾石,采用高耐磨柱状辐条式刀盘或小幅面板+辐条式的组合刀盘是比较好的,如图3所示[2]。对于刀具,要满足的条件是:①要选用硬度大、抗剪性好的优质钢材制作刀刃;②外周刀应多于其他切削轨迹上的切削刀;③要使刀盘上的刀具过渡平滑,刀具受力尽可能均衡;④各种刀具均可从刀盘内部进行拆卸及更换[3]。对砂砾地层适应性比较好的是一种贝壳型钻,如图4所示[2],贝壳型钻与齿形钻进行落差配置,该贝壳型钻先行挖掘,先对卵石进行冲击来解除砂卵石的约束力,剩余部分齿形钻进行挖掘。这样就有效减少了齿形钻的磨损,并且对于贝壳型钻可以配置预备刀实现一次自动更换,从而减少开仓更换刀具次数甚至中途不用开仓更换刀具。

  

  对于大粒径漂石破碎的问题,尽量采用常规挖掘的方式,即按可能通过的最大砾石的直径确定开口率的切口宽度,配备与上述砾石直径条件相适应的螺旋输送机排除砾石。根据成都地铁6.2 m左右的盾构机实际条件,可以使螺旋出土器的开口尺寸达到1000 mm,能满足L725 mm xФ670 mm的漂石直接通过,而大于670 mm的漂石出现的概率不高,应能基本满足要求。即使出现大于670 mm的漂石,在螺旋出土器的前端可设置一道闸门,当大漂石进入土舱内时将该道门关闭,同时土舱内加气压防止水灌入,从螺旋出土器的前端将漂石取出或打碎后取出,这样可使通过的漂石尺寸达到L 1 000 mm xФ750 mm[2]。如果常规挖掘方式失效,则只能采取掘削面破碎方式,即在旋转刀头上安装齿式刀头及滚刀进行破碎,但这种方式需要地层对漂石有一定的夹持力,否则失效,在成都的地层中能否应用成功值得商榷。最后在不得已的条件下就只能采取人工开仓排石,由于成都是砂卵石层,若要通过压气支撑掌子面开仓取石时,则要采取减小土层透气性的一些措施,如泥皮法、密封墙法、区域密封法以及帷幕注浆法等等。

  螺旋出土器为了达到运送尺寸最大为L725 mm xФ670 mm,必然采用带式螺旋出土器,带式螺旋出土器在高地下水位、高水压条件下会发生喷涌问题,对于成都地层,喷涌事故发生最好的预防措施是①通过向开挖下来的土体中添加材料来减小开挖土体的渗透系数;②采用多段螺旋输送机从而降低出土器出口处的水压力。如图5、图6所示[2]。

  

  同样由于成都地层高水位的关系,盾构的密封也是需要注意的问题。盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾密封和铰接密封三个方面,应遵循“以防为主,多道设防,杜绝漏水”的原则,并遵循各项规范要求。由于本工程要承受较高的地下水压,建议盾构机轴承止水带设计中采用主轴承外密封措施,该方法使用四道唇形密封,能承受0.6MPa乃至更高的工作水压力,该系统的润滑全部为自动润滑,油脂或者是油的泄露,设备会自动立即停止运转,并且能通过泄露仓对密封状况进行检测。建议盾尾止水刷采用将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用4道密封承受高水压。

  2.3泥水式平衡盾构机的适应性

  地下水位高、水压大的地层中特别适合使用泥水式盾构机,因为泥水式盾构是将水、土及添加剂混合制成的泥水经输送管道压人泥水舱,用泥水压来平衡掌子面的水土压。掘进时刀盘切削下来的土砂进入泥水舱,搅拌后经泥浆泵送到地表的泥水分离系统,待水土分离后再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进。在盾构机中泥水平衡式盾构对地层的扰动最小,地面沉降最小

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