大開口刀盤盾構(gòu)機(jī)的施工優(yōu)劣與問題分析

李騰

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司南京分公司，南京211800）

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

成都軌道交通17號(hào)線一期線路主要沿灌溫路、鳳溪大道、鳳翔大道、香榭大道、永康路、自西向東敷設(shè)。線路全長約26.145 km，其中，地下段盾構(gòu)區(qū)間長約20.785 km，共9個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，擬定使用20臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)。

全線盾構(gòu)區(qū)間隧道主要穿越地層為2-9-2中密砂卵石、2-9-3密實(shí)砂卵石、3-8-2中密砂卵石、3-8-3密實(shí)砂卵石。溫江段卵石含量超過75%、漂石粒徑20～70 cm較多、漂石天然抗壓強(qiáng)度一般為41～200MPa，個(gè)別漂石強(qiáng)度達(dá)到299MPa。武侯及雙流段卵石含量約占75%～80%，粒徑一般2～20 cm，卵石含量約占10%～15%，其余為細(xì)、中沙填充。

1.2 施工重難點(diǎn)分析

1）需穿越卵石最大含量可能超過75%、漂石粒徑20～70 cm、卵石單軸抗壓強(qiáng)度可能超過132MPa的大粒徑、高強(qiáng)度、富水砂卵石地層。

2）漂石粒徑大、漂石含量高、部分地段卵石層密實(shí)程度差等特點(diǎn)。

在掘進(jìn)過程中，會(huì)造成卵石破碎困難，超過刀盤開口的卵石無法進(jìn)入刀盤，并且國內(nèi)現(xiàn)有軸式螺旋輸送機(jī)無法排出直徑40 cm以上的卵石。

2 盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)與其掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析

2.1 2種盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)

針對(duì)部分大直徑漂石地段，盾構(gòu)廠家（中交天和）特別設(shè)計(jì)了大開口刀盤，并配套無軸式螺旋機(jī)（后文統(tǒng)稱大開口盾構(gòu)機(jī)，見圖1），而在中心城區(qū)卵石相對(duì)不密集的區(qū)域，采用普通開口刀盤配套有軸式螺旋機(jī)的盾構(gòu)機(jī)（以下統(tǒng)稱“普通盾構(gòu)機(jī)”，見圖2）。具體刀盤對(duì)比設(shè)計(jì)見表1。

2.2 掘進(jìn)數(shù)據(jù)與分析

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的狀態(tài)并非一成不變，所以，僅采集掘進(jìn)狀態(tài)正常、連續(xù)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集的過程中，發(fā)現(xiàn)各普通盾構(gòu)機(jī)與各大開口盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)之間相差微毫，所以，在普通盾構(gòu)機(jī)與大開口盾構(gòu)機(jī)中各隨機(jī)抽取1臺(tái)，作為數(shù)據(jù)分析的樣本。

普通盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)見表2。大開口盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)見表3。表中所有數(shù)據(jù)，泡沫發(fā)泡率均為10～15倍。

圖1 大開口盾構(gòu)機(jī)刀盤

圖2 普通盾構(gòu)機(jī)刀盤

2.3 掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比

從表2和表3中可以發(fā)現(xiàn)，正常掘進(jìn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)中，大開口盾構(gòu)機(jī)均占有優(yōu)勢(shì)。以下一一進(jìn)行分析：

1）推進(jìn)速度快。雖然對(duì)于單環(huán)來說，整體節(jié)省時(shí)間不多，但從整條隧道來看，經(jīng)過日積月累，可以加快施工速度。

2）刀盤扭矩小。扭矩小，不僅對(duì)于刀具的摩擦更小，可以延長刀具的使用壽命，而且還能減少換刀次數(shù)，明顯加快施工速度。

3）渣土改良劑用量小。物資的用量小，經(jīng)濟(jì)方面可以節(jié)省很多費(fèi)用；其次，側(cè)面反映了渣土更容易改良，掘進(jìn)狀態(tài)更容易控制。

4）推力小。推力小說明機(jī)器負(fù)載小，能夠有效提高機(jī)器使用壽命，提高機(jī)器的容錯(cuò)率，側(cè)面反映了盾構(gòu)機(jī)持續(xù)施工的能力更強(qiáng)。

表1 2種盾構(gòu)機(jī)的刀盤對(duì)比設(shè)計(jì)

表2 普通盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)

表3 大開口盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)

3 2 種盾構(gòu)對(duì)施工的優(yōu)劣分析

3.1 劣勢(shì)分析

3.1.1 螺旋機(jī)相對(duì)難以控制

大開口盾構(gòu)機(jī)配套的螺旋機(jī)是無軸螺旋機(jī)，雖然它有著出渣快速、不易卡住的優(yōu)點(diǎn)，但是在出渣上比較難以控制，初次使用經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)噴涌、超方。但是，使用熟練后，這些現(xiàn)象都能得以控制。

3.1.2 掌子面穩(wěn)定性相對(duì)較差

因?yàn)榇箝_口盾構(gòu)機(jī)開口率大，且其面板設(shè)計(jì)為輻條式，相對(duì)于小開口盾構(gòu)機(jī)，對(duì)于掌子面穩(wěn)定性的作用相對(duì)小，所以，對(duì)土壓要求相對(duì)較高。

3.2 優(yōu)勢(shì)分析

大開口刀盤盾構(gòu)機(jī)與小開口盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)差距不大，即優(yōu)勢(shì)不太明顯，需要長年累月的觀察才能發(fā)現(xiàn)。但是從地層方面來看，大開口盾構(gòu)機(jī)所處地層卵石的密度與粒徑更大，這種情況下，掘進(jìn)數(shù)據(jù)還能與小開口盾構(gòu)機(jī)一較長短，其作用可想而知。然后，再放開視角，從單個(gè)標(biāo)段上來看，將各個(gè)標(biāo)段進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，大開口盾構(gòu)機(jī)的施工進(jìn)度要比要開口的快很多。以下對(duì)其原因進(jìn)行一一分析。

3.2.1 刀盤結(jié)餅率低

大開口刀盤采用6主輻條+6輔輻條式設(shè)計(jì)，開口率高達(dá)45%；小開口則采用6輻條+6面板式設(shè)計(jì)，開口率僅有36%。大開口盾構(gòu)機(jī)刀盤不僅面積小，且各噴水口的受力點(diǎn)集中，刀盤更容易被沖洗，所以，其結(jié)餅率更低。

3.2.2 推進(jìn)故障率低

盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)時(shí)，不可能一帆風(fēng)順，總有一些問題導(dǎo)致推進(jìn)數(shù)據(jù)異常，使盾構(gòu)機(jī)不能正常掘進(jìn)，從而影響施工進(jìn)度。

大開口盾構(gòu)機(jī)，因?yàn)榈侗P開口率高，這就使其進(jìn)渣比小開口快，且大開口盾構(gòu)配有無軸螺旋機(jī)，不僅出渣快，而且不會(huì)因?yàn)槁咽竭^大而卡住螺旋機(jī)。這樣的結(jié)構(gòu)，如果土倉內(nèi)渣土有改良不到位的地方，也會(huì)被快速排出，不會(huì)在土倉內(nèi)沉結(jié)，所以，掘進(jìn)時(shí)，大開口盾構(gòu)機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定性非常可觀。

3.2.3 推進(jìn)故障的修正效率快

在3.2.2 節(jié)中提到，大開口盾構(gòu)土倉內(nèi)渣土的置換速度非常快，所以，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)數(shù)據(jù)異常后，不必像小開口一樣研究土倉內(nèi)剩余的改良不到位的渣土應(yīng)該怎樣改良，可以直接將其快速排出，只需要將新進(jìn)的渣土改良到位即可。所以，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)“推死”的情況時(shí)，大開口盾構(gòu)機(jī)重新恢復(fù)正常速度不僅要比小開口的快，而且方法更簡單。

3.2.4 螺旋機(jī)、刀盤不易卡停

因?yàn)椴捎么箝_口盾構(gòu)機(jī)，遇到大粒徑卵石時(shí)，不必將其破碎就可直接進(jìn)入土艙，減少了刀具的磨損；而且大開口盾構(gòu)機(jī)配套的螺旋機(jī)是無軸螺旋機(jī)，能夠有效地輸送大粒徑卵石而不會(huì)被卡停。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，大開口盾構(gòu)機(jī)在卵石密集、粒徑大的地層中優(yōu)勢(shì)更加明顯一些，也更適用一些。普通盾構(gòu)機(jī)這些劣勢(shì)都可以通過提高盾構(gòu)操作者的個(gè)人水平來解決。總體來說，大開口盾構(gòu)機(jī)瑕不掩瑜，更適合成都砂卵石地層，特別是在卵石粒徑大，顆粒密集的地方，大開口盾構(gòu)機(jī)是不二之選。

4 大開口盾構(gòu)機(jī)常見問題及解決辦法

4.1 噴涌現(xiàn)象及解決辦法

大刀盤盾構(gòu)機(jī)因?yàn)榕涮谉o軸螺旋機(jī)，在初期推進(jìn)過程中，都出現(xiàn)過不可控的噴涌現(xiàn)象。

4.1.1 原因分析

1）渣土改良不好，土倉內(nèi)積渣嚴(yán)重、板結(jié)使土倉容積變小，渣土不能在土倉內(nèi)得到充分的攪拌造成噴涌；

2）有超方現(xiàn)象，空洞跟著盾構(gòu)向前延伸；

3）由于土艙壓力低，造成地層中水的倒灌；

4）地層含水量多變，操作手改良不及時(shí)，加水過多造成噴涌。

4.1.2 解決辦法

1）利用高壓水向土倉隔板上的預(yù)留球閥對(duì)土倉中心區(qū)域進(jìn)行沖洗，使土倉容積變大渣土能夠充分得到攪拌；

2）及時(shí)在地面尋找空洞，同時(shí)，做好土倉保壓措施，待回填初凝后推進(jìn)；

3）做好渣土改良提高實(shí)土倉位，在盾尾后注封堵環(huán)或打開盾尾后方管片吊裝孔排水；

4）在判斷不了地層中水含量時(shí)，可以適當(dāng)讓渣土干一些；

5）及時(shí)清理皮帶下掉落的渣土，避免噴涌時(shí)渣土過多，直接壓死皮帶。

4.2 超方現(xiàn)象及解決辦法

成都屬于富水砂卵石地層，超方是一個(gè)常見問題。

4.2.1 造成此狀況的原因

1）同步注漿、二次注漿量不夠，或者不夠及時(shí)；

2）地層本身較別處更加松散，操作手怕積倉，加快出渣，造成了多出渣；

3）地層含水量大，出渣時(shí)噴涌，造成多出渣；

4）上土壓較低，造成壓力不平衡，地層坍塌，導(dǎo)致多出渣。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)處置辦法

1）及時(shí)打探孔，找空洞，并進(jìn)行回填；

2）通知盾構(gòu)司機(jī)，控制出渣量，按照正常模式掘進(jìn)，不為了出渣而出渣；

3）及時(shí)關(guān)閉螺旋機(jī)閘門，減少注水量，降低螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速；

4）提高上土壓，在掘進(jìn)參數(shù)正常的情況下，再次提高上土壓。

4.2.3 防范措施

1）及時(shí)足量的注入漿液，不為了施工進(jìn)度而忽視注漿量；

2）提早通知盾構(gòu)司機(jī)地層狀況；

3）在即將進(jìn)入富水地層時(shí)，提前減少注水量，加大泡沫發(fā)泡率；

4）精確計(jì)算土壓，并嚴(yán)格實(shí)施；

5）加強(qiáng)地表巡查，準(zhǔn)備好應(yīng)急物資，以便能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行補(bǔ)救。

5 結(jié)語

成都地區(qū)地鐵施工因?yàn)楦鞣N原因?qū)е峦C(jī)，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度而成為各施工單位施工難度較大的區(qū)域。大開口盾構(gòu)機(jī)的試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)十分明顯，對(duì)于加快施工進(jìn)度有積極的作用，其最大日掘進(jìn)距離為15環(huán)（1.5 m/環(huán)），得到了施工單位的一致稱贊。可以大膽預(yù)測(cè)，在以后的成都盾構(gòu)施工中，特別是在卵石更為密集、粒徑更大的地層中，大開口盾構(gòu)機(jī)將會(huì)逐步取代普通盾構(gòu)機(jī)，成為被市場(chǎng)接受并喜歡的新型盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備。