土压盾构原理及施工工艺

第一讲土压平衡盾构1土压平衡盾构概述土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，使泥土室和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力给泥土室内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。盾构作业时，刀盘挖掘的泥土支撑掌子面，作为支撑媒介。土压平衡盾构又可细分为土压平衡式盾构和加泥式土压平衡盾构，加泥式土压平衡盾构装备有注入添加材料促进土砂流动的机构，添加材料有泡沫剂、膨润土、粘土、聚合物等，可根据土质选用。2.土压平衡盾构开挖面稳定机理土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素的综合作用而维持：①土仓内的土压力平衡地层压力和水压力，②螺旋输送机调节排土量；③适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量。当土仓内的土压力大于地层压力和水压力时，地表将隆起；当土仓内的土压力小于地层压力和水压力时，地表将下沉；因此土仓内的土压力应与地层压力和水压力相平衡。土仓压力大于水压力及土压力之和，地面隆起土仓压力小于水压力及土压力之和，地面下陷3.土压平衡盾构适用土层范围土压平衡盾构用开挖土料作为支撑开挖面稳定的介质，要求具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小。土压平衡盾构在粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等含水量较低的粘稠土壤施工时，由于该类型土壤在螺旋输送机内压缩形成防水土塞（土塞在后面的螺旋输送机章节中介绍），使土仓和螺旋输送机内部产生土压力来平衡掌子面的土压力和水压力，因此，土压平衡盾构适合在此类地质中使用。土压平衡盾构适用土层范围通过碴土改良，土压平衡盾构机也适用于在非粘、透水性土层。土压平衡盾构盾构机一般有三套碴土改良系统：泡沫系统、膨润土系统和聚合物系统。碴土改良是通过盾构机配置的专用装置向刀盘、土仓或螺旋输送机内注入添加剂如泡沫、膨润土或聚合物等。利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下采用不同掘进模式掘进时都可达到理想的工作状况。碴土改良可使土压平衡盾构也可用在原先只适于泥水盾构的土层中。泡沫混合物在使用后几天之内化学物质就会完全生物分解，不存在环境污染的问题。我集团现有的土压平衡盾构机都具有碴土改良功能，因此都称之为加泥式土压平衡盾构。4.土压平衡盾构主要结构土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。见下图。4.1刀盘4.1.1刀盘形式土压平衡盾构的刀盘有两种形式：有轮辐式和面板式，需根据施工条件、地层条件进行选择。4.1.1刀盘形式－轮辐式轮辐式刀盘对土砂有较强搅拌效果，能使土仓内碴土的流动性较好，轮辐式刀盘在土压平衡式盾构上使用较广。轮辐式有利于减少实际旋转扭矩和利于开挖的碴土进入土仓。当围岩内存在巨砾、大卵石时，轮辐式刀盘有更强的适应性，但需注意螺旋输送机有堵塞的可能。轮辐式4.1.1刀盘形式－面板式泥水加压式盾构刀盘具有挡土功能，能防止围岩坍塌，其刀盘一般为面板式。为确保施工中更换刀具和破除障碍物时的安全性，土压平衡式盾构及复合式盾构也常采用有挡土效果的面板式。当围岩内有巨砾、大卵石存在时，需在开挖面上将其粉碎后掘进时，为限制进入土仓砾石的大小，有时也会采用面板式。面板式海瑞克盾构小松盾构4.1.2刀盘开口率刀盘开口必须考虑围岩条件、开挖面稳定、开挖效率等因素来决定其开口形状、尺寸和开口率大小。1）开口形状、尺寸开口的形状、尺寸必须能保证开挖下的碴土不堵塞在刀盘面板前方，能顺利进入土仓内，同时应考虑地层中可能出现的最大砾石直径与排土设备的输送能力。2）开口率刀盘开口率为刀盘开口部分面积与刀盘面积的比值。泥水加压式盾构开口率大多数取10％－30％；土压平衡盾构的开口率范围较宽；在胶结粘性土等粘附力大的地层，开口率应尽量加大以利于碴土流动。4.2刀具4.2.1刀具的切削原理（1）切刀切刀呈靴状，切刀的切削原理主要是盾构向前推进的同时，切刀在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样切削地层。切刀的前后角等斜面结构有利于软土切削时的导碴作用，同时可用于在硬岩掘进中的刮碴，其结构形式有利于碴土流动进入土仓。（2）滚刀在硬岩中掘进时，采用滚刀进行破岩。滚刀滚压破岩示意图1－断裂体2－碎断体3－密实承载滚刀破岩属于滚压（也称挤压）破碎岩石。滚压破岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。单刃刮刀（切刀）双刃刮刀（切刀）4.2.2刀具的形式和种类周边刮刀超前撕裂刀球齿滚刀刀盘设计有仿形刀，能够实现任意超挖范围的调整以及超挖量的控制（copycutter）4.2.2刀具的形式和种类超前撕裂刀（日本称之为贝壳刀）按刀盘双向转动设计，减少磨损，增强刀盘对不同地层的适应性。4.2.2刀具的形式和种类4.2.3刀具安装高度刀具的安装高度应考虑盾构掘进速度、刀盘转速、按围岩条件和滑动距离估算的磨损量等因素选择。一般在粘附力较强的地层，为防止开挖的碴土粘附在刀盘表面，形成泥饼而降低开挖效率，刀具的安装高度取值较大。滚刀与齿刀的高度差测量刀具的高度差刀具失效图例偏磨（弦磨）偏磨与断裂滚刀被碴土粘住（泥饼）刀圈断裂切刀断（断）齿刀圈卷刃与断裂4.2.4滚刀失效的主要形式1）正常磨损刀具进行破岩时，破岩效率与滚刀的刃口宽度有关，随着刀圈磨损量的增加，刃口的宽度增加，当达到一定范围时会影响掘进速度，甚至不能再掘进。滚刀的正常磨损是指刀圈刃口宽度（或刀圈的高度）超过规定值的均匀磨损。此类磨损使用测量仪进行测量。正常磨损是刀具失效的主要形式。2）刀圈断裂掘进过程中，由于地层突然变硬或刀盘某些部件脱落或其他铁件卡在刀刃与地层之间，会导致刀圈局部过载而使刀圈应力集中发生断裂，同时刀圈与刀体配合过盈量未达到要求也会造成刀圈断裂。3）刀圈弦磨，原因一般有两个：一是刀具过载，导致刀具的轴承损坏引起的。因刀具轴承损坏，滚刀不能在隧道开挖面上滚动，使刀圈呈现单侧磨损。掘进过程中出现刀圈弦磨如果没及时发现不但会加速这把刀的磨损，并且会造成相邻滚刀过载失效，从而迅速向外扩展，直到整个刀盘上的刀具全部失效。①弦磨②多重弦磨③严重弦磨刀具严重弦磨第二个原因刀圈回转的起动扭距不足：以广州地铁四号线为例，掌子面主要为抗压强度较软的塑性粘土层5Z-1、5Z-2，以及少量的地质全风化岩6Z、强风化岩7，不能给滚刀刀圈回转提供足够的起动扭距（一般在30～50NM之间调整），而且塑性粘土层粘性较大，滚刀刀孔容易被堵塞，刀盘面板处易形成泥饼，使得滚刀相对掌子面不能良好转动。4）滚刀多边形偏磨4）滚刀多边形偏磨根据盘型滚刀的破岩机理，盾构机作用在滚刀的强大的推进力使刀圈贯入岩石，同时施加在刀盘上的驱动扭距使滚刀回转，以剪切破碎岩石。若掌子面上是软下硬地层（从上至下依次为全风化岩6Z、强风化岩7，中风化岩8Z，微风化岩9Z），当盘型滚刀随刀盘回转至刀盘中上部时，由于全风化岩6Z、强风化岩7地质较软，不能给滚刀刀圈回转提供足够的起动扭距（一般在30～50NM之间调整），而且塑性粘土层粘性较大，滚刀刀孔容易被堵塞，刀盘面板处易形成泥饼，使得滚刀相对掌子面不能良好转动；当同一把滚刀转至刀盘中下部时，由于抗压强度较高的8Z、9Z号地层可以提供足够的起动扭距，滚刀又能相对掌子面能够良好转动，这样，在上软下硬的广州地铁工地的混合岩地层中切削围岩时，盘型滚刀时而回转时而不转，容易造成多边形偏磨。5）刀具漏油油脂因密封损坏而从滚刀中泄漏出来。造成刀具漏油的原因主要是地质条件发生急剧变化或换刀不合理造成刀具过载，或是因刀具轴承及浮动密封的寿命已达极限。6）刀圈剥落刀圈表面掉落整块的碎片，而整个刀圈没有断裂，称为“刀圈剥落”。刀圈剥落是由于刀圈表面产生疲劳裂纹，逐步扩展导致微观断裂，因磨损而剥落。7）挡圈断裂或脱落挡圈（见下图）用于避免刀圈沿轴线方向的平行位移。如果挡圈断裂或脱落会引起刀圈位移。4.2.5带压换刀作业1)当盾构机在硬岩或自稳能力较强的地段掘进时，因地层本身有自稳能力，不需要在土仓蓄压以提供额外支撑压力，这种情况下可在无压下直接进入刀盘作业。2)软岩、含水丰富地段掘进时，地层无自稳能力，必须由盾构机来提供使地层稳定的支撑压力（EPB），这种情况下便需采用带压进舱模式来进行刀仓内的各项工作。4.2.5带压换刀作业3)带压换刀作业系统的主要组成部分为人员仓及保压系统，当掘进过程中刀具工作人员进入到土仓检察及更换刀具时，要使用人员仓。人员仓装在前体上部，包括主仓和付仓两部分，在进入土仓时，为了避免开挖面的坍坍，要在土仓中建立并保持与该地层深度土压力及水压力相适应的气压，这样工作人员要进出土仓时，就存在一个适应土仓中压力的问题，通过调整人仓的气体压力，就可以使工作人员可以适应常压和开挖仓压力之间的变化。但要注意，只有通过高压空气检查和受到相应培训有资质的人员，才可以通过人仓进出有压力的土仓。现以工作人员从常压的操作环境下进入有压力的泥土仓为例，来说明人员仓的作用。工作人员甲先进入主室，关闭主仓与付仓以及外界之间的仓门，按照规定程序给主仓加压，直到主仓的压力和泥土仓的压力相同时，打开主仓和泥土仓之间的闸阀，使两者之间压力平衡，这时打开主仓和泥土仓之间的隔离门，工作人员甲进入土仓。如果这时工作人员乙也需要进入泥土仓工作，乙就可以先进入付仓，然后关闭付仓与外界之间的隔离门，给付仓加压至与主室及泥土仓中的压力相同，打开付仓和主室之间的闸阀，使两者之间的压力平衡，然后打开主室和付仓之间的隔离门，工作人员乙进入主室和泥土仓中。4.2.5带压换刀作业4.2.5人员仓－实现带压换刀作业4.2.5仓外监视救援仓4.2.6刀具的检查和更换为了能够快速、安全、高效地更换刀具，采取大面积或全部更换新总成刀的原则进行。（1）刀具外观检查检查刀盘上所有刀具螺栓是否有脱落或松动现象；检查滚刀挡圈是否断裂或脱落，若挡圈脱落，还应检查刀圈是否发生移位；检查滚刀刀圈是否完好，有无裂纹、断裂及弦磨现象；检查滚刀刀体是否漏油或轴承损坏现象；检查直齿刀、扇形刮刀有无断齿、松动、严重磨损或脱落现象。检查刀具的同时应检查刀盘耐磨条、刮板开口以及防磨装置磨损情况及是否损坏并做好记录。（2）刀具磨损量的测量滚刀在没有刀圈断裂和损坏的前提下，正确地测量滚刀刀圈的磨损量是进行更换刀具与掌握目前刀具状况的依据。海瑞克土压平衡盾构的中心滚刀和正滚刀刀圈最大磨损极限为25mm，36号～39号边滚刀最大磨损极限为15mm，所以当刀具达到最大磨损极限时必须更换。刀具磨损测量刀盘掌子面广州地铁四号线微风化混合岩4.2.7刀具的更换与维修（1）检查刀具润滑油，当放出的润滑油比较洁净时，可不必解体，仅更换刀圈即可。（2）用刨光机打磨挡圈的焊接处，直至挡圈可以脱离刀体槽。（3）用砂轮切割机切割刀圈至刀体，然后取下挡圈，再用铁錾撑开刀圈切口直至取下刀圈。（4）对新刀圈进行烘烤，在烤箱中加热170-200℃烘烤2小时，在此期间对刀体用刨光机打磨。烘烤结束后，迅速将刀圈安装到刀体上。（5）对刀具的扭矩进行测试，扭矩一般控制在30-50n.m，如果扭矩过大，需对刀具解体，以检查刀具轴承是否损坏。（6）对于刀具的挡圈进行安装与焊接。（7）加注新润滑油油采用型号壳牌460润滑油，正滚刀1250-1300ml,中心刀2250-2300ml。（8）若发现放出的润滑油有大量泥碴（可能需要换密封）、铁屑（轴承磨损），此时需要解体检查。必要时更换浮动油封、轴承等，并进行气密性实验以检查浮动油封的密封效果。安装轴承外圈（需更换轴承时冷压轴承外圈安装端盖浮动密封安装浮动密封安装轴承安装刀体测量气密性检测启动扭矩5道唇型外密封（齿轮油、油脂、HBW）刀盘法兰中心隔板减