高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工

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高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工

[摘要]针对硬岩岩石强度平均134MPa,最高达到264MPa的施工难点,对选用的土压平衡复合盾构进行技术改造升级及合理配套,效增强了抗冲击性和耐磨性,同时对掘进过程中盾构掘进参数变化的原因进行分析,总结出硬岩岩石强度平均134MPa,最高264MPa高强度断面极硬盾构隧道掘进最佳参数控制范围,有效避免了盾构机卡壳、卡螺旋机抱死、刀盘抱死或者严重磨损刀盘等不良现象的发生。

[关键词]盾构;掘进;高强度;全断面;极硬岩;施工技术

近年来,随着社会不断发展,越来越多的轨道交通建设在大规模进行,目前土压平衡盾构在黄土、淤泥质软土、砂层、砂卵石地层中掘进技术已较成熟,形成了大量结构设计计算理论和工程实践体系,但盾构在岩石强度达到120~150MPa的全断面硬岩地层中掘进经验尚浅,在盾构掘进过程中,容易发生盾构卡壳、卡螺旋机抱死、刀盘抱死或者严重磨损刀盘等不良现象,对盾构掘进施工影响极大。

1 工程概况

济南市轨道交通R2线一期土建工程施工四标段宝华街站~长途汽车站区间,右线全长 992.741m,左线全长998.042m,隧道埋深约 9.6~12.3m。宝长区间共计穿越18处建、构筑物及1处河道,硬岩岩石强度平均134MPa,最高达到264MPa,施工难度非常大。

2 高强度全断面极硬岩掘进施工特点

1)针对硬岩岩石强度平均134MPa,最高达到264MPa的施工难点,对选用的土压平衡复合盾构进行技术改造升级及合理配套,将刀盘结构进行优化(图1),采用六辐条刀盘,中心刀刀座采用TBM刀座(图2),刀圈采用新型LD高强韧性新型模具钢材质,有效增强了抗冲击性和耐磨性;增强滚刀配置,设置18寸中心双联滚刀6把,18寸单刃滚刀37把,10孔重型边刮刀24把,8孔重型正面刮刀43把,同时在刀盘扭腿两侧增加侧板、环梁两侧增加筋板、刀盘增加一整圈环筋的方式进行加固,保证了刀盘的整体强度和刚度。2)对刀盘的耐磨性进行优化,刀盘面板和外周增设Hardox耐磨板(图3),刀盘整体耐磨性能得到有效提高,同时研究应用了刀盘磨损检测装置(图4),使用前将液压式磨损检测系统安装在刀盘上,盾构掘进过程中,随着刀盘磨损程度的增加,液压系统压力逐渐下降,达到警戒值时,发出报警信号,及时提醒盾构操作人员,确保施工安全。3)对18寸单刃滚刀刀具进行优化,采用刀圈、刀毂一体化整体式滚刀结构(图5),刀刃采用上口25mm,下口76mm的锥形结构,刃口顶部增加圆顶倒角R6°(图6),有效增加了刀具破岩能力,提高刀具贯入度,提升掘进效率;刀毂和端盖采用“重型”尺寸设计,刀毂壁和端盖外壁进行加厚设计,最大限度地增加了刀体的综合耐磨损性,有效地减小换刀频率。4)刮刀刀刃采用3排大尺寸耐磨硬质合金,刀头带5°尖角结构,同时采用双排螺栓紧固使刀体受力更加均匀。

3 工艺流程及关键技术操作要点

3.1 工艺流程

高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工工艺流程如图7所示。

3.2 刀具检查和更换

观仓人员每推进10cm进仓检查刀具及掌子面情况,并进行刀具螺栓复紧,发现刀具损坏时,要及时更换刀具,新安装刀具要及时进行复紧。

3.3 盾构掘进方向精确控制

1)在盾构始发的时候,需要经过人工测量为盾构编辑盾构初始位置参数。2)盾构姿态初始测量内容应包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滚动角及切口里程。3)在掘进到隧道中间和贯通前一两百米进行盾构姿态测量,与当前导向显示姿态对比,确保当前显示姿态的准确性。

3.4 掘进模式选择

土压平衡盾构在全断面极硬岩地层时,选择采用敞开模式进行隧道掘进。

3.5 渣良

高强度硬岩地层盾构掘进时,利用泡沫系统,同步适量注入低浓度泡沫(加入比例为5%~10%,平均每环用量为40~50kg),冷却和润滑刀具,降低土仓温度。

3.6 盾构掘进参数选择

高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进最佳参数控制范围:总推力12000~13000kN;扭矩1400~1600kNm,掘进速度2~3mm/min,贯入度3~4mm/r,转速1.8~2.0r/min。

4 结语

通过高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工技术的研究与应用,对选用的土压平衡复合盾构进行技术改造升级及合理配套,将刀盘结构进行优化,有效增强了抗冲击性和耐磨性;保证了刀盘的整体强度和刚度,刃口顶部增加圆顶倒角R6°,有效增加了刀具破岩能力,提高刀具贯入度,提升掘进效率;总结出高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进最佳参数控制范围,有效避免了盾构卡壳、卡螺旋机抱死、刀盘抱死或者严重磨损刀盘等不良现象的发生,对今后同类型工程具有切实的指导意义,推广应用前景广阔。

[参考文献]

[1]闫建诚.土压平衡盾构全断面硬岩施工技术[J].施工技术,2014,43(9):127-130.

[2]杨梅.全断面硬岩地层盾构掘进问题分析及解决措施[J].铁道建筑技术,2015,(5):54-57.

作者:方治纲 单位:中铁三局集团第五工程有限公司

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