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1、精选优质文档-倾情为你奉上富水砂卵石地层中盾构换刀方案段浩1 孙凤江2（1.中煤邯郸中原建设监理咨询有限公司 2. 邯郸市安装工程有限责任公司 河北 邯郸 ；）摘要：成都地铁1号线盾构隧道工程主要穿越地层为砂卵石地层，砂卵石对盾构机的刀具磨损较为严重，为保证盾构掘进的正常进行，需要频繁的更换刀具。通过对成都地铁1号线施工过程中中的几种盾构换刀方案进行比较，提出了富水砂卵石地质情况施工中合理换刀方案。关键词：砂卵石 盾构 带压换刀 加固 1 工程慨况成都地铁1号线盾构隧道工程全线穿过富水砂卵石地层，粒径30100mm的颗粒的卵石含量约6575%，粒径100130mm的大约占10%。盾构刀盘刀具面
2、临切削破碎大粒径卵石、孤石，在工程前期刀具的磨损非常严重，平均140m左右就需更换一次刀具，即使后期通过对增加刀具的耐磨性和刀具布置的改进，掘进300m左右仍需换刀。2盾构施工对地层稳定性分析：成都的富水砂卵石地层是一种典型的不稳定地层，颗粒直接胶结能力差，结构松散，受扰动后极易失稳，造成地层位移坍塌。砂卵石地层在无水状态下，颗粒之间点对点传力，地层对外界扰动反应灵敏、单个岩块强度高。据试验数据，单个卵石块的单轴抗压强度可高达150170MPa ，围岩的内摩擦角较大。 在盾构机刀盘转动的同时，对地层有一定扰动，在刀盘的前方和上方形成松散带，在换刀过程中松散的渣土不可避免的要进入土仓，就会在刀盘
3、的前上方造成地层损失在盾构掘进时，地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。由于该地层的内摩擦角较大，因此，有一定的拱效应，并在拱效应的作用下，该地层损失进一步向地表转移，最终反应到地表，造成地表塌陷。3成都地铁1号线换刀方案：成都地铁1号线主要选择换刀的方式包括常压进仓换刀和带压进仓换刀。不加固地层常压进仓换刀，每次换刀显性成本低，但地面塌陷风险大，换刀时间不易控制；对盾构机前方土体进行加固后，再常压进仓换刀，换刀人员的安全有保障，换刀时间较短，地面坍陷风险较小，但是需对换刀位置进行围蔽，给城市交通带来不便，另外对成都砂卵石地层进行加固效果不是很好，因此合
4、理选择加固方案成为换刀的一个难题。采用带压进仓换刀的方式，不影响地面交通或影响较小。但带压进仓换刀面临的难题是：成都的砂卵石地层富水性较好，土体不够稳定，由于土层透气性较强，加压时不易保压，带压进仓操作人员的安全得不到很好的保证。成都地铁1号线采用的换刀方式对比表1 换刀方式对比分析换刀方式加固方式加固效果及风险性占用地面和对交通影响时间换刀时间准备施工工期单次换刀加固成本常压开仓换刀不加固无，坍塌风险大无不确定无无地面降水加固差，坍塌风险较大对地面交通迎影响较小较长长较高地面注浆加固一般，坍塌风险较大对地面交通影响较大， 较短长较低旋喷桩或人工挖孔桩良好，坍塌风险小加固时对地面交通影响较小，
5、短长， 较高地面AB液加固较好，坍塌风险较小加固时对地面交通影响较大，较长较长高洞内AB液加固较好，坍塌风险较小无较长较短较高洞内聚氨酯加固较好，坍塌风险较小无较长短高带压换刀不加固无，坍塌风险较小无较长较短无结合地面注浆加固较好、坍塌风险小无短较短较高结合地面AB液加固较好，坍塌风险小无短较短较高3.1 换刀位置和时机的选择3.1.1刀盘、刀具的磨损情况分析：成都地铁盾构隧道基本都在砂卵石地层中掘进，对盾构机刀具、刀盘的磨损较大。应仔细分析盾构掘进参数，判断刀具、刀盘的磨损情况，一旦发现刀具、刀盘磨损严重，应尽早确定换刀，以免带来不可预知的后果。3.1.2拟换刀地点地质、水文情况分析：分析详
6、勘地质报告和补充地质勘察成果，了解清楚拟换刀位置的地质条件，包括岩层、岩层的稳定性、水文地质特征等，以便选择一个地质条件相对较好的换刀位置和换刀方案。3.1.3拟换刀位置的地面条件分析：拟换刀位置的位置选定后，还应对其地面条件进行详细调查，包括：换刀位置是否有管线穿过、其埋深条件如何、是否需要改迁或保护等；换刀位置是否需要进行交通疏解；换刀位置是否有相邻建（构）筑物，与相邻建（构）筑物的距离关系，是否需要保护。总之，换刀位置选择的原则，就是尽量避开建（构）筑物、管线、交通繁忙的道路。3.1.4经济性与安全性的平衡分析：对刀具的更换，在考虑其经济性的同时，更不能忽视安全风险。换刀距离、换刀方案的
7、选择需要掌握经济性和安全性的平衡，其中换刀安全风险包括人员安全和设备安全的问题是主要考虑的因素。3.2 换刀方案的确定： 3.2.1、 换刀方案的确定原则：（1）盾构在砂卵石中掘进，刀具磨损严重，必须频繁的检查和更换刀具。这就要求每次换刀成本。（2）土体稳定性可控或加固后效果良好：换刀时既要保证土仓内作业工人的安全 ，又要控制地表变形，必须保证掌子面土体的稳定性，防止其坍塌。（3）换刀综合效率高，施工周期短：换刀方法综合效率应高，以减少对盾构施工进度的影响。（4）尽量不占用地表或降低地表占用时间减少对市民生活的影响，争取做到不扰民施工。（5）换刀综合成本低：换刀方案的确定应考虑盾构停机时间、工
8、期延误带来的隐性成本增加。3.2.2、对成都砂卵石地层换刀方案选择适用性分析：（1）常压开仓不加固地层换刀方案：该方案不需要前置工作，单次换刀显性成本低，但地面塌陷风险大，地下水丰富时甚至难以打开仓门，换刀工期不易控制。适合枯水期并水位低于刀盘中心以下时采用。（2）常压开仓地面降水加固换刀方案：降水措施受水文地质条件的限制，在采取降水措施对换刀位置进行加固时，应对拟换刀位置的地下水补给来源、地下水动力特征、地下水埋藏条件和季节性变化特点等了解清楚，以便确定在只采取降水措施的情况下能否达到加固的目的。降水井采用打深井方式，井深和井数以确保降水后的水位在隧道底板以下来确定。深度应超过隧道底部57m
9、，位置在选定的换刀点横向轴线附近且距隧道边沿12m为宜，有效降水时间宜在15天以上并根据气候对地下水的影响调整抽水流量和有效降水时间。采用降水换刀方式存在以下难点：换刀地点与预测地点可能不一致，造成事先施作的降水井不起作用；地下水位高时，降水效果不明显；掌子面仍有坍塌危险；需提前施工，要求占道，并有排水位置的限制，协调难度大。（3）常压开仓地表注浆（AB液）加固换刀方案：地表注入水泥浆（AB液）在一定程度上可以加固地层，但占用地面施工，需要前置加固施工，施工周期较长。在选择该方案时，一方面，受地表条件的限制，另一方面，砂卵石地层再不扰动时非常密实，注浆水泥注浆效果不明显， AB液加固效果较好但
10、成本较高。多次实践证明，在水泥浆加固之后地表仍出现坍塌。（4）常压开仓旋喷桩或人工挖孔桩加固地层换刀方案：旋喷桩或人工挖孔桩对地层加固效果显著，理论上能保证换刀时掌子面的稳定，但同地表注浆加固一样，需要占用地面。采用该种加固方式存在以下难点：换刀地点与预测地点可能不一致，造成事先施作的加固地段不起作用；人工挖孔桩施工安全风险大；旋喷桩等桩基工程在砂卵石地层中难以施工。需提前施工，要求占道时间长、面积大，并有排水位置的限制，协调难度大；对环境有一定影响，增加了施工控制难度；成本高、工期长。（5）常压开仓洞内注AB液或聚氨酯加固换刀方案：洞内注AB液，AB液为双组分，可以快速反应形成玻璃体，其固化
11、物强度较低，流动性较好，通过控制反应时间达到要求的扩散效果，与岩石具有良好的粘结性，可以保证良好的堵水效果。但成本较高，水压较大时止水效果将受到影响，如换刀时间较长，亦有可能引起地面塌陷。聚氨酯发泡材料分A液和B液，反应时间可以调节，从7秒到2分钟不等，根据具体情况而定。可以快速反应并硬化，其固化物强度高，填充加固体的单轴抗压强度可以达到80MPa。完全可以承受上部围岩的压力。聚氨酯与岩石具有良好的粘结性，且具有一定的弹性，可以保证良好的堵水效果。根据实际使用效果看，盾构前上方的土体得到较好的加固，土体较稳定，有效的抑制了地层坍塌。保证了换刀人员的安全，同时提高了换刀的效率。使用该加固方式的特
12、点：不占有地表，不受地表条件限制。加固有效；效率高，能在几小时之内达到加固效果；加固不会对刀盘、刀具产生凝固；费用较高。（6）带压加固或不加固换刀方案：不对地层与加固的带压换刀，在换刀效率上低于带压加固换刀，同时舱内安全风险和地面塌陷风险大于加固换刀，但换刀成本低，综合工期短；带压加固则与之相反。结合成都地铁换刀效果，虽然带压进仓换刀的效率较低，但它可以不对地表进行加固，不用在地面围蔽，对城市交通的影响小，便于控制换刀过程中地表的沉降，地表不易塌陷。6 结束语： 综上所述，在富水砂卵石地层中盾构换刀方案的选择，应详细考虑安全性和经济性的平衡，并已安全性为主要考虑目标。选择适当的换刀方案达到经济
13、与安全的平衡。成都地铁1号线施工过程中，应主要采用带压换刀的方式，根据成都的特殊地质条件，如采用常压开仓换刀应采取地层加固处理。参考文献1 段浩，宋天田. 成都地铁盾构法隧道施工难点及措施J. 第四届中日盾构隧道技术交流会论文专辑，228233。2 宋天田，周顺华，黄胜. 富水砂卵石地层土压平衡盾构的适应性研究J，第四届中日盾构隧道技术交流会论文专辑，145150。3张凤祥、傅德明、杨国祥等编著，盾构隧道施工手册，北京.人民交通出版社，2005.5。作者简介：段浩（1973。10 ），高级工程师，中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司。孙风江，男，1960年6月23日出生，山东省聊城人，邯郸市安装工程有限责任公司，助理工程师。成都市人民中路一段5号16栋1-2-4，邮编：，、dh11973.专心-专注-专业