泥水盾构在上软下硬地层中刀具配置的管理
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【摘 要】随着交通发展，地铁作为城市交通的一部分将越来越重要。由于地下铁道的特性，地铁隧道必然发生地质交叉。在上软下硬复合地层中进行盾构施工，盾构机的刀盘刀具往往容易磨损严重，选择合适的时机进行对刀具检查和更换就成为盾构施工中一项无法回避的任务。针对上软下硬地层周边环境复杂、开舱作业风险高的问题，研究了带压开舱换刀技术。
1 工程概况
某地铁工程区处在周边环境复杂，且地质条件复杂，尤其是区间左右线穿越近3140m高强度硬岩段且间杂软弱地层，给施工带来很大的难度。经地质勘探发现，其中有一段线路隧道洞身刚好处于上软下硬的地层，此类地层影响线路的长度约为130米，由于线路设计已经确定，不能进行改动来避开这个地层，故只有研究处理方案，确保施工的安全。地面没有条件进行加固处理，在此种情况下决定采用气压进仓，保持开挖面土体稳定和气压稳定是气压开仓的关键因素，在开挖面形成泥膜对防止气体泄露和维持开挖面土体稳定，确保进仓作业人员人身安全和施工的顺利进行。
2 复杂地质条件下掘进施工
隧道穿越的复合地层多为强风化层、强风化层以上的全风化层、残积土层等，这些地层的粘粒或胶粒含量太高，在刀具的切削和刀盘的冲击作用下，岩块变成碎屑和粉末状。加强地质补勘，特别是对上软下硬的地层分析以及岩层分界线;对周边建（构）筑物进行详细调查和鉴定，考虑对房屋基础进行注浆加固、桩基托换等措施。盾构机刀具的配置是在盾构机刀具设计当中非常重要的内容，其的详细配置关系到其符合使用的地址条件和要求，如地质本身就是复杂多变，由于勘察技术手段的局限，可能无法有效认知风险源。圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。能有效地保护地下的管线和构造物以及路面和城市绿化，不中断交通，避免地面施工给市民带来不便的影响。不仅节约大量资金，而且节省了时间，加快了工程建设的进度。掘进过程中，严格控制掘进参数，观察参数变化，如刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度和相应的出土量、盾构机的推力等，对于参数突变应立即停机分析原因，不可盲目推进。
3 案例分析
（1）事故概况：2009年1月初某日上午，地铁在建线路东晓南站北7幢民房发生了不同程度的下沉，在上软下硬地层盾构掘进过程中，应适当增加开舱检查刀具的频率，随时掌握滚刀的磨损情况，以保证刀具切削岩层的能力。盾构表面与地层间的摩擦阻力不均衡，开挖掌子面上的土压力以及切口环切削欠挖地层所引起的阻力不均衡，也会引起一定的偏差。（2）处理过程：为了保护周边建筑物和利于盾构掘进，盾构掘进前之前曾考虑过对沿线的离盾构中心线较近或者非桩基础的建筑物进行袖阀管注浆或者旋喷桩加固，刀具更换宜选择在工作井或地质条件较好、地层较稳定的地段进行。在不稳定地层更换刀具时，必须采用地层加固或压气法等措施，确保开挖面稳定。（3）原因分析：盾构掘进的纠偏量越小，则对土体的扰动越小。由于同时处于小半径（左线360m、右线350m）右转弯圆曲线段、上软下硬地层及下穿密集建筑群，为防止盾构机抬头以及管片上浮及向圆曲线外侧移动，需要对掘进方向进行预偏。则垂直偏差可调整为-40～-50mm之间。同时应加密移站频率，减少移站后出现的轴向偏差。如图1。刀具加剧损耗，刀盘扭矩和盾构机推进阻力均迅速增大，螺旋出土器无法正常出土，盾构机不能往前推进。
4 上软下硬地层掘进施工措施
（1）球齿滚刀全部跟换为重型滚刀，增强其破岩能力。（2）制作渣样分析档案，每一环渣样收集分析两次，与详勘及补勘报告进行对比分析，得出每环实际地层情况;收集每组油缸每环推进过程中的推力值，分析岩面起伏情况;根据分析得出的情况设定推力、扭矩、速度、切口压力等参数，并根据推进过程中的出渣及参数变化和突变情况对施工参数及时进行调整。（3）施工策划时，根据以往施工同类地层时刀具磨损情况，结合地质资料、地表情况及隧道埋深情况，先计划开仓位置，然后进行地质补勘，勘察地层 情况是否与详勘一直，最终确定开仓位置。（4）盾构在上软下硬复合底层进行掘进时，要适当降低推力、转速、扭矩、适当增加泥浆比重、注重管片选型等。
5 盾构机的刀盘设置及刀具的配置
在上软下硬地层中掘进，软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，而局部岩石硬度较高，硬岩处刀盘的滚刀受力较大，重视盾构基础数据的异常反馈，认真分析其异常原因，并采取果断措施;密切注意工程地质及地表沉降变化情况，及时调整掘进参数、减少对地层的扰动、控制地表沉降在允许范围内。在盾构推进过程中，因地层的变化，会发生硬岩穿越硬岩上软下硬软弱岩层之间的地层转换，掘进模式应随着地层变化及时调整。在复合型地层施工时，刀具配置之间的差异主要变相在滚刀和先行刀之间的参数配置.数量.厚度.高度以及相互组合的差异上。盾构有条件根据刀具磨损情况随时开仓进行刀具检查或换刀施工。因此，盾构在硬岩段掘进过程中，要求每掘进4～5环，即进行一次刀具检查。特别是周边滚刀磨损量的检查，以保护好盾构机刀盘。
6 结语
盾构法施工是一个系统性很强的工程，其施工技术方案的确定，一定要从土建、机械、安全、经济各个方面综合权衡，认真比选。可以将上软下硬地层盾构施工的安全风险降到最低，并大大提高不良地层的盾构掘进效率，在多方共同努力下，使得右线顺利通过上软下硬的地层。
参考文献
[1]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：科学技术出版社，2006.
[2]米晋生，鞠世健.盾构掘进处理孤石施工技术[J].大直径隧道与城市轨道交通工程技术，2005.
[3]谢小兵，钟长平.特殊地段盾构掘进的沉降控制技术[J].建筑机械化，2008.