盾构机掘进技术

盾构机掘进技术一、主要掘进参数二、掘进模式的选择三、碴土改良四、掘进方向的控制五、掘进与刀具六、特殊地层的掘进七、掘进中异常现象的处理一、主要掘进参数1、主要掘进参数2、掘进参数选择的依据3、几种掘进参数的计算1、主要掘进参数•模式参数•压力参数•扭矩参数•速度参数•行程参数•状态参数•温度参数•电量参数•泡沫注入参数•注浆参数•方向参数模式参数•掘进模式•自动模式（注浆、注脂、出碴等）•手动模式•联锁解除模式（皮带机、螺旋输送机、刀盘等）压力参数•土仓压力•推进力•铰接油缸压力•盾尾密封注脂压力•注浆压力•空压机及各空气系统压力•液压系统关键部位压力值速度参数•掘进速度•刀盘转速•贯入度•螺旋输送机转速位移参数•推进油缸行程•铰接油缸行程•螺旋输送机后仓门开度温度参数•主油箱温度•主轴承齿轮油温度•螺旋输送机马达泄漏油温度•冷却系统进水温度•冷却系统排水温度•空压机排气温度泡沫注入参数•泡沫与水的比例•泡沫注入率•膨胀率•空气的流量•混合液的流量•泡沫的流量注浆参数•浆液配比•注浆压力•注浆速度•注浆冲程数（注浆量）方向参数前点坐标后点坐标滚动值竖直偏转度水平偏转度电量参数•电压•电流•功率2、掘进参数的选择依据①地质情况判断②盾构机当前姿态③监测结果反馈（如地表沉降或隆起）④盾构机状况地质情况的判断依据•地质资料及补勘资料•掘进参数变化•渣土状态地质资料及补勘资料•了解地质构造（断裂带、褶皱等）；•了解地层的分层情况（每层的岩性及其工程性质、埋深、密实度、渗透性等）；•了解地层的水文地质情况（山川河流、地下水等）；•了解地下管线、地表建筑物及地下障碍物等情况；•了解盾构隧道通过的特殊地质地段；影响地表沉降或隆起的因素•土仓压力：根据土力学计算出土压力＋水压•出土量：排土量的控制是盾构在土压平衡工况模式下工作时的关键技术之一。•每环注浆量：根据管片与岩层之间的空隙及渗透系数水文对盾构施工造成的灾难3、几种掘进参数的计算•土仓压力的计算•出土量的计算•每环注浆量的计算•注浆速度的计算土仓压力计算•土仓压力P＝(γ土h＋σ外)ξ＋γ水h•式中：γ土：土溶重γ水：水比重h：埋深σ外：外荷载ξ：土的静止侧压力系数出土量计算•理论上螺旋输送机的排土量QS是由螺旋输送机的转速N来决定的，且与掘进速度决定的理论碴土量Q0相当：QS=VS×NVS—螺旋输送机每转一周的理论排土量Q0=A×V×n0A—切削断面面积n0—松散系数V—推进速度每环注浆量计算•同步注浆量根据盾构施工背衬注浆注浆量经验计算公式：Q＝V·λ•式中：λ～指注浆率（一般取120%～160%）V～盾构施工引起的空隙（m3）V=π（D2-d2）L/4L～回填注浆段长即预制管片每环长度（预制管片每环长1.2m）隧道内的二次补强注浆二、掘进模式的选择1、敞开模式2、半敞开模式（或局部气压模式）3、土压平衡模式土仓压力的控制土仓压力控制因素图增大/减小推进速度增大/减小螺旋输送机排放速度地下水压土压三种模式的关系敞开模式半敞开模式土压平衡模式三、渣土改良1、渣土改良的作用2、渣土改良材料3、泡沫剂的特点4、泡沫土的特点5、泡沫计算1、渣土改良的作用•降低渣土的内摩擦角及刀盘扭矩•降低渣土的软稠度以利于开挖，降低刀具磨损•减小渣土的透水性2、渣土改良材料•膨润土•水•聚合物•泡沫剂3、泡沫剂的特点•较低的密度、易泵送特性•与渣土的易混合特性•与渣土不易分离特性（与渣土分离一般需7－8小时）•强止水性4、泡沫土的特点•良好的塑性•较强的临时内聚力•较低的内摩擦角•较低的透水性•较强的泡沫弹性砂子与泡沫混合试验5、泡沫计算•泡沫注入率(FIR)•膨胀率（FER）•泡沫空气的流量(Qair)泡沫注入率FoamInjectionRate(FIR)•泡沫注入率(FIR)=泡沫的流量(Qfoam）/渣土的流量(Qsoil)•渣土的流量(Qsoil)=掌子面的面积(Aface)×掘进速度(VTBM)•泡沫的流量(Qfoam)=泡沫注入率(FIR)×渣土的流量(Qsoil)膨胀率FoamExpansionRate•膨胀率（FER）=泡沫的流量(Qfoam)/液体的流量(Qliquid)1liquidFER=12：111air泡沫空气的流量(Qair)•Qair=(FER-1)×Qliquid×(P土仓+1)泡沫喷射效果可观察泡沫颗粒的大小来判断泡沫的发生效果改良后的渣土改良后的渣土成膏状四、掘进方向的控制1、掘进方向的控制原则2、盾构机方向调整3、纠偏过急对管片的影响1、掘进方向的控制原则•使盾构机趋向隧道设计中心线方向，控制蛇行和滚动•防止过急纠偏，蛇行的修正以长距离缓慢修正为原则•盾构机姿态的调整应适应管片的姿态•管片的选型拼装应适应盾构机的姿态及趋势•底部推进油缸的压力稍高于顶部的压力，防止盾构机栽头•交替刀盘正反转掘进，调整盾构机的滚动值2、盾构机方向调整完成的隧道隧道设计中线DTA盾构机纠偏曲线TBM方向纠偏管片安装序列盾构铰接铰接对盾尾间隙的影响盾构姿态和盾尾间隙铰接行程和盾构姿态根据铰接行程判断盾构姿态调整盾构姿态有一段缓慢的过程盾构姿态和盾尾间隙盾构姿态和盾尾间隙的调整行程差调整行程差的调整盾尾间隙的调整优先于行程差的调整掘进方向会加大行程差时，行程差超过20mm，考虑调整行程差行程差调整行程差的调整盾尾间隙的调整优先于行程差的调整掘进方向会缩小行程差时，行程差超过30mm，考虑调整行程差管片选型•提前考虑隧道转弯和纠偏曲线，预测转弯环的合理位置•盾尾间隙某一方向较小时，注意盾构调向•必须认真考虑管片选型，盾构掘进不能朝进一步减小盾尾间隙的方向调整管片说明管片说明（北京6号线）管片说明•管片分为标准环（P）、左转弯环（L）、右转弯环（R）三种类型•如图右所示：•每环管片由6(3＋2＋1)块组成•管片采用错缝方式拼装，弯曲螺栓连接管片说明•转弯环左右宽度最大差距为48mm•为了调节隧道的方向，安装转弯环时，需要把C块安装在不同的位置。•C块共有8个安装点位，对应不同点位，两种转弯环对隧道的调整方向各不相同。管片选型R11隧道调整方向见下图：管片选型L1安装点位、隧道调整方向见下图：管片选型管片选型盾构机姿态趋势图3、纠偏过急对管片的影响纠偏过急会造成管片开裂、错台、碎裂等现象管片开裂管片碎裂管片错台五、掘进与刀具1、刀具的种类及配刀2、刀具的破岩机理3、刀具的失效形式4、掘进参数及地质对刀具的影响1、刀具的种类及配刀中心刀配刀•切刀：软土、砂土、粘土•切刀＋双刃滚刀：软土、软岩、中硬岩•切刀＋单刃滚刀：硬岩2、刀具的破岩机理•滚刀破岩机理•切刀破岩机理滚刀破岩机理滚刀在岩石面上连续做同心圆运动，轴压力（推力）使刀刃压入岩石，产生类似于静压破岩；滚动力（扭矩）使盘刀刀刃沿轨迹线连续滚压岩石，并在滚刀通过处对岩体产生侧向压力，使盘刀运动轨迹线周边的岩石不断产生崩裂，从而达到连续破岩。滚刀破岩原理示意图静压破岩状况切刀破岩机理切刀（或刮刀）施力于岩土层上，靠刀具的刀刃从岩土体的外层分离岩土，并使之脱离母体达到破岩的一种机械破岩方式切刀破岩机理示意图3、刀具的失效形式滚刀的失效形式•正常磨损•刀圈断裂•刀圈剥落•刀圈卷刃•刀圈移位•漏油•挡圈脱落•偏磨（弦磨）•多边弦磨•刀体磨损•端盖磨损切刀的失效形式•正常磨损•断齿•掉齿•刀体折断刀具失效图例偏磨（弦磨）偏磨与断裂滚刀被碴土粘住刀圈断裂刀圈断裂碎片正常磨损4、掘进参数及地质对刀具的影响•硬岩掘进时推力及速度过大会造成刀具崩刃断裂•粘土层掘进时泡沫、水等添加不合适即渣土改良效果不好会产生泥饼或刀具被渣土裹住无法转动•软弱围岩掘进时，推力过大或刀盘转速过快会造成局部刀具过载、密封失效等地质对刀具的影响六、特殊地层的掘进1、硬岩地层2、软硬不均地层3、粘土地层4、含砂富水地层5、硬岩破碎地层6、过江、河地层7、卵石地层1、硬岩地层中的掘进•典型地层：花岗岩、泥岩•特点：掌子面能清楚看到滚刀的轨迹，盾构机易滚动且连续震响声，硬岩地层中的掘进•通常采用滚刀破岩掘进•含水量低时通常采用敞开模式掘进；•掘进过程中一般采用高刀盘转速、低推进速度掘进；•及时加注水或泡沫以降低刀具温度•加强刀盘检查和刀具更换2、软硬不均地层中的掘进•典型地层：地质交错层•特点：刀盘扭矩变化大、盾构机前部间断震响且方向难以控制•一般采用低刀盘转速、低推进速度掘进，防止推进速度过快造成刀盘卡死甚至刀圈崩落3、粘土地层中的掘进•典型地层：粘土、粉质粘土•特点：粘性大、容易在刀盘上形成泥饼，与水不易混合，易结块•一般采用多加泡沫和水，多搅拌改善渣土的流动性和塑性，并随时观察刀盘扭矩和掘进速度的变化•可采用气压平衡量模式掘进，掌子面稳定时，可适当降低土压中心刀部位形成的泥饼4、含砂富水地层中的掘进•典型地层：中粗砂、粉细砂•特点：地层自稳性差，土质改良困难，极易发生喷涌，刀盘扭矩大•一般采用添加膨润土或聚合物等添加材料，改善渣土性能，提高渣土的流动性和止水性；•掘进采用土压平衡模式；加大盾尾的注脂量并保持较好的盾尾间隙。•掌子面比较稳定时，采用气压平衡量模式掘进并严格控制出渣量5、硬岩破碎地层的掘进•典型地层：节理发育的地层或断层•特点：掌子面凸凹不平，掘进时刀盘扭矩变化大且有较大的震响，可能出现大块岩石•一般采用低刀盘转速、低掘进速度，低贯入度，加泡沫改善渣土性能。6、过江河地层中的掘进•典型地层：穿越江河，湖泊•特点：除本身的地质条件外可能会存在高水压、高水量影响，对施工、刀盘检查及刀具更换造成很大困难过江河地层中的掘进•在过江河前对刀盘、刀具进行彻底检修和更换，避免在江河段换刀；•在过江河前彻底检修铰接密封和盾尾密封系统，避免发生漏水漏浆；•在过河过江前对掘进参数对地质的适用性进行进一步的审查修正；•提前建立土压平衡模式，尽量降低对地层的扰动，防止水道与土仓连通，•合理添加改良材料，减小渣土的透水性；•加强工序衔接，做到快速连续掘进。7、卵石地层中的掘进•典型地层：卵石层•特点：刀盘扭矩变化大、盾构机刀盘有震动响声，刀具易损坏，掌子面稳定性差•一般采用低刀盘转速、低推进速度掘进，防止推进速度过快造成刀盘卡死甚至刀圈崩落•一般采用气压平衡模式掘进，土压高会导致刀盘卡死七、掘进中异常现象的处理•推力大，扭矩小，推进速度小可能的原因：铰接油缸压力过大，必要时释放；土仓压力过高；刀具严重磨损。•刀盘扭矩大，推进速度小可能的原因及处理：可能有泥饼产生，应立即停止掘进并加泡沫、水搅拌。•土仓压力上升快可能的原因及处理：掌子面坍塌，应适当加快掘进速度并增加土仓压力防止更大的坍塌。•喷涌可能的原因，地层含水量大或渣土改良效果不好不能形成土塞效应，一般关闭螺旋输送机继续掘进一段以增加土仓内渣土含量并改良土质•温度上升快可能的原因：刀盘扭矩或推力过大，或设备系统故障（如冷却系统）应立即停机检查或调整掘进参数。掘进中异常现象的处理•刀盘被卡住可能的原因及处理：刀盘扭矩过大或设定值过低，应立即停机检查并调整设定值，反转刀盘缓慢启动或采用脱困模式启动刀盘。•盾尾漏浆可能的原因及处理：纠偏过急、管片间隙不正常或盾尾失圆等，一般将注脂模式改为手动并调大注入频率，同时降低注浆压力。•铰接密封漏浆可能的原因及处理：密封或盾尾状态不好，应检查密封状态或盾尾姿态，必要时调整；漏浆严重时应停机并开启紧急密封后处理。•泡沫管堵塞防止泡沫管路堵塞的措施一般在掘进过程中尽量保持开启每条管路。工程中的难点和问题•广州二号线（越－三区间）粘土地层刀盘结泥饼开仓过量过量出碴和抽取地下水，导致地面塌陷•广深港狮子洋洞门漏水，导致地面塌陷地质破碎，掌子面坍塌•广州三号线盾构过矿山法隧道时，主机扭转•沈阳地铁盾构沉降，推进速度极低，纠偏困难•北京地铁六号线泡沫管堵塞，刀盘扭矩大，掘进困难工程中的难点和问题•北京直径线过江底，覆土浅地质破碎，刀具容易损坏•广州三号线（大－沥区间）地下水丰富，出碴发生喷涌•广州四号线（车－万区间）过珠江时，掌子面与江底串通涌水•北京地铁隧道埋深浅，透水性强，泡沫渗到地面含水卵石层，掌子面极易