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分析泥水平衡盾构穿越软弱地层快速掘进技术

1  影响盾构掘进速度的因素分析
  很多因素会影响盾构掘进速度。诸如盾构各生产系统的生产能力、互相配合、协调程度、驾驭生产系统的管理队伍的管理水平等,都是制约掘进速度的因素。高水平的管理不仅追求速度,更要追求速度与系统能力的协调。较慢的盾构掘进速度会使生产能力受到制约,降低生产效率,抬高成本,因此,掘进快慢应该合理。
  生产能力应该合理配置,各生产工艺流程应该科学设计,管理方法应科学合理。所以在黏土地层段和砂岩地层通过盾构时,应在遵照原则,协调各个环节,互相促进的基础上,达到快速推进软岩地层段盾构的目的。
2  列车编组及轨道布置
  列车编组会影响盾构掘进的速度,所以必须科学合理。列车编组在空间、时间上可以对生产环节合理安排,达到高产高效、有条不紊、系统协调,各环节间可以避免相互干扰,达到安全生产的目的。
  列车编组分3个阶段,满足盾构掘进的施工需求。
  (1)掘进隧洞。在这个过程里,因为纵坡太长,不宜倒换编组,所以编组为两列:材料车、管片车、电瓶车;砂浆车、管片车、电瓶车。每列车都是一趟一个循环。列车长度20 600 m m 。
  (2)在隧道掘进到1 500~3 000 m 的过程中,列车分成两列,编组均为砂浆车、电瓶车、管片车和管片车。跑1趟为1个循环,1列车长度是26 400 m m 。

  (3)掘进3 000 m 后,3列车编组为:砂浆车、电瓶车、管片车、管片车。列车编组从出来到井口是:管片车、管片车、砂浆车、电瓶车。每列车1个循环是1趟。每列车长度是26 400 m m 。

3  刀具的配置
  掘进软弱地层段的时候,盾构刀具主要以切削为主要功能,把硬岩段的中心双刃滚刀和单刃滚刀替换成双联齿刀和单联齿刀。其配置见表1。

  

  改进刀具,可使刀具使用寿命延长,刀具对地质条件的适应性增强,使盾构掘进速度加快。
4  掘进参数和泥浆性能调整
4.1 黏土段的掘进参数和泥浆性能团

  出渣过程中盾构掘进黏度和比重增加较快,黏土粒径太小,较大比重的泥浆循环出渣效果不好,没有携带细颗黏性土的良好特性,导致堵仓、堵泵和堵管的现象,形成出渣不畅的泥水管路。经过多次实验,控制在比重1.0~1.1 g/cm3左右的泥浆性能、23~27 m m /m in的掘进速度、2~3 rpm的刀盘转速、19~21 s的泥浆黏度的泥浆有较好的携渣能力,可以使掘进正常进行。
  因为黏度较大、容易结块,进行快速掘进时附着在刀盘和刀箱上结成泥饼,在舱内堆积,刀盘会因泥饼面积增大而变成一个平面,放慢掘进速度,降低开挖切削能力,黏土沉积硬结会导致泥水仓底部出现堵塞仓门的现象,出渣变难,仓内有较大压力波动,使掘进变得不稳定。作者尝试了很多办法在施工过程中改善压力和出渣波动的情况,下面是主要措施。
  (1)加大刀盘转速且使刀盘旋转方向在每环掘进改变,减小掘进速度。
  (2)气仓和刀盘泥浆循环冲刷方式改变,如进浆流量增大、进排浆流量差增大,气仓次数提高、泥水仓冲洗和管路冲刷都要加强。
  (3)为了保证输送能力和送浆压力的增加,需要增加中继泵的负载。中继泵发热量增加的原因往往是高负荷运转,温度很快上升,泵体的密闭性被破坏,可能造成盘根损坏漏浆或跳停,因此不宜在过长时间提高中继泵负荷。
  (4)使泥浆的黏度和比重降低,及时对浆池浆液更换或调稀。调整黏土地层泥浆比重到1.2左右可以提高携渣能力,而且换浆不应该太急,快速改变泥浆参数,应对参数缓慢调整,防止渣土在掘进中拥堵。
4.2  粗砂砾层段掘进技术
  在两段掘 进 里程中,少 部 分 是 粉砂 混 粉质黏 土、黏土。在这个区域里进行掘进任务,要逐渐把注浆量加大。反复统计分析和实验了两条隧洞,不停对盾构机运行参数 进行调整,稳定盾构机,稳步推 进掘进工作。掘进 速度,推力2 400~2 600 t,刀盘转速2.3~2.6 rpm ,扭矩0.6~1.0 M N .m ,这时泥水有相对稳定压力,安全通过沙砾层。
  为了让管片姿态和掘金姿态在设计区间内,首先,加大推进油缸下半部分的3组推力到最值,上半部分的3组减小到最值,令刀盘抬头。此外,管片安装从底部开始,安装后再对其余管片进行安装,最终盾构姿态恢复到周线的附近。
5 关键技术控制
  (1)监控监测应加强,按需要使泥浆的黏度和比重在水、循环系统中有所降低,更换浆池浆液或及时加水调稀,渣土浆液的分离需利用浓缩池进行加强。
  (2)控制管片旋转。刀盘转速下降,掘进扭矩加大,依靠改变刀盘旋转方向,顺时针利用摩擦力回转环管片;对管片拼装顺序进行调整,依次逆时针拼装,每装一块就对齐平整、能够连接相邻环螺栓后,管片顺时针微调,之后使用扳手拧紧螺栓;调整盾尾间隙、管片安装质量和盾构姿态,对应盾构姿态和管片状态,开挖底层断面、管片和盾尾间隙均应均匀。
  (3)防止上浮的管片。在掘进砂层段和黏土段时,倘若砂浆性能和盾构姿态不能确定参数,管片上浮和管片错台会很容易造成,为了对这种现象进行控制,必须在盾构中做好以下工作。

  改变注浆方式,根据要求的姿态,调整注浆量和注浆次数;根据变化的姿态,调整推进压力,使得盾构机开挖走向和姿态调整相吻合;调整盾构姿态应依据监测数据得到的上浮量,以满足隧道轴线要求。增大同步注浆量的同时降低掘进速度,缩短初凝时间。
6 结语
  该工程实现了泥水平衡盾构在软岩条件下快速长距离推进,平均每月推进500 m ,最高可达到823.4 m ,同时穿越软弱地层施工的泥水平衡盾构关键成套技术也实现了。