盾構施工難點分析PPT課件

1、2021-5-4 目 錄 1 噴涌及防治措施 2 泥餅的成因及防治措施 3 大軸承及三大密封 4 滾刀損壞的原因及防治措施 2021-5-4 n噴涌定義： 螺旋輸送器出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象時，大量的高壓 泥漿會從螺旋輸送器的出土口中噴射出來， 嚴重地污染盾構機中、后體及隧道內工作人 員的施工環(huán)境，以至于不得不停機處理。更 有甚者，由于大量噴涌造成密封土艙的突然 卸壓而引起地面的嚴重沉降。 1 1 噴涌及防治措施噴涌及防治措施 2021-5-4 造成噴涌的原因多種多樣，但無論什么原因，噴涌的發(fā)生都有一個共 同點，即必定有一個補給充足、迅速在密封土艙螺旋輸送機出口形成水頭壓 力的水源。因此，要防止噴涌，其主

2、要方法就是“治水”。 1 1 噴涌及防治措施（續(xù)）噴涌及防治措施（續(xù)） 2021-5-4 1.11.1噴涌形成的施工環(huán)境（續(xù)） （1）富水砂土地層引發(fā)噴涌 （沒有足夠多的黏土物質 ，“水是水， 渣是渣”，水流量要比渣土量大 ） （2）富水斷裂引發(fā)噴涌（廣州地鐵一號線烈士陵園 ） （3）江河下隔水層被擊穿引發(fā)噴涌（廣州地鐵二號線 ，通過珠江 ） （4）已成隧道滲流匯水到開挖面引發(fā)噴涌 2021-5-4 1.11.1噴涌形成的施工環(huán)境（續(xù)） 管片背后的積水從注漿孔噴出 2021-5-4 （5 5）泥餅引發(fā)噴涌 結泥餅與噴涌在 密封土艙中共生 1.11.1噴涌形成的施工環(huán)境（續(xù)）噴涌形成的施工環(huán)境（

3、續(xù)） 2021-5-4 1.2 1.2 噴涌的防治措施 從形成噴涌的原因入手，具體防治措施： n在富水的砂層中，其處理方法是加入適量的 添加劑。 n在自立性好的地層中止水，如果管片同步注 漿不充分，應該再通過管片進行雙液注漿， 以盡快封堵隧道背后的匯水通道。 n在黏性土中防噴涌的辦法是先防止結泥餅。 2021-5-4 2021-5-4 2 2 泥餅的成因及防治措施 泥餅是盾構刀盤切削下來的細小顆粒、碎屑在密封土艙內和刀盤區(qū)重新聚集而成半固結或固結的塊狀體。 2021-5-4 2.12.1泥餅造成的危害 （1）泥餅引發(fā)地表塌陷 廣州地鐵一號線盾構西段為兩臺泥水 盾構機。隧道硐身所處的地質條件復雜

4、，上 部是富水的松散砂層，中下部是殘積黏土層 和強風化泥質粉砂巖。1996年11月日， 盾構機的泥水壓力平衡系統(tǒng)出現(xiàn)參數(shù)異常 忽高忽低，11月9 日，地面6棟房子倒塌或 嚴重損壞，造成直接經(jīng)濟損失為500多萬元 后開艙證實，密封土艙的中心區(qū)內存在著大 體積的泥餅。 2021-5-4 上海地鐵事故上海地鐵事故 2021-5-4 廣州地鐵一號線盾構東段為一臺土壓平衡盾構機。當盾構機沿著中山四路左線農講所公園前區(qū)間 掘進近艙邊路日地段時，隧道硐身正處于全斷而的殘積黏土層中，上覆地層為砂質淤泥層和雜填土 層。 （2）泥餅引發(fā)地表隆起）泥餅引發(fā)地表隆起 2021-5-4 為了控制地表沉降，設定的出土壓力

5、超 過2 kg/cm2，最大推力達到23550KN，密封 土艙艙壁的壓力超過kg/cm2，致使盾構機 正上方路面呈現(xiàn)一個“饅頭狀”的隆起。經(jīng) 測量發(fā)現(xiàn)，最大隆起值在機頭位置，達152 mm，近200 m2區(qū)域隆起超過10mm， 混凝土 路面開裂破壞，幸好不在建筑物下。 2021-5-4 地面隆起地質剖面圖 地面 隆起開裂 2021-5-4 （3）泥餅引發(fā)江底噴涌和塌陷 廣州地鐵二號線穿越珠江的兩臺土壓平衡盾構機是由一 號線兩臺泥水盾構機改造而成的。隧道硐身所處的地層主要為 強風化、中風化粉砂質泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，上覆為江底的松 散砂層與珠江有直接的水力聯(lián)系。 2021-5-4 2021-5-4

6、 兩臺盾構機從始發(fā)到穿越珠江頻繁形成泥餅，多次發(fā) 生螺旋輸送器噴涌，引發(fā)3次江底塌方事故。泥餅和噴涌在過珠 江的全過程中似乎成了“孿生兄弟”，總是相繼或同步發(fā)生， 并造成管片拼裝和掘進困難等問題。 2021-5-4 （4）泥餅引發(fā)盾構機主軸承損壞 深圳地鐵首期工程金田福民區(qū)間盾構施工過程中，泥餅引發(fā) 掘進異常，總推力為2800029000 kN，扭矩超過5780 kNm，螺旋 輸送器出土口土體溫度達到 72，但掘進速度只有15 mmmin。在這 種掘進極為異常和出土極其困難的情況下，仍繼續(xù)掘進，結果是艙內結成 大體積堅硬的“泥餅”，其單軸抗壓強度超過5 Mpa；這種高溫的泥餅像 “火球”一樣，

7、長期“烘烤”著只能耐80溫度的軸承密封，最終使之損壞。 2021-5-4 5月中旬，盾構機又出現(xiàn)上述極度異常情況，艙內中心 區(qū)再次結成泥餅(其余的空間充滿水)，施工單位用30t千斤頂頂 開人孔門后，艙內的水噴涌而出，接著采取從艙內降水的措施， 結果造成盾構機機頭前方地表塌方。 2021-5-4 2.2泥餅的成因 探究泥餅的成因，應從地質條件、盾構機選型及施工 條件等方面著手，其中，地質條件是客觀自然的，是形成“泥 餅”的基礎。 2021-5-4 2.2.1 地質條件 在盾構掘進過程中易形成泥餅的地層有：可塑、硬塑狀 的黏土類地層，黏土質砂土地層、泥巖、泥質粉沙巖、母巖為 花崗巖的殘積土層、全風

8、化巖層和強風化巖層等。 黏土礦物是泥餅形成的物質基礎，并且易在黏土礦物含 量超過25%的各類地層中形成。 2021-5-4 2.2.2 盾構機選型 與泥餅形成有關的盾構機主要系統(tǒng)有刀盤系統(tǒng)、密封 土艙和攪拌系統(tǒng)、螺旋輸送器出土系統(tǒng)等 2021-5-4 (1) 刀盤系統(tǒng)對泥餅的影響 刀盤系統(tǒng)決定著地層的破碎機理，它將原始的整體地 層破碎成大小不等的碎屑和粉末。其中，刀盤刀具的數(shù)量、布 置形式、種類、開口率、開口孔隙的規(guī)格、刀盤幅條鋼結構形 式、刀盤轉速等對切削下來的碎屑或粉末的性質影響最大。 2021-5-4 Peripherical protection bit Copy cutter Dra

9、g bit Open center Knife bit Opening ratio: approximatively 30% Foam Injection 2021-5-4 刀盤中心區(qū)是結泥餅的高發(fā)區(qū)，無論從德國進口和從日 本進日的盾構機，如果沒有設置獨立驅動的中心子刀盤或高達4 45cm的中心刀群。由于中心區(qū)開孔率小、線速度低，均易 形成面板泥餅，設置滾刀者泥餅發(fā)生頻度更高。另外，刀盤支 撐幅條鋼結構呈箱式向密封土艙開口的，其內也易結泥餅。 2021-5-4 (2) 攪拌系統(tǒng)和密封土艙對泥餅的影響 在密封土艙內對渣土具有攪拌作用的裝置有3類：一是刀盤支撐 粱，二是活動型(主動)攪拌棒，三是固

10、定（被動)攪拌棒 。 2021-5-4 2021-5-4 攪拌棒的攪拌作用 2021-5-4 密封土艙容積對泥餅的影響。國內應用于地鐵隧道施工盾構機密 封土艙容積一類是2022.5m3，另一類在27.530m3之間。不難設想， 當主動水土壓力和設計的土壓相同時，體積小的密封土艙易建立平衡，但在 土壓平衡下長期掘進時，土體易壓實結成泥餅。 2021-5-4 (3) 螺旋輸送器出土系統(tǒng)對泥餅的影響 n密封土艙內土體的性質，螺旋輸送器的規(guī)格、類型、功能等均相同的情況 下，排土能力很大程度上取決于螺旋輸送器伸入到密封土艙的深度。 n從排土能力來說，主動”取土能力強者，土體在艙內停留的時間越短， 越不易

11、形成泥餅。 n主動出土帶來負面的影響,對螺旋機軸強度和剛度要更高的要求。 2021-5-4 2.2.3 施工條件 n一旦盾構機從始發(fā)井掘進，預防形成泥餅的責任就落到施工措 施上。從施工角度來說，“制造”泥餅的因素有：對地質條件 的誤判(認知問題)，設定過高的出土壓力，未用或未針對性使用 “渣土改良劑”，盾構機長期運作產生高溫，密封土艙保壓時 長時間停機等等。 2021-5-4 （1）對地質條件的誤判 這類問題盡管看似是認知問題，其實是施工的第一問題。 深圳2B標之所以出現(xiàn)這么嚴重的盾構機損壞事故，首先起源于 對地質條件的誤判。 2021-5-4 （2）建立土壓平衡模式并設定過高的出土壓 力 隨

12、著土壓平衡模式的建立，艙內土體的密實度逐漸增 加，若再加上設定過高的出土壓力，其密實度將更大。緊跟著 總推力和扭矩大幅上升，而速度則循序下降。廣州地鐵一號線 盾構東段中山四路和艙邊路路口“隆起事故 .就是這樣造成的。 2021-5-4 (3)未用或未針對性應用“渣土改良劑” 用還是不用以及如何選用“渣土改良劑”，主要應根據(jù) 巖土特性和水文地質條件，諸如粘土礦物含量、切削顆粒的大 小及其含量、地層的含水量及其滲透性等來確定。Jancsecz Krause & Langmaack 于1999年在經(jīng)驗基礎上提出的“底層 的物質成分與盾構施工渣土改良的關系”對掘進軟土層的盾構 選型、渣土改良劑的選擇有

13、很好的參考價值。 2021-5-4 2021-5-4 (4)盾構機產生的高溫高熱 根據(jù)地質成巖作用實驗顯示，當土體的溫度 超過90時，土體的空隙比降低10%左右。 (5)在密封土艙土體飽滿的情況長期停機 隨著停機時間的推延，溫度會降到地下水的 溫度，壓力也會降低艙內的土體會收縮凝結成泥餅， 當盾構機再次開動時，會感覺到掘進困難。 2021-5-4 2.3泥餅的防治措施 (1)加注高質量的飽沫或聚合物或膨潤土或其中的兩種混合液甚 至3種混合液 (2)地層相對自穩(wěn)定時，采用土壓平衡模式掘進。 (3) 若地層穩(wěn)定性較差，但隔氣性較好時，宜采用輔助氣壓作業(yè)， 欠壓土壓平衡模式。 (4)采用冷卻措施，避

14、免密封土艙高溫高熱。 (5)避免密封土艙飽滿時長期停機。 2021-5-4 3 軸承及密封 減速機損壞 軸 承大齒輪斷 齒 2021-5-4 n廣州地鐵一號線公園前烈士陵園盾構區(qū) 間大軸承嚴重損傷 n深圳地鐵一號線某區(qū)間在花崗巖的殘積層中 推進時，沒有及時采取有效的措施解決結泥 餅帶來的問題，造成大密封圈燒損漏油。 n南京許府巷一南京站盾構區(qū)間，鉸接密封出 現(xiàn)嚴重滲漏，造成上方建筑物嚴重損壞，索 賠損失超過100萬元。 n廣州地鐵二號線海珠廣場一江南西區(qū)間過江 段盾尾多次漏漿，加劇了江底塌方。 2021-5-4 n軸承密封（密封結構、壓力參數(shù)、秦嶺隧道）； 2021-5-4 n 鉸接密封（結構

15、、參數(shù)）； 2021-5-4 n 盾尾密封（結構、參數(shù)）。 2021-5-4 4 滾刀損壞的原因及防治措施 4.1滾刀損壞的分類 均勻磨損 單邊 偏磨 滾刀磨損 單邊 偏磨 非均勻磨損 軸承 磨損 刃偏磨 刀圈、軸承崩裂 2021-5-4 滾刀偏磨 2021-5-4 4.2滾刀損壞的原因 影響滾刀損壞的原因很多,并且相互關聯(lián)，錯綜復雜，概括起來有五大類： 地質因素 滾刀結構因素 刀盤選型因素 施工過程中的參數(shù)控制因素 工程設計因素 2021-5-4 （一） 地質因素 與滾刀磨損有重要關系的因素有： (1)巖石的強度。巖石的強度是指巖石在各種 外力(拉伸、壓縮、變形或剪切等)作用下， 抵抗破碎的

16、能力。構成巖石的礦物成分、膠 結物質、結構、孔隙度、層理等自然因素和 巖石在外力作用下產生變形的形式因素，是 影響巖石強度最基本的元素”。巖石強度 與滾刀的磨損速度呈正比關系。 2021-5-4 （2）巖石的硬度。巖石的硬度是指巖石抵抗 其他物體(諸如切削刀具)壓入的阻力。 巖石硬度與滾刀的磨損速度正比關 系。 （3）滾刀的研磨性。當用滾刀切削巖土時， 在摩擦過程中巖土磨損滾刀的能力稱為滾刀的 研磨性。根據(jù)理論分析，可看做脆性體的滾刀， 其摩擦功(A )和摩擦力（f）的關系為： A=f s f=PFs 其中，滾刀在巖土表面上的正壓應力 與巖石的局部抗壓強度成正比。 2021-5-4 (4) 斷

17、裂帶及地層的層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育程度。 地層層理的密集度、節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度及其方向，也是影響滾 刀破巖的重要因素之一。 (5)開挖斷面的地質均勻程度。 開挖斷面內存在大塊孤石。 2021-5-4 （二）滾刀結構因素 (1)滾刀各部件的質量 ( 圖79 ) (2)滾刀裝配的扭炬 (3)滾刀刀圈的形式 ( 圖710 ) (4)滾刀的直徑 （5）滾刀刀刃的數(shù)量 （6）滾刀設計的最大壓力 2021-5-4 滾刀拆解 2021-5-4 圖710 刀圈形式 刀圈形式刀圈形式 幾種典型的復合式刀盤幾種典型的復合式刀盤 2021-5-4 （三）刀盤選型因素 （1）刀盤的形式 (2) 刀具的組合 a. 以刮

18、刀為主，滾刀為輔， 滾刀 高度超過刮刀 b.以刮刀為主，滾刀為輔， 滾刀 高度低于刮刀 c.以滾刀為主，刮刀為輔， 滾刀高度超過刮刀 (3) 滾刀的位置 2021-5-4 （四）施工過程中的參數(shù)控制因素 （1）有效推力 (2) 貫入度 (3) 切削環(huán)境 （4）刀盤管理 2021-5-4 （五）工程設計因素 n 滾刀的磨損量，無論是均勻的，還是非均勻的磨損，都較理論計算和模型試驗嚴重很多，工程設計因素也 起了很大作用。 2021-5-4 4.3 如何判別滾刀損壞 n 觀 n 聞 n 嗅 n 測 n 析 n 綜合判斷 2021-5-4 4.4 控制滾刀損壞的對策 4.4.1根據(jù)地質條件選擇合適的工

19、法 n 對于硬巖層，強度大于60 Mpa且?guī)r石質量指標RQD 大于80%的地層應考慮是否采用盾構工法進行施工， 或采用盾構法與礦山法結合的方式施工。 n小曲線半徑地段盡可能選于60 Mpa強度以下的巖層。 n應盡量避開上下斷面地質、物理條件懸殊的地層。 n應盡量避開特殊的開挖條件，如球狀風化體、樁基、 鋼構件等。 2021-5-4 4.4.2 4.4.2 滾刀配置和刀具組合 n需要配置滾刀的地段，應選擇以滾刀為主， 刮刀、先行刀或仰角刀為輔的形式。 n滾刀間距應根據(jù)巖石特性進行合理選擇。 n對于上軟下硬和需要以土壓平衡模式掘進的 地層，應提高軸承密封質量。 n滾刀的裝配扭矩應合理配置，需要建立

20、土壓 平衡模式掘進的復合地層。 2021-5-4 n雙刃滾刀適應于小于30MPa，且彈性模量大軟巖地 層。 n在上軟下硬段和硬巖段掘進時，應對邊滾刀刀圈材質 特別加強并適當增加周邊滾刀量，減小刀間距。 n在刀盤設計時應確保足夠剛度，且開口率應設置均勻， 以確保滾刀切割的土體能順利進入密封土艙。 n要合理設計滾刀承受的最大正應力，在復合地層中應 以最不利條件作為設計滾刀正應力的依據(jù)。并預留刀 具可替換功能，以便在不同地質條件下靈活配置刀具。 2021-5-4 4.4.3 4.4.3 進行科學的施工管理 n要準確判斷有效推力的大小，只有保證有足 夠的有效推力，才能使?jié)L刀旋轉，達到有效 切削巖土和均

21、勻磨損的作用。 n控制貫入度不大于滾刀與刮刀之間的高度差， 以減小對滾刀破巖效果的影響。 n努力追求氣壓狀況下的欠土壓掘進工況，即 減少推力，穩(wěn)定開挖面，防止噴涌和結泥餅， 同時又大大的減少刀具的磨損量。 2021-5-4 n使用添加劑進行渣土改良時，要注意所選添加劑種類 合適，注入方式合理，注入量足夠。并要研究解決 “為防止噴涌加入添加劑”與“加入添加劑以后滾刀 效率有可能降低”的矛盾。 n在始發(fā)掘進或剛剛更換完滾刀，重新掘進前，要將凸 入或鍥入到滾刀切削范圍內的硬巖鑿除；在掘進時， 刀盤轉速要放慢，掘進速度應控制在20mm/min以內， 使?jié)L刀與巖面之間能夠充分磨合，防止?jié)L刀崩損。 202