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淤泥软土地质土压盾构的选型与技术应用

 杨雪芳,倪鸿斌,王 涛,万 坤
[摘要]本文以福州地铁2号线为背景,阐述了工程地质条件以及淤泥软土地质土压盾构的选型与技术运用,为福州盾构施工提供了技术支持。
[关键词]福州;淤泥软土地质;盾构选型
 土压平衡盾构是一种密闭式盾构。与泥水加压盾构相比,土压平衡盾构没有复杂的泥水分离处理装置,并且不需采用化学注浆或气压等稳定措施。通过工程实践验证,土压平衡盾构在技术以及经济方面都显现了优越性,因此在隧道施工中取得了快速发展和广泛推广。
  福州地铁2号线全部为地下线,全长约26.2km。沿线多为商店、住宅、市区主干道和写字楼等, 总体地势起伏不平。地下区间埋深在8.4~30.1m之间。沿线地貌单元主要是山前冲淤积平原地貌,工程地质分区属于冲淤积区。其中,福大站—董屿站区间洞身范围内土层主要为淤泥质土层、粉质粘土层、砾质粘性土(硬塑)、全风化花岗岩、强风化花岗岩和微风化花岗岩等。福大站南端头盾构始发端土层从上至下依次为素填土层、杂填土层、粉质粘土层、淤泥质土层、淤泥夹砂层和粉质粘土层。董屿站北端头盾构接收端土层从上至下依次为杂填土层、粗中砂层和淤泥质土层。其中淤泥质土层工程性质较差,呈可塑~硬塑状态,粗中砂层在地下水作用下稳定性极差,易产生涌水、涌砂和塌方, 不利于掌子面的稳定。

1 盾构选型

  盾构选型应从技术先进性、安全适应性、经济性等方面综合考虑,所选择的盾构形式不仅要尽可能地减少辅助施工方法,还要适应围岩条件并确保开挖面的稳定。按照可靠性、安全性、适用性第一,技术先进性第二,经济性第三的原则进行,保证盾构施工的安全、可靠,选择最适宜的盾构和选择最佳的盾构施工方法。
  福州地层松软,地下水丰富,应选用封闭式盾构进行区间隧道施工。在封闭式盾构中,目前最主要的为泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构。结合这两种盾构形式和福州地铁2号线的实际情况,从土质适应情况、施工控制、工期、场地条件、环境保护、成本等方面进行比选,综合比较见表1和表2。

2 刀盘设计

  福州土压项目中刀盘中心开口率为34%,能够通过较大直径的卵石以及切削下来的石块,有效降低了刀具磨损,同时在掘进过程中还可以减小刀盘的转矩。切削刮刀的切削轨迹遍布整个开挖面,相邻刀具间的切削轨迹存在一定的重叠,能够保证整个开挖面被完全切削。在不同的切削直径上,布置的切削刀具数量也不相同。刀具数量随着直径的增大而增加,确保切削刀具磨损基本相同。同时为切削刀具设置一定的内偏角,使得切削刀具切削面积最大化,进而提高刀具切削效率。
  此外,采用超前撕裂刀与切削刮刀协同切削土体,先通过超前撕裂刀,将土体撕裂,降低土体的固有强度,进而降低切削刮刀切削土体的难度。每一根辐条上布置的切削刮刀与超前撕裂刀数量较均匀,保证刀盘均匀承力。刀盘中心配置了4 个注水口,可以有效预防刀盘中心的砂土粘结。刀盘的周边焊有耐磨条,刀盘的面板焊接有格栅状的Hardox耐磨材料,耐磨板厚度10mm,充分保证刀盘在岩层掘进时的耐磨性能。此刀盘适用于中软岩、中硬岩,岩石强度在80MPa以上的地层(见图1)。
  对该类刀盘进行长期工况和短期工况两种荷载分析,见表3。几何模型和两种工况下的应力与位移云图见图2-图6,刀盘强度分析结果见表4。




  从上述结果可以看出:最大应力出现在支撑筋与面板连接的拐角处,由于此位置存在几何突变,故出现应力集中。长期工况下,整体应力在160MPa以下,短期工况下,整体应力在220MPa以下,满足强度要求。刀盘的最大变形出现在边缘处,这是由于在中心部位有牛腿的支撑作用存在, 而在边缘处刀盘则是弯扭组合变形。

3 土压防喷涌技术

  与泥水盾构相比,土压平衡盾构的确有许多优势,但在富水地层施工时,会遇到隧道喷涌、地层沉降以及盾构姿态难以控制等问题。
  针对喷涌难题,福州土压盾构在设计中提出了防喷涌技术。技术方案为:在螺旋机入土口处安装前端闸门,前端闸门采用内置式。需要检修时通过伸缩油缸将螺旋叶片缩回至螺旋机筒体内,前端闸门关闭,避免在检修时出现喷涌现象。螺旋机出土口设置2个闸门,交替开启以降低喷涌压力。在螺旋输送机出土口接保压泵,在泵上可接两路管路, 一路泥浆经保压泵后送至土仓,另一路泥浆经过分离后,厚渣土通过皮带机或渣土泵送至土方车。

4 刀盘防结泥饼技术

  针对刀盘结泥饼的问题,在刀盘的设计中采用了防结泥饼技术:采用合适的刀盘开口率,主驱动采用中间支承方式。土仓隔板固定,刀盘旋转时牛腿和搅拌棒对土仓内的土体进行有效地搅拌,这样中心就不容易结泥饼。设置有4个主动搅拌棒和1 个设有高压喷水口的被动搅拌棒,可以对刀盘背面或牛腿进行冲洗,能够有效防止土仓中心泥饼的产生(见图7)。

3 结束语

  本文介绍了福州地区淤泥软土地质特点,结合地铁2号线实际情况,分析了盾构选型依据,探讨了针对性盾构技术应用。淤泥质土层具有高压缩性,且呈软塑~流塑状态,压缩模量较低,力学性质很差,对掌子面的稳定性极为不利。综合考虑地质、工期、环境保护、成本等因素,最终选用土压平衡盾构,并采用了大开口率刀盘以及合理的刀具配置、防喷涌、防结泥饼等技术,为福州地区盾构施工提供了技术支持。



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