加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题

第２７卷第６期惩迁建设２７（６）：４—６，２９２００７年１２月Ｔｕｎｎｅ］ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＤｅｃ．，２００７加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题

何川，晏启祥

（西南交通大学地下工程系，成都６１００３１）

摘要：成都地铁一号线一期工程区间隧道大多通过富水砂卵石地层，且含有少量大粒径漂石。结合地层这一特点，对成都地铁采用加泥式土压平衡盾构施工的几个关键问题——大漂石处理方案、刀盘刀具的耐磨性、喷涌防治等进行了分析和探讨。

关键词：加泥式土压平衡盾构；砂卵石地层；喷涌

中图分类号：４５５．４３文献标识码：Ｂ

ＫｅｙＩｓｓｕｅｓｏｆＡｐｐｌｙｉｎｇＭｕｄｄｉｎｇ－ｔｙｐｅＥＰＢＳｈｉｅｌｄｓｔｏ

ＳａｎｄｙＣｏｂｂｌｅＧｒｏｕｎｄｉｎＣｈｅｎｇｄｕ，Ｃｈｉｎａ

ＨＥＣｈｕａｎ，ＹＡＮＱｉ－ｘｉａｎｇ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＴｕｎｎｅｌａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆｌｉｎｅ１ｏｆＣｈｅｎｇｄｕＭｅｔｒｏｍｏｓｔｌｙｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈｓａｎｄｙｃｏｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｓａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆｌａｒｇｅｂｏｕｌｄｅｒｓ．Ｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｍａｋｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓｏｎｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｉｓｓｕｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｄｄｉｎｇ・ｔｙｐｅＥＰＢｓｈｉｅｌｄｓｔｏｓａｎｄｙｃｏｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄｉｎＣｈｅｎｇｄｕ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｂｏｕｌｄｅｒｓ，ｔｈｅｗｅａｒｉｎｇｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｓａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｕｄｂｕｒｓｔ—ｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｄｄｉｎｇ—ｔｙｐｅＥＰＢｓｈｉｅｌｄ；ｓａｎｄｙｃｏｂｂｌｅｇｒｏｕｎｄ；ｂｕｒｓｔｉｎｇ

０辍述由于砂卵石地层的内摩擦角较大，碴土的和易性

成都市地铁一号线一期工程正线全长１５．１５ｋｍ，和流动性较差，对碴土添加澎润土等添加材提高碴土地下线长１１．９２ｋｍ，车站１３座。一期工程主要位于成的流动性的加泥式土压平衡盾构在该地层中将比一般都市南北主轴线——人民路下方，沿线建筑密集，商贸的土压平衡式盾构机拥有更多的优势，下面将以加泥繁荣。线路途经火车北站、骡马市、市体育中心、天府式土压平衡盾构机为对象，探讨其在砂卵石地层中施广场、省体育馆、火车南站、世纪会展中心等重要交通工的几个关键问题。

枢纽和人流集散点，交通异常繁忙。根据地勘资料，一首先，加泥式土压平衡盾构机必须具有开挖系统、号线一期工程沿线从上到下的地层主要是（１）人工填出碴系统、碴土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动土、（２—３）粉质黏土层、（２—４）粉土层、（２—５）细砂、力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能，在基本粉砂层、（２—６）中砂、粗砂层、（２—８）卵石土、＜３—５）功能的基础上，需要在以下几个方面进行特殊设计：第中粗砂、（３—７）卵石土。隧道主要穿越（３—７）卵石土一，盾构机应具备处理大粒径卵石和漂石的能力。刀层，部分地段穿越（４—４）卵石土层。卵石的最大粒径盘要有足够的刚度和刀盘驱动扭矩，刀具要具有中硬达１８０ｍｍ，局部漂石的最大粒径达６７０ｍｍ。卵石单轴岩切削能力，能够通过安装在刀盘上的双刃滚刀对大抗压强度６５．５～１８４ＭＰａ，平均１０２．２ＭＰａ，极值为２０６粒径漂石进行破碎，要有功能完善可靠的人员仓供带ＭＰａ。地下水主要赋存在卵石土中，水量极其丰富，压进仓对大漂石进行人工破碎，螺旋输送机的设计要渗透系数Ｋ＝１２．５３～２７．４ｍ／ｄ，枯水期地下水位埋能满足一定粒径卵石和破碎后漂石的排出能力；第二，深３—５ｍ，丰水期２—４ｍ。由于一期工程线路设计高要具有能够在砂砾石地层中长距离掘进的能力。盾构程大多数处于地面以下１０—２０ｍ范围，因此盾构施工机需要具有合理的、高耐磨性的刀盘及刀具设计、足够

的刀盘开口率、开口形状及合理位置，刀盘、刀具还要

万　方数据将面临高水压问题。妖稿日期：２００７—１０—２６；修回日期：２００７一１１—０２基金项目：国家高技术研究发展专项（８６３计划）经费资助项目（课题编号：２００６ＡＡｌｌＺｌｌ６）作者简介：何川（１９６４一），男，重庆云阳人，１９９９年博士毕业于日本早稻田大学土木建筑工程专业，教授，博导，主要从事现代盾构隧道理论研究。

第６期何川等加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题

有抗磨损保护措施；第三，要具有处理高地下水［１１的

能力，防止喷涌的发生。这就要求盾构机的铰接系统

和盾尾密封系统在压力状态下具有可靠的防水密封性

能，采用加长螺旋输送机消减水压和采用可靠的闸门

密封系统，盾构机具有保压功能等。

。面的周边区域焊耐磨层，轮缘区域的后部焊耐磨块。从长距离在砂砾石层中掘进、排除大砾石角度考虑，采用辐条式刀盘或小幅面板＋辐条式的组合刀盘较好，其刀盘可以减轻切刀的实际负荷扭矩，增大排出开挖土砂的能力，将土仓内的土压有效地传递给开挖面。

１大粒径卵石和漂石的处理但对于地下水压大、易坍塌的土质而言，不易掌握水土

对于大粒径漂石的破碎，尽量采用常规挖掘的方压力平衡；在耐磨性方面，如果其轮辐为柱式，耐磨性式，即按可能通过的最大砾石的直径确定开口率及切能比面板式好，但其刀盘的外周磨损比较严重。口宽度，配备与上述砾石直径条件相适应的螺旋输送

机排除砾石。根据成都地铁６．２ｍ左右的盾构机实际

条件，可以使螺旋出土器的开口尺寸达到１０００ｍｍ，能

满足Ｌ７２５ｍｍＸ西６７０ｍｍ的漂石直接通过，而大于

６７０ｍｍ的漂石出现的概率不高，应能基本满足要求。

即使出现大于６７０ｎｌｎｌ的漂石，在螺旋出土器的前端可——瓦磊百～刀盘转向一

设置一道闸门，当大漂石进入土舱内时将该道门关闭，图１掘进时切刀保护示意图

同时土舱内加气压防止水灌入，从螺旋出土器的前端Ｆｉｇ．１Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｕｔｔｉｎｇｂｉｔｓｄｕｒｉｎｇｔｕｎｎｅｌｂｏｒｉｎｇ

将漂石取出或打碎后取出，这样可使通过的漂石尺寸对于刀具，应选用硬度大的、抗剪性好的优质钢材达到Ｌ１０００ｍｍＸ西７５０ｍｍ。如果常规挖掘方式失制作刀刃，刀具的刃尖角要大，并适当增加刀具的数效，则可以采取掘削面破碎方式，即在旋转刀头上安装量；刀具的磨损量与线速度成正比，因此沿刀盘径向布齿式刀头及滚刀进行破碎。一般盾构机上使用的刀具置的刀具数量应不同，外周刀应多于其他切削轨迹上有双刃中心刀、单刃滚刀、中心齿刀、齿刀、切刀、刮刀、的切削刀；还可将外周刀和部分切削刀沿轴向高低布超挖刀、三刃滚刀、双刃滚刀等。为了破碎大粒径漂置，凸前的刀具磨损后，处于低位的刀具继续正常切石，可以按破碎中硬岩的方案进行配刀，用双刃滚刀实削；但要保持相邻刀具的高低差≤１５ｎｌｌｎ，使刀盘上的现对大粒径漂石和砾石的破碎，切刀和刮刀对软岩土刀具过渡平滑，刀具受力尽可能均衡。安装于刀盘外进行切削。滚刀刀刃距刀盘面板的高度要比切刀和刮端的刀具刀刃部分必须具有较高的抗冲击韧性和良好刀距刀盘面板的高度高，这样，在含有大粒径漂石和砾的耐磨性，要满足这一要求，不宜采用刃部镶嵌硬质合石地段掘进时滚刀先行破碎，从而可以保护切刀和刮金的周边刀，要采用韧性较好、表面硬度较高的堆焊刃刀不受损坏。同时切刀和刮刀及时切割下经滚刀破碎（ＨＲＣ６０左右）和背面镶嵌硬度高、耐磨性好的硬质合的泥土又保护了滚刀少受泥土的磨削。为了防止破金球齿的结构设计。目前，对砂砾地层适应性比较好碎下来的岩石可能撞坏刮刀、切刀，在刀具的布置上的是一种贝壳型钻，如图２所示，贝壳型钻与齿形钻进把切刀、刮刀背向布置，并拉近两切刀、刮刀之间的行落差配置，该贝壳型钻先行挖掘，先对卵石进行冲击距离，通过背向布置的切刀和刮刀互相配合切削作来解除砂卵石的约束力，剩余部分由齿形钻进行挖掘。用，实现在掘进时对刮刀和切刀的保护。如图１所这样就有效减少了齿形钻的磨损，并且对于贝壳型钻示，切刀的布置间距较近，图中所示的虚线为掘进时可以配置预备刀实现一次自动更换ｊ从而减少开仓更碴土的流动线，这样在掘进时碴土不能到达切刀的换刀具次数甚至中途不用开仓更换刀具。

下部，避免了在硬岩掘进时打坏切刀；同样对刮刀也

可以进行保护。

不得已条件下可采取人工开仓排石。由于成都是

砂卵石地层，若需通过压气支撑掌子面开仓取石，则相

应地要采取减小土层透气性的一些措施，如泥皮法、密

封墙法、区域密封法以及帷幕注浆法等等。

２长距离掘进中刀盘、刀具的耐磨性设计

首先对于刀盘¨≈Ｊ，从掌子面稳定角度考虑，采用图２贝壳型钻

面板式刀盘较好，但其耐磨性需要提高，因此刀盘面采Ｆｉｇ．２Ｓｈｅｌｌ—ｓｈａｐｅｄｃｕｔｔｉｎｇｂｉｔｓ

取带轮缘的封闭钢结构件，轮缘上焊耐磨钢条；刀盘前万　方数据除了提高刀具本身的耐磨性，还可以采取其他的

６膨莲羹墒ｆ２００７年１２月第２７卷辅助措施：１）刀盘最好正、反转交替使用，并尽可能使刀；装刀时必须校准紧固螺栓的扭矩，防止因螺栓松动正、反方向的切削刀的切削长度相同，使刀具两边达到使刀具脱落或断裂。

均匀磨损，最大限度地延长刀具的使用寿命。２）向土３防喷涌能力和盾构密封

仓中加注泡沫不仅增加渣土的可排性，而且对刀具在３．１预防喷涌问题

切削过程中起润滑作用，因此加注泡沫的质量对刀具对于成都地铁，为了能运送尺寸最大为Ｌ７２５ｍｍ×的使用寿命有影响，据北京地铁的施工经验，采用进口

泡沫，刀具的使用寿命较长，但缺点是进口泡沫价格昂西６７０ｍｍ的漂石，必然采用带式螺旋出土器，该种出贵。３）在刀具的研究制造方面，要在正确分析计算各土器在高地下水位、高水压条件下会发生喷涌问题。刀位上刀具受力状况的基础上确定刀具布置及刀间距最好的预防喷涌的措施是：

分布的合理方案，进一步提高诸如浮动油封、滚子轴承①通过向开挖下来的土体中添加材料来减小开挖等易损件的使用寿命，并要确保刀具零件的加工精度，土体的渗透系数，即通过螺旋输送机注人助剂改良土规范组装工艺，保证组装质量。４）掘进参数对刀具的砂来形成止水塞，但缺点是对螺旋输送机形成磨损。寿命有很大影响，因此在盾构使用前，做好试验，选择如图３所示。

合理的掘进模式与掘进参数（掘进速度、掘进推力②采用多段螺旋输送机从而降低出土器出口处的等），可以最大程度地延长刀具的使用寿命。５）在盾水压力，如图４所示。经过计算，第一段螺旋输送机可构使用过程中，制定正确的修刀工艺，并要遵循正确的以抵抗水压０．０９ＭＰａ，第二段螺旋输送机可抵抗水压换刀规律，确保换刀过程的正确合理；要根据刀具密封０．０４ＭＰａ，第三段螺旋输送机可抵抗水压０．４２ＭＰａ，因漏油时散发的特殊气味及时发现异常，并立即停机换此总共可抗水压为０．５５ＭＰａ。

（ａ）隧道开挖面喷涌（ｂ）加入添加剂后正常出土

图３添加材料防喷涌

Ｆｉｇ．３Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｍｕｄｂｕｒｓｔｉｎｇｂｙｍｅａｎｓｏｆａｄｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇａｇｅｎｔｓ

图４多段螺旋输送机防喷涌

Ｆｉｇ．４Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｍｕｄｂｕｒｓｔｉｎｇｂｙｍｅａｎｓｏｆａｄｏｐｔｉｎｇｌｏｎｇｓｃｒｅｗｃｏｎｖｅｙｏｒｓｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｓｅｖｅｒａｌｓｅｃｔｉｏｎｓ

３．２盾构密封问题氨脂橡胶等。工程设计中一般根据覆土厚度、地下水

由于成都地铁高水位的关系，盾构的密封也是需位、添加剂注入压力、施工总长度等来考虑轴承止水带要注意的问题。盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾的安装位置、层数、滑动速度、润滑油数量和加油压力密封和铰接密封三个方面，应遵循“以防为主，多道设等。轴承止水带的形状有单唇和多唇形，不管是哪种，防，杜绝漏水”的原则，并遵循各项规范要求。都是多层组合配置。另外，在高水压作用下，要考虑到

设置轴承止水带的目的就是保护切削轴承，使其止水带的面压上升所引起的发热问题、降低止水带的免受土砂、地下水、添加剂等的侵入，所以必须能承受负担、施加背压等问题。对于长距离施工，则要考虑止压力仓内的泥土压、地下水压、泥水压、添加剂注入压水带和滑动面的耐磨损问题。由于成都地铁是在砂砾力和气压等。轴承止水带必须满足耐压性、耐磨损性、石地层中掘进，同时还要承受较高的地下水压，故建议耐油性和耐热性等要求，工程中一般使用丁腈橡胶、聚轴承止水带设计中采用主轴承外密封措

（下转２９页）

万　方数据

第６期董天鸿硬岩掘进机刀具失效的受力分析

４．４’刀盘刀座客观问题的分析检查认识在使用过程中如何来控制刀具的失效，从而达

到刀具寿命最大化。通过分析，为掘进机刀具的装

配提出了要求，也可为刀具的选用和研发提供参考

依据。刀盘、刀座的客观问题包括：刀盘的构造及其强度、刚度，刀座的形位误差等。①对刀盘强度的检查，主要是振动状态下的疲劳

强度。通过计算分析，发现可能疲劳损坏的部位，并对

重要部位进行定期检查；

②对刀盘刚度的分析，目的是充分认识在一般条

件下，不同刀位上的刀具负载的分配情况以及刚度对

刀具工作状态的影响程度。

③刀座的形位误差的大小及趋势，对刀具的受力

状态有很大的影响。保证刀具具有良好的安装状态，

对减少刀具的损耗，提高掘进效率有重要作用。

５参考文献：［１］王镇春．ＴＢ８８０Ｅ型掘进机刀具失效分析［Ｊ］．建筑机械，２０００，（０７）．［２］万治昌，沙明元．盘形滚刀的使用与研究（１）——Ｔ璐８０Ｅ型掘进机在秦岭隧道施工中的应用［Ｊ］．现代隧道技术，２００２，（０５）．结束语

通过分析刀具的受力情况和失效的关系，清晰［３］曹宏亮，吕传田，刘金祥．刀具失效分析及预防措施［Ｊ］．隧道建设，２００４，２４（０６）：９—１０．

（上接６贞）须研究即使管片在发生错位段和曲线段等处产生偏心

的情况下也能充分发挥作用的盾尾密封。

４施，该方法使用四道唇形密封，能承受０．６ＭＰａ乃至更高的工作水压力。系统的润滑全部为自动润滑，油脂结语

盾构机作为一种现代化的地下工程施工机械，目或者是油的泄露，设备会自动立即停止运转，并且能通

过泄露仓对密封状况进行检测。’

盾尾密封［３１是为了防止注浆材料、地下水和开挖前在中国地铁建设市场发挥着重要的作用。随着我国经济实力的提高，地铁建设市场在急剧扩大，盾构机施

工的地层地质情况呈现出多样性和复杂性。成都地铁面泥浆与泥土从钢壳面板和管片外围流入盾构机内而

设置的。盾尾止水刷一般装在盾尾壳板和管片外表面

之间，目的是防止地下水和壁后注浆材料渗入盾构机建设所面临的富水砂卵石局部含大漂石地层就是一个

典型的例子。围绕着成都地铁建设中盾构机的选型问

题，在很长时间内出现了许多不同的观点。从目前成

都地铁试验段施工情况已经可以得出结论，土压平衡

盾构和泥水平衡盾构都能适应富水砂卵石局部含大内，同时对盾构而言还具有保持压力的作用。盾尾密封一般采用钢丝刷和聚脂等橡胶板，以及两者相结合的方式。作为解决高水压问题的对策，出现了将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用４道密封承受高水压

的盾尾密封工程实例，如图５所示。施工过程中在各

道钢丝刷之间利用自动供给油脂系统压注高止水性油

脂，确保高水压作用下的止水可靠性。盾尾密封承受

水压的能力对管片拼装精度影响很大，盾构制作中必漂石地层，但都需要针对地层特点进行特殊的设计。对于加泥式土压平衡盾构机，针对性设计的重点就是：具备处理大粒径卵石和漂石的能力；具有能够在砂砾石地层中长距离掘进的能力；具有处理高地下水的

能力。

参考文献：

［１］何其平．土压平衡盾构刀盘结构探讨［Ｊ］．工程机械，

２００３，（１１）：１０一１６．

１一管片；２—毵４道密封；３一第３道密封；４一第２道密封；５—第１道

密封ｉ６一盾构午斤顶；７一盾尾随动装置；８一盾构机钢壳；９一盾构机

钢壳；ｌＯ一空腔部注浆管

图５

Ｆｉｇ．５［２］蒙先君．复合式土压平衡盾构机刀盘常见故障（损坏）原因分析及解决措施［Ｊ］．隧道建设，２００４，２４（２）：６１—６６，７３．商水压Ｊ萱尾密封工程实例ｔｏＥｘａｍｐｌｅｏｆｔａｉｌｓｋｉｎｓｅａｌｉｎｇ

ＳＵｒ琶ｃｏｐｅｗｉｔｈｈｉｇｈｗａｔｅｒｐｒｅｓ－［３］张风祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００４．

万方数据　

加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键

性问题

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：何川， 晏启祥， HE Chuan， YAN Qi-xiang西南交通大学地下工程系,成都,610031隧道建设TUNNEL CONSTRUCTION2007,27(6)12次

参考文献(3条)

1. 何其平 土压平衡盾构刀盘结构探讨[期刊论文]-工程机械 2003(11)

2. 蒙先君 复合式土压平衡盾构机刀盘常见故障(损坏)原因分析及解决措施[期刊论文]-隧道建设 2004(02)

3. 张风祥;朱合华;傅德明 盾构隧道 2004

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4. 陶建勋. 段浩. 孙凤革. 李博 对富水砂卵石地层盾构机选型的思考[期刊论文]-现代城市轨道交通2009(3)

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9. 胡显鹏. 袁大军. 孔恒. 宋克志 无水砂卵石地层土压平衡盾构添加剂研究[会议论文]-2006

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10. 郭家庆 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析[期刊论文]-现代隧道技术 2010(6)

11. 郭家庆 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析[期刊论文]-现代隧道技术 2010(6)

12. 胡欣雨. 张子新 砂卵石地层土压盾构开挖面动态平衡机理研究[期刊论文]-地下空间与工程学报 2009(6)

13. 白永学. 漆泰岳. 吴占瑞. 任国青 砂卵石层盾构施工地层损失原因分析与施工对策[期刊论文]-现代隧道技术2012(3)

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