富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术ppt课件.ppt
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1、,富水砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工关键技术,中铁十三局集团第二工程有限公司成都地铁项目部 王国义,主要内容,1、工程概况及特点 2、主要研究技术 2.1 砂卵石地层土压平衡盾构掘进机理及控 2.2 刀具磨损机理与预测 2.3 砂卵石地层带压换刀技术 2.4 盾尾同步注浆材料及注浆参数 2.5 盾构穿越建(构)筑物控制措施,1 工程概况及特点,成都地铁1号线2标线路平面示意图,工程概况,本工程中使用的土压平衡盾构机(海瑞克公司生产),最大工作压力3bar,盾体加刀盘长8.65m,加后配套总长88m,总重量约550t,总配置功率约2000kVA,主轴承直径3米,额定扭矩5980kNm,脱困扭矩7
2、150kNm,最大推力34210kN,最大掘进速度80mmmin。,工程概况,盾构穿越的砂卵石地层特点,渣土不均匀,卵石含量高 流动性差 与刀具摩擦系数大 单块卵石强度高 粘聚力小,结构松散,工程特点,刀盘扭矩大,消耗严重;在大直径盾构情况下,工作面土压较难控制;掘进效率低;刀具、刀盘磨损严重;,意大利都灵地铁 台北捷运 日本春日井共同沟 成都地铁,掘进实例及存在的主要问题,工程特点,2 主要研究技术,2.1 砂卵石地层土压平衡盾构掘进机理及控制 2.2 刀具磨损机理与预测 2.3 砂卵石地层带压换刀技术 2.4 盾尾同步注浆材料及注浆参数 2.5 盾构穿越建(构)筑物控制措施,2.1砂卵石地
3、层土压平衡盾构掘进机理及控制,EPB土压平衡相关参数 砂卵石地层的掘进模拟计算 砂卵石地层土压平衡特点 实测参数反馈 土压平衡控制方法 渣土改良措施,砂卵石地层EPB土压平衡相关参数,土压支撑率(EPSR),EPB土压平衡相关参数,土仓竖向压力规则系数(RMEP),仑官第635环土压力分布特征(R20.74),EPB土压平衡相关参数,土仓前后应力比(HSR),砂卵石地层的掘进模拟计算,盾构掘进的离散元模型,砂卵石地层的土压平衡特点,土压支撑率,不同状态下的土压支撑率,工作面支护压力分布,砂卵石地层的土压平衡特点,土压力规则系数,沿土仓水平土压力分布(R20.46),砂卵石地层的土压平衡特点,土
4、仓内渣土结块时水平土压力分布,水平土压力规则系数,砂卵石地层的土压平衡特点,土仓前后土应力比,理想平衡状态水平应力变化,盈压状态水平应力变化曲线,(1)砂卵石地层EPB掘进是通过刀具的扰动、挤压作用,在刀盘前上方形成了一“松散带”,而盾构刀具主要和该松散带发生作用。由于“松散带”的存在,改变了传统的刀盘、刀具的作用方式,并且引起了盾构施工的“地层损失率”的变化;(2)工作面的水平支撑应力和土仓后压力隔板的应力有一定的差别,土仓前后应力比大于1,局部出现大于2的情况。一方面表明了EPB掘进时依靠压力隔板的应力来控制工作面的应力的控制方法已不大合理。另一方面表明刀盘面板上承担了过多的支护面压力,致
5、使工作面的土压支撑率降低;(3)土仓竖向应力也由于多种因素的影响,竖向规则系数仅为0.5左右。且在土仓盈压状态下,土仓中部出现“应力凸起”现象,容易造成土仓内土体的固结,产生结块现象;(4)砂卵石地层中的土压支撑率只有40%左右,且盈压率越高,土压支撑率越低,渣土流动性愈差,土压支撑率愈低。在砂卵石地层中应尽量增大土压支撑率,以减小盾构的消耗;,砂卵石地层的土压平衡特点,土压平衡参数反馈,成都砂卵石地层下,盾构土仓内竖向土压力规则系数为0.5左右,土仓内土压力分布不均匀; 土仓中部出现应力偏大的现象,与数值计算中的中部“应力凸起”相一致; 成都砂卵石地层中的盾构土压平衡应该与其他地层的土压平衡
6、相区别。相应的,在软土地层中盾构土压平衡控制理论不适应于成都地层。,土压平衡控制方法,土压平衡管理思路,渣土改良试验,试验测试项目,试验方法,试验添加材料类型,每格1mm,添加泡沫和矿物材料后,添加泡沫后,不同类型的改良方法及成本,(1)对于细颗粒含量较大的地层,只要含水率达到18%,流动性等指标已经能达到很好,只需要添加适量的泡沫以减小土体与刀盘、刀具及机械之间的摩擦;(2)对于含大颗粒较多的地层,改良的主要目的是解决流动性和抗渗性,建议采用加入矿物材料的方法补充细颗粒;意大利都灵地铁采用增加细颗粒的方法进行渣土改良。(3)采用硅胶对渣土进行改良,对于富水的大颗粒卵石改良效果不是很明显,而且
7、存在改良成本过高的不足;(4)建议采用“泡沫+矿物材料”的改良方案对该土体进行改良,发挥了两种材料具有互补性,泡沫主要在细颗粒中起到减磨和提高流动性的作用,矿物材料主要起到增加细颗粒含量,提高渣土流塑性,提高抗渗性;在粗颗粒多的地段,减小泡沫注入量,增大矿物添加材的注入量;在细颗粒较多的地段,减少矿物添加量,增大泡沫注入量;(5)在水头高的地段,尽量减少泡沫用量,增大高浓度粘土的注入率。,渣土改良综合评价,2.2 刀具磨损机理研究与预测,刀具配置的应用效果 滚刀磨损分析及建议 刮刀磨损分析及建议 刀具损耗 刀具耐磨性改造,刀具配置的应用效果,4把中心双刃滚刀, 32把单刃滚刀, 28把宽刮刀以
8、及8 +8弧形边刮刀的组合配置适应成都砂卵石地层绝大多数路段的掘进要求。 当在泥岩中掘进时,将滚刀(含双刃)孔位对应换成羊角形强刀刮刀满足掘进要求,且可以降低工程成本。 海瑞克盾构机原始的3条Hardox 400耐磨条设计不能满足成都砂卵石地层的需要,但是其重型刀盘的强度刚度基本满足要求。 原始盘形滚刀刀尖厚度太小,不适应砂卵地层的使用要求,滚刀刀圈耐磨和刀毂的刚度也需要提高及改进。,滚刀磨损分析,正常磨损,滚刀偏(弦)磨,滚刀磨损主要以非正常磨损为主,破坏方式一般有三种: 刀圈断裂损坏; 滚刀密封、轴承损坏与刀圈偏磨; 滚刀壳体变形磨损。,滚刀磨损分析,掘进中滚刀受力示意图,滚刀与砂卵石地层
9、的作用,开挖面松散,不能给滚刀提供足够的反力,无法提供足够的转动力矩;刀箱内渣土的结块、结饼,使得滚刀的阻力力矩增大;由于掘进松散带的存在,刀鼓直接和松散带的卵石接触,经过卵石的撞击,造成了主轴承的启动扭矩增大,从而造成T阻加大,使得转动困难;由于滚刀的长期不转动,使得砂卵石在一个方向摩擦,造成滚刀严重偏磨。,滚刀磨损分析,刀盘侧面部位滚刀磨损严重的分析,松散带示意图,滚刀磨损分析,刀盘中心结饼,沿土仓竖向水平应力分布图,中心滚刀偏磨原因分析,(1)在有可能的情况下,尽量使用双刃滚刀,这样可以增大刀圈和开挖面的接触面积,可使转动扭矩增大;(2)可使用带齿的刀圈。在滚刀刀圈上镶嵌合金钢,以增大刀
10、圈和开挖面接触时 的摩擦系数,因而起到增大转动扭矩的效果;(3)减小滚刀的启动扭矩。若启动扭矩过大,也会给滚刀转动带来困难,因此,在保证滚刀轴承密封安全条件的允许下,可适当降低滚刀的启动扭矩;(4)对刀箱内空隙进行改造。减小刀箱深度,同时采取倒喇叭形状,有力于渣土的流动,不至于聚集于刀箱内,导致阻力力矩增大;(5)对滚刀刀鼓采取加焊耐磨层防护措施,以防止刀鼓破坏使得阻力力矩增大。,滚刀的适应性设计建议,刮刀磨损分析,宽刮刀磨损,刮刀的磨损情况,破坏形式: 刮刀磨损变形 刮刀合金齿脱落 固定螺栓断裂,不同位置刮刀的磨损特点(1)单个刮刀的磨损为两侧磨损大,中间磨损小;(2)刮刀的前角面磨损小,后
11、角面磨损大;(3)同一号位置的刮刀的磨损量基本一样;(4)随号数增大,刮刀的磨损也越严重。,刮刀磨损分析,刮刀磨损分析结论,靠近边部刮刀应加强耐磨性能,单个刮刀两侧应加强耐磨措施; 刮刀磨损主要是后角方向,前角方向磨损较小,需要在后角面方向增大刀具的宽度;若采用超硬重型刀具,则在刀具后角方向实施硬化堆焊。对于刮刀做切削运动来说,具有一定切掉的后角可以有效的减小刀盘扭矩和刀具的磨损。,刀具磨损预测,根据刀具磨损的测量数据,计算得到了该地层中刮刀的磨损系数,预测不同部位的刮刀的磨损。计算表明,后角面方向的刀体部分很容易被磨损掉,从而造成对刀具、刀盘面板的磨损。因此,建议对后角面处的刮刀宽度及厚度进
12、行加强。 根据计算情况,对于刮刀20mm的凸出量显然不能满足刀盘边部的要求,应适当增大刀具厚度。为了合理的利用刮刀,建议面板上按不同位置布置两种类型的刮刀:轻型刮刀和重型刮刀。,刀具磨损预测,各刮刀位置刀具最小厚度,前957m各项消耗占刀具总消耗的比例,滚刀磨损示意图,刀具损耗分析,刀具损耗分析,(1) 未对渣土进行有效的改良情况下,每延米刀具损耗约7300元。其中滚刀损耗最多,占总消耗的61%;(2) 通过渣土改良,减小刀具与地层之间的摩擦,降低了刀具消耗,将每延米刀具损耗降低20%;(3) 在刀盘盘圈前端面布置贝壳刀,同样起到切削砂卵石的作用,且刀具成本能有大幅下降,可在试验的基础上适当采
13、用;(4) 通过松散路段及粉细砂路段,可以采用加强先行刀在刀盘正面与滚刀交错安装。实践证明既节约刀具成本,又能够保证掘进速度。,刀具耐磨性改造,(1) 耐磨环位置用50*80的扁钢间隔开25*25的槽,在槽中堆25*25*80的 硬质合金条耐磨效果理想。(2) 滚刀用高合金材料制造,刀尖加厚至24mm,周边的单刃滚刀均改装 双刃滚刀,可以有效增加刀具使用寿命。(3) 加厚滚刀刀毂,可采用高合金钢制造,并通过热处理使刀毂具有高 硬度和高的淬透厚度,经实践检验效果理想。(4) 在确保母体足够强度和刚度所需厚度下,加厚刮刀硬质合金块的厚 度,以增加刮刀的切割能力和耐磨性能;(5) 不改变外形条件,刮
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