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【技术博览】这位穿梭在前海地下的盾构“刀客”身上配了几把刀?

发布时间:2022-06-21 08:13:39 来源:竞技宝JJB 作者:竞技宝官网

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  前面几期,带大家详细了解了前海-南山排水深隧系统工程的特点、建设重难点(点击阅读)、超深基坑建设要点(点击阅读)、复合地层盾构施工重难点(点击阅读)等。

  今天再给大家介绍一位在前海地下穿梭的盾构“刀客”,看看它是如何做到“削石如泥,无坚不摧”的!

  前海-南山排水深隧系统工程主线米,由主隧结合井(盾构始发井)始发,先后下穿地铁9、11、1号线及桂庙渠、郑宝坑渠浅层支隧、沿江高速立交桥桩基、桂庙在建月亮湾立交桩基及诸多市政道路至关口渠结合井接收。

  盾构机就像一条“地下蛟龙”。这条龙的嘴就是最前端的切削刀盘,可以把地下的泥沙石头吃进嘴里,通过肚子里面的各种消化器官,螺旋传送机输送到皮带传送机,再通过渣土车运往后方。盾构机可以一边挖土一边安装墙壁,所以盾构机开过,隧道就铺好了。

  挺进在盾构机最前端的圆形刀盘,就是我们今天要介绍的那位“刀客”!在千斤顶的推力下,刀盘会掘开土层。刀盘上安装了很多金刚刀片。盾构机的外壳需要承受土压和地下水压,壳内是错综复杂的机械长廊,它会把刀盘削下的土排出去。

  先了解一下前海的地质环境,虽然从地面上看,前海是一片平整的土地,但是其地下结构的复杂程度,可超乎你的想象哦!

  深圳前海区域复合地层最重要的特点是工程范围内的岩性变化频繁,物理力学特性差异大,基岩风化界面起伏大,断层破碎带分布密集,含水量差异明显,隧道断面地层的复合特性,对盾构施工的影响尤为明显。

  其中中风化岩层饱和单轴抗压强度约为17~64.6MPa;微风化岩层饱和单轴抗压强度约为65~148MPa,地质情况较为复杂。

  该项目地表多年平均降雨量为1593.0mm,雨量年内分配不均,主要集中在4-9月,约占全年雨量的85%,水系分布紊乱,水位随季节变化较大。

  与此同时,工程范围内部分地段为填海造地,地下水与一侧海水水力联系较大,对混凝土结构在直接临水或强透水层具中等~强腐蚀性,在弱透水层具微~弱腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性。

  根据深圳、广州等地下隧道多年的探索实践和总结,复合地层的盾构施工对刀具的选型要求更高,常规的刀具配置为全盘的光面滚刀,光面滚刀的特性适合在均一地层中掘进,遇到上软下硬地层经常会出现偏磨,刀圈崩裂、崩刃等现象。

  因此,通过对刀具配置及刀具的改进,提高盾构机在复合地层的适应性,既能降低进仓换刀作业的次数及刀具的成本,提高盾构掘进的质量,也将加快整个项目的施工进度,为整个项目的顺利建设奠定基础。

  隧道洞身地层的主要特点是全断面硬岩占比大,占隧道全长约71%,刀具选择、配置是主线隧道能否顺利施工的关键。

  根据项目的地质情况,我们这位“刀客”身上配了什么刀呢?经过与盾构生产厂家共同研究,在原刀具的基础上进行改进与生产:

  根据以往施工中中心刀容易偏磨的问题,经过反复的分析研究,决定配置17英寸的光面中心刀,一方面在轴承型号相同的情况下,刀圈的直径越大,越会增加轴承的倾覆力矩,造成轴承的寿命降低,这一劣势在中心滚刀上更能凸显。另一方面中心刀作业区域高于其它滚刀作业面,使得刀具挤压破岩相对更容易。

  面刀采用镶齿滚刀,镶齿滚刀由于其配有高强度合金扁齿,刀身加焊有5mm厚耐磨层,刀身强度高,适合在上软下硬地层使用,重型扁齿刀圈是一种新型刀圈,其在砂岩、泥岩地层,及其他高石英、高磨耗岩层表现出了优良的耐磨性。寿命达到了光面刀圈的2-5倍不等。其次,它顺带解决了刀盘在软硬不均、裂隙节理较发育的全断面硬岩掘进时刀圈整体断裂问题,并且在软岩地层,更不易偏磨。

  边滚刀采用梯度(硬度)光面刀,由于其刀圈强度呈阶梯状分部,刀圈内孔部位硬度约在40HRC,刀刃部位硬度约在57-59HRC,最高强度可达60-62HRC,硬度在57-59HRC,时室温V口试样冲击功大于13J,内圈较软处冲击功可达到25-30J,内圈冲击韧性实现了刀圈硬度韧性的完美结合。外周滚刀处于刀盘圆弧区,受力较复杂,区间地层岩石强度较高,若使用扁齿滚刀,镶齿易出现异常破损、断裂或异常撞击脱落,且镶齿刀具刀圈厚度较大,刀圈母体可能会与掌子面干涉。

  正面切刀及边缘刮刀,起到将上层刀具破碎掌子面后的开挖渣土刮削至土仓的作用。刀具合金采用大合金形式,可保证刀具的耐磨性及耐撞性,同时采用尖角形式,可减小刀具阻力;大合金采用圆角过渡形式,可保证刀具的耐撞击性。

  根据目前的掘进情况,主隧盾构始发后的1-134环(201m)为土状、块状强分化混合花岗岩、弱风化混合花岗岩上带及弱风化花岗岩下带,期间共进仓换刀2次,更换13把光面滚刀,6把中心刀。中心刀因长时间在弱风化混合花岗岩中掘进,掌子面不平整及中心区域结泥饼等因素,造成磨损较大,其他刀具均属于正常磨损。

  135-283环(222m)为全断面微风化混合花岗岩,岩石强度在100-140MPa之间,根据复合地层盾构掘进刀具检查更换相关管理办法规定应定期开仓检查刀具。根据掘进参数及贯入度分辨岩层强度,平均掘进速度小于8mm/min,每掘进3环检查一次刀具,平均掘进速度在8-12mmmin,每5环开仓检查一次刀具,平均掘进速度在12-15mm/min,每掘进10环开仓检查一次刀具。平均速度大于15mm/min,根据掘进参数选择换刀时间。

  目前全断面微风化混合花岗岩地层一掘进145环,共开仓检查刀具17次,由刀具磨损统计分析,截止目前扁齿刀具掘进283环未更换的有10把,平均使用寿命大于241环,普通的光面滚刀平均使用寿命为85环,镶齿滚刀较光面滚刀使用寿命延长2.83倍以上。按刀具成本核算,刀具成本为1725元/米,大大降低了刀具的成本。

  根据前海-南山排水深隧系统工程盾构掘进及刀具更换情况来看,本次刀具配置与改进,较大的降低了刀具成本,减少开仓作业次数,刀具得到充分利用,同时能够顺利完成上级下达的任务指标,并超额完成施工任务,为企业降本增益起到了积极的作用,并为以后在同类盾构施工技术方面提供有力的技术支持。

  目前,我们这位盾构“刀客”依然奋战在前海地下,为早日实现国内首条多功能深层排水隧道贯通而努力,让我们一起为它加油鼓劲吧!

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