EPB_TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究.pdf
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1、文章编号-0096-08NO.3(Ser.294)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第3 期(总2 94)Mar2023报程学道铁2023年3 月米EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究何川1*黄兴陵陈凡宋天田?晨王士民!(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都6 10 0 3 1;2.深圳地铁建设集团有限公司,深圳518 0 2 6;3.中交一公局厦门工程有限公司,厦门3 6 10 2 1)摘要:研究目的:为探究EPB/TBM双模盾构在复合地层中的掘进适应性,本文基于深圳地铁12 号线怀德站一福永站及13 号线留仙洞站一中间风井区
2、间的EPB/TBM双模盾构施工案例,对比分析不同掘进模式下的掘进参数和能源消耗情况的变化规律,以期为类似工程提供参考。研究结论:(1)双模盾构在软土地层采用EPB模式保证掌子面稳定,硬岩地层采用TBM模式规避掘进速度低及刀具磨损等风险;(2)掘进参数变化规律在软土段EPB模式下表现为“低转速、高扭矩、高推力”,硬岩段TBM模式表现为“高转速、低扭矩、低推力”;(3)微风化岩层TBM模式的推进速度较EPB模式在中风化岩层提升了3 8%,有效掘进时长占比提升约10 6.7%;(4)双模盾构能源消耗较软土地层EPB模式并未明显增加;(5)本文研究可为双模盾构在复合地层中的掘进适应性提供参考。关键词:
3、EPB/TBM双模盾构;统计分析;复合地层;掘进参数;盾构耗能中图分类号:U455.43;U231.3文献标识码:AResearch on the Tunneling Parameters and Adaptability of EPB/TBM Dual-mode Shield in Composite StrataHE Chuan,HUANG Xing,CHEN Fan,SONG Tiantian?,WU Chen,WANG Shimin(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Educatio
4、n,Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Shenzhen Metro Group Co.Ltd,Shenzhen,Guangdong 518026,China;3.CCCC First Highway Xiamen Engineering Co.Ltd,Xiamen,Fujian 361021,China)Abstract:Research purposes:For the purpose of exploring the excavation adaptability of EPB/TBM dual-mod
5、e shieldin composite strata,based on the EPB/TBM dual-mode shield constructions between Huaide station and Fuyong stationof Shenzhen metro line 12 and Liuxiandong station to middle shaft of Shenzhen metro line 13,this paper compared andanalyzed the variation laws of tunneling parameters and energy c
6、onsumption under different excavation modes,in order toprovide references for similar projects.Research conclusions:(1)The EPB mode is used for soft soil strata to ensure the stability of the tunnel face,whileTBM mode is used for the hard rock strata to avoid the risks of low tunneling speed and une
7、xpected cutter head wear.(2)The variation law of tunneling parameters of EPB mode in soft soil strata is low speed,high torque,and high thrust,while high speed,low torque,and low thrust of TBM mode in hard rock strata.(3)The propulsion speed of the TBMmode in the slightly weathered stratum is about
8、38%higher than that of the EPB mode in the intermediary weatheredstratum,and the proportion of effective excavation time increased by approximately 106.7%.(4)The energy consumptionof EPB/TBM dual-mode shield has not increased significantly compared with EPB mode in soft strata.(5)The*收稿日期:2 0 2 2-0
9、1-2 4基金项目:国家自然科学基金重大项目(519913 94);住房和城乡建设部研究开发项目(K20200183)*作者简介:何川,196 4年出生,男,教授,博士生导师。何兴川陈凡等:EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究黄第3 期97research in this paper can provide reference for the adaptability of dual-mode shield tunneling in composite strata.Key words:EPB/TBM dual-mode shield;statistical analysis;c
10、omposite strata;tunneling parameters;shield energyconsumption盾构法在上软下硬、地层纵向强度相差悬殊的复合地层中极易出现刀具偏磨、地表沉降严重等问题 1,掘进参数的合理选取与掘进适应性仍是复合地层盾构施工的难点问题 2 。李增理等 3 对南京软硬不均地层盾构施工掘进参数进行总结,提出了合适的掘进模式及辅助措施;王玉锁等 4 分析了不同围岩条件下双护盾TBM施工的掘进参数变化规律;门燕青等 5 对复合地层盾构掘进效能进行了分析。由于单模式盾构复合地层施工具有局限性,可转换掘进模式的EPB/TBM双模盾构逐渐兴起。刘东 6 通过数值计算和
11、现场试验,提出双模盾构成套施工技术及刀具磨损规律;喻畅英等 7 对EPB/TBM双模盾构的模式转换技术进行介绍。然而,目前针对双模盾构的研究集中在施工技术方面,鲜有关于EPB/TBM双模盾构掘进参数和掘进适应性的研究,掘进效能分析更加缺乏。为此,本文依托深圳地铁12 号线怀德站一福永站区间、13 号线留仙洞站一中间风井区间隧道工程,基于盾构施工实测数据,分析双模盾构在不同地层条件下的掘进参数及能源消耗变化规律,探讨双模盾构在复合地层中的掘进适应性。1工程背景1.1工程概况深圳地铁12 号线怀德站一福永站区间(简称怀福区间)左线长约17 2 3.1m,共1155环,隧道埋深6200m。13 号线
12、留仙洞站一中间风井区间(简称留风区间)右线长约2 2 2 0.6 m,共148 0 环,隧道埋深1315m。两区间隧道穿越的地层类型相似,主要为全、强、中及微风化混合花岗岩构成的复合地层,强、中风化地层占比约3 0%,区间纵面如图1所示。隧址区强、中风化花岗岩单轴抗压强度为15 55MPa,微风化花岗岩最大强度约150 MPa,地层强度变化剧烈,软硬不均特性显著。微风化花岗岩中风化花岗岩掘进方向强/全风化花岗岩粉质、砂质黏土怀德素填土素填土福永站粉质、砂质黏土、站中风化花岗岩微风化花岗岩强/全风化花岗岩隧道EPB模式TBM模式EPB模式(a)怀福左线微风化花岗岩微风化黑云母花岗岩中风化花岗岩中
13、风化黑云母花岗岩掘进方向掘进方向强/全风化花岗岩强/全风化黑云母花岗岩1#2#白艺留仙砂质黏土风井素填土站洞站素填土砂质黏土砂质黏土强/全风化天母花岗岩强/全风化花岗岩微风化微风化照云姆花岗岩新层TBM模式EPB模式TBM模式TBM模式EPB模式(b)留风右线图1区间隧道地质剖面图1.2掘进设备为克服单模式盾构在软硬不均复合地层中的局限性,怀福、留风区间选用中心皮带式EPB/TBM双模盾构施工。软弱地层采用EPB模式掘进,保证掌子面稳定,减小地表沉降;全断面硬岩地层采用单护盾TBM模式开挖,规避EPB模式硬岩地层掘进速度慢、刀具二次磨损严重等风险。两区间使用的EPB/TBM双模盾构机主要参数如
14、表1所示,两台双模盾构设备的刀盘结构和性能配置相当。2023年3 月报程学道铁98表1EPB/TBM双模盾构力学参数开挖直径开口率最大推力最大扭矩脱困扭矩刀盘转速最大推进最大设计隧道区间/mm/%/(kN m)/(kN m)/(r:min-)速度/mm压力/bar12号线怀福区间6.470284 0866686802302.5580513号线留风区间6 980305 0606 08072960 2.55.68052掘进参数分析与地层相匹配的掘进参数是实现盾构快速掘进的基础。本文参考已有研究成果,选取推进速度、刀盘扭矩、总推力、刀盘转速4个关键参数为分析对象。剔除非掘进时的数据,以各环平均值为代
15、表,分析怀福区间左线1 8 8 2 环、留风区间右线150 58 5环掘进参数变化规律,探究EPB/TBM双模盾构在复合地层中的掘进适应性。不同地层对应的环数如表2 所示。表2不同地层对应的环数怀福左线留风右线地层类型风化程度区间环数地层类型风化程度区间环数混合花岗岩强一全风化1 33混合花岗岩微风化150 200混合花岗岩I中风化34 65混合花岗岩强风化201 330混合花岗岩强风化66 192混合花岗岩微风化331 400混合花岗岩I中风化193 215混合花岗岩微-中风化401 475混合花岗岩微风化216882混合花岗岩微风化476 5852.1推进速度盾构的推进速度主要取决于地层条
16、件和盾构机的设计性能。双模盾构在不同地层的推进速度如图2 所示。由图2 可知,怀福、留风区间强风化地层EPB模式的推进速度均值为46.8 1mm/min、3 7.7 8 m m/m i n,微风化地层中TBM模式的推进速度均值为2 1.3 7 mm/min、2 9.6 0 m m/m i n,可见EPB/TBM双模盾构在软、硬复合地层中推进速度均较快,兼具传统EPB盾构适宜软土地层掘进、TBM适宜硬岩地层掘进的优点。相较强风化地层EPB模式掘进,怀福、留风区间微风化地层TBM模式的推进速度较低,均值比为45.6 5%、7 8.3 4%,一方面,地层强度增加提高了滚刀破岩难度;另一方面,由于TB
17、M模式不具备集水能力,裂隙水发育地段适当减缓推进速度可降低皮带机出渣难度,减少泥水飞溅,EPB模式TBM模式80强全中风(uru/uu)/单70强风化混合中风化混合微风化混合注:一推进速度;风化化混!花岗岩花岗岩II花岗岩混合洽花一一平均推进速度60花岗岗岩50岩!4046.8130LA2023.441013.2617.3600100200300400500600700800900环号(a)怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式80微风化混合微-中风化微风化混合注:(uru/u)/单微风化混合强风化混合17011花岗岩花岗岩1花岗岩混合花岗岩1花岗岩推进速度:160一平均推进速度5040302
18、9.6020100150200250300350400450500550600环号(b)留风右线图2双模盾构推进速度曲线兴何陈凡等:EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究川黄第3 期99EPB模式在中、微风化地层的推进速度:怀福区间两段中风化地层的均值为15.40 mm/min,留风区间微风化地层的均值为2 1.2 2 mm/min。与之相比,怀福、留风区间微风化地层TBM模式的推进速度分别提升38.77%、3 9.49%,可见TBM模式更适宜硬岩地层掘进,也说明在纵向软硬不均地层中,采用EPB/TBM双模盾构施工能提升推进速度、缩短工程建设周期。2.2刀盘扭矩刀盘扭矩是指示刀具磨
19、损、盾构主轴工作状态的重要参数。双模盾构在不同地层的刀盘扭矩如图3 所示。EPB模式TBM模式4000强全风化混强风化混合中风化混合微风化混合3500(.N)/x合花岗岩注:一刀盘扭矩;花岗岩花岗岩花岗岩3 0001一一平均刀盘扭矩12.5002.464.5112.0001084.511500895.51000500中风化混0合花岗岩0100200300400500600700800900环号(a)怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式40001微风化混合强风化混合微风化混合微-中风化微风化混合13500注:(.N)/花岗岩1花岗岩花岗岩花岗岩混合花岗岩一刀盘扭矩;13 0001一一平均刀盘扭
20、矩2.5002 00015002.401.110009850010-150200250300350400450500550600环号(b)留风右线图3双模盾构刀盘扭矩曲线对于软硬不均地层而言,怀福区间0 6 5环(强全中风化地层)的刀盘扭矩均值为2 18 0.0 kNm;留风区间40 0 47 5环(微中风化地层)的刀盘扭矩均值为2 40 1.1kNm,约为同区间均匀地层的2 倍,主要因为上软下硬地层滚刀极易偏磨,刀盘带动偏磨刀具转动需要更大的扭矩。怀福、留风区间强风化地层EPB模式的刀盘扭矩大小相近,均值为10 11.2 kNm、10 3 6.3 k Nm,强风化围岩完整性差,刀盘贯人度大,
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