上软下硬地层超大直径盾构机选型及适应性分析.pdf
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1、文章编号:()收稿日期:基金项目:横琴杧洲隧道工程科研合作项目()作者简介:林福地()男福建安溪人高级工程师主要从事隧道工程技术与管理方面的工作:.引文格式:林福地.上软下硬地层超大直径盾构机选型及适应性分析.铁道建筑技术():.上软下硬地层超大直径盾构机选型及适应性分析林福地(中国铁建投资集团有限公司 广东珠海)摘 要:以实际工程为依托结合地质和水文条件对上软下硬复杂地层超大直径盾构机进行选型分析并基于工程特点对盾构机刀具、管片拼装机、泥浆环流系统进行针对性设计 采用有限元软件对盾尾强度和刚度进行校核同时对超浅覆土段施工提出控制措施 结果表明:采用泥水平衡盾构机更适应本工程地质及水文条件针对
2、性设计能有效增加刀具寿命改善刀盘中心区域渣土流动性防止泥饼形成盾尾强度、刚度均能满足设计要求通过配置双舱气垫式压力平衡系统、双回路 自动保压系统、二次双液补浆系统能有效规避地表被击穿及盾构机管片上浮问题关键词:超大直径盾构机 选型 复杂地层 针对性设计 适应性分析 浅覆土段施工中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着我国科学技术飞速发展盾构法施工广泛应用于城市轨道交通工程、水利工程、铁路工程等领域具有施工速度快、成洞质量好、自动化程度高等优点 针对不同的地质条件合理的盾构机选型是盾构隧道安全施工的关键 彭康、朱建才等 对盾构机刀盘、盾体进行针对性设计提高了施工效率及安全性 吴起星、
3、邓选滔、陈福斌等 通过对上软下硬地层中盾构机刀盘受力模式进行分析并对刀盘及泥浆环流系统针对性设计提出相关措施虽国内相关专家学者对部分地层盾构机的刀盘、主驱动、环流系统选型进行了大量相关研究但对复杂地层、超浅覆土、超陡坡度情况下盾构机的选型分析较少尤其是浅覆土段盾构机施工注意事项及技术要点分析鲜有报道 基于此本文根据工程地质和水文条件对盾构机进行合理选型及针对性设计对盾构机浅覆土段施工进行适应性分析并采用有限元软件对盾尾进行受力分析为类似地质条件下盾构隧道掘进施工提供理论和技术支持 铁道建筑技术 ()林福地:上软下硬地层超大直径盾构机选型及适应性分析 工程背景.总体概述本工程位于珠海市横琴一体化
4、区域内工程主体为双管单层双向六车道盾构隧道 左线隧道线路全长 其中盾构段长 右线隧道线路全长 其中盾构段长 盾构隧道外径.内径.管片宽度 最大坡度 最小转弯半径 盾构隧道采用通用环管片设计单层装配式衬砌 管片分块采用 形式(封顶块 邻接块 标准块)混凝土强度等级 抗渗等级 管片弧长 采用错缝拼装 盾构隧道断面如图 所示图 盾构隧道断面(单位:).工程水文及地质情况工程勘察期间测得地下静止水位埋深为 平均地下水位埋深.沿线地下水类型主要以第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水为主地下水化学类型为 型对钢筋具有微腐蚀性盾构隧道所处位置地层复杂主要穿越淤泥、黏土、粉质黏土、淤泥质黏土局部涉及碎石质粉质黏土
5、、全风化砂岩及强风化砂岩且风化层中存在中、微风化岩体及大粒径孤石 各地层物理参数如表 所示典型地质纵断面如图 所示表 各地层物理参数岩土名称承载力特征值/黏聚力/内摩擦角/()素填土.冲填土.淤泥.黏土.粉质黏土.淤泥质黏土.碎石质粉质黏土.全风化砂岩.图 地质纵断面 盾构机选型及针对性设计.盾构机选型.依据地层土体粒径选型不实施渣土改良情况下当土体粒径小于.时可采用土压平衡盾构机施工且其对小于.的土体粒径尤为适用 而泥水平衡盾构机的地层土体粒径适应范围相较土压平衡盾构机更为广泛为.本工程盾构施工主要在淤泥、黏土、粉质黏土、粗砂地层中掘进同时涉及碎石质粉质黏土、全风化砂岩等盾构穿越区土体粒径分
6、布如图 所示 由图 可知两种盾构机对本工程均可适用图 土体颗粒直径分布.依据渗透系数选型土压平衡盾构机适用于地层颗粒渗透系数小于/的地层而泥水平衡盾构机适用于地层颗粒渗透系数大于/的地层 当渗透系数在两者之间时土压平衡盾构机及泥水平衡盾构机均可适用 根据地质勘察结果本项目各地层颗粒渗透系数如表 所示基本分布在/之间两种盾构机皆可使用表 各地层渗透系数岩土名称渗透系数 试验值/(/)规范值或经验值/(/)建议值/(/)渗透性分级素填土.弱透水冲填土.弱透水淤泥.弱透水黏土.弱透水粉质黏土.弱透水淤泥质黏土.弱透水碎石质粉质黏土.弱透水全风化砂岩.弱透水铁道建筑技术 ()林福地:上软下硬地层超大直
7、径盾构机选型及适应性分析.依据地下水压选型土压平衡盾构机适用于地下水压小于.地层反之宜采用泥水平衡盾构机且在高水压、高渗透性的地层中泥水平衡盾构机相较于土压平衡盾构机具有防止水流失、保压出渣功能 本工程在盾构埋深最大处水位标高最浅雨季时地下水压为.因此宜选用泥水平衡盾构机综上所述本工程选用泥水平衡盾构机.盾构机针对性设计本工程拟选用泥水平衡盾构机外径.开挖直径达.属超大直径盾构隧道工程且下穿马骝洲水道建设环境复杂风险等级较高 结合工程、水文地质情况对盾构机刀盘、管片拼装机、泥浆环流系统进行针对性设计以满足本工程施工需求.刀盘设计刀盘采用常规复合刀盘带压换刀式刀盘结构重量较常压刀盘轻可以有效预防
8、软土地层掘进时盾构机栽头问题 为降低盾构掘进过程对周边建筑的扰动及地表沉降刀盘采用“刀箱 小边块”的结构设计有利于掌子面泥膜形成同时合理加大刀盘中心开口(开口率达)增大刀盘中心回转接头管径在中心部位设计有 个中心冲孔刷可实现分时分区控制改善了刀盘中心区域的渣土流动性防止泥饼形成刀具根据地质特点及不同刀具的切削机理进行设计和选择减少刀具磨损增加刀具寿命其设计情况如表 所示表 刀具针对性设计名称数量/个刀具针对性设计中心滚刀正面滚刀边缘滚刀刀盘安装可更换滚刀 在上软下硬地层采用滚刀软土层更换为齿刀 可在刀盘内部更换宽切刀采用加宽型切刀设计切刀侧面堆焊耐磨网格 刀刃采用中间三排耐磨硬质合金有利于保护
9、刀具边角以及减少磨损边缘刮刀采用加宽型刮刀设计刮刀侧面堆焊耐磨网格 刀刃采用中间三排耐磨硬质合金 刀头设计为带 度尖角结构形式可有效提高切削剥离渣土的能力超挖刀刀盘外缘安装超挖滚刀用于增加开挖直径磨损检测刀盘上每把滚刀都配置连续式磨损检测装置能实时对刀盘上滚刀的磨损状况进行检测.管片拼装机设计为保证施工安全管片拼装机减速机带有独立制动装置在突然断电情况下可自动刹车防止旋转失控 在应急电机、应急泵等作用下结合吸盘本身的保压不脱落能力可将已举起的管片安全放回原处同时采用铁建重工专利技术利用倾角传感器代替传统旋转编码器掉电可自动记忆角度旋转角度 管片拼装机驱动方式为液压马达驱动旋转运行平稳可控可实现
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