上软下硬地层超大直径盾构机选型及适应性分析.pdf

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、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、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无极调速且管片拼装机配备独立的集中自动润滑系统可实现回转支承所有点位、滚轮所有点位、提升油缸筒体点位的自动润滑.泥浆环流系统设计本工程进、排浆管路直径均为 设计进浆流量为 /排浆流量为 /根据工程地质情况和掘进距离通过计算选取合适的管径、高效大流量环流及冲刷系统可防止渣土沉淀及泥饼产生为保证长距离施工过程中的排渣顺畅管道中的三通、弯头均采用加厚、抗压、耐磨材料 管道布置避免 急转弯缓冲接头采用长半径弯头减小环流阻力和磨损 进浆管路弯头内壁外半圆处均堆焊 厚耐磨材料耐磨材料硬度为 排浆管路全部采用三基复合材料 在管道内壁浇筑耐磨合金在气垫舱吸口采用衬套耐磨管设计方便对耐磨管路的更换旁通管路内壁全断面堆焊 厚耐磨材料耐磨材料硬度 盾构机适应性分析工程采用的泥水平衡盾构机所有结构件全部新制关键部件全部新购保证盾构机的使用寿命 同时为确保施工安全性对盾尾间隙及工作应力进行验算并对浅覆土段施工提出控制措施改善施工质量.盾尾适应性分析.盾尾间隙验算本工程最小转弯半径为 考虑实际施工过程中存在刀具磨损等情况故按设计转弯半径 进行主机曲线掘进模拟以验证转弯所需开挖直径及盾尾间隙 主机 转弯模拟如图 所示 最小盾尾间隙出现在转弯外侧加强环位置约 本工程盾构机管片外壁与加强环间隙为 满足施工要求图 主机 转弯模拟(单位:).盾尾工作应力分析盾尾埋深最大 自重 盾尾直径.盾尾采用 低合金高强度钢板弹性模量 泊松比 .密度 /盾尾采用 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建模并导入 中进行静力分析 由于盾尾结构与荷载均对称为减少计算量采取盾尾的一半进行分析 模型采用实体单元考虑尾盾与中盾的连接方式尾盾与中盾的连接面施加固定约束在对称面施加对称约束并施加竖直和水平方向的荷载 三维模型及荷载如图 所示图 盾尾模型及荷载计算所得盾尾应力云图如图 所示、位移云图如图 所示 由图 可知盾尾最大应力为 小于材料屈服强度 且除应力集中位置其余区域应力均较小 由图 可知最大位移为.位于盾尾后侧中部小于盾构机直径(.)满足设计要求图 盾尾应力云图图 盾尾位移云图.浅覆土段施工控制措施本工程隧道最浅覆土仅为.(.倍直径)大直径盾构机在浅覆土段施工时盾构姿态易发生改变且盾构机顶部负载较小当盾构机自重及覆土压力小于所受浮力时盾构主机、管片呈上浮趋势将导致地表隆起 因此本工程浅覆土段施工时需采取下列措施:()配置双舱气垫式压力平衡系统并设计双回路 自动保压系统自动控制气垫舱内压缩空气压力精度达.实现舱内压力快速精准控制有效减少舱内压力波动避免地表被击穿()刀盘驱动采用 个 变频电机可实现无极调速 浅覆土施工时刀盘转速稳定降低刀盘开挖对地层的扰动()配置同步注浆系统同步注浆量及注浆压力实时传递至主控室实现对同步注浆的精准控制避免因注浆量过多、注浆压力过大导致地表隆起()盾构机变压器、泥浆泵、注浆系统等主要部件均布置于一号台车利用一号台车重量减轻管片上浮程度 同时一号台车上设计二次双液补浆系统在管片脱离盾尾后每 环利用二次注浆孔注双液浆对管片进行封闭填充管片与土体间隙防止管片上浮 结论本文结合工程实际特点通过对上软下硬复杂地层中超大直径盾构机选型及适应性分析得出以下结论:()结合本工程实际情况以地层土体粒径、渗透系数、地下水压为依据选用泥水平衡盾构机对本工程、水文地质有较强适应性提高施工效率为类似地质条件下的盾构机选型提供参考()对刀盘及刀具等进行针对性设计有效预防软土地层掘进盾构机栽头提高了刀具寿命改善刀盘中心区域的渣土流动性防止泥饼形成()盾尾最小间隙出现在转弯外侧加强环位置约 最大应力为 最大位移出现在盾尾边缘中部为.均满足工程要求()通过配置双舱气垫式压力平衡系统、双回路 自动保压系统及二次双液补浆系统减少舱内(下转第 页)铁道建筑技术 ()安明明:装配式拌和站施工技术研究在安装前检查设备独立基础轴线尺寸、预埋件高度和平整度水泥罐通过高强度螺栓现场连接并用电动扭矩扳手组装由信号员指挥起重机操作由安全员指挥施工人员将水泥罐吊至基础位置下落时务必缓慢进行校正水泥罐位置使水泥罐中心与基础的中心重合水泥罐支腿与预埋钢板牢固焊接罐脚四周与加强肋板及预埋钢板焊接 焊接由专业焊工操作严格遵守焊接规范保证焊接质量.集装式房屋集装式房屋为一体式活动房可以直接现场吊装办公房屋采用装配式尺寸为 拆装破损率低可周转多次使用 平面设计应根据场地条件、使用要求、结构选型、生产制作等情况确定并符合现行标准规定.插板式围墙拌和站围墙采用插板式封闭 围墙基础采用 混凝土混凝土基础预埋螺栓连接上部型钢结构 围墙板材采用插板式现场安装 结束语装配式拌和站施工采用模块化具有安全风险低、安装精度高、施工简便、施工成本低、可以周转多次使用等优点在施工中应用效果良好满足了工程质量、施工安全和总体工期要求 还可以通过模块化制造和装配式建筑设计改善资源的使用以实现材料、水、能源和土地保护等环保目标并提高建筑构件的质量和安全性为同类临建施工提供技术指导参考文献 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