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第104期 超大直径泥水盾构关键技术和研究

2020-10-28 15:02
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【52监测网】第104期 超大直径泥水盾构关键技术和研究


52监测网专家报告分享-第104期

《超大直径泥水盾构关键技术和研究》
王志成 中铁十四局集团有限公司

目录

一、超大直径盾构的发展和应用
二、可常压更换刀具的刀盘
三、超大直径盾构机刀盘的选型
四、国外大直径盾构项目介绍
五、盾构发展趋势和展望

内容介绍

一、 超大直径盾构的发展和应用

超大直径盾构的发展情况

超大直径盾构,一般指开挖直径不小于14m的盾构机,截止目前,全球已建成和在建的超大直径盾构项目已超过40个,其中,中国的项目占到总数约2/3。

在盾构机的类型上,超大直径泥水平衡盾构机的数量远超过土压平衡盾构机,穿越江、河、湖、海的盾构隧道基本采用泥水盾构施工。

中国是目前超大直径盾构项目最多的国家。比如上海的上中路隧道、沪崇苏长江隧道、南京长江隧道、南京纬三路长江隧道和济南下穿黄河公路隧道等。

截止到目前,最大的泥水平衡盾构是中国香港屯门-赤鱲角公里隧道,盾构机开挖直径17.6m;最大的土压平衡盾构为美国西雅图公里隧道,盾构机开挖直径17.48m,目前上述项目均已完工。

超大直径盾构的应用情况

超大直径盾构隧道绝大多数应用在公路隧道,小部分应用在铁路隧道(单洞双线隧道)

单洞隧道结构型式:
◇ 单层结构,上部为单向3车道,下部为管廊和应急救援通道
◇ 单层结构,上部单向3车道,下部单向地铁通道和应急救援通道
◇ 双层结构,每层为单向双车道,上下两层双向四车道

单层结构,上部为单向3车道,下部为管廊和应急救援通道


单层结构,上部单向3车道,下部单向地铁通道和应急救援通道,如武汉地铁7号线三阳路隧道、济南穿黄隧道等。


双层结构,每层为单向双车道,上下两层双向四车道,如南京纬三路过江隧道、扬州瘦西湖隧道。


超大直径盾构所面临的主要挑战

● 由于盾构机直径较大,洞身所处地层一般为复合地层或上软下硬等复杂地层,盾构姿态控制难度较大、掘进效率低,盾构施工难度大。

● 隧道的埋深较深,水土压力较大,对盾构机相关密封系统和泥浆环流系统(泥水盾构机)的配置要求较高;同时,盾构施工期间带压进仓所承受的水土压力较高,带压进仓作业的难度更大。

● 在同等转速下,由于开挖刀具的运行距离与刀具距离刀盘中心距离呈正比,所以,位于刀盘周边和边缘刀具运行距离较长,刀具更容易被磨损,更换刀具的频率更高、费用更大。

● 盾构机的始发和接收难度较大,盾构机的到达和接收难度比较大


● 盾构机的结构更加复杂,部件的重量和体积庞大,盾构机的加工制造、运输、工地组装和拆卸等难度较大

二、 可常压更换刀具的刀盘

针对超大直径盾构机,必须介绍超大直径盾构机所特有的常压下更换刀具刀盘设计,这是超大直径盾构机所独有的技术,在中、小直径的盾构机上无法采用该技术。


可常压更换刀具刀盘技术的发展

常压更换刀具刀盘技术是德国海瑞克公司1996-1998年在德国汉堡易北河隧道首次研发使用,目前,对于直径超过12m的盾构机均可采用。


常压更换刮刀的更换方法也在不断发展、进步,到目前已先后经历了两代,我们将其分别定义为第一代和第二代,下面介绍常压更换刀具的更换方法。

常压更换刮刀的更换方法

(1)第一代常压更换刮刀的拆除步骤
常压更换刮刀的装置主要由刀具、刀座、刀腔、前密封闸门、导向螺杆和拆卸螺杆等部分组成,常压更换刮刀装置的结构图如下:


① 准备工作
换刀前先进行泥水大循环,尽可能多的带走土仓内渣土,防止渣土在换刀时进入刀腔,使刀具安装困难;转动刀盘,使需更换刀具的刀盘主臂呈竖直方向位于底部,连接换刀所需的管路和线路;选择相应的换刀工装和工具。

② 拆除螺栓
拆除位于刀座尾部的用来安装导向螺杆的两根螺栓。


③ 安装导向螺杆
将2根导向螺杆分别安装至已拆除螺栓的螺栓孔中


④ 安装拆装螺杆
沿着2根导向螺杆的外侧分别安装2根拆装螺杆


⑤ 安装前密封闸门开闭油缸
安装开闭前密封闸门的液压油缸,将液压泵与刀腔密封闸门开闭液压油缸连接起来

开闭闸门专用油缸

⑥ 安装冲洗水管
将2根高压水管分别连接到刀腔的冲洗水管快速接头上(共两根,一进一排);


⑦ 拆除固定螺栓、退出刀具
拆除刀座尾部剩余的固定螺栓,使用扳手同时旋转2根拆卸螺杆,使刀具和刀座沿导向螺杆均匀缓慢退出;


⑧ 关闭前密封闸门
当刀具的前端刚好退至闸门内、刀座尚未脱落刀腔时,打开冲洗水管进水阀门,使用高压水冲洗刀腔,同时,关闭前密封闸门,并确保该闸门关闭严密,不会泄压;


⑨ 更换刀具
拆除导向螺杆和拆装螺杆,利用起重工具(葫芦)将刀具和刀座从刀腔内吊出,检查刀具的磨损情况,如果刀具磨损不严重,将刀具重新装回到刀腔内,如果刀具磨损严重,则更换新的刀具。


第一代常压更换刀具装置的特点:
优点:结构简单,操作方便;
缺点:换刀作业存在较大安全隐患。在拆卸或安装刀具、当前闸门完全关闭前,换刀时使用导向螺杆和拆卸螺杆承受掌子面的水压,如果导向螺杆或拆卸螺杆存在缺陷,或者操作不当,极易出现刀盘主臂(常压)与掌子面(带压)联通,刀座刀盘主臂内瞬间被带压泥浆充满,发生安全事故。

第二代常压更换刀具装置
为了克服第一代换刀方案所存在的安全风险,确保常压换刀作业安全,2011年,在南京地铁10号线过江隧道盾构机(S668),中铁十四局和海瑞克公司共同研发了第二代常压换刀装置。

使用限位筒和液压油缸代替导向和拆卸螺杆,即通过工装来控制刀具收缩或伸长的距离,第二代的安全性有了较大提高,机械化程度提高,缺点是换刀工装体积庞大、重量较重,换刀作业的操作比较复杂。

三、 超大直径盾构机刀盘的选型

由于超大直径盾构涉及的问题和难点较多,包括盾构机的选型设计、盾构始发、掘进和接收等方方面面,这里仅针对超大直径盾构刀盘的选型进行研讨。


超大直径盾构的刀盘设计

在超大直径盾构项目中,刀盘的选型设计是关键和重点,刀盘的选型是否合理甚至决定着项目的成败。

为了满足不同地层施工需要,刀盘的开口率不同,刀盘的开口率一般为30-60%,在粉细砂地层,刀盘的开口率偏大,一般达40-60%;在岩石或粘土地层,刀盘的开口率较小,一般为30-40%,在硬岩地层,刀盘的开口率更小。

可常压更换刀具刀盘的设计

由于大多数超大直径盾构项目面临水文地质条件复杂、掘进距离长和开挖仓的压力较高等难题,需要频繁更换开挖刀具。

如果刀盘不具备常压更换刀具的功能,需要聘请潜水员带压进仓检查和更换刀具,一方面费用较高,一次停机更换刀具时间较长,同时,潜水员带压进仓安全风险较高。

如果刀盘具备常压更换刀具的功能,基本不需要带压进仓作业,工人经必要的培训就可以完成常压刀具的检查和更换,工作效率高、安全性好、作业费用低。因此,目前绝大多数超大直径盾构机的刀盘具备常压更换刀具的功能。

从南京长江隧道开始,到武汉地铁8号线过江隧道、武汉地铁7号线三阳路隧道,直至目前正在施工的汕头苏埃隧道等,常压换刀刀盘技术在国内超大直径盾构项目上已广泛使用。


常压换刀刀盘的优缺点

优点
可以在常压下检查、更换部分开挖刀具(一般刀盘的中心和正面每个轨迹一把滚刀、两把刮刀),避免频繁带压进仓检查和更换开挖刀具,节约更换刀具的费用,缩短更换刀具的时间,降低更换刀具的安全风险。

缺点
① 刀盘的开口率偏低,开口率仅有25-35%;同时,为了在刀盘中心能够布置开挖刀具,刀盘中心一定范围内无开口,开挖仓和气泡舱内渣土的流动性差,刀盘、刀具易结泥饼,容易出现渣土滞排等问题。
② 受结构限制,一般情况下,一个轨迹只能安装一把滚刀或两把刮刀(顺时针和逆时针各一把),刀盘上布置的刀具数量比常规刀盘偏少。
③ 刀盘的体积庞大、重量较重、动辄400-500吨,结构复杂,采购费用高

如何解决常压更换刀具刀盘的问题

目前,国内绝大部分超大直径项目,使用常压换刀刀盘,虽然,常压换刀刀盘基本解决了开挖刀具更换的难题,但是,这种刀盘存在开口率偏小、刀盘中部易结泥饼等问题,如何解决常压更换刀具刀盘所存在的问题,确保盾构施工安全、顺利进行,已成为盾构机制造商和施工单位必须面对和解决的问题。

针对常压更换刀具的刀盘所存在的问题,建议采取以下措施:

● 合理设计刀盘结构和刀具配置,尽量提高刀盘的开口率,同时,尽量减少刀盘中心区域无开口部位的半径

● 针对泥水盾构,可以提高开挖仓和气泡舱内泥浆的流动性,确保及时排出刀盘开挖下来的渣土,具体如下:
① 根据实际情况,泥浆环流系统配置大排量、高扬程的泥浆泵,加大进入盾构机开挖仓内泥浆(进浆泵)和从盾构机内排除泥浆(排浆泵)的流量

② 刀盘正面、开挖仓和气泡舱等重要部位采取泥浆多层次、大流量冲刷方案。
例如,在刀盘中心部位,从四周向刀盘中心泵送泥浆;在刀盘相邻的两个主臂开口位置设置喷嘴,沿半径方向向外侧泵送泥浆等


③ 因刀盘中心部位无开口,所以该部位渣土易堆积、结泥饼。
提高刀盘中心冲刷泥浆泵(P0.1泵)的流量和扬程,提高刀盘正面冲刷泥浆的流速,防止渣土在刀盘中心堆积、结泥饼;
同时,合理设计环流系统的泥浆管路,例如:刀盘中心冲刷泵(P0.1泵)的进浆管既可从主进浆管道进泥浆,也可以从气泡舱进浆,以改善开挖仓和气泡舱内的泥浆循环,提高外排泥浆的卸渣、排渣效果。

④ 在盾构机范围内安装小循环系统,提高排渣效率。
例如:在排浆泵(P2.1泵)的吸浆口处安装分流箱,安装小流量的泥浆泵,从分流箱吸泥浆,将泥浆分别泵入开挖仓或气泡舱内,增加进、排浆流量,改善泥浆循环效果,提高排渣的效率

总之,通过优化盾构机的环流系统设计,加大内循环的泥浆流量,有利于开挖仓和气泡舱内渣土被及时排出,防止渣土堆积,解决泥浆滞排和刀盘中心结泥饼等问题,提高盾构机的掘进速度,可以弥补因刀盘开口率不足而带来的盾构掘进效率偏低和刀盘结泥饼等问题。

四、 国外大直径盾构项目介绍

以土耳其伊斯坦布尔市欧亚(AVRASYA)海底盾构隧道为例,介绍该项目盾构机的配置和盾构施工情况

项目概况

土耳其伊斯坦布尔市欧亚(AVRASYA)海底盾构隧道位于土耳其伊斯坦布尔市,隧道穿越博斯普鲁斯海峡,为单洞双层公路隧道,每层各有两条车道,仅允许轻型车辆(家用轿车、小型公共汽车)通过,最高时速80km;

隧道全长5400m,其中,盾构隧道长3340m,管片内径12.0m、外径13.2m,环宽2m。


● 业主为土耳其DLH公司,由Yapimerkezi(土耳其)和SKE&C(韩国)联合施工;
● 盾构隧道交替穿过软土、砂岩、泥岩、火山岩等岩地层,约30%为软土地层,约70%为硬岩地层;
● 最大埋深位于海面以下106m,最大水土压力11.2bar;
● 最大纵向坡度5%。

盾构机的主要配置

● 向海瑞克公司采购1台开挖直径13.71m的泥水平衡盾构机;
● 刀盘结构为可常压更换滚刀式,开口率29%,配备35把19吋常压更换双刃滚刀;
● 设计可承受最大压力13bar;
● 主驱动为可伸缩摆动式,最大扭矩32781kNm,最大推力247301kN。
● 后配套由1节连接桥+3节拖车组成,设备总长120m。

盾构机整机图

盾构施工遇到和解决主要问题

● 刀具的更换
由于地质复杂,水压大,施工过程中频繁更换开挖滚刀和刮刀。整个项目共更换双刃滚刀430把,刮刀550把。由于采用常压更换刀具的刀盘,所以刀具更换工作比较轻松。


● 防地震措施
由于伊斯坦布尔市临近亚洲和欧洲两大板块交界处,距离隧道17公里有一个地震频发的地质断层区,为了防止因地震损坏隧道,设计安装两环特殊的抗震接缝管片,一旦发生地震,便可以像关节那样工作,使隧道具备了必要的柔性

隧道内安装的抗震接缝管片

● 使用饱和潜水技术维修碎石机和入口格栅
盾构隧道掘进过半后,因持续出渣土,导致位于气泡舱底部的排浆泵入口栅格和颚式碎石机严重磨损,必须带压进行维修。

由于气泡舱内压力较高,依靠专业的潜水员采用饱和潜水技术,在9bar的压力下连续工作三周完成了入口栅格和颚式碎石机的维修。

饱和潜水作业设备

工程进展情况

● 盾构机于2014年4月始发,盾构隧道于2015年8贯通,盾构掘进历时16个月,平均日掘进7-10m,平均月掘进200m,取得了较好效果。

单日最大进尺:17.3m,单周最大进尺:91.6m。

隧道贯通照片

五、 盾构未来发展趋势和展望

盾构发展趋势和展望

随着盾构施工的需要和科学技术的不断进步,超大直径盾构机的研发正在向自动化、智能化和多模式等方向发展。

自动化——超大直径盾构的上述工作任务量较大、施工作业的安全风险较高目前,相关盾构机制造商正在研发管片自动拼装技术、机器人带压进仓更换刀具等技术,使用机器人代替人工完成繁重或安全风险较高的作业,降低安全风险,节约人力成本。

智能化——如刀盘磨损量实时监测技术、刀具状态实时监测技术(例如滚刀是否旋转、刀具磨损量检测等)、超前地质预报技术等,实现在线状态监测、智能感知和提前预警、预判等功能,便于及时进行人工干预和处置。

多模式——单一类型的盾构机无法适用同一条隧道复杂多变的水文地质,为此需要研发多模式盾构机。目前,部分盾构机制造商正在研发土压/直接式泥水双模盾构、土压/敞开式双模盾构、气垫直接式泥水/土压双模式盾构。

《超大直径泥水盾构关键技术和研究》
王志成 中铁十四局集团有限公司

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