玉带河大街站区间盾构设备适应性自评估报告.doc

北京地铁6号线二期13标项目经理部 新华大街站玉带河大街站区间盾构设备适应性自评估报告北京地铁6号线二期十三标项目经理部新华大街站玉带河大街站区间盾构设备适应性自评估报告编 制： 复 核： 审批： 中铁十二局集团有限公司北京地铁6号线二期十三标项目经理部2012年10月- 1 -37目 录1 概述12 工程概况22.1 区间概况22.2 地质情况22.3 水文地质33 盾构机适应性评估内容33.1 评估范围及设备概况33.1.1 评估范围33.1.2 设备概况33.1.3 评估过程33.2 北方重工盾构机性能参数44 盾构机适应性评价114.1 盾构机最小转弯半径的适应性评价114.2 北方重工盾构机刀盘布置及与地层适应性评价124.2.1 盾构机刀盘形式124.2.2 刀盘对开挖面的支护性能124.2.3 改善砂、粉土层塑流性134.2.4 刀盘的抗磨损性能134.3 同步注浆及二次补浆设备与盾构主体设备和地层的适应性评价164.3.1 注浆泵规格164.3.2 功能概述164.4 泡沫、膨润土等土体改良设备的性能及其适应性评价184.4.1 水泵、泡沫液泵、加泥系统规格184.4.2 膨润土系统规格194.4.3 功能概述194.4.4 泡沫注入系统功能概述204.4.5 本盾构泡沫与添加剂系统234.5 螺旋输送机的地层适应性评价244.5.1 螺旋输送机主要部件244.5.2 螺旋输送机伸缩装置264.5.3 螺旋输送机耐磨保护264.6 皮带输送机的相关特性及其适应性评价284.7 润滑及密封系统的适应性评价284.8 推力和刀盘扭矩的地层适应性评价324.8.1 盾构推力334.8.2 盾构推进功率364.8.3 刀盘扭矩364.8.4 刀盘驱动功率365 适应性分析结论371 概述新华大街站至玉带河大街站区间，采用两台北方重工土压平衡式盾构机掘进，计划于2012年11月始发施工，经过拆卸和组装过程中对盾构机的各部件进行检测，以及总结以往掘进过程的维修保养记录，对北方重工盾构机作了客观、真实的适应性评估分析。 北方重工盾构机是专为北京富水、粉砂及黏土等复合地层而购置，目前已经在北京地铁十号线二期08标盾构区间完成掘进700环，没有出现大的机械设备方面的故障。实践证明，北方重工盾构机具有适应不同地层、功率大、掘进效率高等特点和优点。 表1.1 北方重工盾构机及主要配套设备的详细尺寸序号名称重量尺寸（长宽高）mm数量备注1刀盘31t6280176012前盾88t6262220513中盾96t6250292214盾尾41t6240420015螺旋输送机20t125101060130016拼装机12t36403520225417拼装机承载梁8.3t53001000105518桥架14.5t1403541263673191#台车16t7500400044721102#台车14t7400435644721113#台车15t7400410644721124#台车17t7400400044721135#台车20 t7400400044721146#台车14 t7400400044761157#台车20 t1275244994810116管片车10t36001500540317渣土车20t650015002350618浆液车15t509014742335219电瓶车30t81091550240022045t-22.5m龙门吊针对我公司承接的北京地铁6号线13段新华大街站玉带河大街站区间盾构工程，我们组织有关部门技术人员对北方重工盾构机进行了综合性能的分析，以保证北方重工盾构机以良好的性能投入该工程使用，为北京市地铁建设再立新功。2 工程概况2.1 区间概况新华大街站玉带河大街站区间线路北起新华大街北侧、滨河北路以西200m的规划路环岛路口下的新华大街站，线路出站后下穿新华东街，沿滨河北路西侧的规划道路向东南敷设，到达玉带河东街北侧、滨河北路西侧的玉带河大街站。设计里程范围：右K36+519.650右K37+733.899，右线隧道长度1214.249m；左K36+519.650左K37+727.526，左线隧道长度1207.876m。区间于右K37+110.000设置号联络通道，于右K37+697.000设置盾构始发井，兼做号联络通道，靠近玉带河大街站站端设置1号迂回风道，新华大街站盾构始发井区间段采用盾构法施工，覆土厚度约为7.1m14.5m，盾构始发井玉带河大街站区间段采用暗挖法施工，盾构井覆土厚度约3.5m，其余暗挖段覆土厚度约10.40m。区间走向线见图2.2-1。2.1-1 区间走向图2.2 地质情况隧道结构除局部处于第四纪新近沉积层中外，其余主要处于第四纪全新世冲洪积层及第四纪晚更新世冲积层。其围岩有：第四纪新近沉积层粉土层、粉质粘土1层、粘土2层、细粉砂3层。第四纪全新世冲积层：粉质粘土层、粉土2层、粉细砂3层。第四纪晚更新世冲积层：细中砂层、圆砾4层、粉质粘土层、粉土2层等。其中隧道主要穿越区间主要穿过粉细砂3层、粉质粘土层、细中砂层、粉质粘土层，局部为粉细砂3层。拱顶覆土主要为人工堆积层房渣土、粉质粘土填土、粉土填土，第四纪新近沉积层粉土、粉质粘土、细粉砂，以及第四纪全新世洪冲积层：粉细砂3层等。2.3 水文地质本次勘察钻孔最大深度42m，在勘察深度范围内，根据区域水文地质资料，本工程场区主要赋存两层地下水，地下水类型为潜水（二）和承压水（四）。地下水详细情况见表2.3-1所示。 表2.3-1地下水特征地下水性质水位埋深(m)水位标高(m)观测时间含水层潜水（二）5.0-9.112.24-17.492011.2-2011.3粉细砂3层、粉细砂3层、细中砂层、及圆砾4层承压水（四）12.3-17.35.17-9.492011.2-2011.3细中砂层3 盾构机适应性评估内容3.1 评估范围及设备概况3.1.1 评估范围盾构主体设备、刀盘型式和刀具布置、同步注浆及二次补浆设备、螺旋输送机、皮带输送机、润滑及密封系统。3.1.2 设备概况本次采用的盾构机为北方重工盾构机。这两台盾构机是2010年购置进场的，使用寿命为掘进10公里，现累计施工隧道长度为840米，设备磨损较轻，设备运行状况良好，因此这两台盾构机满足再次掘进的条件，该盾构机的特点是可以向土仓及开挖面内加注各种添加剂，改良土质，保证盾构机安全、高速推进；拥有自动导向测量系统，能够方便，直观，精准的控制盾构掘进姿态，具有先进的功能特性。 3.1.3 评估过程（1）对盾构设备的运行状况、使用班制、负荷情况及技术性能进行全面了解、分析和判断。（2）了解盾构设备维修管理制度，维护保养计划、设备大修及技改情况。（3）按现场核实情况，对重要设备进行技术状态分析、并填写盾构设备验收报表。（4）根据评估目的，科学地选择所需要的各类技术参数，进行适应性评价。（5）对盾构设备的技术质量状况进行研究分析。（6）进行信息搜集、分析，总结出评估结果。3.2 北方重工盾构机性能参数表3.2.1 北方重工盾构机性能参数表主部件名称细目部件名称参 数综述（及适应工作条件）盾构机类型土压平衡盾构机地层土质种类粉细砂、中细砂整机正常使用寿命10 km开挖直径安装撕裂刀时：6280mm前护盾直径6262mm主机长度9.3m整机长度80m盾构及后配套总重450t最小平曲线半径250m最小竖曲线半径1000m最大线路坡度（爬坡能力）35盾构机工作能力日进度: 20环最高月进度:400m刀盘刀盘形式辐条式 材料：Q354安撕裂刀时开挖直径6280mm开口率54%撕裂刀数量40把（200mm160mm）27把（300mm160mm）刮刀轨迹10刮刀刀宽200mm正面刮刀92把周边刮刀12把中心连体刮刀（6+1）1把泡沫/膨润土浆注入孔数量4个重量(约)40t超挖刀形式仿形刀仿形刀数量1最大超挖量105 mm换刀方式背装式旋转接头4线用于泡沫，2线用于超挖刀液压管路旋转接头润滑方式集中润滑刀盘驱动驱动型式变频电驱动转速03.00rpm(双向旋转，连续可调)最大实际额定扭矩5520 KNm（1.00 rpm时）最高转速实际扭矩1,875 KNm（3.00 rpm时）实际脱困扭矩6,840 KNm （0.25rpm时）主驱动装机功率6110 KW主轴承形式3排（轴向径向）圆柱滚子轴承主轴承直径3000mm主轴承使用寿命10000h主轴承密封最大承压能力4 bar主轴承密封形式3道四唇密封主轴承密封润滑方式内、外密封均为自动集中润滑盾壳型式铰接式前盾直径、长度、钢板厚度6262mm、2320mm、40mm中盾直径、长度、钢板厚度6254mm、2890mm、40mm盾尾直径、长度、钢板厚度6246mm、3960mm、40mm中盾与前盾之间连接方式螺栓连接承压能力6 bar钢丝刷密封数量2道钢板束数量2道(1道尾刷+1道止浆板)盾尾密封承压能力4 bars试验压力5.25 bars盾尾间隙33mm土压传感器数量7个（4个位于承压隔板上，2个位于螺旋输送机上）前盾重量(约)100t（含设备）中盾重量(约)77t （含设备）盾尾重量(约)48t（含设备）推进系统最大总推力/工作压力34,000KN 340bar油缸数量16根油缸行程2100mm最大推进速度80mm/min，用16个油缸管片安装模式下最大外伸速度2,000 mm/min，用4个油缸管片安装模式下最大回缩速度3,000 mm/min，用4个油缸管片安装模式下单缸最大回缩速度3,000 mm/min位移传感器数量4只推进油缸分区数量4区（上、下、左、右）推进系统装机功率55 KW铰接系统类型被动式铰接最大收缩力8,000 KN 340bar油缸数量10根油缸行程170mm最大回缩速度170mm/min位移传感器数量4只铰接转向角度（垂直/水平）1.5铰接密封密封形式2道唇型密封1道止浆板，并充油脂人舱舱室数量2个容量3人（主舱）2人（紧急舱室）直径1800mm舱门数量2个单开门1个双开门最大工作压力7.5bar盾尾油脂系统泵站形式气动式管路数量26线路（每个注脂腔6个）压力传感器数量26个注入点分布均布注浆管的尺寸DN65盾壳上管路布置形式内置式油脂润滑系统泵站形式气动管路分布均布（铰接密封）螺旋输送机类型(正反转)轴式，叶片上有螺栓联接防磨片、壳体内有防磨条（可以正反转）数量1个输送机壳体内径800mm最大扭矩126 KNm（012 rpm时）最大转速24rpm最大能力(理论)430m3/h节距640mm通过的卵石尺寸粒径500mm300mm300mm伸缩结构形式套管式伸缩行程1000mm螺旋输送机轴承唇型密封润滑方式集中润滑排卸闸门伸缩量700mm重量(约)13.5t螺旋输送机安全门位于底部，用于将输送机和开挖室隔离,防水皮带输送机驱动类型电机驱动数量1个皮带宽度800mm皮带长度(约)56m速度3m/s最大能力450 m3/h皮带机装机功率55kW同步单液注浆系统盾壳上管路布置形式内置式注浆管路数量（含备用管）24根（其中4根为备用）注浆泵数量2台双柱塞泵注浆泵型号Schwing KSP12或Or Putzmeister KOV550能力212m3/h储浆罐容量7m3储浆罐两端轴承润滑方式集中润滑压力传感器数量4只泡沫系统管路数量刀盘4个（可注入泡沫、水、膨润土浆、聚合物水溶液）螺旋输送机2个（可注入泡沫、水）最大泡沫注入量300 m3/h控制模式自动/手动用水量5m3/h10bar泡沫系统（水泵泡沫泵）安装功率5.5 KW泥浆（膨润土）注入系统刀盘上的注入点4个，和泡沫注入点一致泵流量15m3/h，可调泥浆罐容积6m3泥浆泵安装功率30KW管片安装机额定抓举能力50KN侧向挤压力35 KN/m转动扭矩146 KNm静扭矩316 KNm类型6自由度，齿圈式，机械抓取驱动方式液压驱动自由度6移动行程(隧道轴向)2100 mm(满足更换前两道盾尾刷)举升行程（隧道径向）900mm旋转角度220旋转速度01.5 rpm （速度可调）控制方式1无线控制+1有线控制每环管片拼装时间约20min管片吊机型式机械抓取式数量2起吊能力5t起吊高度2400mm移动行程约approx.9m/15m控制方式线控导向系统型式PPS测量精度2秒有效工作距离200m俯仰和旋转传感器2个监视系统摄像头数量3台显示屏数量见控制及通讯系统后配套拖车数量1节连接桥7节门架式拖车连接桥长度10.6 m允许列车通过尺寸（长宽高）约52400mm1500mm2500mm后配套拖车行走方式轨行式冷却水系统能力40m3/h7bar，28，3mm/min）和启动所有运行单元的情况下才可能进行。泡沫的液体/空气比率与开挖量有关，在半自动运行方式时取值会过量。（3）在掘进停止时泡沫系统会自动关闭。4.5 螺旋输送机的地层适应性评价4.5.1 螺旋输送机主要部件螺旋输送机由连接法兰装于承压隔板上，从土仓底部进料口到与皮带机连接处的出料口倾斜安装，倾角为约21.5。螺旋壳体上设有2个泡沫口，用于添加物注入。根据螺旋机筒体及中心轴尺寸，单边通过最大块体尺寸为300mm300mm。排渣门由液压油缸控制，在停机维护期间，排渣门可以关闭。排土闸门的液压系统中设有蓄能应急装置，在紧急情况下如断电时，此门会由储能器提供动力，由液压油缸控制关闭。见图4.5.1-1。4.5.1-1螺旋输送机整体结构体图螺旋输送机的外壳采用整体设计，最前端固定在盾构机切口环下部，后面的筒体固定在中盾上，叶片的螺距为780mm，叶片直径800mm，可通过的最大颗粒300mm以上。螺旋输送机排土口有2个由液压缸控制的出土闸门，闸门开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制闸门的开启度，通过它控制螺旋输送机的排土量，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。螺旋输送机在土仓进土口设有1个可开闭闸门，当螺旋输送机需要排堵时，伸长螺旋输送机连接油缸，回缩螺旋输送叶片，然后关闭土仓中2个可开闭闸门,液压进土闸门把螺旋输送机进土口关闭，确保土仓中的土压不会失稳。然后通过设在螺旋输送机上的排堵口进行排堵。见图4.5.1-2。4.5.1-2螺旋输送机前开闭闸门开状态参考图4.5.2 螺旋输送机伸缩装置正常工作期间，螺旋杆端部伸入泥土仓内，当螺旋杆从泥土仓退出后，可以通过关闭安全门来密封整个承压隔板。即使螺旋杆处于伸/缩任一种状态，其都可以正常工作,其特点:当被木块或石块堵住时，可以通过螺旋杆伸缩使其挤压排出。4.5.3 螺旋输送机耐磨保护螺旋机前1/3长度叶片安装和堆焊有耐磨保护块。见图4.5.3-1。图4.5.3-1 螺旋输送机耐磨结构在本工程中，考虑到在粉细砂和中细砂地层中施工，所以采用对输送渣土更为有利的有轴带式螺旋输送机，在螺旋输送机尾部出土口设置了1道闸门，为了了解螺旋输送机内土压及土压衰减情况，在螺旋输送机前部及后部配置了2个压力传感器。螺旋输送机由1台液压马达驱动，1台功率为200kW的变量泵供油，易于变速，耐冲击。螺旋输送机的最大输出扭矩为126kNm，最大转速24rpm，出土能力为420m3/h。盾构机在螺旋输送机出土闸门下配置了保压系统后，需要时，液压系统（图4.5.3-1），通过人工手动扳动开关，通过液压控制，紧急关闭排渣门。使排土过程中始终使螺旋输送机出土口处在一个封闭的状态，保证土仓内的土压不会失稳，防止了喷发，由于土仓内的土压始终与开挖面的水土压力保持平衡，因此，开挖面以外的水不会流向开挖面进而进入土仓从螺旋输送机排出，在遇到高含水量的流砂地层时防止喷涌，使盾构机正常掘进。系统的最大排碴量为420m3/h，理论上能满足盾构机46mm/min的掘进速度要求。图4.5.3-1保压泵渣液压系统（参考图）4.6 皮带输送机的相关特性及其适应性评价皮带运输机用来把螺旋输送机排出的渣土运至运渣土车。皮带运输机做成一个整体部件，包括电驱动单元。皮带输送机装有横向滚轮。主要组成部件为：驱动装置，皮带，皮带机段，卸渣门，拉紧装置等。由于本工程输送的物料主要为渣土，由于地层复杂，富水环境，所以输送机除了适应普通渣土的输送外，还可满足耐热、耐油、耐腐蚀等有特殊要求的渣土输送。见图4.6-1。图4.6-1皮带输送机结构图4.7 润滑及密封系统的适应性评价（1）固定部分由钢板焊接后机加工成字型断面结构，在内部安装高精度、大负荷的三排轴向及径向滚珠轴承和密封圈，6台变频减速电机和小齿轮。通过三排轴向及径向滚珠轴承内齿，带动三排轴向及径向滚珠轴承从而驱动切削刀盘。见图4.7-1。图4.7-1 主驱动结构（2）为了防止土砂、水进入驱动装置内，在旋转部与固定部中间设置密封装置：三道唇型密封（四唇型）。北方重工盾构对应本工程，密封具有足够的寿命。（3）三排圆柱滚子轴承支撑切削刀盘的正反轴向力、径向负荷和力矩，且支撑、驱动切削刀盘的旋转。轴承寿命为10000小时。主驱动轴承润滑、密封集中润滑系统主要包括以下部分。（1）三排圆柱滚子轴承采用油浴强制润滑，将油池中的润滑油用泵输出，通过滤清器把清洁的润滑油润滑轴承和齿轮。主轴承油润滑系统安装在盾体内部，齿轮油室设置在驱动系统内部，系统包括油泵、过滤器、压力表等设备，起到循环润滑主轴承内齿轮和小齿轮啮合的作用，同时能对齿轮油进行过滤，保证油液的清洁度，减少设备磨损。见图4.7.1-1。图4.7.1-1 主驱动轴承润滑（2）密封部分（EP2、HBW）采用集中自动间断供脂式，用泵经过分配阀间断地向刀盘驱动密封之间、螺旋输送机驱动部密封处、中心回转接头密封部分充填具有一定压力的油脂，可通过定时器调节供给量。本系统采用时间与压力共同控制的模式，在通常情况下由所设定的时间间隔注脂，但如果密封处的压力小于所设定的压力下限时，压力控制优先，开始注脂直到所设定的压力上限。见图4.7.1-2。 图4.7.1-2 油脂供应系统在给油脂回路中设置了当发生异常高压的场合，在报警的同时刀盘旋转立即停止的联锁系统。盾尾油脂的压注由气动压注泵完成，系统由一台空压机提供动力。它主要用于对盾尾密封装置进行补充充填盾尾密封油脂和铰接密封。盾尾油脂系统的开启在驾驶室操作完成。盾尾油脂的控制有自动和手动2种模式，见图4.7.1-3。图4.7.1-3 盾尾油脂供应系统该辅助装置主要包括盾尾密封脂泵、主驱动润滑脂泵和密封油脂泵，均是气动型，安装在后配套台车上。经过盾构检修，我项目部聘请厂方技术人员对主轴承密封进行了检查，具体检查如图4.7.1-4。图4.7.1-4 主轴承密封检测 检查结果：主轴承密封基本无磨损，完全满足下个区间的正常施工。我方盾构机装机前，对盾尾密封进行了全部更换，保证下一区间的顺利施工，新盾尾刷更换见图4.7.1-5所示。图4.7.1-5 新盾尾刷焊接 4.8 推力和刀盘扭矩的地层适应性评价正常掘进推力由刀盘切削土体的推力，土仓压力对盾体的阻力，盾体与土体的摩擦力以及后配套拉力组成，是被动产生的。盾构机为能满足粉砂土层的铰接型土压平衡式盾构机，同时具备土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式，半敞开式掘进模式3种掘进模式。土仓内上下左右配置了4个具有高灵敏度的压力传感器，通过自动土压系统中的PLC能将土仓内的土压传送到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，调节螺旋机的转速，土压过高过低都会在操作台上报警，因此操作人员能很好地控制土压平衡，减小地面沉降。见图4.8-1。图4.8-1刀盘及盾体结构图刀盘扭矩指盾构机掘进过程中，刀盘切削土体时需要刀盘驱动系统提供的作用力，刀盘扭矩由土体切削扭矩，土体搅拌需要的扭矩组成。本盾构机刀盘结构设计充分考虑在粉土、粉砂土层的掘进要求：具有足够的刚度和强度用于支撑开挖面水土压力和承受掘进中的推力及扭矩。不会使刀盘扭矩随着各种影响因素发生异常变化，适应各种地质地层，保证掘进质量。4.8.1 盾构推力 计算原理盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力。这些推进阻力主要有： 盾构四周与地层间的摩阻力或粘结力F1； 盾构新刀盘刀具切入土层产生的贯入阻力F2； 开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力F3； 在盾尾处盾尾板与衬砌间的摩阻力F4； 盾构后面台车的牵引阻力F5。以上各种推进阻力的总和用下式表示，在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的富余量，即为盾构千斤顶的总推力。F=F1+ F2+ F3+ F4+ F5， Fn=2F式中：F推进阻力总和；Fn盾构千斤顶总推力；F11（DLmPm+G1）；F2utKPPm；F3D2Pf4；F42D；F53G3（如隧道有纵坡时，还应考虑纵坡的影响）；1钢与土的摩擦系数；取0.3；2管片与盾尾钢丝刷的线摩擦阻力；取10 KN/ m；3车轮与钢轨间的摩擦系数；取0.15；D盾构外径；6.28m；Lm盾构本体长度；9.3m；G1盾构重量；4500KN；G2衬砌环重量；160KN；G3盾构后面台车重量；1690KN；Pm作用在盾构上的平均土压力；Pf开挖面正面阻力（支护千斤顶反力，作用在盾构隔板上的土压力和泥浆压力等），Pf=v/(1-v)(riHi +P)；KP被动土压力系数，KP=tg2(45+/2)；R土层抗力；u开挖面周长；t刀具刃口贯入深度；S阻力板（与盾构推进方向垂直伸出的板，依地层抗力控制盾构方向）在推进方向的投影面积。 作用在盾构上的平均土压力选取新华大街站玉带河大街站区间K37+379.6里程处作为计算代表断面，盾构顶部埋深约为11.5m。该断面的主要参数如下：房渣土层，厚度为4.3m，容重为=16.0KN/m3；细粉砂3层, 厚度为5.7m，容重为= 18.0 KN/m3；粉质粘土1层，厚度为0.7m，容重为= 18.8 KN/m3；粉细砂3层，厚度为0.8m，容重为=19.5KN/m3；平均容重为17.4KN/m3；顶部土压：P0=0.4526-srw+ P；跨度影响系数：w=1+i(B-5)；顶部侧压：P1=P0ka；底部侧压：P2=ka P0；底部抗力：P0=P0+Wg(DL)。式中：ka-隧道平均侧压力系数，取经验值0.4；s-围岩类别，s=6；Wg-盾构及附加物总重，取4500 KN；D-盾体外径，6.28m；Lm-盾壳长度，9.3m；H-盾构顶部埋深16.0m；P-地表荷载，取20KN/m2；B-隧道断面宽度，6.28m；i-围岩压力增减率，当 B5m时，i=0.2；B=（515）m时，i=0.1。代入上述各式，如图3.7.1得：P0= P0=0.4526-6 17.41+0.1(6.28-5)+20=28.83KN/m2；P1=28.830.4=11.53KN/m2；P0=28.83+4500(6.289.3)=105.88KN/m2；P2=105.880.4=46.29 KN/m2；Pm=（P0+ P1+ P2+