盾构机可靠性及适应性评估方案.ppt

中铁九局集团有限公司 盾构机可靠性及适应性评估方案 中铁九局集团有限公司西安地铁四号线15标项目经理部二 一五年八月 目录 一 编制说明 1 1选型依据1 1 1西安市地铁四号线15标段盾构隧道 各区间岩土工程初步勘查报告 1 1 2西安市地铁四号线15标段盾构区间施工招标 投标文件 工程合同 设计文件及图纸等 1 1 3合同要求的技术规范 规定 标准以及有关现行的国家 陕西省 西安市 西安地铁公司及行业技术规范和标准 1 1 4西安市地铁四号线15标段实施性施工组织设计方案 1 1 5工地现场实际情况 1 1 6公司与盾构生产厂家的技术交流和成功合作的经验 1 1 7公司及项目人员长期以来从事各类盾构工程施工 各种地质条件下地铁的施工经验 借鉴西安地铁一号线 二号线积累的盾构施工经验 1 2适用范围范围 凤城九路站 文景路站及文景路站 行政中心站区间隧道盾构区间1 3选型目的按照 技术领先 设备可靠 经济适用 相结合的指导思想为原则 根据西安市地铁四号线15标段盾构隧道区间施工的特点 重点 难点 盾构机的性能对地质条件的适应性 对盾构机进行选型 为了让盾构机能更好的适应本标段盾构施工 特编制本方案 请各位专家领导进行指导 第二章工程概况及水文地质条件 2 1区间线路设计概况 凤城九路站 文景路站平面图 二 工程概况及水文地质条件 文景路站 行政中心站区间平面 二 工程概况及水文地质条件 西安市地铁四号线TJSG 15标段工程 包括两个车站两个区间 即文景路站 凤城九路站 行政中心站 文景路站区间和文景路站 凤城九路站区间的土建工程施工 标段起讫里程为 YDK27 134 938 YDK29 588 25 跨度总长2453 312m 左线盾构隧道长度1751 863单线延米 右线盾构隧道长度1725 035单线延米 区间隧道线间距13 5m 区间线路纵向最大坡度28 最小坡度2 最小平曲线半径R 350m 最小竖曲线半径R 3000m 沿线经白桦林居5 楼 2 楼 地下车库 1 楼等建筑 建筑林立 管线众多 人流车流密集 二 工程概况及水文地质条件 二 工程概况及水文地质条件 本区间隧道地表据钻孔揭露 拟建工程场地在勘探深度50 0m范围内的底层主要为第四系堆积物 即由全新统人工填土 Q4ml 冲击 Q4ol 黄土状土 粉质粘土 粉细砂 中砂 粗砂 砾砂和上更新统冲击 Q3ol 粉质粘土 粉细砂 中砂 粗砂砾砂组成 根据勘察结果 地下水潜水位埋深13 90 16 50m 水位高程364 98 367 98m 根据勘察及区域地质资料 覆盖层为第四系松散层 含水层主要为强透水的粉细砂 中砂 粗砂 砾砂和弱透水的黏性土 潜水含水层底板埋深大于80m 勘察发现该场地局部存在少量上层滞水 含水层主要为黄土状土和粉质黏土层中的砂土夹层及黄土状土底部土层 厚度一般1 2m 本地区潜水补给来源主要来自地下径流和大气降水入渗补给 本地区地下水的总体 流向与地形一致 由东南流向西北 本地区潜水的排泄方式为人工抽水 二 工程概况及水文地质条件 各地质标贯值 二 工程概况及水文地质条件 凤城九路站 文景路站 区间 中砂 粗砂 粉细砂 砾砂 粉质粘土 969m 文景路站 行政中心站 区间 中砂 粉细砂 砾砂 粉质粘土 756m 二 工程概况及水文地质条件 工程风险点初步识别 文景路站 凤城九路站区间 2 行政中心站 文景路站区间 二 工程概况及水文地质条件 白桦林居2 下穿建筑物 距建筑物CFG桩底约4 5m 白桦林居1 右线隧道距离建筑物最近处为2 0m 白桦林居地下车库 下穿建筑物隧道顶距建筑物基础为12 9m 白桦林居地下车库 下穿建筑物隧道顶距建筑物基础为12 9m 二 工程概况及水文地质条件 白桦林居2 临街商铺 白桦林居1 二 工程概况及水文地质条件 V号过街通道 下穿建筑物 隧道顶距通到底净距约4 9m 二 工程概况及水文地质条件 管线实际位置 埋深约6 8m 位于右线隧道北侧 局部与左右线隧道相交 管线走向基本与盾构隧道平行 二 工程概况及水文地质条件 联络通道兼废水泵房 此处已进行洞外加固 盾构掘进到此处时将开仓检查刀具磨损情况 联络通道加固区域 二 工程概况及水文地质条件 工程危险源应对措施本工程穿越白桦林居建筑群属于重大危险源 根据设计图纸及公司穿越其他建筑物的经验采取如下措施 1 在盾构进入建筑群前 对盾构进行全面检修 减少盾构因设备故障停机 保证盾构掘进的连续性 预先选择一个没有重要建筑物的地面对盾构进行维修保养 同时对盾构配套设施进行保养维修 2 刀盘土仓库压力比普通地层施工要提高 并根据地表监测结果 不断调整土仓压力参数 把沉降控制在允许范围内 3 要求从同步注浆压力 注浆量来确保管片与地层中的间缝填充密实 坚持根据监控量测情况指导施工 4 加强地表及建筑物的监测 把测量的结果及时反馈到盾构操作室 一指导盾构施工参数的控制 5 盾构掘进过程中 要有专人检查盾构的铰接密封和盾尾密封 发现有泄漏立即处理 6 要求控制盾构每环的出渣量 建立出渣记录 具体包括两个记录 一个是地下盾构司机 另一个是地面龙门吊司机 两个记录要每环核对 发现异常要及时处理 7 防止 喷涌 在十几米的富水砂层中 土仓内的水土压力很大 出渣时很容易发生 喷涌 水土压力一旦释放 造成刀盘前方的掌子面塌陷 地面将发生较大的沉降 8 采用洞内超前注浆加固 第三章盾构选型分析 基本功能盾构机具有开挖系统 出碴系统 渣土改良系统 管片安装系统 注浆系统 动力系统 控制系统 测量导向系统 视频监控系统等基本功能 并根据本工程的设计需要增加超前注浆装置 在本标段中掘进易出现的问题及控制难点1 盾构长距离中砂层掘进 刀盘刀具磨损严重2 螺旋机在砂层磨损严重 3 隧道地层以中砂为主 当改良效果不佳时 刀盘土仓发生堵仓风险高 4 穿越富水砂层掘进控制不好容易发生喷涌 盾尾及铰接密封出容易泄漏 5 穿越细砂层掘进扭矩 推力大 土仓压力保持与地面沉降控制故将盾构机在砂层中掘进作为本标段的难点来进行应对 同时作为盾构机选型的重要依据 对盾构机的各系统参数进行配置 确保选用盾构机具有良好的适用性和可靠性 盾构机基本参数开挖直径 6280mm前盾尺寸 6250mm中盾尺寸 6240mm盾尾尺寸 6230mm总长度 约84m总质量 约500t最大推进速度 80mm min最大推力 3991t脱困扭矩 8100KNm最小转弯半径 250m最大爬坡能力 50 第三章盾构选型分析 对地质的适应性 1 合理的刀盘及出渣系统的设计 同时能够加注辅助材料如泡沫 膨润土 聚合物等进行渣土改良 能够有效地控制掌子面及地表稳定的同时减少刀盘 刀具及螺旋机的磨损 防止了渣土喷涌 2 能够合理选取掘进参数及施工方案 有效地延长刀具的寿命 降低换刀风险 3 具有局部气压平衡系统及人员舱 能够有效地降低换刀的风险 并避免地面加固带来的不必要的麻烦 设备本身的可靠性选用知名盾构厂商的产品 并能够进行合理的配置 无论从性能 质量 使用寿命等方面均能满足工程的要求 一下是厂家生产的盾构机在类似工程中所取得的业绩 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 盾构机针对性设计根据我标段地质水文情况 我部施工重难点以及西安地铁相关要求 我公司与中铁装备进行协商 对盾构机做了以下针对性设计 刀盘本标段地层主要为砂砾地层 刀盘设计主要考虑砂砾地层的掘进问题 1 采用条幅是刀盘 开口率为55 且盘面均匀分布 渣土流动顺畅 能有效地减小刀盘 滞磨 从而有效地减小刀盘磨损 开挖面土压近似于测量土压 有利于对土压的控制 2 刀盘采用6扭腿6主梁6辅梁结构 主梁采用方形结构 扭腿及辅梁采用圆管 较好的改善了结构受力条件 通过有限元分析 大应力部位均配置足够的材料 再经有限元分析复核 刀盘结构的最大综合等效应力为160MPa 能够满足本标段刀盘受力要求 3 刀盘采用液压驱动 配备9组液压马达 驱动功率为945kw 额定扭矩6650KNm 脱困扭矩8100KNm 能够满足砂层掘进扭矩较大的要求 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 搅拌棒设计 刀盘在三个不同的半径上分别布有4个搅拌棒 刀盘转动时 它们与前盾隔板上的2个被动搅拌一起对土仓中的土体进行强制搅拌 使注入在开挖面上或土仓中的添加材料 加泥 水 泡沫 与切削下来的土体进行充分的搅拌 提高土体的塑性 流动性 磨损检测 刀盘设置有4处磨损检测装置 以及时判断刀盘刀具磨损情况 防止刀盘盘体被磨损破坏图 搅拌棒 第三章盾构选型分析 主驱动为满足西安富水砂砾石地层掘进要求 选用如下主轴承 1 直径3061mm 采用双排滚柱轴承支撑 最大使用推力荷载1250t 试验推力荷载3125t 破坏推力荷载5000t 安全系数4 有效使用寿命 10000小时 2 9组液压驱动 额定扭矩6650kNm 脱困扭矩8100kNm 可以满足在砂层等对扭矩要求较高的地层中掘进 主驱动有较高设备扭矩储备系数 确保在铁板砂等特殊地层条件下顺利通过 有效控制沉降 规避施工风险 3 最高转速3 35r min 可以适应在各种地层中对刀盘转速的要求 主驱动采用中间支承方式 可有效防止中心泥饼产生 4 主轴承外密封4道 内密封3道 设计压力5bar 保证水土不会进入轴承箱内 双排滚柱轴承 第三章盾构选型分析 刀盘额定扭矩 脱困扭矩计算刀盘的驱动扭矩主要克服刀具的切削力矩 刀盘结构的摩擦力矩 刀盘结构的搅拌力矩和驱动组件的惯性及摩擦力矩等 通常刀盘的扭矩计算可参照日本盾构隧道标准规范建议的土压平衡式盾构刀盘扭矩经验计算公式 T D3式中T 刀盘装备总扭矩 D 刀盘外径 扭矩系数 1 2 0 1 支承系数 由刀盘支承方式决定 就中心支承式刀盘而言 1 0 8 1 对于中间支承方式而言 1 0 9 1 2 对于周边支承方式而言 1 1 1 1 4 2 土质系数 对密实 泥岩而言 2 0 8 1 对固结粉砂 粘土而言 2 0 8 0 9 对松散砂而言 2 0 7 0 8 对于软粉砂土而言 2 0 6 0 7 0 稳定掘削扭矩系数 对土压盾构而言 0 14 23KN m2 对泥水盾构而言 0 9 18KN m2 现根据地质条件和刀盘的结构形式 出于安全考虑所有系数都取最大值 取 1 1 2 2 0 9 0 23KN m2计算得 24 84KN m2刀盘外径D 6 28T D3 24 84 6 283 6152 2KNm而盾构设计的装备额定扭矩为6650KNm 脱困扭矩为8100KNm 大于经验公式计算所得 扭矩储备是足够的 第三章盾构选型分析 螺旋输送机基本配置 由于在砂层掘进渣土流动性差 螺机扭矩较高 本设备配置了一台功率200kw的液压泵和一台最大扭矩为210KNm的液压马达 提高螺机输送能力 同时把螺机和水平面夹角降到21 5 降低了渣土垂直输送距离 螺机水平夹角 第三章盾构选型分析 耐磨设计 由于在砂层中掘进螺机磨损严重 我部和厂家对螺机进行了针对性设计 叶片轴前部镶焊合金耐磨块 在螺旋叶片迎渣方向堆焊有5mm耐磨网格 前盾螺旋输送机筒体为内外套 内套可更换 且内套表面贴有耐磨复合钢板 前端筒体内表面贴复合耐磨钢板 在螺机上设置了9个渣土改良口对螺内的渣土进行进一步改良 降低渣土对螺机的磨损 螺旋机第一筒节和第四筒节分别设计有两个和一个观察窗 观察窗尺寸 370 540mm 当螺旋轴被卡或需耐磨修复时 可通过观察窗进行相应处理 耐磨块 可跟换耐磨套 观察窗 第三章盾构选型分析 防喷涌设计 如上图所示 采用两道下出渣方式 两道闸门呈相反方向 当两道闸门同时开启时渣土沿曲线流动 起到一定的减压作用 从而起到防喷涌作用 如上图所示 同时 设立两道闸门 当使用一道门时 另一道闸门起到备用作用 并且两道闸门可实现单独控制 同时在设备出现故障时下闸门具有紧急关闭功能 同时螺前端还有一道闸门 可以把土仓可螺机分开 方便在隧道内对螺机进行检修 渣土改良管 双闸门设计 第三章盾构选型分析 管片拼装机拼装机安装为中心回转式 液压驱动 机械抓举 由平移机构 回转机构 举升机构 举重钳 管路支架 工作平台等组成 具有6个自由度 如果需要进行超前地质钻探及注浆可在管片安装机的预留位置上安装超前钻探及注浆设备 和中盾上设置的超前注浆孔配合 可满足本工程隧道内超前注浆要求 超前注浆孔 拼装机 第三章盾构选型分析 组合式碴土改系统泡沫系统 为适应本标段地层要求 对泡沫系统进行如下设计 1 盾构配置四路单管单泵泡沫注入系统 2 泡沫系统采用单管单泵的方式 每路泡沫均可独立工作 每路泡沫管道与喷口阻力不同时 各路泡沫仍能按其设定量喷注 降低喷口堵塞的可能性 3 发泡方式由原来的管路中混合直接发泡变为在混合箱充分混合后由泡沫泵泵送发泡 增强发泡效果 降低泡沫消耗量 4 喷口总成可以从刀盘背面抽出 便于维修或更换 泡沫喷口安装保护到 防止喷口磨损和堵塞 5 为满足泡沫系统供气量 设备配置了两台55KW的空压机 泡沫系统示意图 第三章盾构选型分析 泡沫喷口保护刀 泡沫混合液箱 四个泡沫混合液泵 混合液搅拌电机 泡沫喷口工作状态 泡沫喷口维修状态 第三章盾构选型分析 膨润土系统针对性设计 1 膨润土系统采用两台软管作为注入泵 一般情况下两台泵单独注入 一台用于碴土改良 一台用于盾壳外润滑 当特殊情况需要大流量时 也可两台泵并联用于碴土改良 2 膨润土系统提供洞外膨化 将大量膨润土通过管路输送到设备上安装的膨润土罐内 通过软管泵从刀盘前部 土仓及螺旋机注入膨润 增加地层细颗粒 形成良好级配帮助顺利出渣 减少磨损 在特殊地层也可往膨润土箱内添加高分子聚合物对渣土进行改良 3 配置的盾壳外膨润土注入系统 从盾壳外部注入膨润土或粘土 可有效减少砂层盾体的摩擦阻力及洞内超前注浆对盾体的影响 减小推进阻力 防止卡盾 4 配置膨润土注入系统 膨润土采用高扬程 160m 的挤压泵 可确保注入效果 5 设备配置可在刀盘前和螺旋机同时注入膨润土 通过综合的渣土改良有效防止喷涌 6 膨润土箱加装了3个搅拌泵 可往膨润土箱内加入高分子聚合物对其进行搅拌 第三章盾构选型分析 软管泵 膨润土管道 软管泵 膨润土箱搅拌 外加剂接口 第三章盾构选型分析 注浆系统为控制地表和建构筑物沉降 特对注浆系统进行如下设计 1 系统配置7m3砂浆罐 两个注浆泵 注浆能力为2 10m3 h 每个泵有两个出口 保证注浆量及注浆能力 2 盾尾置4 2 2条注浆管 其中4用6备 有管路堵塞时不影响注浆 为了实现自动注浆的功能 在管路的注入端安装了压力传感器 用于检测注浆压力 通过控制注浆压力及注浆点位控制地表沉降和管片上浮 3 同步注浆系统控制 为了适应不同的注浆量 掘进速度 整个设备根据压力控制注入量 每个管路单独控制 最小和最大注浆量可以预先选择 同步注浆泵 同步注浆泵控制面板 第三章盾构选型分析 注浆压力传感器 管路清洗装置 5 在管路上配置有专用水 气清洗装置 安装在中盾人仓平台下 当需要冲洗时 可分别向前和向后冲洗注浆管路 6 具有自动操作功能 所有4个注浆点都设有连续监测 如果压力超过了最小静压力的预设值注浆泵的活塞速度就会增大 如果超过了最大静压力注浆就会减少 直到该值降到限制值以下然后再次开始 第三章盾构选型分析 双液二次补强注浆系统1 为了及时补充注浆效果 防止地表沉降及管片上浮 设备配备了双液二次补强注浆系统 可从管片背部进行补强注浆的二次注浆系统 每3环进行一次注浆 每环注入1个孔 即1点位置 每环孔数根据现场情况做适当调整 注浆量及压力根据试验确定 2 将原来配置的液动注浆泵改为气动注浆泵 相比与液动泵 气动泵操作方便 故障率低 性能可靠 维修方便 A液搅拌箱 B液箱 气动注浆泵 第三章盾构选型分析 铰接密封及盾尾密封中盾和盾尾之间设计有两道密封 一道为橡胶密封 一道为紧急气囊密封 如下图所示 正常情况下 橡胶密封起作用 在涌水或橡胶密封需要损坏需要更换时 使用紧急气囊密封 铰接部位设有三种注入孔 A孔 用于向铰接密封加注油脂 沿圆周各有6个 油脂采用SHELL牌爱万利EP2 B孔 B孔向气囊注入工业空气 数量1个 在盾体左侧安装有手动球阀 紧急时可注入工业空气止水 C孔 紧急情况下用于加注聚氨酯 紧急气囊控制球 第三章盾构选型分析 盾尾刷1 盾尾密封由三排密封刷组成 防止浆液漏进盾体内部 在土压平衡状态时还有保持压力的作用 三排密封刷形成的两个环形空间内充满油脂 每个环形空间各由6根油脂管注入 保证每个空腔能均匀充满油脂 减少漏浆的可能性 2 盾尾设置一道止浆板 可有效防止浆液流到掘进前方 减少浆液损失 3 最外层盾尾刷采用加长包裹式 曾加其密封性能 减少泄漏的可能性 盾尾油脂孔 止浆板 第三道加长盾尾刷 第一二道普通盾尾刷 第三章盾构选型分析 普通盾尾刷高约190mm 加长盾尾刷高约190mm 第三章盾构选型分析 区间右线盾构隧道距白桦林居1 5 楼较近 距1 楼基础边缘约为2m 区间左线右线均下穿白桦林居2 楼 地下车库 临街2层商铺 下穿2 楼时盾构隧道顶距建筑物CFG桩净距约为4 5m 设计文件中要求进行盾构机内超前注浆对地层加固 盾体设计时考虑完善的超前注浆方案 盾体周向共设计14个外插角为12 5 的超前注浆孔 其中上部10根 下部4根 前盾隔板设有7个水平超前注浆孔 在必要时可对开挖面前方进行超前地质加固 在掌子面不稳定及涌水地层 可能需要对地质进行加固 防止开挖面坍塌造成地表沉陷 根据超前注浆的影响区域 沿中盾盾壳圆周范围内设计14根超前注浆管 可对地质进行超前钻探 注浆加固 同时在前盾隔板上布置有6铰接式超前注浆管和1个固定式超前注浆孔 可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固 第三章盾构选型分析 超前注浆孔示意图 铰接式超前注浆孔 第三章盾构选型分析 有害气体检测系统配置一套气体检测装置 安装在人舱内部 采用声光报警 声音警报和灯光警报通过警报喇叭和闪烁灯发出 在螺旋机处安装固定检测仪 监测螺旋机出渣口有害气体 螺旋输送机出土口处检验装置便携式 便携式 第三章盾构选型分析 激光导向系统设备导向系统采用米度 力信激光导向系统 激光靶技术更高精度 方位角精度达0 35mm m 是测量精度最高的盾构导向系统 更稳定 密封等级达IP68 整体铝合金外壳 电源净化处理 具有最优的稳定性 更远的搬站距离 激光靶尺寸小 与全站仪间具有最优的通视距离 与棱镜技术的系统具有更远的搬站距离 第三章盾构选型分析 人舱及保压系统人舱由主舱和副舱组成 双舱并联 主舱可容纳3人 副舱容纳2人 主 副舱内外各设一套加 减压手动阀 一只流量计 可以实现主 副舱各自的加减压 同时可根据需要实现换气 进 排气口处设置消音器 以减低内外环境的噪声 人舱内安装有声能电话 在带压条件下能正常工作通话 并可不间断照明 盾构设备配置双舱并联人仓及成熟的德国SAMSON公司的全气动压力调节装置 此套系统为全气控装置 在网电断电时系统仍能正常工作 确保带压换刀时舱内人员安全 副舱 主舱 机械调节器 第三章盾构选型分析 推进及铰接系统推进系统根据西安地铁管片分度及宽度 采用30根推进缸单双缸分布 油缸行程为2150 考虑掘进调向可操作性 将油缸分成四组 上下左右各组分别为8根 8根 7根 7根油缸 通过调整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向 每组推进压力都能实现从0 350bar无级调节 能够更好的控制掘进轴线 每组油缸安装了一个内置行程传感器 通过这四根均布的带传感器的油缸行程显示 可以判断此时盾构的掘进姿态 铰接系统为适应本标段长距离小曲线半径施工要求 使盾构在掘进时能够灵活地进行姿态调整 盾尾通过铰接油缸和中盾链接 但盾构转弯时盾尾可根据需要自动调整位置 铰接油缸由18根组成 最大铰接拉力1285T 在曲线段掘进时 盾尾自动随管片调整姿态 在四个不同位置的铰接油缸配置了内置位移传感器 用来监测圆周方向不同位置的铰接油缸行程 铰接系统适用极限250m的曲线半径 能满足隧道最小350m半径要求 同时被动铰接能更好的保证管片质量 第三章盾构选型分析 油缸分组示意图 盾构最大推力计算盾构机的总推力根据各种推进阻力的总和及所需的富余量决定 对于土压平衡盾构通常考虑的推进阻力有盾体的摩擦力 开挖面的支撑压力 盾尾与管片及密封刷间的摩擦力 后配套的拖拉力 刀具的推力等 这些推进阻力根据地层情况和盾构机的尺寸参数计算如下 盾体的摩擦力盾体与地层间的摩擦阻力由公式 1 计算 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 第三章盾构选型分析 实际配置推力为39910kN 安全系数1 56倍 远远满足使用要求 第三章盾构选型分析 为适应砂层掘进 减少掉渣和渣土飞溅进行如下改进 1 驱动采用变频驱动电机 可根据推