成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析讲解

现代隧道技术 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 文章编号 1009 6582 2010 06 0057 05 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 郭家庆 中铁隧道股份有限公司 河南新乡 摘要成都地铁盾构4标段是成都地铁一号线盾构施工试验段 为便于以后盾构机能 更准确地选型 本试验 段分别采用一台泥水盾构机与一台土压盾构机进行左右线的掘进 通过对两台掘 进机的适应性分析可以看出 泥水盾构的缺点是容易堵塞 出碴效率低 对地层完 整性要求高 在含泥地层中容易封住开口 对进出洞密封要求高 施工中需要较大 场地 施工成本高 优点是对地层扰动小 便于带压进舱 土压平衡盾构的缺点是 刀盘磨损严重 地表沉降控制难度高 带压进舱困难 优点是不受出碴限制 掘进 速度快 便于维护 成本低 施工实践证明 在地表要求不太严格的情况下适于用 土压平衡盾构 在地表要求高 场地较大情况下 适合用泥水盾构 关键词 土压盾构机 泥水盾构机 成都地铁 试验段 适应性 中图分类号 U455 43 文献标识码 A 1引言 成都地铁盾构4标段是成都地铁一号线盾构施 在桐梓林站 火车南站区间穿过电力调度中心4层楼房 机场立交桥 火车南站股道 本标段内地表多为第四系全新人工填土覆盖 其下为全新统冲积层粘性土 粉土 砂土 卵石土 再其下为第四系上更新统冰水 冲积层 为卵石土夹砂层透镜体 下伏基岩为白垩系上统灌口组紫红色泥岩 据初勘钻探及探井揭露 漂石最大粒径为270 工试验段 为了选出最适应成都地铁的盾构机型 本试验段选用了一台海瑞克泥水 平衡盾构机和一台海瑞克土压平衡盾构机进行掘进 本文主要内容是对这两种盾 构机在成都地铁一号线盾构4标段的使用情况进行分析比较 2工程概况 成都地铁1号线盾构4标段起于省体育馆站南 mm 一般含量为5 10 局部富集层高达20 30 漂石分布随机性较强 但 主要分布于卵石层中下 部 一般埋深大于6 5m 漂石单轴抗压强度最大值为 端 止于火车南站北端 共分为省体育馆路 倪家桥 桐梓林 火车南站3个区间 左线隧道长2328 2单线延米 采用1台德国海瑞克土压平衡盾构 盾构编号S401 进行施工 右线隧道长2572 23单线延米 采用1台德国海瑞克泥水 盾构 盾构编号S367 进行施工 2台盾构均从火车南站始发 本标段线路基本沿人民南路中部敷设 其间在倪家桥站 桐梓林站区间穿过二环路 人南立交桥 修改稿返回日期 2010 06 07 94 3MPa 最小值为92 8MPa 平均值为93 7MPa 3 德国海瑞克泥水盾构机 间接控制型 在成都地铁一号线盾构4标段的施工难点 泥水输送系统排碴比较困难 泥水输送系统容易在两个区域发生堵塞 3 1 泥水盾构机容易堵塞 作者简介 郭家庆 1980 男 工程师 现从事盾构设备技术管理工作 E mail guojqcd 第47卷第6期 总第335期 2010年12月出版 57 Vol 47 No 6 Total No 335Dec 2010 现代隧道技术 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 1 隔栅前面的堵塞 其堵塞原因是地层中的异物 例如降水井的铁圈 破碎机不能破碎 造成在隔栅前 堵塞 一旦发生这种堵塞 泥水舱和气垫舱均堆积大量卵石 在清理气垫舱后 刀 盘启动仍然困难 2 泵前堵塞 通过了隔栅的大卵石在泵轮叶片中卡住 有时甚至卡住2 3块 不能泵出 泵前管 道内挤满了卵石 此种堵塞发生的次数较多 图1 减小隔栅尺寸可以避免泵前堵塞 但是会加大破碎机工作量 破碎机工作频率不能 满足隔栅对减小后增大的破碎速度 按现有技术再想增加破碎机的频率比较困难 有些盾构机内设有一个过滤大石头的密封箱 让大直径石头存在泵前箱中 过一定 的时间后用人工来清理 在成都地区 这种大的卵石高达20 30 清理的效率会更低 因此这种方法不可取 图1泵前堵塞情况 Fig 1Blockinfrontofthepump 在正常掘进中 泥水系统出碴效率低 从泥浆泵的设计来看 海瑞克泥浆泵的输送能力与其它厂家的同类盾构机相比是 非常强的 理论设计为800m3 h 同直径的日本机型多为420m3 h 欧洲其它机型为 540m3 h 在掘进过程中 为了追求最大的出碴效率 实际能达到1000m3 h 但是在实际施工中 发现盾构机的出碴能力非常差 主要是排出的泥浆含石砂量太 少 经分析认为有以下原因 首先 成都的卵石含量太多 太大 卵石的密度也大 这样就造成了大质量的卵石不 易被泥浆带出 这个原因无法人为改变 其次 盾构机方面 因为海瑞克盾构机是利用气压平衡原理 砂石到泥水舱泵的吸 口还需要流动一 58 第47卷第6期 总第335期 2010年12月出版 Vol 47 No 6 Total No 335Dec 2010 个较长的距离 而这一个长距离的泵送对卵石的吸引力较小 如果缩小气压舱的长 度或不要气压舱直接利用泥水平衡 这将大大提高泥浆泵进口的出碴能力 从而提 高盾构机的掘进速度 成都地铁一号线采用间接控制型 德国式 如图2 盾构机刀盘到盾构机出浆泵吸 口距离大 泥水舱长度 气压舱长度 泵的吸力因为面扩散而使吸力大大降低 成 都地层大直径砂卵石的比例大 质量重 流动比较困难 如果用直接控制型 日本 英国式 图3 将可以大大缩短碴土从掌子面切削后到出碴泵吸口的距离 提高出 碴能力 图2间接控制型泥水盾构 德国式 Fig 2Indirectly controlledslurryshield Germany 图3直接控制型泥水盾构 日本 英国式 Fig 3Directly controlledslurryshield Japan UK 3 2在城市地铁施工中 泥水盾构机对地层的完整性要求高 在成都地铁施工中 因为成都地铁一号线4标 段大部分埋深在8 14m之间 在这样的地层中 成都其它工程施工留下的孔洞 如 降水井 地质探孔等 容易造成出现以下情况 现代隧道技术 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 泥水加压式盾构的切口水压不稳定 泥水冒溢 上述状况的出现常使泥水加压式盾构施工陷于困境 3 3泥水盾构机掘进成本高 泥水盾构机因为出碴系统效率低下 所以每掘 进一环需要的时间长 成都地铁盾构4标段泥水盾构机平均99min掘进一环 各种 消耗材料是土压盾构机的3倍 盾构机主机再加上接力的泥浆泵 其总功率大 消耗 的电能也多 泥水盾构机在成都砂卵石地层中的配件消耗非常大 特别是一些过流部件 如泥浆 泵 气动阀等 且更换的工作量也较大 3 4在含泥地层中容易封住开口 如图4所示 泥水盾构机在含泥地层中因为开 口被堵塞后而无法掘进 但土压平衡盾构机过此地层时 因为加入了适量的泡沫 各掘进参数良好 顺利地通过此段含泥的砂卵石地层 图4泥水盾构机在含泥的砂 卵石地层中被堵塞情况 Fig 4Slurryshieldblockedinsand gravelcontentground 3 5进出洞密封要求高 在考虑泥水加压式盾构进出洞施工技术时 应 明确泥水盾构中的泥水是处在密闭加压状态的条件下来达到开挖面土体的稳定 这是泥水盾构与其它类型盾构在进出洞施工技术方面的一个不同之处 如果不注 意到这一特点 洞口没有处理妥当 以致泥水没有能处于密闭的加压状态条件下 是难于保持开挖面稳定的 若止水密封圈破损 失去密封性能 则循环的泥水流失 泥水压力不稳定 盾构周 边土体扰动严重 洞口土体将坍塌并影响地表 使其沉降过大 更严重的是泥水加 压式盾构将难于正常运转施工 从而将延误其推进工期 同样情况 在泥水加压式 盾构靠近盾构接收井时 若盾构接收井洞口没有处理妥当 盾 构泥水压力舱内的泥水将大量涌入接收井内 会造成泥水压力舱内的泥水无法正 常循环运转 其后果将严重影响其盾构安全进洞施工 因此 必须在洞圈设置良好的密封止水装置 才能防止盾构泥水流失 不致大量窜 入井内 从而使盾构切口泥水压力保持稳定 这是泥水加压平衡盾构在出洞过程中 应具备的必不可少的施工条件 3 6泥水盾构地面泥水处理设备占地较大 在施工过程中需要较大场地 4泥水盾构机的优点 1 对地层的扰动小 能把地表沉降控制在较 小的范围内 从泥水加压式盾构开挖面的稳定情况来看 其盾构前部有旋转切削刀盘 后面装有 密封隔墙 中间形成泥水压力舱 在盾构推进过程中将泥水送入泥水压力舱 以保 持盾构开挖面的稳定 在盾构推进过程中 盾构开挖面的土壁是呈垂直状态 旋转 刀盘不断地切削土体的同时 又不断地形成新的开挖面 这种盾构开挖面的稳定是 依设定的泥水压力和比重等来平衡土体压力 泥水是处于循环的流体状态 具有流 动的动态性质 从成都地铁盾构4标段左右两条线的地表监测结果看出 泥水盾构机施工的地表沉 降比土压盾构机施工的地表沉降要小得多 且泥水盾构机从来没有发生过地表塌 陷 2 泥水盾构机带压进舱更加方便 成功的几率远远大于土压平衡盾构机 成都地层为富水的砂卵石地层 常压开舱换刀必须要经过地层加固处理 为了减小 对地表的影响 带压进舱换刀是成都地铁盾构施工的一个重要手段 因为泥水盾构 掘进过程中一直在有泥膜的情况下运转 随时带压进舱掌子面都能形成较好的泥 膜 确保泥水舱更好的密闭性和保持压力平衡 基本能达到随时带压进舱的水平 5土压平衡盾构机优点 1 土压平衡盾构机不受出碴限制 掘进速度 快 现有的两台土压盾构机前800环 每环掘进时间为30min 而相邻的另一个隧道 泥水盾构机的掘进时间为99min 2 土压盾构机维护方便 无其它比较重要的影响盾构推进的复杂设备 相对泥水 盾构机 维护起 第47卷第6期 总第335期 2010年12月出版 59 Vol 47 No 6 Total No 335Dec 2010 现代隧道技术 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 来比较简单 3 土压盾构机掘进时间短 电 油脂 油料消耗较少 成本相对较低 6土压盾构机的不足之处 1 土压盾构机刀盘 刀具磨损严重 特别是刀 盘周边磨损后容易形成间隙被大的卵石卡住 使刀盘无法转动 图5 图5刀盘 刀具磨损后被卵石卡住 Fig 5Cutterdiskandcuttersblockedbygravelsafterabrasion 前期 盾构机刀盘与开口的间隙为15mm 只有15mm以下的石头 有可能在间隙中 卡住 阻力相对较小 对盾构机刀盘的转动不会造成较大的影响 后期 随着间隙 的越来越大 被卡住的石头也可能越来越大 对刀盘的阻力也越来越大 卡住的石 头多 阻力大于刀盘所能克服的磨擦力 刀盘就被卡住了 2 土压盾构机螺旋输送机磨损严重 磨损后容易被石头卡住 且修复相对困难 图 6 为了加强盾构机螺旋输送机螺旋外缘的耐磨性 盾构机生产厂家采用分层浇注的 方法 生产了特制的耐磨块 将耐磨块 图7 的宽度增加到100 mm 厚度为110mm 其中耐磨层大约为60mm 但是在成都地铁施工中发现还是只 能掘进2000m左 右 且直径磨得太小后 螺旋机经常被子卵石卡住 造成掘进出碴困难 3 土压盾构机地表沉降控制难度高 因为土压盾构机无法像泥水盾构机一样 能较好地形成泥膜 特别是上部更是无法 较好地形成压力 所以土压盾构机的地表沉降比泥水机更难控制 4 土压盾构机在砂卵石地层中施工时带压进舱比较困难 60第47卷第6期 总第335期 2010年12月出版 Vol 47 No 6 Total No 335Dec 2010 图6 740mm1号螺旋前端推进1431 5m 耐磨块单边磨损40mm Fig 6 图7 耐磨块示意 Fig 7Schematicofabrasion resistblock 成都地铁一号线大部分在成都市南北主干道下 而成都地层是富水层 不对地层进 行处理是无法实现常压进舱更换刀具的 带压进舱可以减少对地面交通的干扰 因 此带压换刀是成都地铁盾构施工的一个重要手段 成都砂卵石地层透气性比较好 而土压盾构机掌子面很难形成像泥水盾构机一样的泥膜 所以带压进舱前 必须对 掌子面进行密封处理来增加土舱的保压能力 但无法保证每次都能成功带压进舱 7结束语 通过对成都地铁1号线盾构4标段的两种盾构 机适用性的分析可以看出 在地表要求不是很严格的情况下 用土压盾构机比较适 应 在地表要求高 且施工场地大时 用泥水盾构机更能有效地保证施工质量与施 工安全 现代隧道技术 成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 参考文献MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY References 1 张宁川 泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹配 J 隧道建设 2007 27 6 7 9 ZhangNingchuan MatchingBetweenThrustSpeedofMainShieldMachineandCapacityofSl urrySystem J TunnelConstruction 2007 27 6 7 9 2 刘高峰 宋天田 成都地铁盾构刀具磨损分析研究 J 隧道建设 2007 27 6 89 93 LiuGaofeng SongTiantian AnalysisandStudyonWearingofCuttingToolsofShieldMachin esusedinChengduMetroConstruction J TunnelConstruction 2007 27 6 89 93 3 田华军 郑州地铁施工技术探讨 J 建筑机械化 2008 10 57 60 TianHuajun TalkingaboutZhengzhouSubwayConstructionTechnology J Construction Mechanization 2008 10 57 60 4 陈建 张宁川 吕建乐 S259号泥水平衡盾构机改造 J 隧道建设 2007 27 6 7 1 75 ChenJian ZhangNingchuan LuJianle RefurbishmentofS259SlurryBalancedShieldMachi ne J TunnelConstruction 2007 27 6 71 75 5 郭家庆 成都砂卵石地层盾构刀盘与刀具的选择 J 建筑机械化 2009 2 56 5 8 GuoJiaqing SelectionofShieldCutterheadandToolforChengduSand pebbleLayer J ConstructionMechanization 2009 2 56 58 6 鞠世健 竺维彬 复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究 J 隧道建设 2007 27 6 10 14 JuShijian ZhuWeibin StudyonGeologicalInvestigationMethodsforShieldTunnellinginMi xedGround J TunnelConstruction 2007 27 6 10 14 7 何川 晏启祥 加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问 题 J 隧道建设 2007 27 6 4 6 HeChuan YanQixiang KeyIssuesofApplyingMudding typeEPBShieldstoSandyCobbleGroundinChengdu China J TunnelConstruction 2007 2 7 6 4 6 AnalysisontheAdaptabilityofSlurryShieldandEarthPressureBalanced ShieldtoLot4ofChengduMetro GuoJiaqing ChinaRailwayTunnelJointStockCo Ltd Xinxiang AbstractOnthetestsectioninLot4ofChengdumetro aslurryshieldandanearthpressurebalanc edshieldwereadoptedsimultaneouslytodrivetheleftandrighttunnelsinordertodeterminewhi chshieldwouldbemoreadaptable Defectsoftheslurryshieldcomprisedtheliabilitytobeblock edinsoil contentground lowefficiencyformucki