泥水盾构PPT课件

泥水平衡盾构及隧道掘进技术综述 中交隧道局南京纬三路过江通道工程 中交隧道局南京纬三路过江通道 1 目录 中交隧道局南京纬三路过江通道 2 泥水平衡盾构基本原理泥水平衡盾构特点泥水平衡盾构工作原理 中交隧道局南京纬三路过江通道 3 泥水平衡盾构是在机械式盾构刀盘的后侧 设置一道封闭隔板 隔板与刀盘间的空间定义为泥水仓舱 把水 膨润土 及添加剂混合制成的泥水 经输送管道压入泥水舱 待泥水充满整个泥水舱 并具有一定压力 形成泥水压力室 通过泥水的加压作用和压力保持机构 能够维持开挖工作面的稳定 盾构推进时 旋转刀盘削切下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水 用流体输送方式送到地面泥水分析系统 将碴土 水分离后重新送回泥水舱 这就是泥水气压平衡盾构法的主要特征 泥水平衡盾构基本原理 中交隧道局南京纬三路过江通道 4 中交隧道局南京纬三路过江通道 盾构机图 5 南京纬三路越江隧道工程采用开挖直径 15 02m泥水平衡复合式盾构机 设计满足施工水压达0 77MPa 石英含量高达50 的砂卵层 强度可达120MPa的岩层 粘土层 特别是上软下硬的复合地层施工技术要求 盾构机全长133m 分为盾体和后配套设备两部分 其中盾体长度为14 58m 包括切口环 承压环 盾尾三部分组成 气垫舱则位于切口环内 通过高压气体平衡开挖面土体的稳定性 后配套分3节台车 采用衍架结构 台车之间通过连接销和牵引油缸连接 按工作内容和性质主要可划分为刀盘 推进系统 拼装系统 同步注浆系统 环流系统 管片运输系统 空气系统 冷却系统 润滑系统等 南京纬三路泥水平衡复合式盾构机 中交隧道局南京纬三路过江通道 6 南京纬三路泥水平衡复合式盾构机 中交隧道局南京纬三路过江通道 7 在易发生流沙的地层中能稳定开挖面 可在正常大气压下施工作业 泥水传递速度快而且均匀 开挖面平衡土压力的控制精度高 对开挖面周围土体的干扰少 地面沉降量控制精度高 盾构出土 减少了运输车辆 进度快 刀盘 刀具磨损小 适合长距离施工 刀盘扭矩小 更适合大直径盾构隧道施工 适用于软弱的淤泥质黏土层 松散的砂土层 砂砾层 卵石层和硬土的互层等底层 特别适用于地层含水量大 上方有水体的过江隧道和海底隧道 泥水盾构施工的特点 中交隧道局南京纬三路过江通道 8 泥水气压平衡式盾构机适用于地下水压大 一般0 25 0 3Mpa以上 土体渗透系数大的地质状况 依靠泥水在切削面形成泥膜 通过加气压来调整泥水的压力达到切削面的稳定 其特点是泥水输送系统不参与压力调节 其压力舱由泥水舱 开挖舱 和气垫舱组成 通过改变气垫舱的压力 间接调整泥水舱的工作压力 这种控制方式反应灵敏 控制精度高 泥水舱内部的泥水在压力作用下 能够迅速渗入开挖面形成泥膜 由于泥水输送系统不参与压力调节 因此 可以选用更大功率的输送泵将开挖的渣土以泥浆的形式泵送至隧道外 可以选用大管径的输送管 具有作业效率高 环境清洁的特点 地面需要设置泥水处理系统 以供给适合的泥水 处理切削出的渣土 泥水平衡盾构工作原理 中交隧道局南京纬三路过江通道 9 泥水平衡盾构工作原理 中交隧道局南京纬三路过江通道 10 泥水平衡盾构工作原理 刀盘系统推进系统拼装系统同步注浆系统环流系统管片运输系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 11 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 刀盘刀具的配置情况刀盘采用辐条 面板式 开挖直径达15 02m 开口率25 7 其主要材料采用合金结构钢Q345B 结构表面焊接耐磨板 HARDOX500 辐条及面板厚度100mm 外周圆弧板厚度120mm 驱动方式采用电机驱动 250KW 6P 690V 40Hz 15个 中心回转接头配置液压油管和磨损检测线路 可以实现刀盘部分刀具的动作以及刀具磨损情况分析 中交隧道局南京纬三路过江通道 12 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 刀具配置设计理念盾构机在粘土层 砂层中掘进时 主要依靠先行刀和可更换式切削刀挖掘软土 距离面板高度为200mm 刀具可通过磨损检测装置检查 当需要更换切削刀时 可采用常压换刀方式 作业人员通过常压通道进入密闭辐条内 按作业流程更换切削刀 盾构机穿越砂卵层 岩层前 先加装刀座将切削刀回缩100mm 此后 掘进过程中主要依靠辐条面板上预装滚刀挖掘岩土 距离面板高度为160mm 并且面板布置38把备用可推出式滚刀 与面板高度齐平 当检查滚刀磨损严重时 可通过带压换刀方式进行滚刀更换 中交隧道局南京纬三路过江通道 13 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 14 刀具种类 A 先行刀 预松岩土 B 主切刀 切削岩土 C 刮刀 铲土入仓 D 滚刀 挖掘岩层 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 15 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 16 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 刀盘驱动滑动装置通过对盾构机刀盘 驱动部深化设计 创新研制出刀盘 驱动部滑动装置 运用其功能特性 使刀盘整体脱离开挖面土体 不仅在刀具更换过程中 给新刀具留有足够的余量 减小刀具安装阻力 而且在盾构施工中可作为刀盘脱困应急方案 当刀盘扭矩达到上限时 通过该系统可减少掌子面土体作用在刀盘上的扭矩 使盾构机恢复到正常掘进工作中 滑动装置工作机理是通过液压油缸 4000KN 150S 35MPa 24个 作用于驱动部 使总重达1000T刀盘 驱动装置整体纵向移动100mm 通过锁紧油缸 17KN 280S 14MPa 24个 实现滑动装置制动功能 中交隧道局南京纬三路过江通道 17 纬三路泥水平衡盾构机刀盘系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 18 纬三路泥水平衡盾构机推进系统 推进系统泵单元由4个液压泵 1个先导泵组成 通过若干电磁先导液压阀块控制流体介质的流量 方向 压力三个参数 从而实现油缸的伸缩功能 本盾构机采用58根 29组 液压油缸 分为上 下 左 右四个区域 油缸最大行程3200mm 通过检测NO1 NO15 NO29 NO44号油缸来测定该区油缸行程 每组油缸端部设有万向接头撑靴 表面加装防护板 当盾构掘进时 运用油缸撑靴与管片之间反作用力 为盾构及后配套设备提供前进动力 中交隧道局南京纬三路过江通道 19 纬三路泥水平衡盾构机拼装系统 管片拼装机是隧道施工用的盾构掘进机中的重要部件之一 可以用于安装预制好的钢筋混凝土管片以及铺设1 台车轨道船底板 盾构机向前掘进后 必须用管片拼装成隧道衬砌 以此保护开挖好的隧道表面土体稳定性 管片拼装系统由中心支撑回转机构 水平行走机构及径向油缸伸缩机构等组成 管片的对中 就位则通过真空吸盘来调整拼装精度 从而实现平移 回转 升降 偏转 俯仰 横摇6个自由度 连锁保护装置设置 平移油缸行程3272mm k segment 伸缩油缸行程2000mm k管片行程500mm 中交隧道局南京纬三路过江通道 20 拼装机 中交隧道局南京纬三路过江通道 21 纬三路泥水平衡盾构机注浆系统 注浆装置位于1 台车中间 主要包括三个注浆泵 浆液箱及管路等组成 盾尾注浆管共计12个 6用6备 均匀分部在盾尾上 盾构机掘进时 注浆泵将浆箱中的浆液泵送至盾尾同步注浆管 浆液凝固后就可以起到稳定管片和地层的作用 为了适应掘进速度的快慢 可根据盾尾压力来控制注浆量的大小 同步注浆时 应注意以下两点 一是保证盾尾油脂密封不会被击穿 管片不会受到过大的压力 二是保证周围土层较小扰动 本系统采用自动注浆方式 预先设定好注浆流量值 当盾构机掘进时 自动进行盾尾注浆 中交隧道局南京纬三路过江通道 22 注浆系统界面 中交隧道局南京纬三路过江通道 23 纬三路泥水平衡盾构机环流系统 作为泥水盾构机 环流系统对切削岩土外排起到至关重要的作用 通过送泥泵将新浆送至刀盘泥水舱内 刀盘及搅拌棒将切削岩土与浆液搅拌混合 通过排泥泵将流体介质外排至地上泥水处理系统 本隧道采用送泥泵2台 排泥泵3台 20英寸泥浆管若干 操作泥水控制阀可实现正循环 反循环 旁通循环三种模式 其中 泥水舱作业面内主送泥管分成4个 10英寸 进浆管及中心回转周围6个 6英寸 冲洗管路 主排泥管1路 20英寸 并且设计2个备用排泥管路 在盾体内碎石机后方与主排泥管路交汇 中交隧道局南京纬三路过江通道 24 泥水仓 中交隧道局南京纬三路过江通道 25 纬三路泥水平衡盾构机管片运输系统 管片行车为满足南京市纬三路越江隧道泥水气压平衡复合式盾构机同步施工专用管片与口子件起重搬运系统的需要 对于超大型盾构机专用的管片搬运装置系统 在设计中首创使用起重桁架式结构 根据不同管片的特点 设计了三种管片搬运行车 双管片行车安装在2 台车桁架的上方 桁架内中部为口子件吊车 前下方为单管片吊车 设计上要求三部吊车有联锁保护功能 并能满足隧道内复杂作业条件 中交隧道局南京纬三路过江通道 26 纬三路泥水平衡盾构机管片运输系统 口子件行车该行车位于2 台车下层 最大起重量为20T 每次可拼装一块箱涵 通过行车将运输车上的箱涵吊起运输至安装位置后 通过液压马达旋转90 结合横向移动油缸调整其基准位置及标高 箱涵之间通过螺栓连接 箱涵安装完成后 两侧钢筋混凝土浇筑 并按期养护一定时间 确保盾构三 台车行走机构强度要求 中交隧道局南京纬三路过江通道 27 纬三路泥水平衡盾构机管片运输系统 双管片行车双管片行车作为管片运输系统中重要设备 最大起重量为40T 每次可搬运两块管片 节省管片运输时间 工作时 由2 台车后端起吊 通过台车内部运输至前端 将管片放置在单管片接收平台上 整个运输过程可以实现人工及半自动两种控制方式 中交隧道局南京纬三路过江通道 28 纬三路泥水平衡盾构机管片运输系统 单管片行车该行车位于1 台车后部 主要用于油脂搬运及接受平台上管片的转移 最大起重量为20T 每次可起吊一块管片 当行车起吊接收平台上放置的管片时 运用液压油缸实现管片开启和闭合 运用旋转马达将管片整体旋转 90 通过液压系统还可以调整管片位置精度 并放置在管片供给装置末端接收段 中交隧道局南京纬三路过江通道 29 纬三路泥水平衡盾构机管片运输系统 管片供给装置该装置位于1 台车下方 船底板上方 通过牵引油缸与盾构台车连接 装置末端可接收单管片行车输送的管片 运送方式通过集成液压千斤顶群整体移动管片 此外 为了防止管片破损 加装橡胶等保护材料 在盾构机掘进时 整个装置可储存一环管片 通过有线界面可控制管片供给装置的前进 后退和搬运速度 中交隧道局南京纬三路过江通道 30 筛分压滤系统制浆系统调浆系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 31 纬三路泥水平衡盾构机泥水处理系统 泥浆处理系统由筛分系统 压滤系统 制浆系统 调浆系统等构成 通过管路连接使各系统单元组合在一起 达到盾构机泥水循环泥浆指标要求的目的 筛分本项目泥水处理系统采用型号为ZX 3000筛分处理设备 总机泥水处理量为3 1000m3 h 筛分设备分为三个泥水处理单元 每个单元又由9个框架3层结构构成 设备总重量108t 装机功率1500KW 筛分设备结构图如下 中交隧道局南京纬三路过江通道 32 泥水处理系统 中交隧道局南京纬三路过江通道 33 纬三路泥水平衡盾构机泥水处理系统 压滤系统本系统采用型号为KZGSF600 2000 U压滤机 整个设计过程中最为重要的是通过循环泥浆的物质平衡计算 提高前二级旋流分离渣土量 同时采取措施降低三级泥浆处理量 在确保三级泥浆处理效果的基础上 保证盾构泥水循环系统泥浆比重稳定 当二级旋流分离设备不能达标时 从其处理后的泥浆中以一定的比例取出部分泥浆 对这部分泥浆进行浓缩后 根据其性状判断是否需要进一步加入絮凝或助滤剂 压滤处理以独特的分段压滤方式进行 压滤后渣料含水率低至28 可以车装直接外运 压滤后回收的清水直接回调浆池与二级旋流后的泥浆混合 使比重还原到进泥所需之值 中交隧道局南京纬三路过江通道 34 中交隧道局南京纬三路过江通道 35 纬三路泥水平衡盾构机泥水处理系统 制浆系统全自动制浆系统QZJ 200从上料 水 称重 搅拌到输送全过程均为自动控制运行 亦可人为干预 具有制浆速度快 浆液搅拌均匀等特点 通过上位机预设定水灰比 可灵活配制从1 05 1 20g cm3之间不同密度的浆液 制浆时间可调 每个制浆周期耗时最多3 5分钟 足以满足应急补浆所需 中交隧道局南京纬三路过江通道 36 中交隧道局南京纬三路过江通道 37 纬三路泥水平衡盾构机泥水处理系统 调浆系统调浆系统由不同功用的泥浆池 泵组 管阀 自动检测仪器以及相关的控制部分组合而成 其主要功能是对泥浆处理系统的泥浆进行分配 循环 沉淀和调整 操作人员可以在集中控制室对泥浆的流向 比重和流量予以监控 调浆系统的组成为 循环泵1套 补浆泵1套 供浆泵1套 清水泵2套 清淤泵2套 化学泵2套 污水泵若干 自行式机械式搅拌器3套 泥浆比重计1套 液位传感器若干 阀门若干 沉淀池若干 清水池1个 药池2个 膨化池1个 储浆池1个 调浆池1个 和回浆池1个 中交隧道局南京纬三路过江通道 38 中交隧道局南京纬三路过江通道 39 盾构机掘进技术盾构机参数选择管片拼装质量盾构线性控制同步注浆 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 40 盾构机掘进参数选择盾构机掘进过程主要包括以下主要参数 扭矩 推进压力 推进速度 俯仰角 滚动角 总推力 盾构机掘进参数的设置直接影响掌子面稳定 盾构中心理论切口水压的确定对盾构机掘进参数的选择具有重要的参考意义 其计算公式如下 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 41 切口压力计算 中交隧道局南京纬三路过江通道 42 盾构机掘进参数选择南京市纬三路过江通道工程地质条件复杂 穿越不同地质掘进参数不尽相同 结合本工程特点总结如下表 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 43 管片拼装质量管片拼装式盾构法施工的重要环节 其拼装质量的好坏不仅直接关系到成洞的质量 而且对盾构机能否继续顺利推进有着直接的影响 因此管片拼装前仍要进行一次检查再次确认管片种类正确 质量完好无缺和密封垫黏结无脱落 管片的吊装孔预埋位置正确 封堵盖完好无损 以及其他主要预埋件和混凝土的握裹牢固 管片接头使用的螺栓 螺母 垫圈 螺栓防水用密封垫等附件准备齐全后 才允许拼装 每环管片拼装结束后要及时拧紧各个方向的螺栓 且在该环脱出盾尾后再次拧紧 通缝 错缝 通用楔形 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 44 中交隧道局南京纬三路过江通道 45 管片拼装质量根据 盾构法隧道施工与验收规范 GB50446 2008 的表9 4得知 衬砌环直径椭圆度允许偏差在 6 D之间 管片内径D为13300mm 故本项目衬砌环直径椭圆度允许偏差在 80mm之间 相邻管片的径向错台不大于6mm 相邻管片环面错台不大于7mm 要求合格率达到85 以上 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 46 管片拼装质量 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 47 盾构线形控制线形控制的主要任务是通过控制盾构姿态 使构建的衬砌结构几何中心线线形顺滑 且位于偏离设计中心线的容许误差范围内 盾构机线性控制基本原则如下 偏离量增大之前及早修正在手场地限制不能修正 按现时方向掘进的场合下 可超前10 20m处的通常偏离量预测遵循偏离量的管理值和允许值 确立偏离修正方法 盾构机掘进技术 中交隧道局南京纬三路过江通道 48 盾构线形控制第一步 决定方向修正量在决定盾构方向修正量时 应进行盾构位置 方向变化的模拟 必须明确偏离修正的方针 通过盾构推进微小距离时对应的方向变化角确定对应计划线性的偏离量 必须注意盾构的实际掘进方向与其姿态 方向是不一致的 特别是纵断方向的盾构高程变化 由盾构自重力与地耐力的关系可知 盾构的方向与实际掘进的方向存在一定的差异 在预测盾构位置时 应选用包含这种变化的模型决定方向修正量 在掌握盾构变化时 应考虑给出某方向修正量时偏离量变化的实绩值 为此 应做出描绘盾构偏离状态的图面 分析倾向作必要管理 随后用计算机分析处理这种倾向 最后提升为成果的事例 也要有报告 盾构机掘进技术 49 盾构线形控制第二步 方向控制方法盾构的方向修正基本上靠选择推进千斤顶进行 即利用所谓的千斤顶单侧推进 把修正方向的可以上下左右旋转的力矩作用到盾构机上 决定盾构机规格时 应考虑隧道线形 最小曲线半径 土质等因素 并充分地讨论装备推力 千斤顶条数和分布 且留有装备裕度 在急弯曲线施工 平面和纵断复合曲线的施工中 因为选择千斤顶时受模式限制 故必须考虑装备中折机构 提高曲线施工性 盾构机掘进技术 50 盾构线形控制第三步 推进中的方向变化管理方向修正量 就平面方向而言 通常是把方向角变化量 或者掘削面至盾尾偏移量的变化量换算成左右推进千斤顶行程的变化量 对纵断方向而言 同样是换算成上下千斤顶的行程变化量 或者利用倾斜计给出纵向变化量 盾构机掘进技术 51 同步注浆由于盾构的外径大于管片的直径 随着盾构的推进 在管片与土体之间将产生建筑空隙 盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当早期及最终强度的材料 通过同步注浆系统及盾尾的注浆管 在盾构向前推进 盾尾空隙形成的同时进行 浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充 从而使周围岩土及时获得支撑 可有效地防止岩体坍塌 控制地表沉降 同步注浆主要技术参数有 注浆量 注浆压力 注浆速度 盾构机掘进技术 中交隧道局南