盾构选型方案

目录第一章 工程概况11.1工程概况11.2 隧道区间地质概况21.3 盾构区间地质情况21.4 盾构区间水文情况31.5 工期要求4第二章 本工程重点难点分析4第三章选型依据及主要参数53.1 本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求53.2针对施工难点设备的针对性设计53.3 盾构机参数63.4 盾构机简图73.5 拟选盾构情况73.6 盾构机后配套简图8第四章盾构机适应性分析104.1 盾构机组成104.2 刀盘和刀具104.3驱动系统134.4推进系统144.5螺旋输送机154.6 渣土改良系统154.7 耐磨措施164.8 双室人闸系统184.9皮带输送机194.10 管片运输设备204.11 拼装机204.12 土压控制系统214.13 注浆系统214.14 盾尾密封系统234.15 数据采集系统234.16盾构机适应性分析244.17盾构机掘进速度计算25第五章类似工程盾构机选型成功案例25第六章结论26第七章附件26第一章 工程概况1.1工程概况宁高城际轨道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01标段盾构区间起讫里程为DK4+350DK6+450，盾构隧道长度为2100m（双线延米）。区间隧道采用盾构施工法。隧道轴线间距离13.5m。管片外径6200mm，管片内径5500mm,管片厚度350mm，环宽1200mm。表1隧道相关参数表盾构区间上行线长度m下行线长度m最小曲线半径最小埋深最大埋深最大纵坡区间210021001000m6m16m26 工程区域附近市政道路有将军大道、徒盖东路，进出场道路采用临时混凝土便道。盾构区间沿线穿越范围内地面建（构）筑物主要为徒盖东路、农田、荒地和河塘。平面图见图1 图1隧道区间平面图.1.2 隧道区间地质概况 本标段区间隧道穿越地层主要以J3l-2强风化安山岩、J3l-3中风化安山岩为主，其余部分穿越地层为粉质粘土、含卵砾石粉细砂（卵砾石含量为5%-15%），少量残积土。沿线下伏全中风化安山岩，天然状态下强度高，平均值66.8Mpa。隧道区间地质概况见图2。图2隧道区间地址概况图里程地层类型长度（米）最大强度MPaCK4+350CK4+497复合地层14740.9CK4+497CK5+230岩层733120CK5+230CK5+490复合地层26059CK5+490CK5+580岩层9027.8CK5+580CK5+920复合地层34097.1CK5+920CK6+450岩层5301091.3 盾构区间地质情况表2盾构区间主要穿越地层一览表时代成因层 号地层名称颜色状态特征描述J3lJ3l-1安山岩紫色全风化风化强烈，岩芯呈砂土状，夹少量硬块状，结构基本破坏。岩体基本质量等级为类。J3l-2安山岩紫色青灰强风化风化强烈呈砂土状，夹少量中风化硬块，遇水易软化。岩体基本质量等级为类。J3l-3安山岩紫色青灰中风化节理裂隙较发育，岩体较完整，局部岩体较破碎，属较硬岩坚硬岩，岩体基本质量等级为类。J3l-3p安山岩紫色青灰中风化节理裂隙发育，岩体破碎，属较软岩较硬岩，局部为软岩，岩体基本质量等级为类。J3l-3r安山岩紫色中风化节理裂隙发育，岩体较破碎，属软岩较软岩，岩体基本质量等级为类。1.4 盾构区间水文情况 地表水、地下水一般不发育，上层粘性土富水性和渗水性较差，下部基岩层全-强风化一般富水性和渗水性中等，中风化层一般富水性和渗水性较差。根据勘察揭示的地层结构和地下水的赋存条件，本段地下水类型主要为松散地层中的孔隙水，其次为基岩裂隙水。不具备喷涌和流砂条件。表3地层渗透系数及透水性评价 层号岩土层名称渗透系数（经验值）（10-6cm/s）透水性评价水平kh垂直kV-2d3-4松散稍密细砂中砂2000中等透水-3b2-3软可塑粉质粘土3840弱透水-1a+b1-2可硬塑粉质粘土、粘土12微不透水-2b2-3软可塑粉质粘土26微透水-2a+b3-4流塑粉质粘土、粘土330弱透水-3a+b1-2可硬塑粉质粘土、粘土14微不透水-4e中密密实含卵砾石粉细砂3000中等透水可硬塑残积土510微透水J3l-1全风化安山岩20弱透水J3l-2强风化安山岩20弱透水J3l-3中风化安山岩10微透水J3l-3p中风化安山岩650弱透水J3l-3r中风化安山岩50弱透水1.5 工期要求 左线盾构到达时间：2015年1月5日 右线盾构到达时间：2015年2月1日 计划工期8个月。平均日掘进9环，其中考虑每台盾构机换刀三次，每次换刀15天，每台盾构机从始发到贯通需240天。第二章 本工程重点难点分析盾构区间主要风险点： 1、下穿徒盖西路，徒盖西路两侧埋设有天然气管道、供水管道、通讯光缆、电线管道。 2、机场一期既有线和机场跑道尽台距离隧道区间70108m,根据经验计算本区间隧道对地面的影响范围为隧道轴线附近25.2米。工程特点： 1、隧道区间存在有软土地层，软硬不均地层和硬岩地层三种地层；2、 盾构区间较长，单线单区间2100米； 工程主要难点： 1、区间约有1Km为全断面岩层，地层硬，掘进难度大。 2、工期紧张，完成2100米复杂地层盾构掘进只有8个月，平均日进需达到9环即10.8米。第三章选型依据及主要参数 3.1 本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求 1、良好的土层切削能力；（刀盘及主驱动系统，推进系统） 2、准确、稳定的土压平衡控制能力；（土压控制系统） 3、良好的地层填充能力；（注浆系统及后方台车二次注浆台） 4、良好的止浆能力；（盾尾密封系统） 5、良好的土壤改良能力；（泡沫系统） 6、精准的盾构掘进导向能力；（导向系统） 7、可靠的安全装置保护换刀操作人员安全。（人闸系统） 3.2针对施工难点设备的针对性设计 考虑本工程地层硬，掘进难，工期紧的情况，盾构机进行的针对性技术要求： 1、优化刀盘设计，采用合理的开口率及耐磨保护，提高在硬岩地层的适应能力。 2、增加刀具数量配置，加强刀箱和刀具的耐磨保护。 3、土壤改良系统配置有6个泡沫管路，采用的是单管单泵设计。 4、螺旋机与一般配置相比，在外护筒内表面及螺杆部位都进行通体的耐磨保护措施。根据投标文件和本标段地质水文及地面建筑情况，综合考虑区间风险源的控制和重难点施工的需要，我公司拟选用2台全新德国海瑞克复合式土压平衡盾构机用于本标段盾构施工。3.3 盾构机参数项 目内 容技术参数项 目内 容技术参数工程条件适应地层中风化安山岩、强风化安山岩铰接液压缸数量14最小曲率半径250m推力715 kN/单个最大纵坡40盾尾密封钢丝刷密封3道（宽刷型）最大覆土厚度30m螺旋输送机最大输送量385m3/h管片尺寸外径内径环宽6.25.51.2m螺旋机外径D=800 mm盾构尺寸切口环直径6450 mm转速022.1 r/min盾尾直径6430 mm功率200 kW本体长度8610mm皮带输送机输送距离65m刀盘刀盘直径6480 mm宽度800 mm最大扭矩7476 KN-m功率30kW额定扭矩6219 KN-m最大输送量450 m3/h转速（正反转）03.5rpm管片拼装机轴向行程2000mm开口率36%回转速度01.0 rpm功率945 kW回转角度+/-200推进液压缸最大推进速度80mm/min导向系统全站仪和棱镜之间的角度精确性2S最大总推力42575KN激光靶角度测量精度1mm /m数量16对变压器容量2000KVA行程2200mm盾构总长包括车架79m同步注浆系统注浆机型号SKP-12泡沫系统泡沫管路数量6泡沫喷口数量17储浆罐容量7m3最大流量20m3/h水泵流量18m3/h泡沫泵流量300l/h最大压力30bar3.4 盾构机简图盾体简图3.5 拟选盾构情况盾构机型号海瑞克土压平衡盾构机EPB-6450使用地段宁高城际轨道交通二期NG-TA01标盾构区间生产完成时间2014年4月设计寿命10000m已推进里程0设备状态全新设备备注出厂前进行验收3.6 盾构机后配套简图一号台车右侧图一号台车左侧图二号台车右侧图二号台车左侧图第四章盾构机适应性分析4.1 盾构机组成 土压平衡式盾构机施工体系主要由刀盘系统、推进系统、出土系统、管片拼装系统、同步注浆系统、泡沫注入系统、数据采集系统、测量系统及后配套台车等系统组成。 盾构机在掘进时，16组双缸千斤顶伸出，顶在后方管片上向前行走。同时，刀盘转动切削前方土体，土体在刀盘后土仓内建立一定土压力与外部土压力平衡，即在前方建立了临时支护面。螺旋输送机不断的把前方多余土方通过皮带输送机输送到后方土箱车内。与此同时，盾尾处进行同步注浆，填充开挖后形成的空隙量。整个掘进系统由PLC电路采集信号，达到采集、处理、诊断的回路模式。测量系统由前方三个棱镜组、全站仪、后视棱镜组成，进行同步测量监控，指导施工。4.2 刀盘和刀具 针对难点：复合地层和全断面岩层施工，对刀盘和刀具进行了优化设计。 刀盘采用4辐条+4面板的设计形式，开口率为36%。在保证刀盘刚度、强度和刀具数量基本不变的前提下，保证了开口的均匀布置，并加大了刀盘中心开口率（约40%） ；刀盘不仅有助于隧道开挖面的刚性支护，也能保证渣土的流畅排除。根据海瑞克的经验和预料的地质状况，采用安装了滚刀和铲刀的刀盘。在刀盘设计中，硬岩刀具（滚刀）可以根据地质情况换成软土刀具（齿刀）。 刀盘简图刀具布置图纸 刀间距示意图刀具中心双刃滚刀单刃滚刀刮刀边缘弧形刮刀边缘保径刀面板贝壳刀数量4把37把56把8把4把8把 滚刀：滚刀带有高度耐磨的合金齿切削环，刀圈直径17寸。刀箱焊接Hardox耐磨保护块。 刮刀：软土刀具有高耐磨的钢刀体和高质量的硬质合金刀刃。刮刀两侧采用耐磨焊丝保护。 铲刀：铲刀的前刀面硬质堆焊刀刃，同时刀具后端由硬质合金球齿保护。 所选盾构共配置117把刀具和2套液压式刀具磨损检测装置。滚刀与刮刀、铲刀高度差为35mm。考虑到本工程地质有35%左右的长度为全断面岩层、石英含量高的特点，正面单刃滚刀的刀间距 110mm调整为90mm,并且在每个面板增加两把贝壳刀，增加滚刀刀具数量，提高了刀盘在硬岩地层的破岩效率 。所有的滚刀，刮刀和铲刀都可以从刀盘后部更换。4.3驱动系统扭矩计算： 拌和扭矩扭矩M1=136.22KNm,刀盘支撑臂扭矩M2=72.3KNm,软土刀具扭矩M3=136.74KNm,滚刀扭矩M4=118.91KNm,土仓填充物扭矩M5=2428.7KNm 计算时，假设在有4bar 压力的地层中掘进并进行土壤改良的状况下，刀盘转速0.8转/分 所需总扭矩M=1.2（M1+M2+M3+M4+M5） =3470KNm 针对难点：复合地层和全断面岩层施工，对驱动系统进行了优化设计。l 采用直径3m的主轴承替换常用的2.6m的主轴承。功率945kW、9个液压马达驱动，刀盘额定扭矩6219KNm，脱困扭矩达到7476KNm。l 理论需要的刀盘扭矩为3470kN-m,满足本工程需要。转速：03.5r.p.m ，使用寿命：10000小时以上驱动系统简图4.4推进系统取最不利施工截面计算水土压力：压力计算图示：水土压力数值表刀盘的中心土压Pd90.5 kN/m2盾构机外面水平上部土压P261.4 kN/m2削切面水压（中心部）Pw250.0 kN/m2盾构机外面水平垂直下部土压P392.1 kN/m2盾构机外面垂直上部土压P0122.8 kN/m2盾构机外面垂直下部土压P0173.4 kN/m2 经海瑞克计算(详见附件一)， 盾构机可运用的总推力须大于38688KN,盾构机驱动系统额定扭矩须大于3470KN。 推进系统 拟选盾构的推进系统共有千斤顶16组，单组油缸最大推力2660KN，行程均为2200mm，能够满足F块在任何位置的拼装需求。总推力42575kN，理论需要推力38689kN，能满足本工程需要。推进千斤顶压力控制分上、下、左、右可分别进行独立控制的分区，能够满足隧道掘进纠偏要求，配备4套千斤顶内置式行程及速度传感器，行程显示可逆并能准确、直观地显示隧道掘进机千斤顶伸缩值和速度。推进速度080 mm/min可调。4.5螺旋输送机 螺旋输送机 在本标段施工中，以较快的8cm/min速度掘进，单位出土量为190m3/h。盾构机配置的可伸缩轴式螺旋机，理论出土能力为385m3/h，能够满足施工需求。螺旋输送机可方便地对外护筒、螺旋叶片进行维修。螺旋输送机螺旋叶片和外护筒的内表面通长焊有合金耐磨块；设有断电紧急关闭装置,密封可靠。在断电情况下排土门可全程开闭1.5（闭开闭）次；配置单闸门系统，若出现喷涌险情时，可及时快速关闭闸门。4.6 渣土改良系统 针对难点：复合地层和硬岩地层施工，对泡沫系统进行了优化设计 盾构机一般只配置4个泡沫发生器，所选盾构配置了6个泡沫发生器，且实现了单管单泵设计，提高了渣土改良效果，降低了泡沫管路的堵塞问题。在刀盘、土仓仓壁及螺旋输送机等部位均设有添加剂注入管路和注入口，可以向相应部位注入土体改良材料，改良土层性质。泡沫系统能自动和手动控制流量, 两套系统相互独立。通过液压油可以方便地对所有的添加剂管路及注入口进行清洗。在盾壳前部圆周设计有8个超前钻孔，土仓隔板上设有4个超前钻孔，在地层不稳定的地方可在管片拼装机上安装超前钻机，对盾构机前方的底层进行钻孔和注浆作业，进行地层的加固和渣土的改良，确保盾构机安全可靠地通过不良地质段。最大超前钻探距离为30m.渣土改良系统能够满足本盾构区间地层的推进要求。泡沫系统图泡沫注射口统计表注射口的位置数量刀盘5压力仓4螺旋输送机244.7 耐磨措施 针对难点：磨损严重的问题，加强了刀盘、螺旋机、和刀具的耐磨保护。刀盘后部和刮刀的两侧采用耐磨焊丝进行耐磨保护，泡沫喷嘴和刀箱焊接Hardox耐磨保护块，以减少使用中的磨损。 刀盘面板耐磨保护 正面区域带耐磨钢板保护 周边区域带堆焊耐磨保护 如下图所示： 螺旋轴上的耐磨保护 全螺旋轴上耐磨堆焊 螺旋叶片上的耐磨保护 在前3个螺旋叶片上焊接Vaudit耐磨块,其余焊接Hardox 耐磨块 螺旋机筒内部的耐磨保护 在通长焊接 Hardox 耐磨条 在铲刀的后侧焊接Hardox耐磨保护块，以减少铲刀后部的二次磨损 4.8 双室人闸系统 双室人闸仓的连接法兰安装在前盾上。连接法兰的结构与盾体和刀盘驱动装置的半径相对应。通过连接法兰能使人穿过舱壁密封门进入土仓。双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开。右边的人仓用作进出土仓的正常通道，左边的人仓在紧急情况下使用。 双室人闸仓整体部件为德国原装进口，人闸仓的安装符合DIN标准（关于有气压条件下工作的标准），无论是在常压还是带压条件下，都可以保证操作人员安全顺利的进行刀具检查和刀具更换作业，保证换刀作业安全高效进行。 双室人闸仓有以下装置：通过人闸的压力闸门、阻尼器、压力计、计时仪、温度计、绝缘椅子、照明，包括紧急照明、压力纪录仪、供热设备。人闸4.9皮带输送机皮带输送机机架皮带机参数表表述数据配备数量1台皮带宽度800mm输送能力450 m3/h皮带速度2.5 m/s电机功率30 kW 皮带机用于将螺旋机送来的渣土转运到后方渣土车上，至少应能满足190m3/h的运送能力。其理论输送能力为450 m3/h，能够满足本工程需要。皮带输送机上设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，可以起到保护维修、测量人员安全的作用。4.10 管片运输设备双梁吊机盾构机管片运输设备采用的是双梁吊机和喂片机结合的方式。管片通过电瓶车运至盾构机后，先由双梁吊机将管片吊至喂片机上，然后喂片机将管片运送至拼装机抓取头位置，等待拼装作业。管片运输机采用双梁行走机构，两侧各有电机驱动并设有限位和防撞装置以防止行走小车脱落轨道。项目类型规格数量管片运输设备双梁吊机3t2台1套4.11 拼装机 管片拼装机的各种操作都可以单独进行。管片拼装过程中，通过线控或遥控两种控制方式可以对管片拼装机和推进千斤顶进行控制。管片拼装机设置快、慢档。能满足外径6200mm、宽1200mm、厚350mm的管片拼装。 拼装机简图拼装机参数表表述数据平移行程2000mm提升行程500mm提升能力21.6t旋转双方向旋转速度01.05rpm旋转角度2004.12 土压控制系统 盾构区间覆土较浅，对地面沉降控制要求较高。拟选盾构机的土压平衡的控制有以下三种控制方式，可以根据开挖面的情况选择合适的控制方式：l 土压控制 在土仓壁板设有5个土压计，可以保证测得的正面土压力测量精度达到0.005MPa。同时该土压计具有足够的自身保护能力。一旦出现故障时，能够极其安全的直接从舱壁后部进行土压计的维修和更换。通过土压计测得的土压与设定的土压比较，可以调节控制螺旋输送机的转速。l 排土量（体积）控制 螺旋输送机的转速自动与盾构机的掘进速度相匹配，进行排土量的控制。l 手动控制 可以根据需要手动设定螺旋输送机的转速。 4.13 注浆系统同步注浆系统在盾构机外壳的上、下半部各设有两处注入口，同时可实现分路注浆，能满足及时均匀填充盾尾间隙的要求。同步注浆系统具有自动和手动调节两种控制方式。注浆压力、流量计量通过注浆压力传感器能在注浆控制面板和操作室面板上实时显示。通过传感器的数据反馈，可实现注浆量与盾构掘进速度的同步优化设置。 为防止注浆管路堵塞, 同步注浆系统设置了注浆管路清洗装置。注浆完成后该装置可以直接对注浆管路进行清洗。即使万一注浆管路发生堵塞，还设置了供维修的检查口。除此之外，在盾构机最后一节台车上，外加安装有一台气动二次注浆机，连接盾构机空压机可快速进行壁后二次注浆作业。 本区间穿越地表主要为农田、荒地和河塘，盾构所配置的注浆设备能满足地面沉降控制的要求。注浆系统参数表项 目规 格型式单液用同步注浆装置注入压力3MPa清洗回路装备装备回路常用4个 + 备用4个单液注浆泵SCHWING泵2台 注浆泵 注浆泵系统盾尾注浆口 拟选盾构机开挖直径与管片直径的差值，每环的理论空隙为3.34m3，理论填充率选取150%，需注入浆液为5m3，以较快的8cm/min的掘进速度掘进，注浆流量需满足20m3/h（333L/min)。 目前盾构机注浆系统配置2台SCHWING活塞泵，设计流量20m3/h，最大注浆压力3Mpa，功率30kw。同步注浆系统能够满足施工中厚浆注入的要求。4.14 盾尾密封系统 为了保证盾尾壳体与管片之间有良好的密封性能，在盾尾上装备有三道钢丝刷（宽刷型）式盾尾密封，前2道盾尾刷长度300mm，最外道长度320mm。为了提高盾尾密封的止水性和寿命，盾尾刷间的仓室共配备8个盾尾密封油脂的注入管路。宽刷型盾尾刷和更多盾尾油脂注入点位的设计，能够极大提高盾尾密封系统的密封效果。 盾尾刷构造图4.15 数据采集系统 导向系统采用VMT自动定位隧道导向系统，由PC机、隧道掘进软件、莱卡全站仪、激光靶、控制盒、调制解调器、激光发射器、电缆等组成，有足够的掘进方向监测能力，包括对盾构机里程位置、水平和垂直偏差、仰俯角、滚动角等进行的监测、运算和显示能力，必要时采取报警和连锁的方式，提示操作人员，及时对盾构机进行姿态的调整，确保隧道掘进轴线精确性的要求。 数据采集管理系统能连续采集隧道掘进机、加泥量、出土量等数据，并具有数据分析、处理、打印、存储（每环生成一个Microsoft Excel格式的文件，并以时间和环号为文件名）及检索等功能，同时可在隧道掘进机控制室以终端形式实时显示，并在地面中央监控室内的计算机上提供数据通信的软、硬件接口（增加一路RS-485通信模块，能通过该端口采集到系统运行设备和施工的所有信息，提供PLC全部I/O地址信息，以便实现业主远程信息管理需求）。 采集的数据以图形的形式显示（以行程或时间为坐标，计测比例能根据实际的需要任意调整）。显示的内容包括隧道掘进机的实时姿态、隧道掘进机与已拼装管片之间的间隙、实际轴线与设计轴线的偏差、开挖面的实时压力及波动范围等。显示的内容能够满足隧道轴线控制的要求，并为隧道掘进机按准确方向推进提供依据。 在工作交接班以及日、周、月末自动形成打印报告。隧道掘进机控制室与地面监控室之间的数据传递使用光纤完成。4.16盾构机适应性分析 1)所选盾构机除具有软土开挖功能外，还具有中等硬度岩石的破碎功能，并且硬岩掘进能实现每天完成10.8米的能力，该种盾构机的推力和扭矩以及刀盘配置都满足需求。 2)盾构机刀盘装有硬质合金刀具，并且采用了17寸刀圈的滚刀，在该地层条件下可实现高效的掘进，同时延长刀具使用时间，减少刀具的更换次数。 3)装备有可靠的人闸系统，保证在气压状态下安全的进行刀具更换等各种施工作业,提高了换刀效率。 4)盾构机刀盘设计有合理的开口率，具有良好的防泥饼设计和完备的碴土改良装置，既满足大粒径卵石排出，又有效的防止掘进时刀盘产生泥饼，保证了开挖面的稳定。 5)装备有较大直径、较大螺距、螺杆能伸缩的中轴式螺旋输送机，螺旋机耐磨性较强,有利于渣土的排出，又防止在出碴过程中出现喷涌现象，螺杆伸缩可以解决柱塞问题。 6) 在主轴承密封的选择上，海瑞克盾构机采用自诊断管理系统，能够进行润滑脂压力及主轴承温度的自动检测，使用寿命相对较长。 7) 为保证开挖下来的渣土的流动性、可排性，有效地稳定开挖面，海瑞克盾构机在刀盘、密封隔板及螺旋输送机均设有合理的泡沫、膨润土泥浆注入管路。 8）为有效的控制地层变形，该种盾构机配备了自动定压同步注浆系统。9）为保证隧道轴线的准确，配备了VMT自动测量导向系统，可以适时测控盾构机姿态和管片拼装精度。4.17盾构机掘进速度计算根据地质详勘图，部分地段天然最大抗压强度可达110Mpa，安装滚刀，可提高刀盘转速、增加刀盘的贯入度。整理海瑞克其他类似地质情况的掘进数据，根据海瑞克提供的相关数据：在软土地层中掘进速度平均可以达到50mm/min 、岩石地层中平均达到25mm/min、复合地层中平均可达到30-40mm/min。排除施工现场人员、设备等其他因素影响，理论上按照如下时间推算：45min 推进时间，30min 管片拼装时间，每天按照2