超大直径泥水平衡盾构机饱和法开舱作业技术[详细]

1、中交隧道工程局,2015年3月,超大直径泥水平衡盾构机 饱和法开舱作业技术,汇报人：姚占虎,汇报内容,二、工程背景,三、泥水平衡盾构机简介,四、压力计算与建膜技术,五、饱和法开舱技术,六、饱和法开舱技术应用实例,汇报内容,一、国内外现状,一、国内外现状,近十年来，大直径、高水压、长距离盾构隧道建设得到了飞速的发展。 在刀具无法满足长距离掘进寿命要求的现状下，不得不寻求中途更换刀具的技术突破。 工程条件的局限，尤其是江河湖海下，很难实现常压开舱，更换刀具困难,安全堪忧。 盾构饱和法开舱换刀技术以无需地层加固，地质适应性强，对周边环境要求低和影响小等特点，解决了苛刻条件下的换刀难题。 带压换刀技术

2、是一项涉及地质、泥浆、机械、潜水等多学科的综合技术。,葡萄牙波尔图地铁S线和C线盾构区间施工中，由于刀具磨损严重，几乎每班都需要带压开舱对刀盘进行维护操作，其带压工作压力为1.52.0bar。,国外盾构开舱现状,德国Weser隧道在4.5bar5bar压力下开舱维护破碎机和刀盘，此外还雇佣潜水员在5bar压力下的膨润土浆液中工作。全线带压工作共计1400h，其中600h压力超过3.6bar，仅有15次报告出现减压病，且压力都小于3.6bar。,荷兰“Westerschelde”隧道世界上首次也是唯一一次实现了高压8.5bar条件下饱和气体开舱作业（作业环境为潜水作业）。,广州地铁四号线小谷围至

3、新造区间左线江底盾构于2005年6月实施了带压换刀操作。,南京长江隧道（纬七路）盾构施工中，德国北海潜水公司在6.5bar 压力下带压开舱作业。,国内盾构开舱现状,易北河第四隧道在0.35MPa条件下更换刀具,南京纬三路过江通道工程在0.65MPa条件下刀具检测,二、工程背景,南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥和纬七路过江通道之间，距离南京长江大桥约5km，连接南京主城区与浦口规划新市区，是南京市城市快速路系统跨江成网的重要通道之一。南京纬三路过江通道起于浦口区浦珠路转盘西侧，向东南跨越丰子河路、北岸滨江大道，北线（N线）穿越长江主航道、潜洲及夹江水道后与扬子江大道相接，南线（S线）与扬子

4、江大道交叉并下穿后，止于江东路，和定淮门大街（纬三路）连接。,N线隧道工程地质纵断面图,S线隧道工程地质纵断面图,南京纬三路过江通道工程特点,水压高 石英含量 高管片 拼装 精度高,覆土厚度 0.6D,地质复杂：隧道穿越粘土层、粉细砂、中粗砂、卵砾石层以及中风化粉砂岩地层。,地质特点,三、泥水平衡盾构机简介,泥浆压力,土压力,地下水压力,泥水加压式盾构施工时，利用泥浆舱中压力泥浆来维持开挖面的稳定。,泥水加压盾构隧道开挖面稳定原理,通过在开挖面形成一层致密的微透水泥膜形成致密的泥膜，利用该泥膜将泥浆压力转换为有效应力，平衡开挖面处的土压力，在开挖面形成优质泥膜是泥水盾构施工的关键。,泥水加压盾

5、构的平衡机构,调浆池,沉淀池,泥浆及渣土监测系统,泥浆处理系统,掘进系统,泥浆泵,竖井,进浆管,排泥管,刀盘刀具,刀盘：采用辐条-面板式 开挖直径：15.02m 开口率：25.7% 主要材料采用合金结构钢Q345B，结构表面焊接耐磨板,15.02m,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,刀盘刀具,刀盘刀具,四、压力计算与建膜技术,切口泥水压力确定,泥水压力,主动土压力P2,地下水压力P1,气压,式中： P下、P2分别指接口水压力下限值、主动土压力 P1、P3分别指地下水压力、变动土压力 Ka为主动土压力系数 Cu土的粘聚力,泥膜的形成

6、机理和泥水平衡,压力泥水通过泥膜对挖掘面土体产生支撑的平衡效果。这种动态的平衡就叫泥水平衡。,在压力作用下，泥水中的悬浮颗粒随着泥水渗入到开挖面土体颗粒空隙中，产生填充孔隙的阻塞和架桥效应，形成泥膜。,在盾构掘进中，盾构刀具不断地切削开挖面土体的过程，也是泥膜不断地被破坏和再建立的循环过程。不同的地质其泥浆配置不同，泥膜形成时间也各不相同。,土层级配与建膜关系,泥浆直接从土体中逸散,泥浆在开挖面形成稳定泥膜,土层有级配、泥浆要匹配,类型I泥皮型泥膜 类型II泥皮+渗透带型泥膜 类型III没有形成泥膜,渗透泥膜的建膜速度快，对泥浆指标变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖面的动态支护。缺点是泥浆滤

7、量大。,泥膜类型,根据泥浆在土体中渗透的深度和密封效果，可分为：泥皮泥膜和渗透泥膜。,泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失量小，一般用于开挖面的静态支护。缺点是失水易开裂和剥落。,泥膜的气密性研究,要求：气密性好； 滤失量小； 寿命长；,饱和法开舱作业的泥膜复合泥膜,复合泥膜=渗透泥膜+泥皮泥膜,影响泥膜质量的因素：,地层细微颗粒含量； 泥浆比重； 泥浆粘度； 泥浆触变比（静切力/动切力) ； 压差； 滤失量；,复合泥膜的关键技术,泥皮泥膜,渗透泥膜,满足开舱作业的泥膜形态,五、饱和法开舱技术,压缩空气开舱技术,常压区,0.610.64MPa 压力区,泥水舱,人闸

8、舱,气泡舱,压缩空气开舱技术存在的弊端： 超过压缩空气开舱技术限于6.0bar的极限； 每班次压气作业均须执行加压和减压至常压的程序，每班次的有效工作时间仅为2025min，而减压总时间大于180min，工作效率低下，极大的影响工程进度； 工作期间，多次执行减压程序，减压病发病率较高，危害进舱人员身体健康； 进舱人员呼吸压缩空气，呼吸气体密度增加，呼吸阻力增大，工作能力下降；压缩空气中氮气的麻醉作用，导致进舱人员风险意识和判断能力严重降低，容易出现人身伤害事故。,盾构饱和法开舱作业工艺原理,当体内与外界的中性气体分压达到平衡即饱和，人体将不再吸收中性气体的带压作业方式叫饱和带压作业。,穿梭舱与

9、生活舱分离,穿梭舱运输,穿梭舱与盾构舱对接,泥水舱,人闸舱,气压舱,地面生活舱 氦氧饱和气体,0.65MPa,盾构饱和法开舱作业工艺原理,穿梭舱 0.56MPa,人工配置混合气体： (5% O2 / 75% He / 20%N2),盾构饱和法开舱技术的优点,生活舱及生活舱控制室,穿梭舱 人闸舱,穿梭舱运至隧道 起吊穿梭舱,行走轨道铺设,穿梭舱在轨道上的运行 穿梭舱横移并与拼装机吊臂连接,通过拼装机旋转吊运穿梭舱 穿梭舱与人闸舱对接,六、饱和法开舱技术应用实例,第513环饱和法开舱换刀实例,0.61MPa压力状态下开挖面泥膜实景,复合泥膜原状,复合泥膜现场检测,泥皮厚度检测,顶部泥膜状态,0.61MPa压力状态下带压作业实景,人员进仓,新滚刀安装,滚刀磨损检查,旧滚刀拆卸,旧滚刀搬运,拆出的旧滚刀,南京纬三路过江通道工程N线隧道盾构段全长约3564m，共计1782环，粉砂岩段总计505m。S线隧道盾构段全长约4135m，共计2070环，粉砂岩段总计560m。截止目前两条隧道共计采用饱和法开舱