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京张高铁清华园隧道复合地层盾构机械配置研究

摘 要:依据清华园隧道盾构区间的隧道参数和工程地质条件,分析盾构机刀盘和刀具对卵石土、砂、粉质黏土互层的适应性。从地层渗透系数、颗粒级配、地下水压、周边环境影响、隧道规模等方面进行综合考虑,选取泥水平衡盾构作为最终选型。考虑到刀盘跨度较大和中途换刀对盾构稳定性的影响,结合渣土特性和既有工程经验,决定采用辐条面板式刀盘,并确定了开口率和开口尺寸; 此外,还给出了以切削型为主且可常压更换的刀具配置方案。最后简要介绍了常压换刀的技术流程和泥水环流系统的设计方案,总结了卵石土、砂、粉质黏土互层的盾构机械配置方案。
  北京地区的卵石土、砂、粉质黏土互层会导致盾构刀盘磨损速度快,换刀作业困难,刀盘结泥饼,掘进参数难以选择与控制等问题,影响盾构机的正常掘进,甚至可能造成事故。合理的盾构选型有助于提高施工效率,延长使用寿命,节约使用费用。根据盾构施工的工程地质及水文地质条件,合理选用刀盘结构形式、优化刀具配置及盾构配套系统是决定盾构选型成败的关键因素。
  王洪新探究了在不同地质条件下刀盘开口率对出土量的影响,给出一种刀盘开口率与地层适应性之间的定量关系,为刀盘开口率的设定提供了依据。刘永勤对北京地铁九号线穿越的砂卵石地层特性进行分析,例举了若干种在该地层施工中通常会遇到的意外情况并提出了相应的对策。江玉生依托北京地铁7 号线某标段的盾构施工情况,根据工程地质和水文情况等因素,综合对比了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的优缺点,可为类似工程提供参考和借鉴。
  以京张铁路清华园隧道为背景,根据实际情况,分析刀盘、刀具及盾构配套系统的适应性,明确提出了针对卵石土、砂、粉质黏土互层的盾构选型方案。
1 工程概况
1. 1 区间线路概况
  清华园隧道总长6 020 m( 包含明挖段及 U 形槽) ,其中盾构段分为 3#~2#和 2#~1#两个区间。2#~1#区间长2 707. 5 m,3 #~2 #区间长 1741 m。
  采用 2 台φ12. 64 m 盾构机掘进,管片外径 12. 2 m,内径 11. 1 m,幅宽 2. 0 m,盾尾间隙 45 mm。3#~2#盾构区间纵断面为进洞后以 12. 9‰的坡度下坡;进洞埋深为 6. 8 m,出洞埋深为 19. 14 m,出洞处为区间最低点。
  2#~1#盾构区间纵断面为进洞后以 20‰的坡度下坡;进洞埋深为 21. 4 m,出洞埋深为 5. 8 m,区间最低点埋深 28. 68 m。
1. 2 工程地质条件
  全断面均为粉质黏土、粉土的区段长约 750 m;粉质黏土、粉 土 含 量 为 30%~35% 的地层区段长约1 200 m;其余为卵石土地层。
  相对而言,粉土、粉质黏土的自稳性较好,砂类土、卵石土自稳能力差,易出现坍塌等问题。
1. 3 工程水文地质
  上层滞水:水位高程一般在 44. 91~49. 62 m 之间,含水层为粉土②1 层及粉砂②2 层,主要接受大气降水补给,其次为管沟渗漏补给。钻探揭示,该层水位埋藏深度为 3. 4~5. 7 m。
  承压水:水头高程为 27. 97~29. 00 m( 水头埋深为 21. 70~22. 50 m) 。钻探揭示,该层水位埋藏深度为 21. 0~25. 0 m。
2 盾构选型的适应性
  盾构法施工要特别注意各要素之间相互适应的问题。盾构机型的选取应综合考虑具体的地质条件和施工实际,以得出符合条件的合理方案。选型不合理可能带来工期延误、费用浪费乃至人员伤亡等情况。
  参阅相关资料,结合经验,盾构适用性主要包含以下几个方面。
  ( 1) 刀盘、刀具设计对地层的适应性: 地质条件对刀盘、刀具结构型式的设计起主导性作用。
  ( 2) 盾构选型对地层扰动的适应性: 施工必然会扰动土体,合理的盾构选型有利于控制地表沉降。
  ( 3) 对经济适用性的要求: 满足地质条件等要求后,需从经济的角度考虑盾构选型,以节约工程造价。
3 盾构机具体选型
3. 1 盾构机型确定
  ( 1) 从地层渗透系数考虑
  粉质黏土的渗透系数 K = 1. 61 × 10-9m /s,小于10-7m /s,适宜用土压平衡盾构; 卵石土渗透系数 K =9. 26×10-4 ~1. 16×10-3m /s,大于 10-4m /s,适宜用泥水平衡盾构; 粉细砂渗透系数 K = 5. 79×10-5m /s,两种盾构均适用;中粗砂渗透系数 K = 3. 47 ×10-4 ~5. 79 ×10-4m /s,大于 10-4m /s,适宜用泥水平衡盾构。综合考虑,选用泥水平衡盾构。
  ( 2) 从地层颗粒级配考虑
  在卵石土地层中,2~6 cm 卵石占比为 2 /3 左右,卵石粒径最大超过 13 cm,土压平衡盾构难以在土舱中建立平衡压力,工作面易失稳,适宜采用泥水平衡盾构。
 综合考虑,针对本工程富水卵石土与粉砂、粉土互层的情况,应采用泥水平衡盾构,但应注意粉质黏土层带来的废浆多、泥浆处理困难,以及卵石土地层泥膜形成困难、泥浆渗逸量大等问题。
  ( 3) 从地下水压角度考虑
  本工程的水压力不大,不是重点考虑的因素; 但本工程 2 #~1 #盾构区间隧道埋深较大,地下水资源丰富,水量较大,泥水平衡盾构可发挥优势。
  ( 4) 从周边环境角度考虑
  盾构多次下穿重要建( 构) 筑物以及地下管线,宜选用对地层扰动较小的泥水平衡盾构。
  ( 5) 从隧道规模角度考虑
  本隧道开挖洞径为 12. 64 m,目前土压平衡盾构难以达到如此规模,应选用泥水平衡盾构。根据以上比选结果,清华园隧道最终选用了泥水平衡盾构。
3. 2 盾构机刀盘选型
  该隧道全断面卵石地层段达1 800 m,母岩成分主要为砂岩、花岗岩,岩质较硬,需加强刀具、刀盘的耐磨性设计。
  刀盘结构形式通常有辐条式、辐条面板式、面板式三种,结构形式的选择及开口率的设计一般需考虑以下内容:
  ①在稳定性好的地层,如单一砂卵石、漂石或无水黏土地层,一般选择较大开口率的刀盘,有利于顺利排出渣土,延长刀具的使用寿命。这种情况下,应选择辐条式刀盘。但是,辐条式刀盘不利于开挖过程中的开仓作业,在稳定性差的地层中宜选择开口率小的面板式或辐条面板式刀盘。泥水平衡盾构对稳定性的要求较高,应选择较小的开口率。
  ②最大的排渣粒径要大于渣土的最大粒径。
  ③黏土地层应尽量加大开口,以减少结泥饼的情况发生。
  本工程穿越的地层中卵石土含量达到 65% ,并且粒径较大,如果按照以往的相关经验,常会采用较大开口率的辐条式刀盘,有利于渣土流动及快速掘进,降低刀具磨损,提高刀具的一次掘进距离。
  本工程采用的刀盘直径达 12. 64 m,若采用如此大直径的辐条式结构刀盘,由于跨度太大,结构刚度很难得到保证,刀盘钢圈易变形,甚至会导致失稳破坏。
  本工程隧道的规模大、里程长,必须制定中途更换刀具的预案。故采用了常压换刀技术,要求刀盘特别是中心区域的开口率较低。同时,更换刀具的停机时间较长,容易造成盾构整体沉降,从而引起地层及地表沉降。因此,相对适中的开口率有利于换刀时开挖面的稳定。
  另外,泥水平衡盾构的渣土为比重 1. 35 左右的稀泥浆形式,流塑性良好,较小的开口率也能满足快速掘进要求。考虑到国内外既有的大直径泥水盾构无一例外选择了开口率 15%~40% 左右的辐条面板式或纯面板式刀盘结构,最终决定采用辐条面板式结构,开口率为 36% ,最大可允许进入的粒径约为 96 cm。刀盘形式见图 1。
3. 3 盾构机刀具选型
  适宜的刀具有利于减缓刀具磨损,增加刀具的使用时间,提高掘进效率。另外,在长距离掘进过程中需充分考虑常压换刀问题。
  根据本工程的地质情况,主要配置切削型刀具。通过齿刀及刮刀的合理组合,增强刀具耐磨性。该种刀具采取阿基米德螺线法布置,牙型交错连续排列。刮刀宽度为 220 mm,切割轨迹有所重叠,可将开挖土体清除干净。刀具布置如图 2 所示,其中,绿色标记为常规可更换的刮刀,蓝色标记为大气常压中可更换的刮刀,红色标记为大气常压中可更换的撕裂刀。刀具配置数量见表 1。
3. 4 常压换刀技术
  刀具会随着掘进的进行不断磨损,需制定换刀方案。通常采用高水土压力条件下的常压换刀作业。在盾构刀盘的中心设置了中空区域,作为换刀的作业空间。可更换刀具固定在主刀梁上,其刀筒设计为背装式,嵌于主刀梁的空心箱体内,刀筒内设闸板阻挡渣土。
  换刀时,施工人员由通道进入装有磨损刀具的主刀臂内,利用液压油缸配合刀腔闸板将刀具从刀腔内抽出。对刀具进行必要的检查与更换后,将刀具装回,完成刀具更换。该技术具有安全系数高、施工速度快、不需制备高黏度泥浆等优点。
3. 5 泥水环流系统
  盾构施工中,需有效形成泥膜及泥水仓压力,保持工作面和浆液循环稳定,控制地表沉降,不跑浆。
  泥水环流系统由送排泥装置与地面泥浆处理站共同形成,送排泥装置主要由送泥管、排泥管及搅拌装置等构成,见图 3。当地层存在巨石、卵石时,应设置卵石处理装置( 见图 4) 。
  考虑到本工程存在大粒径卵石土地层,设置了较大口径的泥管( 450 mm) ,最大可通过粒径为 240 mm,碎石机最大可破碎粒径为1 000 mm( 大于岩芯采样最大粒径 130 mm) 。

4 结束语
  主要探讨了清华园隧道盾构机型选取、刀盘选型及刀具配置等相关问题,主要结论如下。
  ( 1) 从渗透系数大小、颗粒级配、地下水压、周边环境影响以及隧道规模五个角度进行分析论述,综合比选后,确定采用泥水平衡盾构。
  ( 2) 对于富水卵石土与粉砂、粉土互层地层,刀盘结构形式应为辐条面板型,对应的开口率约为 36% ,开口尺寸( 最大可允许进入的粒径) 约为 96 cm。
  ( 3) 为增强刀具的耐磨性,延长刀具使用寿命,提高掘进效率,选择的刀具主要为齿刀和刮刀,并配置先行刀、铲刀以及超挖刀。
  ( 4) 为排出大粒径卵石土,防止粉质黏土粘附堵塞压力舱,设置了较大口径的泥管( 450 mm) ,碎石机最大可破碎粒径为1 000 mm。

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