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复合地层泥水平衡盾构机选型技术要点

 

(上海隧道工程有限公司)

    泥水平衡盾构机采用具有一定触变性的泥浆作为掘进面渣土输送和刀具冷却介质;同时,由气压或泵送产生的泥浆压力通过泥膜均匀地传递到掘进面正面,维持正面的稳定。与土压平衡盾构机相比,泥水平衡盾构机地质适应能力更强,尤其在断面内同时遇到硬岩、风化软岩、软土等不同地层时,超大直径泥水平衡盾构机更具优势;另一方面,泥水平衡盾构机受到来自泥水、岩土等多种外力作用,较之土压平衡盾构机与岩土相互作用更为复杂。盾构机选型时如考虑不周,在推进阶段就会发生效率低下、成本急剧增高、不能满足沉降控制要求等问题,在施工过程中再进行盾构设备的改进往往会事倍功半。因此,盾构机正确选型是盾构法隧道施工成功的必要条件。
    盾构法隧道工程实践中,成功与失败的盾构机选型案例均有大量的文献记载,尤其是在复合地层中施工的超大直径盾构机,选型过程中的小偏差也可能造成较大的工期延误和成本增高等问题。本文结合实际工程的经验与教训,介绍泥水平衡盾构机选型的技术要点,供类似工程参考。
1地质条件对盾构机选型的影响
    图1显示的是传统的土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机的选型范围。一般而言,土压平衡盾构机较适用于挖掘细颗粒地层,切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性,而泥水平衡盾构机较适用于挖掘粗颗粒地层。
 
    近年来,随着土压平衡盾构技术的快速发展和泥浆排放要求的提高,从世界范围看,土压平衡盾构机应用范围有逐步扩大的趋势,而泥水平衡盾构机则在掘进面稳定的控制能力及刀具更换的效率方面有着较大的优势。国内施工企业更青睐使用超大直径泥水平衡盾构机。
盾构机选型阶段必须深入了解地质资料,重点分析下列地层特点,从而对盾构机作出针对性的设计:
    1)软弱淤泥质地层。在沿海区域复合地层中,浅层往往分布着流塑、高含水率、极低承载力的淤泥质土甚至泥炭土,而复合盾构机因需兼顾岩石掘进,所以必须配置重型刀盘。如果在浅层掘进时盾构机底部处于软弱淤泥质地层,应考虑盾构刀盘到支撑环之间的前段盾体质量与等体积天然地层质量之比,如果大于1∶10,应采取地基加固或适当减轻刀盘质量等措施。
    2)高渗透性地层。南京某越江隧道施工时由于新浆拌合能力不足,带来了正面超挖、刀具磨损大等一系列问题。为此,在高渗透性地层中宜对泥水损失率进行实测,不仅需要测试损失体积,还应测试黏度损失,以测试结果校核泥水系统的新浆拌合能力是否满足要求。测试过程可以利用工作井地下连续墙施工的数据,也可以采用钻孔实测。
    3)含砾石、卵石地层。对于卵砾石、结核等大颗粒不均匀地层,应校核最大地层粒径与泥水循环流量、流速是否匹配,以确保泥水输送能力满足渣土输送要求;对于少量的砾石、卵石,应配置碎石机。
   4)泥岩、风化岩地层。对于遇水软化的泥岩、风化岩层,应了解其矿物成分(如含有较高比例的蒙脱石、伊利石等黏土成分的矿物颗粒),对盾构刀盘正面泥水循环的流速与流量进行分析,且应配置大流量、高压力的刀盘冲洗装置[3]。武汉某超大直径盾构机采用结构复杂的可回缩常压换刀刀盘,刀盘正面泥水循环效果较差,加上冲刷系统不足、中心开口率小等问题,掘进前期曾出现严重的“结泥饼”现象,影响了施工进度。
    5)硬度和研磨性。除了岩石的单轴抗压强度,岩石硬度和研磨性也是决定刀具配置和密度的重要参数;同时也是选择刀盘形式(复杂、昂贵,但高效换刀的常压换刀刀盘,或是相对简单、便宜,但换刀低效的带压换刀刀盘)的重要决策依据。这一点在矿业钻井工程中已经成为常识,但遗憾的是,目前在盾构施工工程中应用较少,也缺乏相应的勘查规范和勘察参数支撑。
2盾构机系统设计的选型要求
    复合地层泥水平衡盾构机往往需要面临大负荷切削、不均匀受力、渣土粒径差异大等复杂工况。因此,除了刀盘、刀具等配置外,还必须对厂家提出合理的盾构机系统设计要求。
2.1驱动形式与扭矩配置
    目前,盾构机驱动的主流形式包括液压驱动和电机驱动两种。随着高性能驱动电机和减速器技术的进步,除了需要极高扭矩配置的特殊设备,电机驱动的比例越来越高,两者对比如表1所示。
 
    从表1中可见,如果没有特殊要求,应采用电机驱动。泥水盾构机的设计扭矩一般小于同类型土压盾构机,但对于复合地层盾构而言,扭矩额定系数a应大于15,脱困扭矩系数a应大于18,否则将难以应付高膨胀性土/风化岩等特殊地层。
    刀盘转速决定了盾构机的推进效率。由于复合地层中刀具贯入度较低,掘进速度很多时候低于10mm/mim,因此刀盘设计转速应保证3r/min以上;对于中等直径盾构机而言,应达到6r/min以上。
2.2碎石机
    碎石机的作用是为了保证排泥的通畅性。在复合地层中存在很多孤石,可以通过碎石机将大孤石裂解为小块岩石,使裂解后的小块岩石及小孤石进入舱内,通过盾构机自身设备进行处理。碎石机安装在气垫舱的最底部,维修时非常困难。珠海某超大直径泥水平衡盾构机穿越花岗岩地层时,由于碎石机发生故障,造成了数十天的工期延误,因此应对碎石机核心部件的无故障工作时间提出明确要求,对液压管路的紧固与工作状态保护等细节问题也必须精心设计。
2.3超前地质探测
    泥水盾构机为全封闭式,肉眼无法观察掌子面的施工情况,因此需要借助相应的技术设备进行操作。目前,超前探测系统大致分为两类:一类为超前钻探型,通过超前钻土样采集对正面土体进行分析判断;另一类为电磁场/声纳型,例如采用电磁法的BEAM系统,已经有了一些应用案例[5]。总体而言,目前超前探测系统还处于发展阶段,远不能取代常规的地质详勘和补勘;同时,无法进行地面勘察时,要为多种超前探测系统留好接口,便于相互参照。
3泥水系统选型
    泥水系统是泥水平衡盾构机的核心技术。这套系统的匹配性直接关系到隧道掘进的速度、质量和成本。
3.1泥水输送系统计算
    泥水输送计算主要是确定排泥流量,与排泥管径对应的排泥流量直接影响到接力泵的数量。目前常用的排泥流量计算有3种方法:
 
 
    根据实际工程效果,以上3个计算公式的精确程度为:(2)>(1)>(3),复合地层中尤其应注意适当提高流速和流量。
3.2主循环泵选型
    长期以来,主泵送泥用渣浆泵,排泥用砂砾泵,两者的设计思路是有差异的。当泵的流量达到了极限工况,两者其他参数较为接近时,就要看同型泵叶轮的流道数量。流道多的叶轮过流粒径小的用于送泥,流道少的叶轮过流粒径大的用于排泥。近几年随着对泥水施工技术认知的进步,所有泵均采用砂砾泵已成为主流趋势。
3.3泥水管路
    不同管径的沉淀临界流速是不一样的。相同不沉淀的流量,管径与管阻成反比,管径越大,管阻越小,需要的接力泵就少;管径越小,管阻越大,需要的接力泵就多。据此,选择合适的管径就显得尤为重要。除此之外,考虑到复合地层中颗粒物较多,还需要对管路进行耐磨保护措施。尤其是排浆管,与前壳体直接相连的部分需要重点处理,以减少泥水管路维修时间。
3.4管路延伸装置
    管路延伸装置一般分为硬管伸缩式和软管延伸式两种。硬管无法满足小曲线掘进的需求,且易发生变形、憋管现象,而软管具有弹性,可通过摆动适应小曲线掘进的需求。考虑到复合型盾构机必须具备良好适应性等特点,软管延伸式将是较好的选择。
3.5全干化泥水处理
    在城市环境下,泥水平衡盾构机产生大量的泥浆容易导致环境污染,全干化处理将是此类条件下施工的必然要求。十几年前,在上海某越江隧道施工中曾尝试过“旋流器+离心机”组合,但耗电量较高,且低频噪声难以彻底隔绝,影响周围居民的生活。相比之下,板框/带式压滤机具有无噪声、耗电量低的优势;板框式压滤机还无须添加絮凝剂,实现了淡水的循环使用,节能且环保;压滤机的缺点是效率低下,占地面积大,因此泥水系统设计时应充分考虑其空间布置。日本横滨环状北西线工程使用2台12m级别的泥水平衡盾构机掘进,采用了12台板框压滤机与2台带式压滤机的组合作为泥水处理系统的末级,实现了泥浆全干化处理,可以作为一个参考借鉴的案例。
4结语
    我国泥水平衡盾构施工技术尚处于高速发展阶段,盾构机选型还没有规范化、系统化的标准可以参考;同时,缺乏合适的理论工具,实践中既有成功的经验也有很多教训。土木工程技术的发展总是实践走在理论的前面。相信不久的将来,在借鉴国外先进经验和矿业钻井、污泥处理等其他相关行业技术的基础上,复合地层泥水平衡盾构机的选型和施工必将走上参数化、标准化的道路,大幅度提高工程施工的安全性和经济性。
文章来源:(中国知网)

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