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大直径泥水平衡盾构适应性改造技术研究

 

(中国矿业大学(北京)
(北京铁路局地下直径线工程建设指挥部)

    盾构法隧道工程中,盾构设备成本在总工程成本中占有一定比例,因此提高盾构设备的使用率,对于降低工程成本有着重要的作用。这也就决定着盾构设备必将在地质条件存在差异的多个工程中进行施工。设备原始参数均只考虑其最初应用的工程,其再次应用到其他工程时,必须针对工程地质情况进行相应的适应性改造。因此,针对盾构适应性改造的研究对于提高盾构设备使用率、降低工程成本、保证施工顺利进行有着重要的意义。
    国内外对盾构适用性改造技术研究相对较少,部分学者结合具体实际工程对盾构选型技术进行了大量的研究工作,泥水平衡盾构方面比较有代表性的有:
刘金祥等以武汉长江隧道(直径11m)为基础,对大直径过江隧道盾构选型进行了研究,通过对资料调研(日本一条隧道、荷兰两条隧道)及理论分析得出了泥水平衡盾构更加适应武汉长江隧道工程的结论。刘继国等结合某直径为14.96m的海底隧道工程,对大直径海底隧道的盾构选型问题进行了研究,针对海底隧道的特点,提出了盾构选型的基本原则,并对土压平衡盾构和泥水盾构进行了比较,得出了大直径泥水盾构适应该工程的结论。陈健等通过研究南京长江隧道、扬州瘦西湖隧道、武汉地铁8号线越江隧道工程,总结了超大直径泥水盾构隧道施工的关键技术。
    本文以天津地下直径线工程为基础,对黏性土层大直径泥水平衡盾构改造技术进行研究,并对改造后盾构设备应用效果进行分析,以期为今后类似工程盾构选型及设备改造提供工程借鉴。
1天津地下直径线工程概况
    天津地下直径线工程连接天津西站与天津站,是津秦客运专线与京沪高速铁路的连接线,全长5005m,其中盾构隧道长2146m,单洞双线,最小平面曲线半径600m,最大纵坡23‰,隧道埋深9~32m,采用一台直径11.97m的泥水平衡盾构施工。盾构隧道结构形式为圆形断面,衬砌采用通用楔形环管片,管片外径11.6m,环宽1.8m,厚500mm。
    盾构隧道穿越地层主要为粉土和粉质黏土层,局部夹粉细砂。隧道范围内受潜水和承压水影响,潜水地下水位埋藏较浅,埋深为0.3~3.96m,承压水水位埋深为3.73~7.85m,含水层为粉细砂层和粉土层。
2改造背景
2.1工程背景
    天津地下直径线采用的泥水盾构,曾计划用于修建北京地下直径线,其设备参数均根据北京地下直径线工程条件进行设计。后由于工程计划发生改变,该盾构调至天津地下直径线工程使用。天津地下直径线工程与北京地下直径线工程在各个方面均存在较大差异,主要工程差异如表1所示。
 
2.2改造前盾构设备主要参数
    改造前该泥水平衡盾构设备根据北京地下直径线工程基本情况进行选型,盾构设备主要参数如表2所示。
 
3盾构适应性改造
3.1刀盘及刀具改造
    充分考虑天津地下直径线盾构穿越的软土、细颗粒地层的特点和隧道曲线等方面的特点,对刀盘、刀具进行如下改造:
    第一,将原重型刀具改为单层软土刀具,为保护刀盘正面周边刮刀,在刀盘边缘辐板上增加4个刀箱,配置重型撕裂刀。
    第二,增加一把仿形刀及必要的液压部件,增加的仿形刀行程为100mm,增加仿形刀后可确保盾构最小转弯半径达到600m。
    第三,刀盘中心处,渣土流动速度低,为增加渣土流动速度,将刀盘中心刀具增加至12把。
    第四,为加强刀盘整体刚度和耐磨性,刀盘辐条与幅板间增加加强筋,刀盘周边增加堆焊耐磨层。改造后的刀盘配备有296把刮刀,38把先行撕裂刀,12把中心刀,16把周边刮刀,2把仿形刀。
3.2刀盘主驱动
    由于盾构在软土地层中贯入度较砂卵石地层要大,刀具受到阻力大,而且天津地下直径线工程盾构泥水舱压力设定值较北京地下直径线工程要高,因此刀盘扭矩会增加。实际工程经验也证明了这一点,北京地下直径线盾构在卵石层中掘进刀盘扭矩为3000~7000kN·m,最大不超过10000kN·m。而天津地下直径线盾构在软土地层中掘进刀盘扭矩为4000~8000kN·m,最大达到12000kN·m。
    另外,盾构在始发和到达过程中要切割混凝土咬合桩,需要盾构配备较大的刀盘扭矩。综合以上因素,增加1台变频电机和减速机,相应增加变频器、变频柜等,刀盘主驱动总计10个电机,功率共1800kW,刀盘额定扭矩增加至17420kN·m。
3.3冲刷系统
    盾构刀盘中心区域开口率小,渣土移动速度低,极易在刀盘中心处和主驱动轴承上形成泥饼,北京地下直径线工程盾构掘进过程中出现过刀盘中心区域结泥饼的现象。
    天津地下直径线泥水平衡盾构穿越的地层主要为粉质黏土、粉土、粉砂,地层中黏土矿物含量较高,盾构掘进过程中极容易形成泥饼。泥饼的形成对于盾构施工的进度有着重要的影响,在刀盘开      口率难以改变的情况下,增加冲刷系统是防止泥饼形成的重要技术手段。因此在刀盘中心区域增加泥水冲刷系统,系统详细参数如下:
    第一,刀盘背后增加6个冲刷口(EW10~EW15),其中4个冲刷口(EW12~EW15)置于刀盘中心主驱动位置附近,2个冲刷口(EW10、EW11)位于边缘区域,冲刷口的位置如图1所示。
    第二,增加1个增压冲刷泵(Warman,200m3/h,75kW,7.5bar),包括相应的阀、传感器和配电柜;冲刷系统具有手动和自动两种控制模式。
 
3.4泥水输入和排出系统
    天津地下直径线盾构穿越地层主要为粉质黏土、粉土及粉砂,细微颗粒较多,泥水分离困难。土体中的细颗粒增加了排出泥浆的密度,因此要求排泥泵的功率更大。为确保排泥正常,盾构能够正常掘进,对泥水泵和管路进行了如下改造:
    第一,增大排泥泵P2.1、P2.2、P3的功率,由原设计的350kW增大到500kW,且对泵的叶片和壳体进行耐磨处理。
    第二,进泥泵可泵送泥水最大密度由原来的1.10t/
m3改造到1.15t/m3,排泥泵可泵送泥水最大密度由原来的1.30t/m3改造到1.40t/m3
3.5其他改造
    除了3.1~3.4的改造外,还对PLC系统、泥水小车等方面进行了改造,改造内容如表3所示。
 
4工程应用效果
    天津地下直径线工程盾构隧道自2010年11月24日开工建设,2012年3月24日竣工,历时490d,日均掘进4.4m。盾构施工顺利,一次性掘进2146m,中途未换刀。增加的冲刷系统效果良好,有效防止了刀盘中心区域及主驱动轴承上结泥饼,盾构掘进过程中多次开舱检查未发现刀具严重磨损及结泥饼现象。选取557环~607环作为主要分析段,选取原因如下:分析段位于盾构区间中段,经过前半段的掘进,盾构施工过程较为稳定,参数有代表性;盾构隧道坡度较小,基本处于水平掘进的状态;盾构穿越土层为直径线工程典型的粉质黏土和粉土复合地层。主要分析参数数据包括:盾构推力、刀盘扭矩、供入泥水密度、排出泥水密度等。盾构PLC记录原始数据为一分钟一次,在施工过程中各个参数变化频率较大,因此在绘制图形时采用散点图的形式。对于同一环的数据,某个值的数据点越多,对应该点的颜色越深,反之亦然。盾构主要施工参数分布情况如图2所示。
 
    由图2可知:盾构施工过程中总推力变化范围为5000~7000kN;刀盘扭矩变化范围为4000~6000kN·m,最高达到12000kN·m;供入泥水压力2~6bar;供入泥水密度1.1~1.3tm3;排出泥水密度1.2~1.3t/m3左右。
    供入泥水密度均超过预期,供入泥水密度1.1~1.3t/
m3超过预估值1.15t/m3。说明盾构适应性改造过程中对于该参数的预估偏小,对黏土地层泥水分离困难预估不足,这也是导致盾构掘进速度偏低(4.4m/d)的主要原因。
5结论
   本文以天津地下直径线工程为基础,对黏性土层大直径泥水盾构的适应性改造技术进行了研究,最后结合天津地下直径线盾构施工参数,对改造后设备的适应性进行了分析,得出了以下结论:
   (1)泥水平衡盾构适应性改造应结合工程地质情况和工程条件来进行,重点考虑刀盘及刀具、主驱动配置、泥水循环系统、冲刷系统的适应性。
   (2)刀盘中心区域开口率小,渣土移动速度低,极易在刀盘中心处和主驱动轴承上形成泥饼,在刀盘中心区域增加泥水冲刷系统,可有效防止泥饼的形成。
   (3)泥水平衡盾构在黏性土层中掘进,泥水分离困难,为确保盾构能够正常掘进,根据天津地下直径线工程经验,应保证进泥泵可泵送泥浆密度不低于1.3t/
m3,排泥泵可泵送泥浆密度不低于1.4t/m3
文章来源:(中国知网)

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