泥水盾构机范文

泥水盾构机范文（精选7篇）

泥水盾构机 第1篇

武汉市轨道交通2号线12标盾构隧道工程,采用泥水平衡式盾构机进行施工。以下结合工程实际情况进行泥浆循环系统的选型计算,并将泥水循环系统的操作方法及常见问题处理进行简要分析。

泥水循环系统选型

流量计算

泥水循环系统流量计算主要考虑输送的泥浆的临界沉降速度,只有保证了管路内泥浆的流速高于泥浆的临界沉降速度,才能保证管路不堵塞。对于直径大于200mm的管路,临界沉降速度可以按凯夫公式计算:

式中VL临界流速,m/s;

d管道直径,m;

S渣土相对比重;

d50中值粒径,μm;

CV体积浓度%。

中值粒径d50。根据地质参数确定,表示粒径大于和小于此值的颗粒含量一样。

体积浓度CV表示泥浆中固体物体积占泥浆体积之比。

算出泥浆临界沉降速度后根据流量计算公式可得到临界沉降流量。

武汉轨道交通2号线12标使用的泥浆管直径为DN355mm,地质以粉细砂和粉质黏土为主,渣土的相对比重为1.9,渣土中值粒径为200μm,泥水分离设备分离过后的泥浆中值粒径为60μm,设计出浆比重为1.3g/cm3,进浆比重1.15g/cm3。有这些参数,根据公式(1)、(2)可得需要的进浆泵及出浆泵临界沉降流量QL进和QL出为:

可以看出流量的选择和泥浆颗粒粒径及比重、泥浆比重、泥浆管直径有很大关系。实际中以出浆流量为准,进浆流量要适应出浆流量。

泥水循环管路压力损失计算

泥水循环系统压力损失是确定泥浆泵型号的重要依据,除了高差造成的损失外,还主要包括管路的沿程损失和局部损失。即:

h=ρ混合物h高差+hf+hm (3)

式中p混合物进浆或排浆密度,kg/m3;

H压力总损失,MPa;

h高差管路进口到出口的高度差,m;

hf沿程水头损失,m;

hm管路局部损失,m。

沿程损失沿程损失是由于沿程阻力引起的水头损失,计算公式如下:

式中λ沿程水头损失系数;

l管道长度,m;

d管道内径,m;

v管路中泥浆流动速度,m/s;

g重力加速度。

泥水循环系统中泥浆都是在紊流状态下的阻力平方区流动,沿程水头损失系数公式:

式中Δ管壁绝对粗糙度,mm;对于旧的轻微锈蚀泥浆管取0.15。

局部水头损失局部水头损失是由于局部阻力引起的水头损失,泥浆循环系统计算中主要考虑泥浆管弯头及泥浆管路中的球板阀造成的损λ。实际计算中可以将这部分局部l失折算成一定长度的管路的沿程损失,相当损失(等效长)计算公式如下:

式中l等效管路中局部损失的等效长,m;

d管路公称直径,m;

n局部损失等效长度倍数,其中90°弯头取1、闸阀取12。

武汉轨道交通2号线12标泥浆循环系统从分离设备到隧道终点共计2400m。泥浆管上单线每60m安装1个闸阀,共40个闸阀,从盾构机开始单线管路上共有90°弯头15个。隧道最大埋深24m,泥水分离设备高15m。按照临界沉降速度进行计算,则根据公式(3)、(4)、(5)、(6)可得:

h进=ρ进浆h高差+hf进+hm进=-37m

h排=ρ出lξh高差+hf排+hm排=78m(6)

这些计算结果和实际情况基本相符合。

泥浆泵型号选择

泵选型主要根据需要的流量和压力,在流量和水头损失确定之后,就可以选择需要的泵。

泵的型号选定之后,根据实际情况,一般1个泵不能满足要求,需要在管路中增加中继泵,这就要考虑泵在管路中的布置,做到管路中压力均匀,防止因为管路压力过高造成泥浆管破裂。实际施工中,中级泵位置选择还要考虑安装位置的空间,电源位置等。

武汉轨道交通2号线12标泥浆泵配置如附表所示。

其中P1.1泵安装在泥浆站,P2.1泵安装在盾构机上,P3泵安装在第一个区间隧道进口竖井内,根据前面计算可以看出,泵的选型满足设计的施工需要。

泥水系统应用

泥水系统操作

掘进前开启分离设备泥水分离厂首先要进行调制浆工作,在盾构机开始掘进前,盾构机控制室电话通知泥水处理厂开启旋流器泥浆泵电机、振动筛电机等,否则会造成分离设备集渣槽溢浆。

旁通循环旁通循环是启动P1.1泵,P2.1泵开始旁通循环,泥浆管延伸到一定距离加设中继泵P2.2后,还要开启P2.2,打开旁通阀,关闭通往前方的进出浆阀,使泥浆通过旁通阀直接回到泥水场。

旁通循环之前首先要确认循环主回路上所有的阀门是打开的,特别是延伸泥浆管时,必须确认进/出浆管路上的手动闸阀是打开的。在刚开始旁通循环时,进浆泵(P1.1)、出浆泵(P2.1)和中继泵(P2.2)的功率应该缓慢增加,同时要密切关注泥浆管路的压力变化,特别是刚开始循环的时候我们应该加倍注意。因为在开始的时候泵的功率不高,如果管路有堵塞或阀没打开,管路的压力不会迅速上升,只要及时发现还可以避免爆管的危险。如果一直没有流量,也要检查是否有阀没有打开,或者检查P1.1泵是否出现抽空。在泵进、出口压力,管路压力以及流量正常后,再逐步加大其功率,通过调整泵的功率使P2.1泵进口压力与土仓底部的压力值相差不大,这样可以防止开阀时泥浆快速灌入泥水仓造成压力出现大的波动。在旁通循环的时候我们可使管路的流量比掘进时大,以更好地清洗泥浆管路。

掘进循环掘进循环时开启通往泥水仓的进浆阀和出浆阀,关闭旁通阀,使泥浆通过开挖面后回到泥水场。掘进循环有掘进和维修2种模式。掘进模式:调节3个泵的功率,使得在关旁通的瞬间,进出浆流量能基本相等,使气舱液位比较稳定,从而减少对泥水舱的冲击。由于在掘进期间,可能会出现突发情况,液位都会不同程度的波动,在掘进之前及掘进过程中要调节进出浆流量将其缓慢调整至50%左右。在掘进的过程中,如果出浆比重太高,则应停机循环直到进出浆比重相差不多时重新掘进,当掘进完成时,也应该循环到进出浆比重差不多时才能全部关闭通往前舱的阀门。维修模式:在这种模式下,所有球板阀可以任意开关,而不再受到系统的安全保护。所以,运用这种模式时,一定要谨慎,任何动作都要三思而后行。

泥水系统常见问题处理

进浆泵P1.1跳停发现P1.1跳停的时候,在立即打开旁通阀并同时停止运行P2.1,在旁通完全打开时依次关闭前面的出、进浆阀门。

出浆泵P2.1或P2.2跳停这时应该立即打开旁通阀并停止运行P1.1,在旁通完全打开时依次关闭前面的进、出浆阀门;P2.2跳停的处理方式与P2.1跳停相似。

泥水系统堵管当发现进/出前舱的泥浆管路不通畅时,必须在旁通模式下,用冲’、抽’2种方式将其逐个疏通:第一步,调节泵功率,将进浆管路压力调高(根据P2泵前的压力传感器判断),单个打开被堵塞的泥浆阀,在高压下冲击一段时间,密切观察前舱液位以判断管路通畅与否,如果还是堵塞,就需要进行第二步。第二步调节泵功率,将进浆管压力调低,依靠出浆泵,将堵塞管路抽吸一段时间,同样也要密切关注前舱液位。如此反复循环,可以达到清理堵塞管路的效果,但整个过程一定要聚精会神,特别是管路冲开的一瞬间,一定要及时做出反应,以免对前舱造成过大冲击。

球板阀故障如果出现球板阀关不住,应立即使用后方泥浆管上的闸板阀尽快封闭泥浆与前面舱里的通道,防止气垫仓出现满仓,然后慢慢处理故障。

系统漏浆系统漏浆一般有3种情况,一是软连接破裂。使用中如果浆液含沙石过多或者压力突然过大,就会造成软连接磨穿或者涨爆。可以在软连接内部增加一个钢套对其进行保护,同时需要在软连接外部增加防护设施,以防漏出的浆液喷到机器的电气等元件上。二是泥浆泵漏浆。泥浆泵漏浆一般有盘根处漏浆和泥浆泵磨穿2种情况。对盘根处漏浆可以采用复紧盘根压盖螺栓或者更换盘根解决,泥浆泵磨穿需要将泵拆下来使用奥氏体材料和高铬高钨耐磨材料交叉多层多道恢复到原始尺寸,焊接完成后还需要打磨平整,以防流动的浆液在不平处形成漩涡,造成泵很快再次磨穿。三是泥浆管漏浆。如果浆液含沙石较大,会造成泥浆管路磨穿,磨穿位置一般在管路弯头处。使用前可以在弯头内壁使用耐磨焊条焊接耐磨网格,外壁贴焊小块钢板将泥浆管加厚。

在泥水构施工中,泥水循环系统是盾构机的出渣系统,在施工中至关重要。泥水循环系统要根据需要的流量及压力进行选型。泥浆流量的大小要根据渣土的中值粒径及泥浆比重来决定。施工中泥浆比重过大会造成出渣困难,要控制泥浆比重,泥浆比重过大时就要加大泥浆流量,提高掘进速度时也要相应加大泥浆流量。泥浆系统压力主要根据沿程损失、局部损失及高差来定。

泥水式盾构机分类及施工方法探讨 第2篇

关键词：泥水式,盾构机,分类,施工方法

一、泥水式盾构机发展有历程

泥水式盾构机的发展有三种历程, 即日本历程、英国历程和德国历程。到目前则只有日本和德国两个主要的发展体系。日本的发展历程导致当今的泥水盾构, 德国的发展历程导致水力盾构。以日本的泥水盾构为基础发展了土压平衡盾构, 而德国的水力盾构导致很多不同的机型, 如混合型盾构, 悬臂刀头泥水盾构及水力喷射盾构等。德国和日本体系的主要区别是, 德国式的在泥水舱中设置了气压舱, 便于人工正面控制泥水压力, 构造简单;日本式的泥水密封舱中全是泥水, 要有一套自动控制泥水平衡的装置。

二、泥水式盾构机分类

(一) 泥水盾构 (日本体系) 。

日本泥水盾构流体动力学的发展以及它们大量应用是由于日本沿海城市的地质特征。经常是水平层理并由江河及大海沉积物形成。泥水盾构是为在砂土及淤泥中应用设计的, 在很粘的粘土中应用受到限制, 会导致孔口的堵塞。密实的卵石层则需要增加力矩克服作用于刀盘上的摩擦力。在小直径机器中由于增加力矩而考虑设置相应的驱动装置就非常困难。泥水盾构的主要特征是支护液的类型 (正常时是粘土悬浮液) 、刀盘设计及控制支护液压力的方法。泥水盾构的刀盘是扁平设计的, 而且几乎是封闭的, 这样一来也能提供机械的开挖面支撑。为搬掉障碍物等, 通往隧洞开挖面的通道只能经过几个开口, 它们在运行时是被封闭的。通常刀具及齿具均为双排幅射布置, 刀盘可在任一方向转动。土料经过窄长而平行的刀盘面开口进入开挖室, 这些开口被调整到既能通过尽可能大的土石块, 又能限制水力输运管道所不能通过的块体。

(二) 水力盾构。

与日本的地质条件相比, 在欧洲则不同地点差异很大, 因而水力盾构的基本原理对地质的适用范围就更灵活。水力盾构适于所有松散地层, 如加装另外的装置还能用于岩层。几乎所有的水力盾构都以Wayss&Freytag开发的为基础。除了设计并建造第一台样机 (HamburgWilhelmsburg 1974) 外, 该公司还在德国及德国以外实施了很多成功的工程。水力盾构很突出的部分是用沉浸墙隔离开挖室 (在液体支护的隧洞开挖面附近, 支护压力由后腔的气囊调整) 以及有单独固定幅条的开式星型刀盘。另外不同于日本泥水盾构的是采用水-膨润土悬浮液, 这更适合欧洲的地质情况。采用膨润土与在隧洞开挖面形成滤饼是相联系的, 所以此型盾构也称之为膨润土盾构。

(三) 混合型盾构中的水力盾构形式。

在水力盾构基本概念的基础上, 设计了一种根据地质变化情况而进行开挖面支撑方式转换的混合型盾构。混合型盾构可转变成泥水模式、土压平衡及压缩空气模式等。在盾构机运行过程中根据需要可以完成从一种模式到另一种模式的转换, 因而其应用范围较广。在已有的混合型盾构的工程应用例子当中, 大多数都是运行在水力盾构模式下而无需转换到别的模式, 所以也习惯地将它们归类为或称之为水力盾构。

(四) 悬臂刀头式泥水盾构。

悬臂刀头式泥水盾构是泥水支撑和部分断面开挖的组合。可伸缩的刀头悬臂装在密封承压隔板中部, 当绞刀头接触到岩土层时, 通过人工或自动控制操作进行开挖面开挖动作。开挖出的土料通过刀头的开口及悬臂内管道以泥水状态输出。刀头的开口尺寸与泥水输出管道尺寸相匹配, 不适于管道输送的较大尺寸土石块被刀头开口阻挡。如必须进入开挖室进行修理工作或搬掉障碍物时, 可以部分或全部地降低悬浮液或用压缩空气进行置换, 其适用的地质范围与水力盾构一样。在开挖室沿盾壳内侧布置多个可单独进行液压控制的支撑胸板, 当胸板被顶推起来时可在盾构前方将其封闭。盾构底拱设有一石料闸室, 直径小于500mm的石头无需进入开挖室区域即可搬除。此盾构机运行时的特点是对膨润土悬浮液支撑压力的调整及控制。停机时, 调整控制压力有如水力盾构, 即用气垫 (气囊) 和气舱。而运行时压力控制则有如泥水盾构, 通过泥水输入输出泵的自动控制进行调节。为此, 开挖室内悬浮液的压力通过压力传感器监测, 然后与计算参考值比较并作相应改变。

(五) 用于顶管的泥水式盾构。

为了把水力盾构原理的优点用于小直径隧洞, Wayss&Freytagh公司开发了此种盾构的简化形式。其目的是设计一种刀盘外径在2m以下适于各种松散并承水地层中顶管的盾构机。经承压隔板通往开挖室, 采用圆型闭锁门。承压隔板处无空间用于刀盘驱动装置, 所以把它置于沉浸墙, 这样驱动装置便在支撑悬浮液中运转。所有后部闸门都设计成能保证可更换被损坏的驱动装置的最小的尺寸。由刀盘作用于驱动轴的力应特别考虑, 翻转力矩及横向力与扭矩有关, 此扭矩应能通过驱动装置发生的最大液压力加以控制。沉浸墙也应承受刀盘上增加的轴向力, 由推进力产生的纵向力可以用沉浸墙的弹性弯曲来测量并控制。

三、盾构施工方法

根据盾构机不同的分类, 盾构开挖方法可分为:敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动, 可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层, 然后在切口内进行土体开挖与运输。

(一) 敞开式施工方法。

手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖, 这种方法适于地地质条件较好, 开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况, 其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差, 还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。采用敞开式开挖, 处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。为尽量减少对地层的扰动, 要适当控制超挖量与暴露时间。

(二) 机械切削式施工方法。

指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏, 大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条件。大刀盘开挖方式, 在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外, 清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构, 机械构造复杂, 消耗动力较大。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构, 均采用这种开挖方式。

(三) 网格式施工方法。

采用网格式开挖, 开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。当盾构推进是, 土体就从格子里挤出来。根据土的性质, 调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时, 在所有千斤顶缩回后, 会产生较大的盾构后退现象, 导致地表沉降, 因此, 在施工务必采取有效措施, 防止盾构后退。

(四) 挤压式施工方法。

全挤压式和局部挤压式开挖, 由于不出土或只部分出土, 对地层有较大的扰动, 在施工轴线时, 应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时, 要精心控制出土量, 以减少和控制地表变形。全挤压式施工时, 盾构把四周一定范围内的土体挤密实。

四、结语

盾构机问世至今已有近180年的历史, 其始于英国, 发展于日本、德国。近30年来, 通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术, 如盾构机的有效密封, 确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内, 刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换, 对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决, 使盾构机有了很快的发展。

参考文献

[1].胡胜利.泥水式盾构机—盾构机系列讲座之三[J].建筑机械, 2000

[2].陈馈.浅谈盾构机的应用及发展前景[J].建筑机械化, 2004

[3].崔国华.盾构机的研究现状及发展前景[J].矿石机械, 2006

泥水盾构机 第3篇

关键词：泥水平衡,盾构机,适应性改造

由于隧道施工过程中,由于施工现场的土层存在一定的差异性,加之盾构设备具有相应的定制性,使得盾构设备在施工过程中可能会存在一定的不适应性,因此,对不适应施工现场的土层盾构机进行改造,就成为现阶段施工单位必须要面对和解决的问题,所以只有对盾构机适应性进行改造,才能有效保证工程项目施工顺畅。

1 工程概况

广州地铁十四号线某工程是全断面且硬质的粘土层,在这种地层的施工经验相对较少。而本工程中所使用的盾构机是广州地铁六号线某工程和广州地铁九号线某工程隧道施工中使用过的海瑞克泥水平衡盾构机,而该盾构机能够很好的对灰岩层以及超粉细沙土层进行穿越,然而广州地铁十四号线某隧道工程的土层是硬质粘土层,所以就需要对该盾构机的实际适应性进行改造,进而满足工程施工要求[1]。

2 盾构机刀盘改造

2.1 刀盘改造思路

在对盾构机设备进行维修养护期间,为避免刀盘前部区域出现泥饼,就需要使用加大流量分配的方式来对其进行改造和完善。简单来说,就是在保证盾构机中心位置的回转接头不发生改动,不增加冲刷流量的基础上,分时、分步地对刀盘进行冲刷。所以按照这一改造思路,在其原本盾构机刀盘的基础上设计了与之配套的刀盘冲刷系统。

2.2 冲刷系统的设计

在盾构机刀盘中的6个主臂都设置相应的冲刷装置,共计24个,并且将刀盘中心位置上原来的冲刷装置进行保留,同时将中心道具进行更换,在其周围安置相应的冲刷装置,实际设计情况如图1所示。

2.3 对冲刷装置进行优化

在对刀盘冲刷系统改造完成以后,调试期间发现,虽然实现了冲刷分时、分部的冲刷,然而实际冲刷力度不能满足实际需求,使得冲刷效果并不是十分理想。基于这种情况的实际存在,就需要对刀盘中的冲刷喷头的实际形状以及喷头尺寸等方面进行相应优化,进而满足冲刷的要求,更符合刀盘改造要求。

(a) 1-1剖面;(b) 2-2剖面

3 故障分析以及改造思路

在对刀盘进行改造以后,使用盾构机进行施工后发现,通常情况下要按照掘进土层的实际情况以及盾构机设备运行状况来对相应参数进行设置,如,刀盘的速度要保证在1 rad/min,实际贯入度要控制在5～15mm/rad,设备向前的推进速度要在5～15mm/min,刀盘扭矩要设定在0.8～1.5MNm,对于泥水循环流量来说其速度要保证在每小时250～500m3,实际进浆比重要控制在1.10～1.15左右,粘度要在23s左右。而盾构机在向前推进过程中,机体排浆泵的吸口经常会出现负压,并且很难对泥浆循环的实际流量进行控制,施工效率相对较低,并且循环系统也出现了排渣不顺畅的表现。导致这种现象的原因与很多,下面就对这些原因以及相应的改造思路进行分析。

3.1 盾构机自身格栅过小

3.1.1 原因分析

由于该工程隧道中的土层全部都是粘土土层,因此盾构机就会处在这种地层中进行施工,这样以来就会使气泡舱内部产生一定量的堆积,加之原本的气泡舱内的孔径较小,只有17cm×17cm的大小,因此就会阻碍渣土的有效通过,进而导致阻塞现象[2]。

3.1.2 解决思路

将原来的栅孔加大到25cm×25cm,使筋板宽度降为原来的1/3左右,这样就能够使渣土通过保证盾构机排渣顺畅。

3.2 碎石机动作过慢

3.2.1 原因分析

因为盾构机内部的气泡舱的实际空间较小,加之粘土层自身的粘度较大,这样在推进过程中就需要提升搅拌的速度,保证推进效率,实际上碎石机的实际摆动速度只有6r/min,而这一速度根本不能实现良好的搅拌效果。

3.2.2 解决思路

在盾构机掘进期间,可以先不要直接使用碎石机,应该在出现堵塞状态时,在使用碎石机。

3.3 气泡舱内的冲刷

3.3.1 原因分析

导致泥水循环系统补偿以及排渣受阻碍的根本原因就是因为掘进后产生的粘土块大量堆积在气泡舱底部,使得排浆泵吸口被堵住,进而产生排渣不畅的现象发生。

3.3.2 解决思路

在其排浆泵吸口周围安装相应的冲刷系统,消除渣土堆积的情况。因此增加冲刷系统的这一方法,也是现阶段提升掘进速度以及保证泥水循环系统的有效手段。

4 对冲刷系统进行设计

在九号某线隧道工程中使用的盾构机,并没有在排浆泵吸口位置上安装相应的冲刷系统,只是在舱内膨润土喷嘴、格栅、闸门处安装了相应冲刷系统,因此为了保证改造思路的有效性,就可以在泥浆管路上再接一条冲刷管线,添加一台泥浆泵,并使用较大流量的泥浆,对新格栅位置进行冲刷,减少这一区域内粘土的堆积,将大块粘土变成小块粘土,进而有效对循环系统不畅以及排渣不顺利的现象进行解决。

5 二次改造

在第一次改造方案制定完成以后,施工单位进行了大量的市场调查后发现,现阶段我国国内没有能够满足这一设计要求的排浆泵,因此为了保证施工顺利,不得不进行相应的改造。这次改造过程中,对原来改造设计思路进行了调整,将泥浆泵换成清水泵。对比这两种泵可知,清水泵不仅具有增压特点,并且在多级增加泵体中其体积相对较小,加之水自身的密度比泥浆低很多,其中没有杂质等所以在循环过程中不会对冲刷管道进行堵塞,因此只需要在设置一条连接地面和盾构机的水管即可,就能够为盾构机提供充足的水源保证施工需求。

6 三次改造

在二次改造以后,盾构机左侧的两个5级加压泵加压到1MPa时,水循环流量就可以达到280m3/h。而右侧是独立的四个冲刷系统,每个加压泵都是7级,单体流量是70m3/h,将地面与盾构机两级加压以后,就可以是压力达到2MPa以上。但是在实际应用过程中发现,其中有一部分设计不能够很好的实现,因此就需要进行第三次改造。首先,要将碎石机内的碎石夹具打开后挂起,对开水枪枪头和格栅之间的位置,进行冲刷。其次,取消格栅。虽然对盾构机中的格栅栅口进行了增大,但是气泡舱的空间是固定的不变的,因为空间过小,使得有将近0.5m左右的距离不能进行有效冲刷,所以冲刷效果非常不理想。因此根据这种情况的真实存在,决定将格栅去除,并在吸口处设置相应的分隔线,避免较大块的粘土块进入到管道中,使泵体出现损坏或者是堵塞管道的情况发生。此外还要对喷口压力以及喷口尺寸等方面进行合理确定,只有这样才能够提升盾构机决定速度。

7 结束语

总而言之,随着我国社会经济水平的发展,城市化建设进程的加快,都推动了隧道工程的施工建设。在其施工建设过程中,必将会使用到大量不同型号不同功能的设备,而泥水平衡盾构机就是其中的一种,然而由于施工现场土层情况的不同使得盾构机的适应性相对较差,因此就要根据实际情况对设备进行改造,进而保证设备能够符合工程施工要求标准,促进施工效率和水平的提升。

参考文献

[1]舒璐.硬塑粉质粘土地层中的土压平衡盾构掘进技术[J].建筑机械化,2015(10):67-69.

泥水盾构机 第4篇

1 刀盘驱动部滑动系统原理

刀盘驱动滑动系统是由人机界面进行操作, PLC系统进行控制, 运用液压传动原理, 通过滑动油缸作用于刀盘驱动部整体结构上, 使其沿盾体轴线方向在切口环内表面前后滑动, 通过锁紧油缸带动制动块实现对刀盘驱动部滑动装置制动功能, 是集机械、液压、电气、自动化控制技术的一体化装置。该装置与传统的盾构机驱动部相比较, 传统盾构机驱动部与切口环无相对运动, 驱动部外周设置2道~4道高强度唇形密封, 唇口紧贴切口环内筒体表面, 通过向驱动部密封腔内注入齿轮油、液压油或润滑油脂, 保证其密封效果。而具有滑动功能的刀盘驱动部装置, 驱动部外周安装滑动轴套, 并在滑动轴套和前后密封填料内设计润滑油脂通道, 通过向其注入润滑油脂, 保证其润滑性和密封性。

2 泥水盾构刀盘驱动部滑动装置的设计

随着盾构施工技术的不断进步与发展, 长隧短打的方式正在逐渐淘汰, 盾构机单次掘进长度大大增加, 以及地质条件的复杂多变, 这对盾构机的适应性与可靠性提出了更高的要求, 优化创新设计显得尤为重要。根据南京市纬三路越江隧道工程特殊地质情况及工程特点, 对盾构机优化设计, 合理利用盾构机内部空间, 在盾体内设计增加刀盘驱动部滑动系统, 在盾构施工生产中该系统发挥着不可替代的作用。下面从刀盘驱动滑动系统的机械结构、液压系统、电气控制方面进行分析。

2.1 机械结构设计

刀盘驱动部滑动装置位于盾构切口环与承压环内部, 上、下滑动接触面为水平面, 左、右为对称圆弧面。为满足驱动部能够在盾体轴线方向相对滑动功能的要求, 在结构制作过程中, 要保证加工精度在设计要求范围内;而且由于刀盘驱动部负荷重、直径大, 对润滑系统提出了较高要求。在驱动部外周前后密封填料内及滑动轴套上, 设计5排润滑油脂注入孔和压力检测孔, 并将润滑油脂孔合理分配至驱动部外周 (见图1, 表1) 。通过油脂供给泵可将油脂沿通道均匀注入驱动部外周表面。在实际应用中, 润滑油脂具有冷却及防锈作用, 还可以降低滑动面之间的摩擦, 减少磨损, 延长刀盘驱动部滑动装置的使用寿命。

在油缸配置方面, 刀盘驱动部滑动装置包括滑动油缸和锁紧油缸两种。滑动油缸规格型号:4 000 k N×150s×35 MPa×24 No, 所有油缸左右对称布置在驱动部电动马达下方, 油缸一端作用于驱动部上, 另一端作用在承压环内垂直水平梁上, 通过铰接进行连接, 在连接销上安装止脱板, 防止定位销脱落。锁紧油缸位于滑动油缸活塞杆上, 其规格型号:17 k N×280s×14 MPa×24 No, 锁紧油缸一端安装制动块, 通过制动块与滑动油缸之间相对位置, 实现其制动功效, 见图2。

2.2 液压系统设计

刀盘驱动滑动装置液压系统与盾构机推进系统共用液压泵单元, 通过电磁液压换向阀进行推进模式与滑动模式之间的转换。对刀盘驱动滑动系统操作、分别进行液压滑动油缸及滑动锁油缸的动作, 从而实现刀盘驱动装置的滑动功能。1) 滑动油缸设计。液压系统由24个滑动油缸组成, 分为6组, 各组液压油路并联, 每组4个油缸由电磁换向阀进行方向控制。当电磁换向阀工作时, 油缸动作并作用于刀盘驱动部结构上。在滑动油缸液压系统中, 最大溢流压力为35 MPa, 设计液控单向阀及单向阀, 使油缸运行平衡, 减小外部冲击对刀盘驱动滑动装置的干扰, 从而保证液压系统的安全性、稳定性、可靠性。另外, 在调试滑动油缸时, 可将排气端常闭截止阀打开, 待油缸动作平稳无残余气体时, 再将其关闭, 避免液压油中混有空气, 减少外部因素对液压系统的影响, 液压原理见图3。2) 锁紧油缸设计。锁紧油缸与滑动油缸数量相对应, 每个油缸油路并联, 由电磁换向阀单独进行控制, 通过锁紧油缸带动制动块对滑动油缸制动控制。另外, 在液压油路中安装减压阀, 保证锁紧油缸液压系统压力安全可靠。

2.3 电气控制设计

刀盘驱动部滑动装置PLC控制采用三菱Q系列PLC模块, 应用CC-Link网络技术。通过CC-Link专用电缆可将I/O模块、智能功能模块和特殊功能模块进行连接, 由PLC CPU程序控制, 从而实现主站和远程站之间的通讯。充分利用其开放性现场总线特点, 提高网络的可靠性, 简化接线工作。PLC模块主站和远程站CC-Link网络接线见图4。CC-Link网络系统采用型号为AJ65SBTB1-16D, AJ65SBTB2NA6R远程I/O站执行外部设备输入和输出, AJ65SBT-64AD远程设备站执行外部模拟数据量交换。通过CC-Link将远程站与主站连接进行网络刷新通讯。本地控制可将触摸屏与主站QJ71C24N-R4功能模块进行连接;远程控制通过MELSECNET/H网络系统, 由中控室人机界面操作。

3 刀盘驱动部滑动系统的运用

3.1 准备工作

刀盘驱动滑动装置在实际运用过程中, 需综合考虑掘进参数及泥水指标等影响因素。操作前, 先将刀盘扭矩调至最大脱困扭矩, 并使刀盘旋转速度最低, 避免对掌子面土体扰动过大, 然后再开启液压及其他辅助系统装置。

3.2 操作顺序

1) 推出刀盘驱动部。选中1区~6区滑动油缸, 使刀盘驱动部向开挖侧滑动10 mm。在动作运行中, 控制各组油缸行程差在设定值范围内。2) 解除制动限制。动作24个锁紧油缸, 使其退回且限位指示灯全部亮起后, 锁紧油缸自动停止工作。此时, 已解除对滑动油缸动作限制。3) 退回刀盘驱动部。将1区~6区滑动油缸向盾尾方向整体滑动100 mm, 待操作过程结束后, 关闭液压及辅助系统装置。反之操作, 可将刀盘驱动部推出至基准位置。

4 结论与体会

通过对盾构机刀盘驱动部滑动系统的设计制造及工程实际运用研究得知, 运用刀盘驱动部滑动功能特性, 使刀盘整体脱离掌子面土体。不仅在刀具更换过程中, 给新刀具留有足够的余量, 减小刀具安装阻力, 为换刀人员快速、高效作业提供必要条件;而且可在盾构施工中作为刀盘脱困应急方案。当刀盘扭矩达到上限时, 利用刀盘驱动部滑动系统, 可减少掌子面土体作用在刀盘上的扭矩, 使盾构机快速恢复到正常掘进工作中。在南京市纬三路越江通道施工过程中, 刀盘驱动滑动系统起到至关重要的作用, 是整个盾构机不可或缺的系统, 以实践证明该系统取得成功。

摘要：以国外泥水盾构机国产化研究为背景, 对大型泥水平衡复合式盾构机系统中刀盘驱动滑动装置进行了研究, 总结了刀盘驱动滑动装置的优点, 指出其不仅可以在常压及带压条件下更换刀具时发挥作用, 还可以在应急情况下进行泥水盾构机刀盘脱困, 从而保证了盾构机能够顺利进行盾构施工, 使隧道早日贯通。

关键词：盾构施工,大型泥水盾构,刀盘驱动部滑动装置

参考文献

[1]Remo Grandori.深埋、复杂地质条件下大直径隧道TBM的设计进展与创新[J].隧道建设, 2012, 32 (1) :1-4.

[2]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.

[3]邓勇, 齐梦学.硬岩掘进机施工技术及工程实践[M].天津:天津大学出版社, 2010.

[4]陈韶章, 洪开荣, 张弥.复合地层盾构设计概论[M].北京:人民交通出版社, 2010.

[5]郭陕云.对盾构 (TBM) 技术运用及开发的几点认识[J].隧道建设, 2008, 28 (6) :631-637.

[6]《机械工程师手册》编委会.机械工程师手册[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[7]王益群, 高殿荣.液压工程师技术手册[M].北京:化工工业出版社, 2010.

[8]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2008.

泥水盾构刀具磨损机理分析 第5篇

我国自20世纪90年代起开始采用盾构法修建各类隧道。泥水盾构施工优质高效、安全可靠, 对周边环境干扰小, 适合于在高水压、高渗透、浅覆盖及不稳定地层等复杂地质条件区域施工, 使用日渐增多[1]。泥水盾构需长距离掘进, 且换刀条件差, 刀具磨损问题已经成为大直径盾构隧道掘进过程中面临的突出问题。因此, 研究大直径泥水盾构掘进过程中刀具磨损问题, 以减小盾构刀具磨损, 避免因刀具磨损失效带来的事故, 有利于确保盾构隧道工程经济、安全、高效、顺利的完成。

2 切刀的基本切削过程

泥水盾构切刀的基本切削过程是:随着盾构的推进和刀盘的旋转, 切刀逐渐插入泥膜, 开挖面被切削土体在刀刃及前刀面的双重作用下, 发生变形并承受较高应力, 一旦应力值超过土体本身的强度, 该部分土体将在刀刃附近与原土体分离, 并在切刀继续切削的过程中因前刀面的导流作用从原土体脱离开来, 成为切屑, 进入泥水盾构刀盘前部的泥浆之中。切刀的切削过程示意图见图1。

切刀切削土体过程中, 被切削土体产生的变形可以大致区分为3个变形区[2], 如图2所示。变形区I是切刀刀刃及后刀面部分随着盾构的推进和刀盘的旋转对土体产生挤压作用造成的变形区。变形区II主要是前刀面前部的土体由于切刀切削时前刀面对被切削土体产生的外推的作用而造成的剪切变形区。变形区III是随着切削的进行, 被切削脱离原土体的切屑向外流动时与切刀前刀面之间产生挤压而造成的变形。

从切刀切削土体的过程来看, 土体对切刀的磨损可以区分为两个类型:第一类是切刀切削土体时刀刃部分与被切削土体直接接触、摩擦而使得刀刃变短变平的磨损, 这类磨损的持续进行将对刀刃的切削效果产生直接影响, 称为一次磨损。第二类为被切削下的土体, 即渣土, 流动离开被切削地层时对刀具的磨损, 称为二次磨损[3]。

切刀切削土体时, 被切削土体的破坏是由土体中剪应力超过土体强度极限造成的, 土体沿最大剪应力面发生破坏。对被切削脱离的土体及刀具进行受力分析, 可以发现刀具的磨损受土体物理性质、刀盘旋转速度、刀具切削时的切深影响很大。

当泥水盾构的切刀刀刃磨损后, 刀刃倒角变大, 摩擦加剧, 致使切刀切削时的阻力增大。切刀的刀刃磨钝之后, 刀具磨损面与所切削土体之间的挤压力增大, 刀具磨损面与被切削土体间的摩擦力也会增大, 从而导致刀具磨损速度的加快。

3 泥水盾构切刀磨损与地层特性关系

切刀切削不同土体时, 切削状态是不一样的, 切削产生的渣土形态及其流动方式均不相同, 与地层性质、刀具参数 (前、后角) 、切削速度及切削深度等有关。刀具开挖土体时产生的渣土流动形式主要有4种, 如图3所示[4]。

对淤泥、富水黏土、粉土以及粉细砂地层而言, 非常适合采用泥水盾构施工。此类地层的特点是土体强度较低, 切刀切削土体时, 被切削土体在刀刃进给的作用下发生较为连续的剪切变形, 切削下来的渣土沿着切刀前刀面向外流动, 即为流水型切削。这种情况下, 切刀所受的切削阻力较小而且较为稳定, 切刀的磨损主要表现为正常磨损, 一般不容易发生崩刃等现象, 切刀可以使用较长的距离。

当泥水盾构在强度比较高的黏土、粉土地层掘进切削时, 主要发生剪切型的切削。切刀切削土体时, 土体产生压缩变形, 当土体所受剪应力超过承受极限时, 土体会在以刀刃为起点的某个斜面产生剪切破坏, 导致土体从被切削地层脱落。

当泥水盾构在高强度、低含水量的黏土、粉土地层或者高胶结强度、填充密实的砾砂地层掘进切削时, 由于土体自身强度较高, 被切削土体在切刀的挤压作用下先产生压缩变形, 但并不立即发生破裂, 仍然维持相对完整的形状, 当被切削土体所受应力随着切刀的继续切削而超过土体自身强度时, 裂纹产生在刀刃处, 被切削土体随即破坏。断裂型切削实际上是剪切型切削的特殊形态, 不同之处在于断裂型切削产生的土渣较剪切型切削的更小。

当泥水盾构在普通砾砂及砂卵石地层掘进时, 由于土体颗粒的粒径较大, 而粘聚力较小, 切刀切削时所起的作用并非切削, 而是松动地层, 从土体中把砾石、卵石等的大颗粒剥离出来, 也即切刀在该地层主要发生剥离性切削。

被切削土体的破坏形态及切削下来的土渣的流动形式与土体发生破坏时的受力状态有关。流水型切削、剪切型切削、断裂型切削中被切削土体破坏是由剪切变形导致的塑性破坏, 而在剥落型切削中, 拉伸变形是导致被切削土体发生脆性破坏的主因。土屑流动形态受切削土体参数、切削速度和切深等因素的影响, 因此, 在同一地层切削时, 不同的掘进参数、不同的刀具参数会改变切刀切削时渣土的流动方式。

4 不同地层条件下刀具的磨损机理

切刀切削时, 土体中的硬质颗粒使切刀刀刃逐渐损耗, 导致切刀磨损, 随着切削的进行, 磨损愈加严重, 切刀的刀刃慢慢被磨平, 如果切削继续进行, 则会进一步磨损刀体。这样的磨损是切刀在切削中最常见的磨损状态, 称之为正常磨损。工程实践证明, 一般情况下切刀的正常磨损较慢。

当泥水盾构在淤泥、黏土、粉土等地层中掘进时, 以流水型、剪切型切削为主, 刀刃通常为正常磨损, 后刀面的磨损也很轻微, 在此类地层掘进时, 刀具可采用大前角、小后角的设计, 并在切削中采用较高的刀盘转速, 这样既可以减小推进阻力又能降低推进扭矩, 从而提高了掘进效率。

切刀在粉细砂地层切削时, 刀具的磨损同样主要为正常磨损, 但该类地层中石英等硬质颗粒含量高, 在切刀后角比较小的情况下, 切屑的流动会对后刀面造成较为严重的磨损, 即二次磨损 (见图4) 。在此类地层掘进时, 切刀的后角要比在淤泥、黏土、粉土地层切削时取得更大。

当泥水盾构在砾砂及砂卵石地层掘进时, 对刀具的磨损十分严重[5]。此类地层中, 不但切刀的正常磨损速度很块, 而且后刀面的磨损速度也远大于在前述两类地层中掘进时的情况。当后刀面被磨损到一定程度是, 会造成刀刃与刀体的连结强度降低, 进而导致刀刃的脱落。切刀在此类地层工作, 面临的另一个严重问题是刀具极易出现刀刃崩裂的现象。由于此类地层中硬质颗粒的体积大、强度高, 切刀切削时对刀刃的冲击较大, 加之本地的以剥落型切削为主, 被剥离的砾石、卵石不但会对刀具造成严重的二次磨损, 而且它们被剥离原土体坠落的过程中有可能会撞击其他刀具, 容易导致其他刀具因冲击而破坏 (见图5) 。

切刀在此类地层中切削时, 要适当地降低刀盘旋转速度, 尽量避免切刀以较高的速度切削地层时与地层中的砾石、卵石发生撞击, 同时, 考虑到刀刃在该地层很容易与各种大体积硬质颗粒相碰, 切刀的刀刃要适当钝一些, 以增强抗冲击能力。

5 结语

盾构刀具切削不同类型地层时, 刀体受力及切削下来的土渣流动情况均不相同, 对刀具的磨损机理也不一样。当泥水盾构在淤泥、黏土、粉土等地层中掘进时, 刀刃的磨损为正常磨损, 且磨损轻微;在粉细砂地层切削时, 刀具的磨损同样主要为正常磨损, 但该类地层中二次磨损较为严重, 有可能导致刀具合金齿脱落;在砾砂及砂卵石地层切削时, 刀具的正常磨损速度快, 二次磨损严重, 可能导致刀刃与刀体的连结强度降低, 进而导致刀刃的脱落;地层中的大块硬质颗粒会对切刀产生较大冲击, 致使切刀刀刃崩裂;被剥离的砾石、卵石不但会对刀具造成严重的二次磨损, 还有可能会撞击其他刀具, 导致其它刀具因冲击而破坏。

切削不同地层时, 盾构刀具所用材料硬度及抗弯强度应当有所选择, 刀具的参数及合金与刀体连结工艺也应有所不同, 以达到较好的切削效果, 降低刀具磨损。在砾砂及砂卵石地层掘进时, 在满足施工进度要求时, 刀盘转速、掘进速度、锥入度都应该尽量取小, 以降低刀具磨损;为降低渣土对刀具二次磨损的同时防止泥浆中硬质颗粒对刀具的二次磨损过大, 泥浆密度要保持在一定的范围内。

参考文献

[1]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.

[2]何伦.盾构施工工艺及刀盘刀具切削机理的研究[D].广州:华南理工大学, 2003.

[3]欧阳涛.盾构典型刀具组合破岩受力特性研究[D].长沙:中南大学, 2011.

[4]黄清飞.砂卵石地层盾构刀盘刀具与土相互作用及其选型设计研究[D].北京:北京交通大学, 2010.

大直径泥水盾构曲线接收技术 第6篇

天津西站至天津站地下直径线工程盾构隧道采用大直径泥水加压平衡式盾构机进行施工, 盾构机直径φ12 m, 盾构机总长约为57 m。隧道采用9块管片 (6A+2B+K) 错缝拼装, 管片外径φ11.6 m, 隧道内径φ10.6 m, 管片厚0.5 m, 环宽1.8 m。

2 小半径曲线接收技术

2.1 盾构姿态控制

盾构按照设计轴线掘进, 要不断纠偏。若要严格控制在设计曲线段掘进的偏差值, 则需连续进行纠偏, 曲线段掘进其实为一段段连续的折线纠偏推进。

隧道设计曲线半径越小, 盾构机越长, 需要纠偏量越大, 盾构掘进轴线就越难以控制和保证。工程采用的泥水盾构机全长约57 m, 直径12 m, 对于600 m的半径曲线掘进来说, 是一个很大的挑战。

(1) 盾构机在进入600 m的小半径曲线段前, 先进入缓和曲线段。在缓和曲线段施工过程中, 要提前调整盾构机姿态, 使盾构机以良好的姿态进入小半径曲线段内。

(2) 纠偏过程需遵循“勤纠缓纠”原则。切勿一次性纠偏过猛, 过量调整盾构姿态, 以免破损已成型管片和盾尾密封。

(3) 纠偏过程中, 左右两侧推进油缸油压差值不能过大。过大的压力作用于管片上, 会导致管片破损碎裂等现象。成型隧道管片两侧受力不均, 一定程度上会导致管片变形或产生破损。

(4) 纠偏过程中, 盾构机操作手要严密控制, 时刻关注, 以保证盾构姿态控制在设计轴线允许偏差范围内。

2.2 管片拼装质量的控制

2.2.1 盾尾间隙的控制

在小半径曲线段内掘进, 盾构机要不断地进行纠偏, 在背向纠偏方向的盾构机盾尾间隙会呈减小的趋势, 从而影响管片的拼装。盾构姿态纠偏是一个勤纠、缓纠过程, 不能纠偏过猛而导致盾尾间隙的极度不平均。尤其在小半径曲线段内掘进时, 纠偏过程更要循序渐进。

管片在设计生产时存在楔形量, 标准块A1、A2管片间楔形量最大, A5、A6管片间楔形量最小, 在管片拼装过程中, 可通过管片间的楔形量来调整盾尾间隙。把楔形量最大的管片 (A5、A6) 拼装至盾尾间隙小的一侧, 可以起到适当调整盾尾间隙的作用。

2.2.2 管片拉紧装置

盾构机抵到接收井洞门地下连续墙后, 停机等待凿除洞门, 洞门凿除后继续推进时, 盾构机前方已没有支撑力的作用。管片拼装时, 千斤顶油缸没有足够的压力来压紧管片, 成型管片容易产生较大的缝隙, 故在盾构机出洞前数环加设管片拉紧装置, 以保证隧道成型管片隧道的质量。

盾构机在出洞前11环管片采用钢板与圆钢进行焊接并固定于管片预埋件上进行纵向连接, 使成型管片形成一个整体。每块管片都采用圆钢进行焊接连接。管片在圆钢的作用下连接成一整体, 从而起到加固管片的作用。

采用200 mm厚的钢板提前加工好固定装置, 将环向螺栓穿入至预先加工好的圆孔内, 拧紧螺栓将其固定牢靠。其具体尺寸见图1。

钢板加工高度为高出管片手孔2 5 m m, 采用φ22 mm的圆钢焊接于钢板上, 焊接方式为两侧满焊。通过圆钢焊接于钢板上将相邻管片连接成一个整体。

(1) 管片拼装完成后, 在管片脱离盾尾前, 完成管片拉紧装置的安装定位, 保证管片螺栓复紧牢靠, 可以很好地固定并传递管片间的相互拉紧力。

(2) φ22 mm的圆钢铺焊接于钢板上, 焊接方式为两侧满焊, 焊接长度为钢板长度 (即200 mm) 。焊接完成后, 为确保力的传递和受力要求, 焊缝要做颜色探伤。

(3) 预加工的钢板安装定位于管片环向螺栓上, 管片拉紧时, 通过圆钢、钢板及管片螺栓传递拉力, 管片螺栓承受剪切力。

(4) 管片拉紧装置隔环安装。

(5) 管片拉紧装置原则上对每块管片都要施作拉紧, 但是由于隧道内泥浆管等管路及底部轨道的铺设原因, 现场实际施作过程中参照实际情况可做调整。

2.3 同步注浆及二次注浆

2.3.1 同步注浆

(1) 盾构在小半径曲线段掘进过程中 (尤其是接近接收井段) , 注浆量增加至理论填充量的200%左右, 保证管片外部与周围土体间隙的填充密实, 避免已成型管片产生变形。

(2) 同步注浆时可适当增大曲线掘进背向的注浆量。

2.3.2 二次注浆

(1) 对脱出盾尾10环左右的成型管片进行二次注浆, 以填充同步注浆未填实的空隙。原则为管环每块管片都进行二次注浆, 隧道铺设管路、轨道及台车位置视情况可增加相邻管片的注浆量。

(2) 盾构机到达前必须阻断来自管片外弧面的贯通水, 故在到达前采取两次二次注浆来阻隔外来地下水。注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆, 二次注浆压力不超过500 kPa。

(1) 管片拼装环号为1 150环时 (盾构机刀盘未进入副井) 对已脱出盾尾的成型管片进行第一次管片背后二次注浆, 注浆长度为10环环宽。

(2) 当盾构机盾体全部进入到接收副井范围内后, 对脱出盾尾的成型管片进行背后二次注浆, 进一步阻断管片外弧面的贯通水。注浆长度为10环环宽。

2.4 泥浆质量控制

在临近到达洞门段严格控制泥浆性能, 降低泥浆比重, 调整好泥浆黏度, 使泥浆具有良好的泵送能力及携带渣土的能力。在泥浆循环运输过程中控制好泥浆流量及流速。

2.5 接收洞门密封装置安装

盾构机到达洞门防水密封包括两道花纹板、一道海绵, 止水橡胶帘布和洞门环。防水密封从花纹板开始, 从内到外依次进行安装, 两道花纹板之间为一道海绵。

2.5.1 钢板钢丝刷焊接

盾构机到达洞门防水密封设置两道花纹板作为钢丝刷, 成环形布置通过焊接进行固定于洞门钢环上。花纹板尺寸为厚3 mm, 长800 mm, 宽250 mm。花纹板宽边 (250 mm) 满焊于洞门钢环上, 使花纹板垂直于洞门钢环。相邻两块花纹板之间搭接125 mm进行焊接满焊于整个洞门钢环上。

2.5.2 海绵的固定安装

在已焊接定位好的两道花纹板之间固定安装一道海绵, 并与两道花纹板形成一个整体密封装置, 以用来抵挡地下水、泥砂等, 确保盾构接收安全。

海绵共设两层, 每层海绵宽200 mm, 厚200 mm, 两层海绵叠加铺满整个洞门钢环范围, 并采用铁丝将两道花纹板相连, 使之形成一个整体密封装置 (见图2) 。

2.5.3 帘布橡胶密封安装

洞门帘布橡胶密封布置在洞门竖直平面上, 由帘布橡胶板、圆环板及卡板构成。安装时按照从内到外的顺序进行, 首先将帘布橡胶板与预埋洞门钢环通过环氧树脂粘贴在一起, 再将圆环板及卡板依次安装在帘布橡胶板的外侧, 通过双头螺栓及螺母进行固定。工作时通过调整卡板挤压帘布橡胶板, 使其发挥密封防水功能。

2.5.4 到达洞门密封保护

盾构机到达推出洞门的瞬间, 刀盘前段会有大量渣土垮塌, 掉落在到达洞门防水密封上, 为防止其破坏洞门的防水密封, 在洞门下部180°范围内焊接角钢支撑, 并采用三道环形钢板对型钢支撑进行连接。在型钢支撑上满铺3 cm厚木板。盾构机推出洞门后立即对垮塌的渣土进行快速清理, 采用门吊运出竖井。

2.6 测量保证

盾构机进入到小半径曲线段, 为了确保盾构机能够严格按照设计轴线掘进, 增加隧道轴线偏差的测量数量和频率。进入曲线段后, 轴线偏差值为每天一测, 复核并及时校正隧道轴线。在距洞门150 m时, 每天两测, 并通过第三方的监测以复核隧道轴线的准确性和精度。

3 结束语

以上简单介绍大直径泥水盾构小半径曲线接收技术, 希望能对以后类似的工程提供一些参考。目前, 盾构隧道已完成600 m的小半径曲线段掘进, 并按照预定实施方案安全到达。

参考文献

[1]张凤祥, 付德明, 杨国祥, 等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社, 2005

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004

泥水盾构到达施工新技术 第7篇

盾构到达是盾构施工中的重大风险点之一。当到达端头地层条件较差时,为了保证到达施工安全,常规做法是预先采用搅拌桩或旋喷桩对到达端头进行加固处理。但这种方法成本高,而且加固质量难以保证,仍存在较大风险。广州市轨道交通二、八号线延长线盾构3标南浦站~南会中间风井、南浦站~洛溪站盾构区间土建工程由2个盾构区间组成,隧道内径∅5 400mm,外径∅6 000mm,管片厚300mm、宽1.5 m。工程采用2台德国海瑞克公司生产的∅6 250型泥水平衡盾构机进行隧道掘进施工。

该工程需进行两次始发与两次到达,其中洛溪站南到达端头隧道洞身范围主要为<3-1>粉细砂层、<7>强风化泥质粉质岩、<8>中风化泥质粉质岩地层,隧道拱顶部位覆盖<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层很厚,稳定性差,盾构到达前必须进行端头加固。

原加固方案:水泥土搅拌桩+旋喷桩加固方式;加固范围:纵向长10.5m、横向宽21.2m,加固深约20m;加固方式:加固范围四周采用3排∅800@600双管旋喷桩进行加固止水,其余加固范围用∅600水泥土搅拌桩加固,桩间距为450 mm450 m m。

但由于原加固范围内有较多地下管线,迁改十分困难,而且因加固深度太深,搅拌桩和旋喷桩的加固质量难以保证,漏水、涌砂等风险不能完全消除,因此对原方案进行了变更,提出了连续墙+接收钢套筒的新方案。

2 到达施工新方案

2.1 方案概述

连续墙+接收钢套筒新方案先在紧靠洞门处施工一道素砼连续墙,并在连续墙两端各施工2根∅800双管旋喷桩对洞门进行封闭,以防破除洞门时漏水、涌砂;洞门破除后,在洞门预埋环板上对接一个半密闭钢套筒,使盾构机出洞过程仍处于保压封闭状态,从而避免了盾构机出洞过程中漏水、涌砂的风险。

连续墙加固在紧靠洞门围护结构连续墙外侧施工1道1 200mm厚素砼连续墙;宽度为隧道中心线左右各4m,加固体深度从隧道底以下2m至地面。然后在素砼连续墙两端各施工2根∅800双管旋喷桩咬合200mm,与原车站围护结构及新素砼连续墙各咬合200mm。加固范围平面如图1所示。

接收钢套筒是一端开口的桶状结构,整个钢套筒结构由筒体、后端盖、反力架和加固支撑组成。筒体长9 900mm、内径6 500mm,分3段,每段3 300mm,每段又分为上下两半圆。每段及上下部分均加焊法兰端面并用螺栓连接,中间用橡胶板密封。当洞门破除后,钢套筒与洞门环板之间采用螺栓连接起来。

2.2 盾构到达施工流程

素砼连续墙须在盾构机到达前一个月完成施工。钢套筒亦预先制作好,待素砼连续墙强度满足要求时即可安装。安装时先破除洞门处车站围护结构,并用低标号素砼回填,再安装钢套筒及向筒内填砂、加水和封闭钢套筒。当钢套筒安装检验合格后,盾构机掘削穿过素砼连续墙加固体以及车站围护和主体结构的回填素砼,进入长9 900mm的密封钢套筒。

待盾构机完全进入密封钢套筒后,先对盾尾后5环管片进行补充注浆,确保隔断端头与钢套筒的水力联系,然后排空钢套筒内泥浆,打开加料孔试水,最后拆解密封钢套筒吊出盾构机。盾构到达流程如图2所示。

2.3 钢套筒设计与安装要点

盾构机到达时切口水压约为0.25MPa,钢套筒耐压能力可按2倍切口水压设计,即钢套筒设计耐压0.5MPa。经计算选择Q235B、厚16mm的钢板即可满足筒体强度要求。整个钢套筒结构由筒体、后端盖板、反力架和前后左右支撑等部分组成,钢套筒整体示意图见图3。

1)筒体筒体部分长9900mm,内径6 500mm。分3段,每段3 300mm,每段又分为上下两半圆。每段筒体的外周焊接纵、环向筋板以保证筒体刚度。每段筒体的端头和上下两半圆接合面均焊接圆法兰,上下两半圆以及两段筒体之间均采用螺栓连接,中间加橡胶垫。在筒体底部制作托架,托架分3块制作,之间用螺栓连接。托架与下部筒体焊接连成一体,焊接时托架板先与筒体焊接,再焊接横向筋板、底板和工字钢。托架组装完后,工字钢底边与车站底板预埋件焊接,托架须用型钢与车站侧墙顶紧。

2)后端盖后端盖由冠球盖和平面环板组成,平面环板须加焊筋板加强,筋板环向均布排列焊接。后盖边缘法兰与钢套筒端头法兰采用螺栓连接。冠球盖钢板整体冲压焊接成形,后盖平面环板与冠球盖外缘内外焊接成整体。制作完工后要在球盖内侧加焊型钢或钢管井子玄,以防止球盖变形。

3)反力架采用盾构始发反力架紧贴后盖平面板安装,冠球部分不与反力架接触。反力架上下位均布4根10寸钢管与洞口墙体顶紧,两侧中的一侧均布3根10寸钢管与洞口墙体顶紧,另一侧用2根∅500mm钢管斜支撑(由于没有墙体承力)。反力架定好位置后,先用400t千斤顶顶住墙体和反力架,消除洞门到后盖板的安装间隙,承力钢管(10寸钢管)两端用楔形块垫实并焊接。

4)筒体与洞门的连接钢套筒与洞门环板之间设一过渡连接板,洞门环板与过渡连接板采用烧焊连接,钢套筒的法兰端与过渡连接板采用螺栓连接。

5)后端盖的连接后端盖由冠球盖与平面环板两部分组成,安装后端盖时应在地面上把这两部分连接好再吊下井,平面环板与筒体法兰之间加橡胶板后用螺栓上紧。

2.4 钢套筒的检验

1)厂内检测钢套筒在出厂之前应试拼装并进行密封性检测。检测方法:钢套筒试拼装完成后,在钢套筒前端开口处加一盖板,使钢套筒形成封闭腔体,再用加压泵从注排管向腔体内加水压至5bar。加压过程可不断调整和紧固螺栓,如果最终可达无喷射水状泄漏,即表示合格可用。

2)现场检测钢套筒运至现场安装完成并填满砂石料后,还应进行密封性检测。检测方法:用加压泵从注排管向腔体内加水压至3bar。加压过程可不断调整和紧固螺栓,如果最终可达无喷射水状泄漏,即表示合格可用。

2.5 盾构机到达掘进施工要点

1)到达前完成洞门凿除、钢套筒安装等相关工作洞门处凿除的车站围护结构用低标号素砼回填,回填时应预留一定数量的注浆管,以备封闭注浆之用。

2)碰壁前推进参数设置速度提前一环减小到小于10mm/min,推力<12 000k N;到碰壁前50cm时,速度减小到5mm/min,推力减小到10 000k N以下,刀盘转速<1.5rad~2rad/min,气压2.3bar,环流速度控制在500m3/h~600m3/h之间,以便顺利带出渣土。

3)出洞推进参数设置推速<10mm/min,推力<1 0000 kN,刀盘转速<1.5 rad~2 rad/min,气压设定2.3bar。为了防止出洞时盾构机栽头,要求盾构机机头高于轴线2cm~3cm,呈略抬头向上姿势。

4)进钢套筒推进参数设置推速<5 mm/min,推力<10 000kN,刀盘转速约1.5rad/min,气压设定2.3bar。为了防止盾构机栽头,要求盾构机机头高于轴线2cm~3cm,呈略抬头向上姿势。

5)注浆封堵在盾体出洞,盾尾通过洞口过程中,每环均补注双液注浆;在盾尾通过新增连续墙后,要在盾尾部位的管片注双液浆,注浆量为管片与洞门和隧道间隙的180%。时刻检查钢套筒是否有漏浆、形变等情况,如有漏浆或者形变过大等情况发生,可以采取调低气压、减小推速等措施。

6)泄压盾构机完全进入筒体并完成盾尾密封后,在刀盘不转的情况下,开环流清洗土仓;当盾尾双液浆凝固后,逐步泄压并通过环流将钢套筒土仓中的浆液抽走。

7)拆除钢套筒打开钢套筒底部的排浆管排出剩余的浆液,并检查筒体的漏浆情况。如果情况安全即可开始拆除钢套筒。

3 小结

连续墙+接收钢套筒的盾构到达施工新技术在国内属首创,两台盾构机采用该技术安全顺利地完成了到达施工。该技术不仅有效地解决了不稳定地层盾构到达的安全性问题,而且由于接收钢套筒可重复使用,大大降低了施工成本。

参考文献

[1]竺维彬,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[2]杨太华.越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术[J].现代隧道技术,2005,(4):45-48.