成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析讲解.pdf
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1、现代隧道技术 成都地铁盾构 4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 文章编号: 1009-6582(2010)06-0057-05 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 成都地铁盾构 4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 郭家庆 (中铁隧道股份有限公司,河南新乡 453000) 摘要成都地铁盾构4标段是成都地铁一号线盾构施工试验段,为便于以后盾构机 能更准确地选型,本试验 段分别采用一台泥水盾构机与一台土压盾构机进行左右线的掘进。通过对两台掘 进机的适应性分析可以看出:泥水盾构的缺点是容易堵塞、出碴效率低、对地层 完整性要求高、在含泥地层中容易封住开口、对进出洞密封要求高、施
2、工中需要 较大场地、施工成本高;优点是对地层扰动小、便于带压进舱。土压平衡盾构的 缺点是刀盘磨损严重、地表沉降控制难度高,带压进舱困难;优点是不受出碴限 制、掘进速度快、便于维护、成本低。施工实践证明:在地表要求不太严格的情 况下适于用土压平衡盾构;在地表要求高、场地较大情况下,适合用泥水盾构。 关键词 土压盾构机 泥水盾构机 成都地铁 试验段 适应性 中图分类号: U455.43 文献标识码: A 1 引言 成都地铁盾构 4标段是成都地铁一号线盾构施 在桐梓林站 火车南站区间穿过电力调度中心4层楼房、机场立交桥、火车南站 股道。 本标段内地表多为第四系全新人工填土覆盖,其下为全新统冲积层粘性
3、土、粉 土、砂土、卵石土,再其下为第四系上更新统冰水、冲积层(为卵石土夹砂层透 镜体);下伏基岩为白垩系上统灌口组紫红色泥岩。 据初勘钻探及探井揭露,漂石最大粒径为270 工试验段,为了选出最适应成都地铁的盾构机型,本试验段选用了一台海瑞克泥 水平衡盾构机和一台海瑞克土压平衡盾构机进行掘进。本文主要内容是对这两种 盾构机在成都地铁一号线盾构4标段的使用情况进行分析比较。 2 工程概况 成都地铁 1号线盾构 4标段起于省体育馆站南 mm,一般含量为 5%10,局部富集层高达20%30%;漂石分布随机性较 强,但主要分布于卵石层中下 部,一般埋深大于6.5m。漂石单轴抗压强度最大值为 端,止于火车
4、南站北端,共分为省体育馆路倪家桥 桐梓林 火车南站 3个区 间。左线隧道长 2328.2单线延米,采用 1台德国海瑞克土压平衡盾构(盾构编号 S401)进行施工;右线隧道长2572.23单线延米,采用 1 台德国海瑞克泥水盾构 (盾构编号 S367)进行施工。 2台盾构均从火车南站始发。 本标段线路基本沿人民南路中部敷设,其间在倪家桥站桐梓林站区间穿过二环 路、人南立交桥, 修改稿返回日期: 2010-06-07 94.3MPa,最小值为 92.8MPa,平均值为 93.7MPa。 3 德国海瑞克泥水盾构机(间接控制型)在成都地铁一号线盾构4标段的施工难点 泥水输送系统排碴比较困难 泥水输送系
5、统容易在两个区域发生堵塞: 3.1 泥水盾构机容易堵塞 作者简介:郭家庆( 1980-),男,工程师,现从事盾构设备技术管理工作,E- mail:. 第 47卷第 6期(总第 335期)2010年 12 月出版 57 Vol.47,No.6,Total.No.335Dec.2010 现代隧道技术 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 成都地铁盾构 4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 (1)隔栅前面的堵塞 其堵塞原因是地层中的异物,例如降水井的铁圈,破碎机不能破碎,造成在隔栅前 堵塞。一旦发生这种堵塞,泥水舱和气垫舱均堆积大量卵石,在清理气垫舱后, 刀盘启动仍然困难。 (2)
6、泵前堵塞 通过了隔栅的大卵石在泵轮叶片中卡住,有时甚至卡住23块,不能泵出,泵 前管道内挤满了卵石,此种堵塞发生的次数较多(图1)。 减小隔栅尺寸可以避免泵前堵塞,但是会加大破碎机工作量,破碎机工作频率不 能满足隔栅对减小后增大的破碎速度,按现有技术再想增加破碎机的频率比较困 难。 有些盾构机内设有一个过滤大石头的密封箱,让大直径石头存在泵前箱中,过一 定的时间后用人工来清理。在成都地区,这种大的卵石高达20% 30%,清理的效率会更低,因此这种方法不可取。 图 1泵前堵塞情况 Fig.1Blockinfrontofthepump 在正常掘进中,泥水系统出碴效率低 从泥浆泵的设计来看,海瑞克泥
7、浆泵的输送能力与其它厂家的同类盾构机相比是 非常强的,理论设计为800m3/h(同直径的日本机型多为420m3/h,欧洲其它机 型为 540m3/h),在掘进过程中 ,为了追求最大的出碴效率,实际能达到 1000m3/h。 但是在实际施工中,发现盾构机的出碴能力非常差,主要是排出的泥浆含石砂量 太少。经分析认为有以下原因: 首先,成都的卵石含量太多、太大,卵石的密度也大,这样就造成了大质量的卵石 不易被泥浆带出。这个原因无法人为改变。 其次,盾构机方面,因为海瑞克盾构机是利用气压平衡原理,砂石到泥水舱泵的 吸口还需要流动一 58 第 47卷第 6期(总第 335期)2010年 12 月出版 V
8、ol.47,No.6,Total.No.335Dec.2010 个较长的距离,而这一个长距离的泵送对卵石的吸引力较小。如果缩小气压舱的 长度或不要气压舱直接利用泥水平衡,这将大大提高泥浆泵进口的出碴能力,从 而提高盾构机的掘进速度。 成都地铁一号线采用间接控制型(德国式 ),如图 2。盾构机刀盘到盾构机出浆泵 吸口距离大(泥水舱长度 +气压舱长度),泵的吸力因为面扩散而使吸力大大降 低,成都地层大直径砂卵石的比例大、质量重,流动比较困难。如果用直接控制 型(日本、英国式)(图3)将可以大大缩短碴土从掌子面切削后到出碴泵吸口 的距离,提高出碴能力。 图 2间接控制型泥水盾构 (德国式 ) Fig
9、.2Indirectly-controlledslurryshield(Germany) 图 3直接控制型泥水盾构 (日本、英国式 ) Fig.3Directly-controlledslurryshield(Japan,UK) 3.2在城市地铁施工中,泥水盾构机对地层的完整性要求高 在成都地铁施工中,因为成都地铁一号线4标 段大部分埋深在 814m之间,在这样的地层中,成都其它工程施工留下的孔洞 (如降水井、地质探孔等),容易造成出现以下情况: 现代隧道技术 成都地铁盾构 4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析 MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY 泥水加压式盾构的切口水压不
10、稳定; 泥水冒溢。 上述状况的出现常使泥水加压式盾构施工陷于困境。 3.3泥水盾构机掘进成本高 泥水盾构机因为出碴系统效率低下,所以每掘 进一环需要的时间长,成都地铁盾构4标段泥水盾构机平均99min 掘进一环,各 种消耗材料是土压盾构机的3倍;盾构机主机再加上接力的泥浆泵,其总功率 大,消耗的电能也多。 泥水盾构机在成都砂卵石地层中的配件消耗非常大,特别是一些过流部件,如泥 浆泵、气动阀等,且更换的工作量也较大。 3.4在含泥地层中容易封住开口 如图 4所示,泥水盾构机在含泥地层中因为开 口被堵塞后而无法掘进。但土压平衡盾构机过此地层时,因为加入了适量的泡 沫,各掘进参数良好,顺利地通过此段
11、含泥的砂卵石地层。 图 4泥水盾构机在含泥的砂、卵石地层中被堵塞情况 Fig.4Slurryshieldblockedinsand,gravelcontentground 3.5进出洞密封要求高 在考虑泥水加压式盾构进出洞施工技术时,应 明确泥水盾构中的泥水是处在密闭加压状态的条件下来达到开挖面土体的稳定, 这是泥水盾构与其它类型盾构在进出洞施工技术方面的一个不同之处。如果不注 意到这一特点,洞口没有处理妥当,以致泥水没有能处于密闭的加压状态条件 下,是难于保持开挖面稳定的。 若止水密封圈破损,失去密封性能,则循环的泥水流失,泥水压力不稳定,盾构 周边土体扰动严重,洞口土体将坍塌并影响地表,使
12、其沉降过大;更严重的是泥 水加压式盾构将难于正常运转施工,从而将延误其推进工期。同样情况,在泥水 加压式盾构靠近盾构接收井时,若盾构接收井洞口没有处理妥当,盾 构泥水压力舱内的泥水将大量涌入接收井内,会造成泥水压力舱内的泥水无法正 常循环运转,其后果将严重影响其盾构安全进洞施工。 因此,必须在洞圈设置良好的密封止水装置,才能防止盾构泥水流失,不致大量 窜入井内,从而使盾构切口泥水压力保持稳定,这是泥水加压平衡盾构在出洞过 程中应具备的必不可少的施工条件。 3.6泥水盾构地面泥水处理设备占地较大,在施工过程中需要较大场地 4 泥水盾构机的优点 (1)对地层的扰动小,能把地表沉降控制在较 小的范围
13、内 从泥水加压式盾构开挖面的稳定情况来看,其盾构前部有旋转切削刀盘,后面装 有密封隔墙,中间形成泥水压力舱。在盾构推进过程中将泥水送入泥水压力舱, 以保持盾构开挖面的稳定。在盾构推进过程中,盾构开挖面的土壁是呈垂直状 态,旋转刀盘不断地切削土体的同时,又不断地形成新的开挖面,这种盾构开挖 面的稳定是依设定的泥水压力和比重等来平衡土体压力,泥水是处于循环的流体 状态,具有流动的动态性质。 从成都地铁盾构 4标段左右两条线的地表监测结果看出,泥水盾构机施工的地表 沉降比土压盾构机施工的地表沉降要小得多,且泥水盾构机从来没有发生过地表 塌陷。 (2)泥水盾构机带压进舱更加方便,成功的几率远远大于土压
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