盾构机选型及适应性评估方案.docx
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盾构机选型及适应性评估方案
第一章概述
1.1、概述
我公司预计于2012年8月11日对成都地铁4号线土建3标段苏坡立交站至中坝站实施盾构施工掘进。
本项目投入德国海瑞克生产的土压平衡盾构机(编号分别为为S-394、S-395、S-526、S-527)共计4台。
目前,S-394、S-395盾构机陈放于成都地铁4-3标西苏盾构始发井场地进行维修,S-526、S-527盾构机陈放于成都龙泉驿中铁15局盾构堆场进行维修。
根据施工组织及维修计划,S-394、S-395盾构机分别于2012年8月11日和8月25日依次进入中坝站场地并顺序下井,到8月31日和9月24日分别达到始发条件。
S-526、S-527盾构机分别于2012年8月20日和9月10日依次进入西苏区盾构始发井场地并顺序下井,到9月19日和10月9日分别达到始发条件。
1.2、上标段使用情况
S-394、S-395在2012年4月份完成了成都地铁2号线西延伸线土建1标(始发井~外语学院站~中间风井)分别掘进约2823.4延米,掘进中各项主要参数均正常,每台机器月掘进345延米,速度基本保持在35mm/min~45mm/min之间,每日的掘进进度保持稳定,掘进效率高,机器的整体故障率低。
全程掘进过程中每台机器进行过5次刀具的更换。
S-526、S-527在2011年6月份完成了成都地铁2号线土建9标(白果林站~中医学院站~通惠门站~将军衙门站)分别掘进约2398.9延米,掘进中各项主要参数均正常,每台机器月掘进约360延米,速度基本保持在40mm/min~50mm/min之间,盾构机整体的性能完好,机械方面没出现较大的故障,每日的掘进进度保持相对稳定,掘进效率高。
整个标段施工掘进过程中每台机器进行过4次刀具的更换。
第二章工程概况
本标段盾构区间包括中坝站~西客站盾构区间、西客站~苏坡立交站盾构区间以及中间风井和盾构始发工作井工程。
线路出中坝站后沿规划线路向北穿过成温路,拐入国铁西客站,实现与国铁换乘。
出西客站后拐入IT大道延线,沿IT大道延线东行,穿过三环路,进入青江西路,最后进入三环路东侧的苏坡立交站。
区间线路位置示意图
中坝站~西客站盾构区间设计里程为:
Z(Y)DK18+627.800~Z(Y)DK20+360.000,左右线长均为1733.8m,线路最小平曲线半径R=400m,最大线间距15.0m,线路在该区间线间距由13m过渡到15m。
线路最大轨面埋深24m,最小坡度5.000‰,最大坡度22.496‰,在YDK19+766.090~YDK19+786.845段设中间风井,区间在YDK19+186、YDK19+776、YDK20+234.5处设3个联络通道,其中YDK19+776处的联络通道与中间风井结构合建。
西客站~苏坡立交站盾构区间设计里程为:
ZDK20+684.900~ZDK22+716.200,YDK20+614.200~YDK22+716.200,左线长2031.3m,右线长2102m,线路最小平曲线半径R=400m,最大线间距21.02m,线路在该区间线间距由15m过渡到13m。
线路最大轨面埋深24.1m,最小坡度6.000‰,最大坡度21.948‰;在YDK21+237~YDK21+317段设盾构始发井兼中间风井,区间在YDK21+250、YDK21+850、YDK22+450处设3个联络通道,其中YDK21+250处的联络通道与中间风井结构合建。
中间风井和盾构始发井采用明挖法施工,一般段采用φ1200@2000的旋挖桩,盾构洞门范围内采用φ1500@1800的玻璃纤维筋桩。
风井和盾构始发井端头采用钢管内支撑,标准段采用锚索支持体系,内衬结构采用现浇钢筋混凝土的形式。
区间隧道采用盾构法施工,内衬为钢筋混凝土管片,管片外径为6000mm,内径为5400mm,厚度为300mm,曲线半径400m段管片幅宽为1.2m,其他地段采用1.5m的幅宽。
采用六分块方案,三块标准块,两块邻接块,一块封顶块。
管片组合方式为直线环+左右转弯环,拼接方式为错缝拼装,管片接头采用弯螺栓。
联络通道采用降水条件下的矿山法施工,支护体系由超前支护、初期支护和二次衬砌组成。
2.3.1、地形地貌
中坝站~西客站盾构区间隧道地处川西平原岷江水系I级阶地,为冲洪积地貌,地形平坦,地面高程515.26m~517.88m,最大高差为1.62m。
西客站~苏坡立交站盾构区间隧道地处川西平原岷江水系Ⅱ级阶地,为冲洪积地貌,地形平坦,地面高程513.25m~516.34m,最大高差为3.09m。
2.3.2、地质构造
成都平原处于新华夏系第三沉降带之川西褶带的西南缘,界于龙门山隆褶带和龙泉山褶皱带之间,为一断陷盆地。
市区一带断裂构造和地震活动较微弱,历史上从未发生过强烈地震,从地壳的稳定性来看应属于稳定区。
工程位于龙门山东部边缘构造带。
成都市区距龙泉山褶皱带20Km,距龙门山褶皱带50Km。
历史上于2008年5月12日发生了汶川8.0级特大地震对场地区域内建筑、成都平原及周边构造未造成破坏。
2.3.3、岩土层特征
(1)、区域内土层特征
1)第四系全新统人工填筑土(Q4ml)
〈1〉人工填筑土:
褐黄、灰黑等杂色,松散,稍湿。
由碎石、砂土、砖瓦碎块等建筑垃圾组成,其间重填粘性土,分布于地表,层厚1.6m~11.0m。
靠近中坝站隧道右线位置填土较厚,是由原来道路施工回填所致。
该层在场地内分布普遍,土均匀性差,多为欠压密土,结构疏松,强度较低,压缩性高,受压易变形。
2)第四系全新统冲积层(Q4al)
〈2-3〉粉质粘土:
褐黄色,软塑~可塑,含少量铁锰质氧化物等。
在场地内普遍分布,层厚0.50m~3.30m。
〈2-4〉粉土:
褐黄色,松散,稍湿,含少量铁锰质氧化物、云母等。
在场地内局部分布,层厚0.90m~2.20m。
〈2-5〉粉、细砂:
青灰色,松散,稍湿,含少量铁锰质氧化物、云母、石英等,分布于卵石层顶面或以呈透镜体状分布于卵石土中,厚度0.50m~1.50m。
〈2-6〉中砂土:
青灰色或褐黄色,松散,饱和,以透镜体形式分布于卵石土中。
场地内局部存在,层厚0.70m~1.80m。
〈2-8〉卵石土:
青灰色,褐黄色,湿~饱和。
卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。
以亚圆形为主,少量圆形,分选性差,卵石含量60%~85%,粒径以20mm~80mm为主,部分粒径大于100mm,最大粒径180mm,充填物为细砂,局部夹漂石,顶面埋深2.9m~11.0m。
根据超重型动力触探试验成果及卵石含量,将卵石土分为松散卵石土〈2-8-1〉、稍密卵石土〈2-8-2〉、中密卵石土〈2-8-3〉和密实卵石土〈2-8-4〉,共4个亚层。
3)第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)
〈3-8〉卵石土:
褐黄色,稍湿~饱和。
卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。
以亚圆形为主,少量圆形,分选性差,卵石含量50%~75%,粒径以20mm~80mm为主,个别粒径大于100mm,充填物为中砂,局部夹少量角砾或漂石,顶面埋深25.10m~34.90m。
根据N120超重型动力触探试验成果及卵石含量分析,该层卵石土均为密实卵石土〈3-8-4〉,共1个亚层。
(2)、隧道所穿越岩层
本标段隧道所穿越的岩层以中密卵石土〈2-8-3〉和密实卵石土〈2-8-4〉为主。
2.3.4、土层可挖性分级和隧道围岩分类
(1)、土石工程分级
Ⅰ级松土:
包括砂层,即岩土分层代号〈2-5〉、〈2-6〉层。
机械能全部直接铲挖满载。
Ⅱ级普通土:
包括人工填筑土〈1〉、粉质粘土〈2-3〉、粉土〈2-4〉、松散卵石层〈2-8-1〉、稍密卵石层〈2-8-2〉。
机械需局部刨松方能铲挖满载,或可直接铲挖但不能满载。
Ⅲ级硬土:
包括冲洪积成的中密卵石层和密实卵石层,岩土分层代号分别为〈2-8-3〉、〈2-8-4〉和〈3-8-4〉层,机械普遍刨松方能铲挖满载。
(2)、隧道围岩分类
本标段隧道洞身通过的围岩岩土层代号为〈2-8〉。
隧道围岩分类根据实测的围岩弹性纵波数据划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。
区间隧道围岩分级见下表:
区间隧道围岩分级表
层号
岩土名称
岩土特征
围岩
类别
围岩
级别
<1>
人工填筑土
松散,稍湿
Ⅱ
Ⅵ
<2-3>
粉质粘土
可塑
Ⅱ
Ⅴ
<2-4>
粉土
松散
Ⅱ
Ⅵ
<2-5>
细砂
松散,稍湿~饱和
Ⅰ
Ⅵ
<2-6>
中砂
松散,稍湿~饱和
Ⅰ
Ⅵ
<2-8-1>
卵石土
松散,稍湿~饱和
Ⅱ
Ⅴ
<2-8-2>
卵石土
稍密,稍湿~饱和
Ⅱ
Ⅴ
<2-8-3>
卵石土
中密,饱和
Ⅲ
Ⅴ
<2-8-4>
卵石土
密实,饱和
Ⅲ
Ⅴ
<3-8-4>
卵石土
密实,饱和
Ⅲ
Ⅴ
2.3.5、水文情况
(1)、地表水
根据调查,清水河由北向南穿过本标段盾构区间,区间隧道下穿清水河。
清水河属川西平原岷江水系,具丰富的地表径流,为本区段地下水形成提供了丰富的补给来源。
该段清水河宽约35m,河床深约4.8m,河身为人工条石U型河堤,边坡较稳定。
(2)、地下水类型
本标段区间隧道地下水主要为赋存第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水。
第四系孔隙水主要赋存于第四系卵石土中,卵石土层结构比较松散,含水丰富,含水层厚度大于30m。
(3)、土层的透水性和富水性
①〈1〉人工填筑土层:
区间隧道内广泛分布于地表,渗透系数差异较大。
②〈2-3〉粉质粘土、〈2-4〉粉土层:
为弱透水性,富水性较差,位于地下水位以上,渗透系数k=0.01m/d。
③〈2-5〉、〈2-6〉砂层:
呈透镜状分布,渗透系数k=10.0m/d,为强透水层,富水性好。
④〈2-8〉、〈3-8〉卵石土层:
广泛分布,渗透系数k=18.0~22.0m/d,为强透水层,富水性好。
(4)、地下水腐蚀性评价
区间范围内场地土和地下水对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。
第三章盾构机特点
3.1、功能设计特点
(1)基本功能
四台盾构机均大量采用液压、控制、导向等领域的新技术。
其控制系统的终端全部由PC可编程控制器直接控制,上端由上位机进行总体控制。
盾构机还可以通过网络系统由洞外技术部门或盾构厂家进行远程监控、调试及控制。
盾构机的数据采集系统可以记录盾构操作过程的所有参数。
由于自动化控制程度高,大大降低了盾构机操作控制的强度及难度,提高了掘进效率。
液压系统的主驱动系统、推进系统、螺旋输送机系统及管片安装系统大量采用比例控制、恒压控制、功率限止等先进的液压控制技术。
同时,选用高质量的液压元件,保证了盾构机的可靠性,降低了盾构机故障率,有利的保证了施工生产的顺利进行。
盾构采用先进的激光导向系统来控制隧道的掘进方向,这在隧道的方向控制上也是比较前沿的技术。
(2)总体功能特点
盾构在卵石土、漂石地层施工时重点考虑以下功能:
①具备土压平衡掘进功能;
②具备足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力;
③具备足够的刀盘开口率及合理的刀盘形式。
刀具的形式及布置设计能最大限度满足不同粒径卵石的处理;
④具备渣土改良系统;
⑤盾构机有良好的出渣性能;
⑥盾构本体在高水压下的防水密封性能可靠;
⑦盾构具备防喷涌功能;
⑧人闸设计满足带压换刀的需要;
⑨管片壁后同步注浆;
⑩盾构预留超前注浆接口,可对开挖面前端的不良地质进行超前加固;
(3)盾构机总图(见附件1、附录2)
3.2、海瑞克盾构机针对成都砂卵石地层的功能特点
3.2.1、刀盘驱动及主轴承密封系统
(1)主轴承同时承受推力、径向负荷和倾覆力矩,采用直径较大的重型轴承。
(2)刀盘驱动装置的设计采用大强度、大刚度设计,以便优化主轴承的寿命。
(3)主轴承的设计寿命为10000小时。
到目前为止,S-394、S-395分别推进6498.855米、6792.433米,使用时间分别约为4330小时、4520小时;而S-526、S-527分别推进2398.7米、2065米,使用时间分别约为1000小时、870小时。
(4)刀盘驱动装置通过三重唇形密封来提高刀盘驱动的密封性能,三重密封可抵抗1.0Mpa的水压。
(5)密封系统包含了连续油脂润滑和泄漏监测系统,更好的提高了密封的可靠性
(6)砂卵石的摩擦阻力较大,盾构刀盘扭矩较大,而且施工中常会出现刀盘扭矩瞬间过大的现象。
S-394/S-395盾构机刀盘额定扭矩设计为5980kN•m(S-526/S-527为5380KN•m),实践证明此扭矩适合砂卵石地层的隧道施工,也间接提高了盾构机的使用寿命。
(7)根据工程实践反馈,3米直径的大主驱动可以提供较高的扭矩能力。
由于主驱动尺寸较大,导致空间有限,螺旋输送机的尺寸则受到限制,只能设计为800mm,但是实践证明800mm的螺旋输送机也能较好适应当前的地质情况。
3米直径的主驱动,结合945kW驱动动力,可达到7150kN•m的脱困扭矩(S-526/S-527为6930kN•m),可以实现长期过载负荷。
3.2.2、刀盘刀具布置
软硬岩刀具基座相同,刀具可互换,并可以从刀盘背后更换。
砂卵石刀具布局:
S-526、S-527分别配置了4把17寸双刃中心滚刀,17把17寸单刃滚刀,9把17寸双刃滚刀,28把刮刀,8把边刮刀。
而S-394、S-395刀具配置了4把18寸双刃中心滚刀,17把18寸单刃滚刀,15把18寸双刃滚刀,20把焊接撕裂刀,6把喷口保护刀,32把刮刀,8把边刮刀。
实践证明,这样的刀具布置是适合成都地层的,最大限度减少了刀具的磨损,每盘刀标准直径配置时最长掘进距离达500余米。
S-526、S-527刀盘开口率为35%,而S-394、S-395刀盘开口率为36%。
根据S-526、S-527在成都地铁2号线的使用情况,刀盘开口适当,使粒径小于300mm的渣土能顺畅通过,有利于降低掘进时的推力,使刀具的磨损减到很小。
3.2.3、盾体
(1)推进千斤顶由德国MONTANHYDRAULIK设备生产商提供,具有很高的使用可靠性。
(2)耐压、耐磨的钢结构设计适应所需的工作压力。
(3)管片安装机有6个自由度,保证了管片安装的质量。
(4)畅通的维保工作通道。
3.2.4、盾尾
(1)钢结构钢板厚度设计适应预计的工作压力。
(2)密封系统为3排密封刷,保证了盾尾密封的可靠性。
3.2.5、螺旋输送机
(1)螺旋机叶片具备足够的刚度和强度。
(2)螺旋机出土口的土塞区长度和闸门开口大小是防止水喷涌现象的基本硬件措施。
3.2.6、材料闸
海瑞克盾构机设置了材料闸和主闸,材料闸在工作人员需要在压力舱内工作时,可以帮助提高工作效率。
材料闸的尺寸为600mm、长约1.8m(S-526/S-527长约1.6m),用于把工具、物料和设备转运进开挖舱,尤其是在带压进行维保以及保压需要注入压缩空气的时候,材料闸的作用更加明显。
3.2.7、压缩空气气源
根据我公司在成都地铁1号线、成都地铁2号线的带压换刀经验,由于地层透气性能高,原先所配置的空气压缩机供气量不足以保持土仓所需设定的压力。
因此,我公司在S-394/S-395盾构机上增加了2台空气压缩机,由原来的18.6m³/min增加到46.8m³/min,压缩空气最高压力为8bar。
在S-526/S-527盾构机上增加1台空气压缩机,由原来的20m³/min增加到30m³/min,压缩空气最高压力为7.5bar。
同时配置油水分离的过滤系统,以加强过滤和呼吸气的清洁。
此外还配置了Samson压缩空气自动调节系统,该装置能自动调节土仓内气体压力,保持土仓内压力的恒定。
3.2.8、后配套设计
(1)吊机的设计适应运输要求。
(2)大尺寸的皮带机系统保证渣土流动顺畅。
(3)在辅助轨道上运行能够保证后配套系统最佳转向的实现。
(4)进入维保工作空间的道路畅通。
(5)配备了水路循环、压缩空气、通风系统。
(6)喂片机实现安全可靠的管片装卸。
3.3、四台盾构机的性能参数说明
3.3.1、S-394/S-395盾构机主要性能参数
S-394、S-395盾构机主要性能参数
序号
位置
项目名称
参数
1
盾构整体
盾构类型
土压平衡
标准开挖直径
6280mm
机体总长
8285mm
尾壳厚度(前/中/后)
60/40/40mm
装备总功率
1778KW
最大掘进速度
80mm/min
盾尾密封
三排钢丝刷,注脂密封
2
刀盘
开挖直径
φ6280mm
型式
中心支撑式
驱动型式
液压驱动
驱动功率
945KW
开挖范围
φ6280m
最大转速
4.56rpm
最高扭矩
7150KN.m
3
铰接装置
型式
被动式铰接
最大行程差垂直、水平
150mm/150mm
最大转角垂直、水平
1.4°/1.4°
4
搅拌器
叶片外径
φ870mm
转速
12rpm
搅拌容量
6m3
5
传感器
土压传感器
0~6bar(4~20Ma),5只
液压传感器
0~400bar(4~20mA),1只
0~20bar(4~20mA),1只
0~40bar(4~20mA),1只
0~60bar(4~20mA),1只
6
润滑系统
各阀件性能
能正常注脂
中间回转接头
能正常注泡沫、膨润土等改良剂
铰接密封
由重载型橡胶密封和紧急密封(紧急气囊)组成
驱动部密封
润滑状况良好
供脂距离
约50米
油脂泵
供脂流量
0~3.2L/min
供脂压力
120bar
盾尾油脂
WR89
7
管片拼装器
类型
中心回转式
6个自由度
转速
0~1.6rpm连续可调
旋转角度
±200°
负荷能力
11.52吨
径向行程
1200mm
轴向行程
2000mm
8
液压油缸
推进
油缸
顶力
3421tf
行程
2000mm
数量
30台
正常压力
0~300kgf/cm2
最高压力
350kgf/cm2
铰接
油缸
顶力
615tf
行程
150mm
数量
14台
正常压力
0~300kgf/cm2
最高压力
350kgf/cm2
管片拼装器提升油缸
顶力
57tf
行程
1000mm
数量
2台
正常压力
0~125kgf/cm2
最高压力
150kgf/cm2
管片拼装器平移油缸
顶力
10tf
行程
2000mm
数量
2台
正常压力
0~100kgf/cm2
最高压力
250kgf/cm2
管片拼装器保持油缸
顶力
40tf
行程
50mm
数量
1台
正常压力
0~200kgf/cm2
最高压力
250kgf/cm2
螺旋机闸门油缸
顶力
10tf
行程
800mm
数量
2台
正常压力
0~200kgf/cm2
最高压力
330kgf/cm2
管片运送器行走油缸
顶力
40tf
行程
1860mm
数量
1台
正常压力
0~200kgf/cm2
最高压力
250kgf/cm2
管片运送器拖拽油缸
顶力
9.4tf
行程
150mm
数量
1台
正常压力
0~120kgf/cm2
最高压力
150kgf/cm2
管片运送器举升油缸
顶力
10tf
行程
50mm
数量
8台
正常压力
0~200kgf/cm2
最高压力
225kgf/cm2
9
液压马达
刀盘液压马达
正常压力
0~230kgf/cm2
扭矩
45720kgf.m
数量
9台
工作压力
0~230kgf/cm2
最高压力
350kgf/cm2
管片拼装器回转
正常压力
0~195kgf/cm2
扭矩
15000kgf.m
数量
1台
工作压力
0~195kgf/cm2
最高压力
210kgf/cm2
螺旋机
长度
13400mm
直径
800mm
功率
315KW
正常压力
0~300kgf/cm2
扭矩
22500kgf.m
转速
0~22rpm无级调速
数量
1台
工作压力
0~200kgf/cm2
最高压力
300kgf/cm2
10
液压泵
刀盘回转
排量
3375L/min
工作压力
0~300kgf/cm2
转速
1500rpm
数量
3台
施工末期油样化验结果
油样检测合格
掘进和铰接
排量
195+24L/min
工作压力
0~300kgf/cm2
转速
1500rpm
数量
1+1台
施工末期油样化验结果
油样检测合格
管片拼装器的回转
排量
250L/min
工作压力
0~195kgf/cm2
转速
1500rpm
数量
1台
施工末期油样化验结果
油样检测合格
螺旋机
排量
750L/min
工作压力
0~250kgf/cm2
转速
0~22rpm,无级调速
数量
1台
施工末期油样化验结果
油样检测合格
11
刀盘设计和刀具布置
刀盘设计
刀盘对地层的适应性
适应性强、针对性好
刀盘的开口率
36%
刀具布置
中心刀的类型
双刃滚刀
(可更换成齿刀)
刀具的数量
4把18寸双刃中心滚刀,17把18寸单刃滚刀,15把18寸双刃滚刀,20把焊接撕裂刀,6把喷口保护刀
刮刀的数量
32把刮刀,8把边刮刀
各种刀具的高差设置
滚刀高出刮刀55mm,滚刀高出撕裂刀55mm,滚刀高出喷口保护刀75mm
12
人闸气压设备
有
渣土改良装置
可加膨润土、泡沫剂、聚合物
13
注浆系统
同步注浆
盾尾注浆管数
4
最大注浆速度
20m3/h
最大注浆压力
5bar
3.3.2、S-526/S-527盾构机主要技术参数
S-526、S-527盾构机主要技术参数
序号
位置
名称
技术参数
备注
1
管片设计
外径
6000mm
内径
5400mm
管片长度
1500mm/1200mm
分布
5+1
2
盾体
前盾体数量
1个
中盾体数量
1个
直径(前、中、后)
6250mm、6240mm、6230mm
长度(前、中、后)
2100mm、2180mm、3300mm
盾构类型
土压平衡
最大工作压力
3bar
土压计
5个
3
盾尾
盾尾数量
1个
型式
铰接
长度
3300mm
油脂管数量
8个(2×4)
DN25
密封
3排钢丝刷
注浆口
4+4个
DN50(4个备用)
4
推进油缸
数量
30个
10组双缸+10组单缸
分组数量
4组
推进力
34210KN
300bar
行程
2000mm
伸出速度
80mm/min
所有油缸
收回速度
1600mm/min
一组油缸
5
铰接油缸
类型
被动式
数量
14个
行程
150mm
6
刀盘
数量
1个
型式
装配有滚刀式
刀具
4把17寸双刃中心滚刀,17把17寸单刃滚刀,9把17寸双刃滚刀,28把刮刀,8把边刮刀
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- 关 键 词:
- 盾构 选型 适应性 评估 方案