盾構選型研究

1、4.1盾構機的選型研究4.1.1 盾構機的選型原則盾構選型是盾構隧道能否優(yōu)質、安全、快速建成的關鍵工作之一，選型時主要遵照以下原則：（1）選擇的盾構機型和功能必須滿足工期和安全要求，確保城市中各類密集建筑物的穩(wěn)定、安全，使隧道建設與社會和諧共存。（2）選用的盾構要求其性能與本標段內的工程地質、水文地質條件及防凍要求相適應。（3）選用的盾構應具有良好的可靠性，并提供類似地質、施工條件下同類型盾構的施工實例及其適用效果。（4）盾構制造商的知名度、業(yè)績、信譽和技術服務。（5）依據(jù)哈大客運專線長春隧道施工設計圖及工期要求，根據(jù)土壓平衡盾構與泥水平衡盾構的適應性比較選定。4.1.2盾構隧道線路條件（1）

2、長春隧道由暗挖段、始發(fā)井、盾構法掘進隧道和到達吊出井組成，最大開挖直徑14770mm，總長4600m的直線隧道。（2）管片外徑14.31m、管片內徑13.11m，線路最大縱坡2%，見工程示意圖4.1-1。 圖4.1-1哈大客運專線長春隧道工程示意圖（3）隧道圍巖為級，圍巖較差，粉質黏土松軟，泥巖成巖作用差，二者具弱膨脹性，遇水易崩解，圍巖易塌落，對洞口暗挖施工影響大。隧道通過細砂、粗砂含水層時（DIK690+850DIK691+420），涌水量相對較大，洞身開挖有可能發(fā)生局部涌水、或流砂現(xiàn)象。（4）主要工程問題及其盾構適應性設計。1）有利切割加固地層、洞身底部風化巖和長距離掘進的刀盤、刀具耐磨

3、設計；2）工作面泥漿壓力的精確調節(jié)與控制是盾構功能設計重點；3）刀盤上設有多點刀具磨損檢查工具；4）常壓下?lián)Q刀和氣壓下?lián)Q刀的快速作業(yè)配置；5）有利于盾構大件運輸、組裝的的分塊設計；6）大直徑盾的始發(fā)和到達條件（始發(fā)托架、反力架及洞口密封裝置等）設計。（5）隧道采用標準環(huán)鋼筋混凝土管片襯砌，左、右轉彎環(huán)管片的楔形量為40mm。管環(huán)外徑14.31m，內徑13.11m，管片寬度2m，由7+2+1塊管片組成，錯縫拼裝。每塊管片所對應圓心角約40度，重量約14.5t。4.1.3土壓平衡與泥水平衡盾構的比較根據(jù)本隧道特點，選擇適應于該隧道地質條件的土壓平衡盾構和泥水加壓式盾構進行綜合比選，見表4.1-1。

4、 約 土壓平衡盾構和泥水加壓式盾構比較 表4.1-1比較項目混合式泥水加壓平衡式盾構土壓平衡盾構地層適應性適合淤泥質粘土、粉土、粉細砂等各類軟土地層需要通過渣土改良技術（注入泡沫、膨潤土及泡沫聚合物）適應不同地層刀盤所需扭矩能耗能耗小能耗較大刀盤磨損率較小較大開挖面穩(wěn)定能力好較好施工場地需泥漿處理場，施工場地較大不需泥漿處理場，施工場地較小地面沉降控制壓力控制精度高，對地面沉降控制精度高，更適用于大直徑的盾構掘進機壓力控制精度相對較低，對地面沉降控制精度相對較低，更適用于中小直徑的盾構掘進機泥土輸送方式泥水管道輸送，可連續(xù)輸送，輸送速度快而均勻；占用隧道空間小，更便于隧道內的結構和路面同步施工

5、。螺旋機出土，土箱運輸，可能間斷不連續(xù)，施工速度較慢；占用隧道空間較大，不便于隧道內的結構和路面的同步施工。對周圍環(huán)境影響泥漿處理設備噪音、振動及碴土運輸對環(huán)境產(chǎn)生影響較大碴土運輸對環(huán)境產(chǎn)生一定影響施工存在問題水土不易分離，泥漿處理困難地表沉降控制與施工人員的施工經(jīng)驗關系密切，需經(jīng)驗豐富的盾構操作手。設備費用及經(jīng)濟性施工成本大施工成本較小國內外應用情況國內外曾大量應用，應用經(jīng)驗成熟國內應用趨勢增多，工程經(jīng)驗稍少。1、在控制開挖工作面穩(wěn)定性、地表沉降方面、施工安全方面及保證施工進度方面優(yōu)于土壓平衡盾構。2、從國內外已建成的實例看，大直徑泥水加壓平衡盾構施工經(jīng)驗成熟，目前在中國應用的大直徑盾構隧道

6、均采用泥水加壓平衡盾構。它在控制開挖面穩(wěn)定、減少地表沉降方面較為有利外，在適應長距離推進，減少刀頭磨損方面顯示出較高的優(yōu)越性。 4.1.4 泥水盾構的基本構成1、泥水盾構基本構成框圖如圖4.1-2。掘進刀盤是穩(wěn)定掘削面的重要因素，利用泥水穩(wěn)定掘削面及刀盤面板擋土。圖4.1-2盾構基本構成圖2、盾構將制備泥漿由送泥泵并通過一套管路送入開挖倉與掘削下的渣土攪拌混合后，再由排泥泵及一套管路排入地面泥漿處理系統(tǒng)，進行三次渣漿分離和泥漿重復利用處理。如此往復循環(huán)：一次處理的功能是把渣漿泵送到振動篩，再利用濕式離心機等設備將0.074mm以上的大量渣土分離出來，渣土含水量控制在30%以下，以利清渣運輸。余

7、下泥漿經(jīng)配制后，送入盾構掘進面再次利用。二次處理由凝聚沉淀和脫水設備構成，處理含顆粒為0.074mm以下的泥漿，達到排放標準的即可排放，否則需進行三次處理；三次處理主要對水進行PH值調整和降濁處理并達到水的環(huán)保排放標準。4.1.5 泥水盾構泥漿平衡壓力控制效果。1、傳統(tǒng)泥水盾構開挖倉的泥漿壓力、泥漿制備質量和掘削渣量管理（判斷掘削面穩(wěn)定）是泥水盾構掘進的控制重點，是穩(wěn)定掘削面的核心。2、傳統(tǒng)泥水盾構開挖倉的泥漿壓力變化較大(+/-1.0bar)，容易使隧道開挖面不穩(wěn)定及塌陷。見下圖4.1-3。圖4.1-3 傳統(tǒng)泥水盾構開挖倉的泥漿壓力變化4.1.6 混合式泥水盾構氣墊調節(jié)原理1、泥漿通過氣墊對

8、隧道開挖面施加壓力實現(xiàn)支撐作用，支持壓的力分布圖見4.1-4。該壓力的控制由壓縮空氣控制單元控制。施工工程師須把各掘進面的水平壓力值及說明交給盾構操作者執(zhí)行。2、氣墊調節(jié)倉內的氣墊產(chǎn)生支持壓力傳至泥漿后，泥漿的液位高度可調。由于掘削面水、土壓力呈梯型，一般將液位高度穩(wěn)定在機器軸線位置。3、承壓產(chǎn)生的支持壓力傳輸?shù)介_挖倉，壓力波動由氣壓調節(jié)組件控制見氣壓調節(jié)作用圖4.1-5，由于氣墊作用和空氣調壓組件反應靈敏，使泥漿的壓力波動小。隧道開挖面支持壓力的分布1泥漿Pl空氣壓力2泥漿液位Pso頂部懸浮液壓力3壓縮空氣氣墊Psu底部懸浮液壓力4壓力擋板g懸浮液密度5分隔倉板D盾構直徑6支撐區(qū)域hl承壓倉

9、高度7處于外界壓力下的區(qū)域圖4.1-4 混合式泥水盾構支撐壓力分布圖4.1-5氣壓調節(jié)作用圖4、在盾構機開挖倉內設置分隔鋼板將倉分成兩個室，其中設有一個氣墊（壓）室，目的是達到精確調節(jié)泥漿壓力變化，精確率可達+/-0.05bar，平衡壓力的變化很小，有利開挖面的穩(wěn)定，見混合式盾構泥漿壓力變化圖4.1-6。圖4.1-6混合式盾構泥漿壓力變化圖5、空氣壓力能夠在超過0.5Mpa的高工作壓力范圍內自由調節(jié)，補償泥漿液位壓力的差值。6、調節(jié)器無需電力，調節(jié)器安裝了兩個獨立的單元來防止可能出現(xiàn)的干擾，并用于維保停機階段和斷電情況下（高壓電纜延伸時）。可利用儲存的氣壓暫時提供開挖倉中支持壓力，等待電力恢復

10、。4.1.7 開挖倉與氣墊調壓倉設計要求1、開挖倉充滿了通過氣墊調壓倉，提供給開挖面“壓力平衡”的泥漿。2、開挖倉的下部設分隔倉門，門打開并與氣墊倉連通，調節(jié)氣墊倉中氣壓而調節(jié)開挖倉中泥漿支持壓力。3、關閉下部的分隔倉門，能在常壓下安全進入隔柵區(qū)域，進行維護和保養(yǎng)或清除障礙物。4、隔板上部安裝有雙人閘，為需要帶氣壓進入開挖倉工作時使用。5、為了排擠淤泥，底部設有擠壓清淤設備，淤泥經(jīng)過擠壓變成條狀后，吸入排漿管排出。 6、沖洗系統(tǒng)減少了開挖倉內碴土粘結或大量碴土沉積的情況, 并降低扭矩要求和刀具的二次磨損。4.1.8 采用面板閉式刀盤對本工程的適應性1、刀盤中心部分開口率達30%。較大的開口率易

11、于碴土進入開挖倉。 2、刀盤外緣區(qū)域有耐磨保護并安裝有2把超挖刀（滾刀），易于在地層混凝土加固段進行隧道開挖。3、采用重型刀盤設計、雙向旋轉、可安裝較多數(shù)量的刮刀（200多把）；中心設高壓水沖刷噴嘴，減少堵塞和結塊；采用特殊幾何形狀的碴土溜槽設計，利于碴土流入開挖倉，減少刀具更換頻率。圖4.1-7 盾構機刀盤圖4、刀盤將采用合格的16MnR材料制作，連接刀盤和主驅動的傳力架（幅臂）為鑄鋼類型，以保證刀盤的剛度。 5、鋼結構的高耐磨板焊接在刀盤的正面和外緣，見圖4.1-8刀盤上耐磨板圖。耐磨條也焊接在刀盤外緣上。中心部分堆焊耐磨材料。個別刮刀和鏟刀安裝有磨損監(jiān)測系統(tǒng)。圖4.1-8 刀盤上耐磨板（

12、白色）外觀圖6、為了更進一步的保護刀盤，設計了向刀盤后部傾斜的溜槽開口，以利渣土流動，減少磨損和疲勞。7、刀具全部為背裝式。其中刮刀寬度220mm，采用間距搭接、高質量硬質合金刀片、刀具頂部也堆焊有耐磨材料和耐磨保護等措施。邊緣鏟刀及時清除邊緣渣土，不僅保證開挖直徑磨損少，而且使刀盤外緣與渣石的間接磨損也少。8、采用低扭矩17英寸雙刃滾刀2把，由專門的高質量鋼材制成以增加滾刀整體的耐磨性和刀盤保徑要求。9、邊緣鏟刀在混合土質中具有如下作用：一是清除邊緣部分的開挖碴土（沉淀）；二是保證開挖直徑的精度；三是防止刀盤外緣的間接磨損。10、為了更進一步的保護，在刀盤上設計了溜槽以幫助渣土的流動，這樣可

13、以有效地減少磨損和疲勞。溜槽的設計大體上是逐步向刀盤后部傾斜以減輕渣土附著在槽上的傾向。4.1.9刀盤變頻電驅動系統(tǒng)1、為節(jié)約動并具較好的脫困能力，刀盤驅動以變頻電機為動力，雙向旋轉。2、主軸承壽命10,000h主軸承自身是一個三軸軸承支撐旋轉體，直徑約8.5m，最大重量210t左右。3、變頻電驅動主要由以下部件組成：14個電機，每個功率為250kW，電機和變頻器之間的連接線；14個變頻器，帶有功率扼流圈和電機出口過濾器；14個驅動的每個驅動鏈都同步運轉；在操縱額定扭矩過程中，可在很短時間內上升到大約150%；刀盤驅動的電機設計為異步電機，它安裝在焊接保護箱內，并配有定子水冷卻系統(tǒng)。4.1.1

14、0 對泥漿的理化指標要求泥漿的最佳特性對掘削面穩(wěn)定和流體輸送順暢起到重要作用，同時，也極大程度上取決于掘削地層的土質條件。根據(jù)以往類似工程施工經(jīng)驗，該工程泥漿的特性參數(shù)選擇范圍是：可滲比n=10-15、相對密度為1.05-1.20、漏斗粘度為22-25s、界面高度<3mm（24h靜置后）、PH濃度為7-10。泥水輸送中漏斗粘度上限為40s，相對密度上限值為1.35。4.1.11 泥漿制備和與渣漿處理1、混合式盾構機技術是基于泥漿支撐系統(tǒng)。泥漿系統(tǒng)把切削下來的碴土從開挖倉運輸?shù)降孛嫔系姆蛛x機，可參見圖4.1-2。在分離機處，將固體粗顆粒（大于0.074mm以上）砂礫從泥漿里分離出來?；厥盏?/p>

15、80%泥漿到調整槽調配后再重復使用。2、泥漿循環(huán)管路的在機器上的直徑為500mm，在隧洞里的管徑為500mm，按盾構最大掘進速度45mm/min，計算泥漿最大需要量。3、經(jīng)計算最大泥漿需求量為2582 m3/h，實際設計制漿能力2500m3/h，滿足條件。渣漿分離能力按大于2500+2x171（1循環(huán)掘削的量）=2842m3/h設計，考慮渣漿分離設備檢修備用因素，確定生產(chǎn)能力為3500 m3/h。4.1.12 泥漿循環(huán)系統(tǒng)圖4.1-9泥漿和渣漿循環(huán)系統(tǒng)總示意圖采用恒定的碴漿流量和開挖倉的沖刷循環(huán)兩種方式降低堵塞和材料的沉積。泥漿與渣漿循環(huán)系統(tǒng)總示意圖見4.1-9。循環(huán)系統(tǒng)有6種不同的工作模式，

16、這6種模式為：掘進模式；旁通模式；隔離模式； 反循環(huán)模式；長時的停機模式和隔離閘門關閉模式。詳情在5.4.7中敘述。4.2.13 監(jiān)測裝置1、流量測量裝置安裝在后配套上的供應和排出管，隨時監(jiān)測泥漿流量并在控制室顯示出來，以幫助工程師和盾構機操作員。排泥漿管路上的流量計 ND5 00供應泥漿管路上的流量計 ND 5002、開挖倉里利用液位開關進行液位監(jiān)視。最低液位控制點位于隔離倉板開口的上方。最高液位控制點在通道門邊的下方。3、最低液位控制點可以啟動球閥關閉泥漿吸入口。下一個液位控制點則關閉泥漿泵。最高液位控制點啟動球閥關閉供應管。下一個較低的液位控制點則停止供應泵。4、支撐壓力監(jiān)控。操作員應該

17、獲取盾構機前面的水土壓力。這些信息可以幫助支撐壓力設定而控制工作面的穩(wěn)定。5、支撐壓力傳感器是專門為泥漿工作條件開發(fā)的。測量氣墊調壓倉的壓力，同時也測量開挖倉的壓力。1個傳感器在氣墊調壓倉1個傳感器在開挖倉4.2.14 該工程重難點問題及盾構的適應性 1、長春隧道的重難點問題如下：（1）淺覆蓋條件下的泥水盾構掘進面穩(wěn)定控制；（2）大直徑、大跨度和大能力隧道掘進的地表沉降監(jiān)測、信息反饋和控制問題；（3）盾構始發(fā)和到達端端頭加固方式的選擇及其安全破除；（4）要求泥漿制備和處理系統(tǒng)的能力強（3500m3/h）、場地寬和具備冬季施工的防凍設施；（5）長隧掘進中對刀具耐磨和對系統(tǒng)可靠性要求高，刀具磨損檢

18、查、換刀地點選擇、地層加固和刀具更換等問題。2、盾構功能的適應性根據(jù)長春隧道的工程地質條件、水文地質條件和上述重難點問題，選用的混合式泥水盾構對該工程的適應性見下表。盾構功能部件適應性分析表 表4.2-2序號工程重難點關鍵部件功能要求盾構功能部件的適應性1盾構掘進段有小于1倍洞徑的淺覆蓋段，淺覆蓋條件下的泥水盾構掘進面穩(wěn)定控制氣墊調壓倉及氣壓調節(jié)裝置；隔板、閘門、保壓泥漿箱；送漿渣土回路計量；漿液運行回路不同工作狀態(tài)和漿液防凍、抗凍措施，同步注漿等氣墊調壓倉和氣壓調節(jié)裝置精確調壓；隔板上閘門關閉后，清除障礙時，采用保壓泥漿箱精確調壓；送漿計量與渣土計量實現(xiàn)掘進時精確保壓；漿液運行回路不同狀態(tài)，

19、可滿足盾構各種掘進狀態(tài)下的精確壓力控制要求。同步注漿有利控制沉降。2大直徑、大跨度和大能力隧道掘進的地表沉降監(jiān)測、信息反饋和控制問題氣墊精確調壓系統(tǒng)；泥漿制備和排渣循環(huán)系統(tǒng)；同步注漿、二次注漿填充系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等功能的應用，實現(xiàn)對地表沉降監(jiān)測和控制。泥水盾構上專門為盾構施工中控制地表沉降設計了氣墊精確調壓系統(tǒng)；泥漿制備和排渣循環(huán)系統(tǒng)；同步注漿填充系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)等以適應控制地表沉降要求。3盾構始發(fā)和到達端端頭加固方式的選擇及其安全破除刀具和刀盤的耐磨設計，可順利地掘進地層加固段；盾構適應可靠的洞口密封裝置；盾構通過始發(fā)和到達段加固地層時，由于刀盤、刀具增設了耐磨保護，刀盤邊緣增設滾刀

20、，使刀盤耐磨和保徑壽命增加；4長隧掘進中對刀盤、刀具耐磨和對系統(tǒng)可靠性要求高，刀具磨損檢查、換刀地點選擇、地層加固和刀具更換等問題閉式刀盤開口率30%、刀盤采用16MnR材料、耐磨保護、邊緣設雙刃滾刀、設較多數(shù)量刮刀、刀具磨損量探測裝置、雙向旋轉及恒功率驅動、中心設高壓沖洗、特殊形狀溜槽設計、雙排錯臺耐磨刮刀、主軸承壽命10000h等。刀盤材料選用、刀盤外緣、中心及刀具的各種耐磨設計，增加了刀盤及刀具的耐用度；開口率大及渣土溜槽特殊形狀、中心高壓沖洗、有利渣土流動，減小磨蝕；增加刮刀數(shù)量、采用雙排錯臺耐磨刮刀及刀具磨損量探測裝置，可隨時掌握刀具磨損狀況，減少換刀次數(shù)，從而保護刀盤及刀具，確保長

21、隧施工正常進行；恒功率驅動對工程的適應性強，軸承壽命高，確保掘進6km不更換。5在氣壓下的換刀作業(yè)人閘室精確調壓，作業(yè)人員多，加快換刀速度；盾體上部設有1個雙艙式人行閘，容納人數(shù)5+2人+1副1.8m擔架。適用于在氣壓條件下的換刀、檢查和救援作業(yè)；按歐洲標準EN12110和安全操規(guī)程換刀精確調壓確保換刀作業(yè)安定；應急發(fā)電提供空壓機停電后的安全氣源。6要求泥漿制備和處理系統(tǒng)的能力強（3500-4000m3/h）、場地寬和具備冬季施工的防凍設施盾構自身的防凍設計，主要為潤滑劑、液壓油及密封件材料的選擇。采用大直徑（500mm）耐磨管道連續(xù)送排泥漿，其中設有6種模式下連續(xù)循環(huán)，增加地面防凍措施，滿足

22、冬季施工作業(yè)要求。7土倉中的擠壓排淤裝置開挖區(qū)設雙倉即開挖倉和氣墊調壓倉，渣倉底部設擠壓排淤裝置；分隔倉閘門可關閉和打開，便于常壓清除障礙。為確保排渣通暢，渣漿進入吸漿口前，經(jīng)擠壓成條狀后，容易吸入管道；分隔倉閘門關閉，保證人員在常壓下清障； 8盾構受阻在困難地段盾構中盾上布置有32個地質超前鉆機預留通孔，隔板上也設預留孔，選購一臺扭矩達5000Nm的旋轉鉆機，安裝在管片拼裝機上，利用該鉆機向刀正面上部和正面鉆注漿孔。當盾受阻在困難地段，可利用中盾上和隔板上的預留孔及旋轉鉆機，向盾體斜上方（12°）和刀盤正前方鉆超前注漿孔，加固地層后，再利用上述各種措施進行處理；向地層注入雙液快凝漿

23、（水泥漿+水玻璃漿），凝結時間10s以下；注漿壓力和流量可調，確保各孔的漿液擴散半徑達1m左右。4.2.15 盾構各部主要尺寸、技術性能表盾構各部主要尺寸、技術性能表 表4.2-3描述規(guī)格/數(shù)量備注技術數(shù)據(jù)項目基本數(shù)據(jù)管片外徑14,310mm 管片內徑13,110mm管片寬度2,000mm管片組成9 + key隧道坡度Max. - /+ 2%隧道長度Approx. 4,140m盾體區(qū)前體直徑14,740mm不含硬化層TBM水平方向最小轉彎半徑750m前體和后體的結構組成分塊拼裝式設計工作壓力4,5 bar壓力艙壁1No.隔墻（氣墊艙壁）1No.氣墊艙式設計氣壓調節(jié)裝置2No.前艙門1No.液壓

24、驅動攪拌器1No.擠壓式排淤機1No.盾尾盾尾形式固定式，焊接結構盾尾密封系統(tǒng)3排3排鋼絲刷密封脂管線18 x 3No.注漿管路6 + 6No.(spare lines備用管)嵌入式安裝于盾尾內部人閘數(shù)量2No.直徑1,800mm形式兩個艙人數(shù)5 + 2No.可容納規(guī)格為1.8米的單價操作壓力4,5 bar試驗壓力6 bar刀盤直徑14,770mm全新刀具結構8個主臂8個輔臂形式軟土型適合于土層的刀具一套齒刀一套刮刀2把超挖刀刀具寬度220毫米磨損量測量刀具6把齒刀測量旋轉接頭1No.膨潤土沖刷、液壓介質旋轉方向左、右中心沖刷2No.DN150刀盤驅動主驅動形式中心固定軸承主軸承類型3排滾子軸

25、承密封系統(tǒng)設計壓力6bar電動馬達14個馬達 250kW最大扭矩36,600kNm總功率3,500kW轉速0-1.5rpm變頻驅動旋轉方向左、右推進油缸數(shù)量18組油缸行程行程3000毫米工作壓力50 350bar最大推力185,000kN最大推進速度45mm/min拼裝機形式中心回轉式液壓驅動抓舉系統(tǒng)真空吸盤式自由度6旋轉角度+/- 200°比例控制后配套設備隧道內管線排泥管1No.泥漿供應管1No.工業(yè)水管2No.壓縮空氣管線2No.高壓電纜2No.10kV后配套臺車鋼結構形式運行在輔助軌道上管片吊運系統(tǒng)管片進給車1No.1環(huán)存儲量管片起重運輸系統(tǒng)（1）1No.管片起重運輸系統(tǒng)（2）1No.箱涵安裝系統(tǒng)箱涵片起重機1No.注漿系統(tǒng)漿液類型惰性漿液注漿泵3No.注漿能力3 x 20m&#