同一地層海瑞克與三菱復合式土壓平衡盾構(gòu)機施工對比分析(壓縮)_圖文

1、同一地層海瑞克與三菱復合式土壓平衡盾構(gòu)機施工對比分析劉 坤，呂征舟，楊木桂 廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司 摘要：本文結(jié)合六號線越秀南站-東湖站盾構(gòu)區(qū)間左右線盾構(gòu)施工過程，分析了不同盾構(gòu)機在同一地層中的施工差異。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機 同一地層 對比1工程概況廣州地鐵越秀南站至東湖站盾構(gòu)區(qū)間線路從越秀南站過站后，繼續(xù)沿越秀南路東進，自東濠涌高架橋66、67、68橋墩間穿過，并依次經(jīng)過富力宜居高層商住樓（1921F ）、廣州市石油公司住宅樓（6F ）西北角及在建嘉星廣場（29F ）后進入綠蔭路，并在設置在綠蔭路上的盾構(gòu)吊出井（兼暗挖施工豎井）吊出。本區(qū)間左右線均包括兩組曲線，左線曲線半徑250m 、280

2、m ，右線曲線半徑250m 、280m 。線間距1132m；軌面埋深20.730.7m ；線路坡度為4。隧道埋深較深，盾構(gòu)隧道所穿越地層及隧道上部地層主要為中、微風化粉砂質(zhì)泥巖。 圖1 越秀南站-東湖站右線地質(zhì)剖面圖 圖2 越秀南站-東湖站左線地質(zhì)剖面圖2海瑞克S244與三菱1638#盾構(gòu)機主要不同之處在廣州軌道交通六號線海珠廣場-東湖站盾構(gòu)區(qū)間施工中，右線采用海瑞克S244復合式土壓平衡盾構(gòu)機，左線采用三菱1638#復合式土壓平衡盾構(gòu)機。2.1刀盤結(jié)構(gòu)與刀具不同三菱盾構(gòu)機刀盤盤面主要由4根主輻條和8根副輻條構(gòu)成，采用6根箱體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)壁連接盤面和刀盤法蘭，刀盤開口率約為37%，刀盤上背面邊緣設

3、有3根主動攪拌棒，土倉壁設有3根固定攪拌棒。海瑞克盾構(gòu)機刀盤盤面主要由4根主輻條和4根副輻條構(gòu)成，采用4根放射狀圓柱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)壁連接盤面和刀盤法蘭，刀盤開口率約為28%，刀盤背面上設有4根主動攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，同時，土倉壁上也設計了4根固定攪拌棒。 圖3 海瑞克盾構(gòu)機刀盤 圖4 三菱盾構(gòu)機刀盤（未裝刀具）海瑞克和三菱盾構(gòu)機滾刀設計均為背裝式，保證刀具在磨損后需要更換時能快速的予以更換。海瑞克滾刀形式和安裝固定方式與三菱盾構(gòu)機存在不同之處。三菱盾構(gòu)機滾刀刀軸較大，刀軸橫截面近似五邊形，刀軸面左右對稱，固定方式采用連桿和楔塊固定；海瑞克盾構(gòu)機滾刀刀軸較小，刀軸橫截面近似四邊形，刀軸面不規(guī)

4、則，固定方式采用楔塊、連桿和楔塊固定。由于三菱滾刀刀軸面左右對稱，因此刀具在兩個方向都可以進行裝配，刀具裝反后刀刃擋圈不能朝向刀盤中心，導致刀具容易損壞。海瑞克盾構(gòu)機刀具只能一個方向進行裝配，因此可以保證刀具不會出現(xiàn)反裝現(xiàn)象。 圖5 海瑞克單刃滾刀 圖6 三菱單刃滾刀2.2刀盤驅(qū)動的形式不同三菱1638#盾構(gòu)機刀盤采用電機驅(qū)動，通過10臺90KW 的變級電動機帶動刀盤。刀盤旋轉(zhuǎn)力通過以下方式進行傳遞：帶減速機的電動馬達離合器小齒輪齒輪軸承刀鼓刀盤。挖掘時最大扭矩為6870KN ·m ，轉(zhuǎn)速可設定為1.5rpm 或3.0rpm 。刀盤轉(zhuǎn)速為1.5rpm 時，常用5720 KN 

5、3;m （最高6870 KN ·m ）的一定扭矩。當?shù)侗P轉(zhuǎn)速為3.0rpm 時，常用2860 KN ·m （最高3435KN ·m ）的一定扭矩。海瑞克S244盾構(gòu)機刀盤采用液壓驅(qū)動，通過3臺315KW 的雙向變量液壓泵并聯(lián)帶動8臺雙向兩速低速大扭矩液壓馬達，借助液壓動力帶動液壓馬達、減速器、軸承內(nèi)齒圈直接驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。海瑞克盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速可設為低速和高速運轉(zhuǎn)。在低速模式下，刀盤可在03.0rpm 之間實現(xiàn)無級變速，刀盤最大標準扭矩為4500kN ·m ；在高速模式下刀盤可在06.1rpm 之間實現(xiàn)無級變速，刀盤最大標準扭矩為1970kN ·m

6、 。刀盤最大脫困扭矩為5300kN ·m 。電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動的優(yōu)缺點： 液壓驅(qū)動雖然傳動效率低、噪音較大和發(fā)熱量較大，但是由于隧道工作環(huán)境惡劣、刀盤啟動停止較為頻繁、在較硬的巖土中掘進時刀盤承受沖擊力較大，而且液壓驅(qū)動具有轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的功能，便于操作人員控制，所以液壓驅(qū)動與電機驅(qū)動相比而言適應性更強。2.3鉸接方式不同為了減少盾構(gòu)的長徑比，增加其靈敏度，使盾構(gòu)在掘進時能夠靈活的進行姿態(tài)調(diào)整，特別是為了能夠順利通過較小的線路彎道，盾構(gòu)機通過鉸接系統(tǒng)實現(xiàn)盾構(gòu)掘進轉(zhuǎn)彎的控制。三菱盾構(gòu)機使用主動鉸接，即鉸接千斤頂自身采用主動伸縮；海瑞克盾構(gòu)機使用被動鉸接，即鉸接千斤頂行程差隨推進千斤頂壓力

7、差被動形成。三菱盾構(gòu)機鉸接系統(tǒng)采用16個2000KN 的鉸接油缸，千斤頂行程190mm ，最大設計牽引力可達32000KN ；海瑞克盾構(gòu)機鉸接系統(tǒng)采用14個鉸接油缸，千斤頂行程150mm ，最大回縮力為7340KN 。主動鉸接與被動鉸接的區(qū)別點在于鉸接千斤頂?shù)纳焓辗绞胶屯七M千斤頂?shù)氖芰c不同，主動鉸接的鉸接千斤頂進行主動伸縮使中盾和尾盾形成一定角度，推進千斤頂受力點在鉸接后部；被動鉸接的鉸接千斤頂在推進千斤頂?shù)耐饬ψ饔孟卤粍由炜s使中盾和尾盾形成一定角度，推進千斤頂?shù)氖芰c在鉸接前部。 圖7 主動鉸接與被動鉸接示意圖2.4推進系統(tǒng)不同海瑞克盾構(gòu)機推進機構(gòu)包括30個推進油缸和推進液壓泵站。推進油缸

8、按照在圓周上的區(qū)域分為四組，每組78個油缸。三菱盾構(gòu)機推進系統(tǒng)采用24個推力千斤頂被劃分為4組。2.5注漿系統(tǒng)不同盾構(gòu)機采用壁后同步注漿系統(tǒng)，這樣可以使管片后面的間隙及時得到充填，有效的保證隧道的施工質(zhì)量及防止地面下沉，并一定程度減少管片接縫滲漏水的可能。海瑞克盾構(gòu)機注漿系統(tǒng)由德國施維英公司提供，三菱盾構(gòu)機由日本TAC 技研工業(yè)株式會社提供，三菱與海瑞克機同步注漿系統(tǒng)的基本原理相同，但構(gòu)造和控制有所不同。三菱盾構(gòu)機注漿泵采用一個雙程活塞泵引出兩條注漿管，盾尾注漿口分布在1和11點兩個位置。海瑞克盾構(gòu)機注漿泵采用四個單程活塞泵引出四條注漿管，盾尾注漿口分布在1、5、7和11點四個位置。三菱盾構(gòu)機

9、配置了較好的注漿管路清洗系統(tǒng)，注漿孔的清洗和注漿、沖洗的孔口轉(zhuǎn)換通過油壓千斤頂來控制。將活塞千斤頂伸出后，沖洗管路及注入管路線路相互連接，便可用水進行注漿管路的沖洗。將活塞千斤頂收回便可恢復同步注漿狀態(tài)。海瑞克盾構(gòu)機采用膨潤土進行管路清洗，通過注入膨潤土漿液將水泥漿液擠壓出注漿管路，防止水泥漿液凝固堵塞注漿管。圖8 三菱盾構(gòu)機注漿管路清洗示意圖3海瑞克S244與三菱1638#盾構(gòu)機施工過程中的對比海瑞克S244盾構(gòu)機于2003年7月出廠，先后施工廣州軌道交通三號線【天華盾構(gòu)區(qū)間】左線、五號線【員車科韻路站】左線、二八號線【會南區(qū)間中間風井會江站，會江站石會區(qū)間中間風井盾構(gòu)區(qū)間】左線的施工，盾構(gòu)

10、機累計掘進約6550米。三菱1638#盾構(gòu)機2004年6月出廠，先后在廣州地鐵四號線【大學城小谷圍】盾構(gòu)區(qū)間、【車陂南萬勝圍】盾構(gòu)區(qū)間施工，盾構(gòu)機累計掘進約3875米。以下為越秀南站-東湖站盾構(gòu)區(qū)間掘進參數(shù)對比圖： (KN 01152943577185越東區(qū)間左右線推力對比圖圖9 越東區(qū)間左右線推力對比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為<8>、<9>層；21-65環(huán)為<7>、<8>層；66-79環(huán)、129-160環(huán)為<8>層； 161-207環(huán)為 <8>、<9>層，頂部少量<7>

11、層； 277-366環(huán)為<9>層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為<8>、<9>層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為<8>層；212-241環(huán)為<8>層，頂部少量<7>層；308-346環(huán)為<9>層（KNm） 越東區(qū)間左右線扭矩對比圖圖10 越東區(qū)間左右線扭矩對比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為<8>、<9>層；21-65環(huán)為<7>、<8>層；66-79環(huán)、129-160環(huán)為<8

12、>層； 161-207環(huán)為 <8>、<9>層，頂部少量<7>層； 277-366環(huán)為<9>層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為<8>、<9>層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為<8>層；212-241環(huán)為<8>層，頂部少量<7>層；308-346環(huán)為<9>層越東區(qū)間左右線掘進速度對比圖50454035302520151050 圖11 越東區(qū)間左右線掘進速度對比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為

13、<8>、<9>層；21-65環(huán)為<7>、<8>層；66-79環(huán)、129-160環(huán)為<8>層； 161-207環(huán)為 <8>、<9>層，頂部少量<7>層； 277-366環(huán)為<9>層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為<8>、<9>層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為<8>層；212-241環(huán)為<8>層，頂部少量<7>層；308-346環(huán)為<9>層左右線掘進施工時，

14、一般情況下均采用空倉掘進模式。從以上掘進參數(shù)來看，右線掘進推力整體大于左線，掘進扭矩整體小于左線，掘進速度整體高于左線。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出三菱盾構(gòu)機在空倉掘進模式時，盾構(gòu)機掘進效率略高于海瑞克盾構(gòu)機。越東區(qū)間右線于2010年2月21日始發(fā)，3月7日開始掘進第1環(huán)，8月23日盾構(gòu)機頂至車站圍護結(jié)構(gòu)。由于發(fā)生柴油車溜車事件，6月9日至7月3日重新配置水平運輸方案，采用新購入的電瓶車進行水平運輸，期間盾構(gòu)機共停滯25天。右線實際掘進時間為145天，日均掘進約2.6環(huán)。越東區(qū)間左線于2011年12月31日始發(fā)，2012年1月2日開始掘進第1環(huán)，5月30日盾構(gòu)機頂至車站圍護結(jié)構(gòu)。由于春節(jié)期間受渣土運輸

15、影響，1月20日至2月9日停機，期間盾構(gòu)機共停滯21天。右線實際掘進時間為128天，日均掘進約2.9環(huán)。從日掘進環(huán)數(shù)來看，左右線掘進效率都較低，以下為右線1-200環(huán)和左線150環(huán)-350 右線第1環(huán)-200環(huán)實際花費94天時間，受影響時間約35天，掘進施工效率為62.8%。左線150環(huán)-350環(huán)實際花費84天時間，受影響時間約為24天，掘進施工效率為71.4%。圖12 右線設備故障分析圖 圖13 左線設備故障分析圖從右線掘進影響時間與左線對比發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機及其配套設備故障、開倉作業(yè)施工和盾尾及臺車清理時間都明顯多于左線。設備故障主要體現(xiàn)在水平運輸車輛，開倉作業(yè)主要為開倉進行泥餅清理。 3.1

16、“泥餅”清理影響右線在200環(huán)掘進施工過程中，共開倉清理“泥餅”19次，影響時間約為165小時。左線清理“泥餅”2次，影響時間約為7小時。“泥餅”的產(chǎn)生的原因和地質(zhì)條件、盾構(gòu)機選型及施工方式有關(guān)。越東區(qū)間主要穿越中、微風化粉砂質(zhì)泥巖，從地質(zhì)上來看，該地質(zhì)在掘進過程中易形成泥餅。越東區(qū)間掘進過程中發(fā)泡劑均采用廣州盾之構(gòu)建材有限公司生產(chǎn)的發(fā)泡劑，右線還單獨使用了分散劑，但效果一般。左右線“泥餅”產(chǎn)生的次數(shù)差異主要原因是盾構(gòu)機選型。盾構(gòu)機選型是“泥餅”產(chǎn)生的主要原因，土倉結(jié)構(gòu)、發(fā)泡系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)與“泥餅”的形成密切相關(guān)。三菱盾構(gòu)機發(fā)泡系統(tǒng)在刀盤面板和土倉壁板分別設置了3根和8根泡沫管路；海瑞克盾構(gòu)機

17、在刀盤和土倉壁板上分別設置了4根泡沫管路，刀盤上4條泡沫管路設置了8個噴射頭。三菱盾構(gòu)機發(fā)泡系統(tǒng)原液與水配比采用攪拌桶充分進行攪拌后再與空氣進行混合發(fā)泡，而海瑞克盾構(gòu)機發(fā)泡系統(tǒng)原液與水直接在管路內(nèi)進行混合后再與空氣進行發(fā)泡。三菱盾構(gòu)機和海瑞克盾構(gòu)機都設置了較為合理的泡沫系統(tǒng)，對防治“泥餅”均有一定的作用。 圖14 海瑞克盾構(gòu)機泡沫管路及噴頭圖 圖14 三菱盾構(gòu)機泡沫噴頭圖攪動系統(tǒng)中刀盤支撐柱、主動攪動棒和被動攪動棒對渣土的攪動加強了渣土的流動性。 刀盤支撐柱和主動攪動棒隨著刀盤的轉(zhuǎn)動而攪動土倉內(nèi)的土體。被動攪動棒固定在刀盤壁板上，在土體隨刀盤翻動時，被動的對土體進行攪動。三菱盾構(gòu)機在刀盤邊緣區(qū)

18、域和土倉壁板上分別設置了3根主動攪動棒和3根被動攪動棒。海瑞克盾構(gòu)機在刀盤區(qū)域和土倉壁板上分別設置了4根主動攪動棒和4根被動攪動棒，并在被動攪動棒內(nèi)設置了泡沫管路。支撐柱雖然能較好的對土體進行攪拌，但過多的設置反而會起到反作用。海瑞克盾構(gòu)機采用四根放射型圓柱體支撐柱（牛腿支撐柱），刀盤中心處無連接。較少的牛腿柱和較大的中部空間使渣土在土倉中有較好的流動性。三菱盾構(gòu)機刀盤支撐梁采用六根方形支撐柱，中心處采用一個馬鞍式橫梁與中心回轉(zhuǎn)體連接。三菱盾構(gòu)機較多的支撐柱將刀盤中心區(qū)域包圍成一個相對狹小的空間，中部橫梁不僅降低了渣土的流動性，還給渣土提供一定的堆積平臺，導致渣土在土倉中心區(qū)域停留聚集的幾率變

19、大。 由于渣土的流動不暢，直接給予了渣土顆粒重新聚集的條件。三菱盾構(gòu)機刀盤和主驅(qū)動通過六根方形支撐柱，中心處采用一個馬鞍式橫梁與中心回轉(zhuǎn)體連接在一起。這種設計雖然能較好的傳遞扭矩和推力，但土倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)較擁擠，直接影響了土倉內(nèi)渣土的流動性，這是導致“泥餅”產(chǎn)生的主要原因之一。海瑞克刀盤和主驅(qū)動的連接方式雖然相對簡單，但結(jié)構(gòu)剛度滿足工程使用要求，土倉內(nèi)渣土的流動性較好，一定程度上減少了“泥餅”的產(chǎn)生。 圖14 海瑞克盾構(gòu)機刀盤背面 圖15 三菱盾構(gòu)機刀盤背面3.2盾尾及臺車區(qū)域清理影響及脫軌影響右線在200環(huán)掘進施工過程中，盾尾及臺車區(qū)域清理影響時間約為269小時。左線影響時間約為155小時。右線在200環(huán)掘進施工過程中，臺車脫軌16次，影響時間約為39.5小時。左線未出現(xiàn)臺車脫軌。本區(qū)間地下水類型主要有第四系孔隙水。有風化帶的基巖風化裂隙水，巖石單位涌水量<0.10l/s.m，屬弱透水地層，僅局部地段含水量較大，部分孔單位涌水量可達0.13 l/s.m。由于噴涌影響，大量的泥漿及積水在隧道內(nèi)堆積，直接導致下一工序無法進行，因此左右線均受此影響較大。臺車脫軌主要出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎小半徑段，由于轉(zhuǎn)彎半徑過小，受臺車長度影響，臺車容易發(fā)生脫軌。三菱盾構(gòu)機臺車車輪采用單輪，而海瑞克盾構(gòu)機采用雙