1、重庆地铁工程盾构适应性设计eSi下襞 0 瓣 f 麓重庆地铁工程盾构适应性设计陈馈(中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室,河南郑州】【摘要】针对重庆轨道交通六号线二期工程的地质特点,通过对盾构施工难点的分析,提出了具有针对性的地质适应性盾构设计方案.【关键词】盾构;泥岩;砂岩;适应性设计中图分类号U455.39文献标识码 B文章编号1001554X(2011)050104041 工程概况AdaptabilitydesignofshieldmachineforChongqingmetroHneCHENKui重庆轨道交通六号线二期工程全长约 17km,包括茶园段,蔡家段及北碚段 3 个区段.隧
2、道穿越的地层基本上以砂质泥岩和砂岩为主,围岩裂隙不发育,围岩的完整性较好,地下水主要赋存于裂隙中,由于裂隙不发育,故地下水量较少.其中,茶园段,蔡家段穿越的泥岩和砂岩抗压强度在 3.741MPa 之间,北碚段穿越的泥岩和砂岩抗压强度在 0.253MPa 之间.根据地质纵断面图,较大部分地段的岩层产状比较平缓,与隧道掘进轴线的夹角不大.按照细一中粒结构砂岩考虑,实际围岩强度应增加 10%左右.另外,盘形滚刀破岩时岩体处于三向应力状态,从破岩的角度考虑,围岩抗压强度初估在 5O60MPa 左右.根据地质勘察资料,茶园段,蔡家段的围岩属于开挖后能够自稳或自稳时间较长的围岩,由于大部分地段的埋深在 3
3、040m 之间,在该地段开挖后围岩的收敛作用较轻微.但北碚段的围岩强度较弱,就其埋深来说,地层在开挖后的收敛比茶园段,蔡家段要大得多,岩层对盾体的摩擦系数也比土层的摩擦系数大,盾构设计时应予以充分考虑.根据地质资料,在茶园南站一茶园北站,茶园北站一长生桥站,蔡家站一向家岗站等 3 个区间均存在粉质粘土层从隧道顶板侵人或接近隧道断面情况,盾构施工时应采用平衡模式掘进以防止地表104 建毛瓤拭发生沉降.但在以岩层为主的断面中,块状的渣土对刀盘的搅拌阻力大,采用平衡模式掘进时发生堵舱的风险很大,盾构设计时应予充分考虑.2 盾构施工难点分析2.1 长距离砂岩与泥岩层掘进(1)破岩.茶园段 ,蔡家段岩层
4、抗压强度为 330MPa,属中等强度以下,但岩体完整性较好,需完全依靠滚刀滚压产生的裂纹破裂岩体.由于不能充分利用岩体原有的节理裂隙破碎岩石,产生和扩展裂纹需要更多的能量,一次滚压产生的裂纹不足以破裂岩石,需第二次或更多次滚压才能裂破岩面,因此推进的贯人度不可能很大,根据同类地质施工实例统计数据,约在 38mm 左右.由于贯人度不大,需更小的刀间距才能使相邻压痕之间的岩石破碎角贯通,从而实现有效破岩.该标段中局部地段需要采用平衡模式掘进,因此在盾构与岩石掘进机中只能选择盾构.盾构因不能采用伸靴方式获得反转矩,故不能采用单向旋转的刀盘,而采用推进油缸布置来获得反转矩又会产生管片环旋转的问题,因而
5、也不能采用单向旋转的刀盘;另外,由于盾构刀盘需双向旋转,双向的刀盘开口会占据刀孔空间,使刀盘滚刀布置的数量受到限制,使刀间距难以减小.因而破岩问题成为该标段长距离砂岩f 收稿日期20101227通讯地址 陈馈 ,河南省洛阳市西工区状元红路 3 号泥岩层掘进的难点之一.(2)刀盘进渣与刀具二次磨损.由于盾构采用平衡模式掘进,因而不能采用岩石掘进机的皮带机出渣方式(该方式不能密封,不能建立平衡压力).当盾构采用敞开模式掘进时,土舱中至少要保持高于螺旋机叶片高度的渣面,才能保证螺旋机的正常输渣量(岩石掘进机开挖的岩渣可立即被刀盘上的铲斗带走),存留在土舱中的渣土会阻碍刀盘前的渣土进入土舱,同时会对转
6、至底部的刀具产生严重的二次磨损.(3)主机振动与盾体滚转.在岩石地层中掘进会产生比土层掘进更强烈的振动冲击,另外岩石地层对盾体的围裹作用减弱,盾体不能从周围的地层中获得足够的摩擦力矩,刀盘转矩的反作用力矩会使盾体产生滚转.(4)刀盘转速与掘进进度.由于刀盘贯人度较小,需要提供较高的转速才能获得所需的掘进进度,而在保证刀盘驱动转矩前提下,提高刀盘转速势必加大主驱动功率.增加了设备的投资与使用成本.(5)卡盾与转向.当边刀磨损后未及时更换,或局部地段破碎岩块落人盾体开挖空隙时,会发生卡盾现象.根据国内外施工案例,在岩石地层掘进中,因岩石地层几乎没有可压缩性,当边刀磨损 58mm 后,盾构会出现卡盾
7、和转向困难的问题.(6)刀具及螺旋机磨损.岩渣对刀具和螺旋机的磨损及损坏作用强烈,同时会使螺旋机卡困,因此螺旋机必须有足够的驱动转矩.设计时必须考虑螺旋机在洞内能够进行中修.(7)管片上浮. 由于岩石地层大多数地段几乎不发生渗透,同步注浆浆液在同等的配比条件下更易处于液态,对安装后的管片环浮力增大,管片上浮后不但改变了隧道中心位置,同时使上部盾尾间隙减小,造成管片安装困难,并会加速损坏尾刷.2.2 软硬不均及较弱地层平衡模式掘进(1)刀盘较大的搅拌阻力矩.土压平衡模式掘进要求渣土有足够的细颗粒成分,通过注入泡沫及适量的膨润土使渣土具有塑流性,在充满土舱建立压力的同时又能够被刀盘搅动.由于该标段
8、渣土以片状块状为主,细颗粒成分不足,渣土的内摩擦阻力大,塑流性不好,易发生堵舱现象,导致搅拌阻力过大使刀盘转动困难.(2)卡盾.北碚段砂质泥岩的总体强度较弱,同时由于埋深相对较大,开挖后可能会有较大收敛并包裹盾体,且砂质泥岩的摩擦系数较大,可能会因推阻力过大而导致卡盾.3 盾构适应性设计3.1 长距离砂岩与泥岩层掘进(1)刀盘.刀盘结构设计时应同时考虑滚刀布置数量与进渣问题.刀盘前面不留有存渣的结构死角,切刀和刮刀的旋向前方留有尽可能大的容渣面积或区域,以便使切刀刮刀能够一次刮人更多的渣土.安装切刀刮刀的刀梁板(也作为带渣板)具有较宽的宽度,能够将进入开口的渣土全部带走,其作用相当于岩石掘进机
9、刀盘上的铲斗和溜渣板,将渣土带到上部后直接落到螺旋机叶片输出.前盾切口的长度缩短,以便减少土舱内底部的存渣容积.滚刀布置首先考虑边刀的间距.为了延长边刀的换刀间隔,边刀采取密集布置方式,第一轨迹与第二轨迹的边刀问距最小,以减少最外轨迹边刀的荷载,延长换刀间隔;第三轨迹间距依次增大但仍密集.刀盘布置了 43 把单刃滚刀,在边刀间距密集的前提下,正滚刀的问距为 83mm,可破除70MPa 以上的岩体.图 1 用于重庆轨道交通六号线二期工程的硬岩盾构根据青海引大济湟工程施工实践,最外轨迹只有 l 把边刀和有 3 把边刀的掘进效果相当;同时Robbins 公司制造的硬岩掘进机最外轨迹的边刀也仅E 鹫幽
10、CON$TRUCTIONTe 瓣 00 璐有 1 把.盾构设计时,最外轨迹边刀数量为 1 把,以减少边刀的更换时间;并取消扩挖刀,设计 4 组共 8个油缸伸靴装置用以摆动盾体,以获得更换新边刀的扩挖空间.边刀采用大倾角(70.)布置,以便增大刀体与开挖面的距离,减少块状渣土对刀体的额外附加荷载,以减少滚刀轴承荷载,使轴承荷载尽可能用于刀圈.刀盘外环所有刀具均设刀体保护块,以便排开刀盘底部存留渣土,避免其对刀体产生附加荷载及损坏.边刀采用通用型滚刀,以便在边刀磨损后(此时尚未达到正滚刀的磨损极限)仍可作为正滚刀使用,提高刀具的利用率并降低成本.所有滚刀均为可靠的楔形安装方式并为背装式,所有的切刀
11、,刮刀均可在土舱内进行更换.刀盘的开口率为 28%,中心部位留有合适的开口以防止结泥饼,刀盘外环周边共有 12 个开口,每个方向旋转时可有 6 个有效进渣口,以满足敞开模式掘进时的进渣需求.刀盘结构具有足够的刚度和强度,盘体结构在极端情况下发生局部磨损时仍能保持不发生变形,并进行了耐磨设计,磨损修复间隔里程可达到 3km 以上.刀盘用于北碚段掘进时,由于地层强度较低,对滚刀的摩擦力小,有可能发生滚刀弦磨损坏,此时可取消滚刀,在滚刀的刀座上安装重型撕裂刀用以剥落岩面.(2)前盾稳定器.前盾上部左右分别设置 1个油缸伸靴方式的稳定器,掘进时支撑在径向开挖面上随盾体向前移动.稳定器与盾体底部与开挖面
12、的接触点一起形成三角形支承结构,伸靴的油缸可以吸收主机传来的振动,对刀盘振动形成半刚性约束,有效减少刀盘的振动.同时由于增加了约束点,增大了盾体与隧道围岩的摩擦力以获得较大的反转矩,减少盾体由于刀盘转矩引起的滚转.当盾构用于北碚段较软地层时,盾体能获得足够摩擦力时可将稳定器缩回.(3)主驱动.在茶园段 ,蔡家段较硬的地层中,由于掘进的贯人度较小,施工中刀盘转速 45r/rain,配置的主驱动功率为 1200kW,额定转速 2.616r/rain,最高转速 5.9r/rain,额定转矩4380kNm,脱困转矩 5475kNm.在北碚段较软的地层中,由于贯人度较大,刀盘的转速可以降低.配置的主驱动
13、功率为 660kW,1O6 建气缸城额定转矩 5700kNm,脱困转矩 6840kNm.额定转速 1.15r/rain,最高转速 3.0r/rain.刀盘常用转速为2r/rain 左右.较大的刀盘转矩可满足经常采用土压平衡模式掘进时块状渣土增加的搅拌转矩需求.(4)主轴承.配置的主轴承直径 3058mm,最大使用推力荷载 12500kN,试验推力荷载31250kN,破坏推力荷载 50000kN,安全系数 4.有效使用寿命10000h,设计使用寿命 36555h.(5)螺旋输送机.该标段地层为完整性良好的岩层,刀盘切削的块状,片状渣土的粒径极大部分不大于刀间距,为了在敞开掘进模式下提高输送效率,
14、配置轴式叶片,可在简体内形成半封闭结构以利于输送松散渣土.为了将土舱的渣土尽可能彻底送出,螺旋机叶片轴紧贴前盾切口底部内圆表面.根据类似工程案例,镶焊耐磨复合钢块的叶片轴在大粒径密实卵石地层和硬岩地层的修复问隔约为 lkm 左右,标段区间隧道长度均超过 lkm,故应提供在洞内修复叶片和简体磨损部分补焊的可能性.螺旋机设置了底部滑块导向装置,补焊修复时拆除筒体与前盾的连接法兰螺栓,螺旋机即可沿滑块装置抽出进行补焊.叶片轴前部镶焊复合耐磨钢块,并在复合钢块上再堆焊耐磨焊条.螺旋机主驱动为周边液压马达驱动,共设置 5 个双速马达及一级齿轮减速传动,可提供 150kNm 的驱动转矩.(6)盾体摆动设计
15、.在前盾和中盾中下部设置4 组共 8 个油缸伸靴,为盾体摆动提供支撑点及转向力,每组伸靴可提供 2600kN 的支撑及摆动力,其功能是通过盾体带动刀盘摆动,获得边刀的更换空间,同时也有利于盾构的转向和纠偏.(7)同步注浆减水剂注入管.减水剂注入管端部设在盾尾注浆管出口处,砂浆在输出离开管口前与减水剂混合,以便加快砂浆凝固,同时又不会堵管.通过控制砂浆凝固速度,适时控制管片上浮.(8)刀具冷却喷口.硬岩盾构的刀盘为开式结构,在土舱隔板上设置了高压水喷口,通过适当布置喷口的位置和数量,可直接喷射到大多数刀孔及滚刀背部,对滚刀进行冷却.同时可以清除刀盘及刀孔的泥饼.(9)掘进方式与参数控制.茶园段,
16、蔡家段区问隧道地层完整陛好,自稳能力强,宜采用敞开模式掘进,可减少刀盘阻转矩和整机推力.设计的硬岩盾构采用螺旋输送机出渣,土舱底部必须保持一定高度的渣面,叶片轴才能将岩渣送出.于渣土会在叶片轴两侧的土舱内堆积到相当高的高度,才会沿着安息角滑向叶片轴,在刀盘搅拌棒下部叶片轴两侧长期堆积干渣土,对刀盘的进渣非常不利,渣土也会对运转到底部的刀具产生严重的二次磨损.因此即使采用敞开模式掘进,也应向刀盘和土舱内注入适量的膨润土,泡沫和水,有利于土舱底部的渣土向巾心底部流动螺旋机输出,同时润滑作用可有效减少螺旋机的磨损.在茶园段,蔡家段的砂质泥岩层中,通过向刀盘土舱注入泡沫并结合高压冷却水的喷射,可避免刀
17、盘刀孔泥饼,而且对螺旋机的出渣更为有利;在砂岩地段掘进应采用低贯入度及较高的刀盘转速;在泥岩地段应采用高贯入度及较低的刀盘转速.3.2 软硬不均及较弱地层平衡模式掘进在茶园段,蔡家段软硬不均及北碚段较弱地层采用土压平衡模式掘进,需对盾构进行针对性设计.(1)旋转接头. 配置具有各自独立的膨润土及泡沫通道,可同时向刀盘前面注入膨润土和泡沫,对切削的渣土进行搅拌以获得较好的混合效果.(2)添加剂注入系统.配置能力足够,性能良好的膨润土,泡沫及工业水注入系统,可对渣土进行有效的改良.为了增加渣土中的细颗粒成分,在砂岩为主的软硬不均地层,采用土压平衡模式掘进时,需要注人 30%以上的膨润土.(3)盾壳
18、外膨润土注入系统.配置能力足够,性能良好盾壳外膨润土注入系统,可有效减少盾体的摩擦阻力,防止卡盾.4 主要参数与应用效果重庆轨道交通六号线二期工程经综合考虑工程条件,同类工程业绩及设备报价隋况,选用了 9台由中铁隧道装备制造有限公司自主设计制造的西 6.25m 硬岩盾构,整机体形如图 1 所示,主要技术参数见表 1.盾构在施工蔡家站一曹家湾站区问时,实现了最高日掘进达 27m 的全国同类地层最高进度.表 16.25m 硬岩盾构主要技术参数用于茶园段及用于北培段参数蔡家段盾构盾构主机长度/m9.1749.174总装机功率/kW刀盘开挖直径/mm6280(新刀)6280(新刀)开口率/%2828刀
19、盘驱动功率及方式/kw1200,变频驱动 660,变频驱动刀盘转速/(r/rain)0,603额定转矩/kN-m脱困转矩/kN?ITI推进行程/mm2150(30 根)2150(30 根)最大推进速度/(mrn/min)8080总推力/kN前盾稳定器油缸数量 22前盾稳定器单根油缸推力/kN盾体摆动油缸行程/mm2020盾体摆动油缸数量 88盾体摆动单根油缸推力/kN5 结束语针对重庆轨道交通六号线二期工程研究开发的硬岩盾构,既不同于现有土压平衡盾构,也不同于岩石掘进机,而是一种集岩石掘进机技术与土压平衡盾构技术于一体的新型盾构,既具有硬岩快速掘进功能,又具有开挖面土压平衡功能,使土压平衡盾构技术与岩石掘进机技术相互渗透,相互融合.该盾构主要解决了采用盾构方式的硬岩刀盘及刀具技术,硬岩掘进盾体滚转纠正技术,硬岩小曲线半径掘进设计技术,小体积高功率变频主驱动技术等关键技术.研究开发的硬岩盾构不仅可用于重庆地铁施工,也可推广应用于广州,深圳,香港,长沙,厦门等以岩层为主的地质.随着地下工程的发展,隧道的埋深会越来越深,更多的地下工程位于基岩当中,对硬岩盾构将有更大的需求,硬岩盾构应用前景将更加广阔.
