【52監測網】第104期 超大直徑泥水盾構關鍵技術和研究
 52監測網專家報告分享-第104期 《超大直徑泥水盾構關鍵技術和研究》 王志成 中鐵十四局集團有限公司 目錄 一、超大直徑盾構的發展和應用 二、可常壓更換刀具的刀盤 三、超大直徑盾構機刀盤的選型 四、國外大直徑盾構項目介紹 五、盾構發展趨勢和展望 內容介紹 一、 超大直徑盾構的發展和應用 超大直徑盾構的發展情況 超大直徑盾構，一般指開挖直徑不小于14m的盾構機，截止目前，全球已建成和在建的超大直徑盾構項目已超過40個，其中，中國的項目占到總數約2/3。 在盾構機的類型上，超大直徑泥水平衡盾構機的數量遠超過土壓平衡盾構機，穿越江、河、湖、海的盾構隧道基本采用泥水盾構施工。 中國是目前超大直徑盾構項目最多的國家。比如上海的上中路隧道、滬崇蘇長江隧道、南京長江隧道、南京緯三路長江隧道和濟南下穿黃河公路隧道等。 截止到目前，最大的泥水平衡盾構是中國香港屯門-赤鱲角公里隧道，盾構機開挖直徑17.6m；最大的土壓平衡盾構為美國西雅圖公里隧道，盾構機開挖直徑17.48m，目前上述項目均已完工。 超大直徑盾構的應用情況 超大直徑盾構隧道絕大多數應用在公路隧道，小部分應用在鐵路隧道（單洞雙線隧道） 單洞隧道結構型式： ◇ 單層結構，上部為單向3車道，下部為管廊和應急救援通道 ◇ 單層結構，上部單向3車道，下部單向地鐵通道和應急救援通道 ◇ 雙層結構，每層為單向雙車道，上下兩層雙向四車道 單層結構，上部為單向3車道，下部為管廊和應急救援通道
單層結構，上部單向3車道，下部單向地鐵通道和應急救援通道，如武漢地鐵7號線三陽路隧道、濟南穿黃隧道等。
雙層結構，每層為單向雙車道，上下兩層雙向四車道，如南京緯三路過江隧道、揚州瘦西湖隧道。
超大直徑盾構所面臨的主要挑戰 ● 由于盾構機直徑較大，洞身所處地層一般為復合地層或上軟下硬等復雜地層，盾構姿態控制難度較大、掘進效率低，盾構施工難度大。 ● 隧道的埋深較深，水土壓力較大，對盾構機相關密封系統和泥漿環流系統（泥水盾構機）的配置要求較高；同時，盾構施工期間帶壓進倉所承受的水土壓力較高，帶壓進倉作業的難度更大。 ● 在同等轉速下，由于開挖刀具的運行距離與刀具距離刀盤中心距離呈正比，所以，位于刀盤周邊和邊緣刀具運行距離較長，刀具更容易被磨損，更換刀具的頻率更高、費用更大。 ● 盾構機的始發和接收難度較大，盾構機的到達和接收難度比較大
● 盾構機的結構更加復雜，部件的重量和體積龐大，盾構機的加工制造、運輸、工地組裝和拆卸等難度較大 二、 可常壓更換刀具的刀盤 針對超大直徑盾構機，必須介紹超大直徑盾構機所特有的常壓下更換刀具刀盤設計，這是超大直徑盾構機所獨有的技術，在中、小直徑的盾構機上無法采用該技術。
可常壓更換刀具刀盤技術的發展 常壓更換刀具刀盤技術是德國海瑞克公司1996-1998年在德國漢堡易北河隧道首次研發使用，目前，對于直徑超過12m的盾構機均可采用。
常壓更換刮刀的更換方法也在不斷發展、進步，到目前已先后經歷了兩代，我們將其分別定義為第一代和第二代,下面介紹常壓更換刀具的更換方法。 常壓更換刮刀的更換方法 （1）第一代常壓更換刮刀的拆除步驟 常壓更換刮刀的裝置主要由刀具、刀座、刀腔、前密封閘門、導向螺桿和拆卸螺桿等部分組成，常壓更換刮刀裝置的結構圖如下：
① 準備工作 換刀前先進行泥水大循環，盡可能多的帶走土倉內渣土，防止渣土在換刀時進入刀腔，使刀具安裝困難；轉動刀盤，使需更換刀具的刀盤主臂呈豎直方向位于底部，連接換刀所需的管路和線路；選擇相應的換刀工裝和工具。 ② 拆除螺栓 拆除位于刀座尾部的用來安裝導向螺桿的兩根螺栓。
③ 安裝導向螺桿 將2根導向螺桿分別安裝至已拆除螺栓的螺栓孔中
④ 安裝拆裝螺桿 沿著2根導向螺桿的外側分別安裝2根拆裝螺桿
⑤ 安裝前密封閘門開閉油缸 安裝開閉前密封閘門的液壓油缸，將液壓泵與刀腔密封閘門開閉液壓油缸連接起來
開閉閘門專用油缸 ⑥ 安裝沖洗水管 將2根高壓水管分別連接到刀腔的沖洗水管快速接頭上（共兩根，一進一排）；
⑦ 拆除固定螺栓、退出刀具 拆除刀座尾部剩余的固定螺栓，使用扳手同時旋轉2根拆卸螺桿，使刀具和刀座沿導向螺桿均勻緩慢退出；
⑧ 關閉前密封閘門 當刀具的前端剛好退至閘門內、刀座尚未脫落刀腔時，打開沖洗水管進水閥門，使用高壓水沖洗刀腔，同時，關閉前密封閘門，并確保該閘門關閉嚴密，不會泄壓；
⑨ 更換刀具 拆除導向螺桿和拆裝螺桿，利用起重工具（葫蘆）將刀具和刀座從刀腔內吊出，檢查刀具的磨損情況，如果刀具磨損不嚴重，將刀具重新裝回到刀腔內，如果刀具磨損嚴重，則更換新的刀具。
第一代常壓更換刀具裝置的特點： 優點：結構簡單，操作方便； 缺點：換刀作業存在較大安全隱患。在拆卸或安裝刀具、當前閘門完全關閉前，換刀時使用導向螺桿和拆卸螺桿承受掌子面的水壓，如果導向螺桿或拆卸螺桿存在缺陷，或者操作不當，極易出現刀盤主臂（常壓）與掌子面（帶壓）聯通，刀座刀盤主臂內瞬間被帶壓泥漿充滿，發生安全事故。 第二代常壓更換刀具裝置 為了克服第一代換刀方案所存在的安全風險，確保常壓換刀作業安全，2011年，在南京地鐵10號線過江隧道盾構機（S668），中鐵十四局和海瑞克公司共同研發了第二代常壓換刀裝置。 使用限位筒和液壓油缸代替導向和拆卸螺桿，即通過工裝來控制刀具收縮或伸長的距離，第二代的安全性有了較大提高，機械化程度提高，缺點是換刀工裝體積龐大、重量較重，換刀作業的操作比較復雜。 三、 超大直徑盾構機刀盤的選型 由于超大直徑盾構涉及的問題和難點較多，包括盾構機的選型設計、盾構始發、掘進和接收等方方面面，這里僅針對超大直徑盾構刀盤的選型進行研討。
超大直徑盾構的刀盤設計 在超大直徑盾構項目中，刀盤的選型設計是關鍵和重點，刀盤的選型是否合理甚至決定著項目的成敗。 為了滿足不同地層施工需要，刀盤的開口率不同，刀盤的開口率一般為30-60%，在粉細砂地層，刀盤的開口率偏大，一般達40-60%；在巖石或粘土地層，刀盤的開口率較小，一般為30-40%，在硬巖地層，刀盤的開口率更小。 可常壓更換刀具刀盤的設計 由于大多數超大直徑盾構項目面臨水文地質條件復雜、掘進距離長和開挖倉的壓力較高等難題，需要頻繁更換開挖刀具。 如果刀盤不具備常壓更換刀具的功能，需要聘請潛水員帶壓進倉檢查和更換刀具，一方面費用較高，一次停機更換刀具時間較長，同時，潛水員帶壓進倉安全風險較高。 如果刀盤具備常壓更換刀具的功能，基本不需要帶壓進倉作業，工人經必要的培訓就可以完成常壓刀具的檢查和更換，工作效率高、安全性好、作業費用低。因此，目前絕大多數超大直徑盾構機的刀盤具備常壓更換刀具的功能。 從南京長江隧道開始，到武漢地鐵8號線過江隧道、武漢地鐵7號線三陽路隧道，直至目前正在施工的汕頭蘇埃隧道等，常壓換刀刀盤技術在國內超大直徑盾構項目上已廣泛使用。
常壓換刀刀盤的優缺點 優點 可以在常壓下檢查、更換部分開挖刀具（一般刀盤的中心和正面每個軌跡一把滾刀、兩把刮刀），避免頻繁帶壓進倉檢查和更換開挖刀具，節約更換刀具的費用，縮短更換刀具的時間，降低更換刀具的安全風險。 缺點 ① 刀盤的開口率偏低，開口率僅有25-35%；同時，為了在刀盤中心能夠布置開挖刀具，刀盤中心一定范圍內無開口，開挖倉和氣泡艙內渣土的流動性差，刀盤、刀具易結泥餅，容易出現渣土滯排等問題。 ② 受結構限制，一般情況下，一個軌跡只能安裝一把滾刀或兩把刮刀（順時針和逆時針各一把），刀盤上布置的刀具數量比常規刀盤偏少。 ③ 刀盤的體積龐大、重量較重、動輒400-500噸，結構復雜，采購費用高 如何解決常壓更換刀具刀盤的問題 目前，國內絕大部分超大直徑項目，使用常壓換刀刀盤，雖然，常壓換刀刀盤基本解決了開挖刀具更換的難題，但是，這種刀盤存在開口率偏小、刀盤中部易結泥餅等問題，如何解決常壓更換刀具刀盤所存在的問題，確保盾構施工安全、順利進行，已成為盾構機制造商和施工單位必須面對和解決的問題。 針對常壓更換刀具的刀盤所存在的問題，建議采取以下措施： ● 合理設計刀盤結構和刀具配置，盡量提高刀盤的開口率，同時，盡量減少刀盤中心區域無開口部位的半徑 ● 針對泥水盾構，可以提高開挖倉和氣泡艙內泥漿的流動性，確保及時排出刀盤開挖下來的渣土，具體如下： ① 根據實際情況，泥漿環流系統配置大排量、高揚程的泥漿泵，加大進入盾構機開挖倉內泥漿（進漿泵）和從盾構機內排除泥漿（排漿泵）的流量 ② 刀盤正面、開挖倉和氣泡艙等重要部位采取泥漿多層次、大流量沖刷方案。 例如，在刀盤中心部位，從四周向刀盤中心泵送泥漿；在刀盤相鄰的兩個主臂開口位置設置噴嘴，沿半徑方向向外側泵送泥漿等
③ 因刀盤中心部位無開口，所以該部位渣土易堆積、結泥餅。 提高刀盤中心沖刷泥漿泵（P0.1泵）的流量和揚程，提高刀盤正面沖刷泥漿的流速，防止渣土在刀盤中心堆積、結泥餅； 同時，合理設計環流系統的泥漿管路，例如：刀盤中心沖刷泵（P0.1泵）的進漿管既可從主進漿管道進泥漿，也可以從氣泡艙進漿，以改善開挖倉和氣泡艙內的泥漿循環，提高外排泥漿的卸渣、排渣效果。 ④ 在盾構機范圍內安裝小循環系統，提高排渣效率。 例如：在排漿泵（P2.1泵）的吸漿口處安裝分流箱，安裝小流量的泥漿泵，從分流箱吸泥漿，將泥漿分別泵入開挖倉或氣泡艙內，增加進、排漿流量，改善泥漿循環效果，提高排渣的效率 總之，通過優化盾構機的環流系統設計，加大內循環的泥漿流量，有利于開挖倉和氣泡艙內渣土被及時排出，防止渣土堆積，解決泥漿滯排和刀盤中心結泥餅等問題，提高盾構機的掘進速度，可以彌補因刀盤開口率不足而帶來的盾構掘進效率偏低和刀盤結泥餅等問題。 四、 國外大直徑盾構項目介紹 以土耳其伊斯坦布爾市歐亞（AVRASYA）海底盾構隧道為例，介紹該項目盾構機的配置和盾構施工情況 項目概況 土耳其伊斯坦布爾市歐亞（AVRASYA）海底盾構隧道位于土耳其伊斯坦布爾市，隧道穿越博斯普魯斯海峽，為單洞雙層公路隧道，每層各有兩條車道，僅允許輕型車輛（家用轎車、小型公共汽車）通過，最高時速80km； 隧道全長5400m，其中，盾構隧道長3340m，管片內徑12.0m、外徑13.2m，環寬2m。
● 業主為土耳其DLH公司，由Yapimerkezi（土耳其）和SKE＆C（韓國）聯合施工； ● 盾構隧道交替穿過軟土、砂巖、泥巖、火山巖等巖地層，約30%為軟土地層，約70%為硬巖地層； ● 最大埋深位于海面以下106m，最大水土壓力11.2bar； ● 最大縱向坡度5%。 盾構機的主要配置 ● 向海瑞克公司采購1臺開挖直徑13.71m的泥水平衡盾構機； ● 刀盤結構為可常壓更換滾刀式，開口率29%，配備35把19吋常壓更換雙刃滾刀； ● 設計可承受最大壓力13bar； ● 主驅動為可伸縮擺動式，最大扭矩32781kNm，最大推力247301kN。 ● 后配套由1節連接橋+3節拖車組成，設備總長120m。
盾構機整機圖 盾構施工遇到和解決主要問題 ● 刀具的更換 由于地質復雜，水壓大，施工過程中頻繁更換開挖滾刀和刮刀。整個項目共更換雙刃滾刀430把，刮刀550把。由于采用常壓更換刀具的刀盤，所以刀具更換工作比較輕松。
● 防地震措施 由于伊斯坦布爾市臨近亞洲和歐洲兩大板塊交界處，距離隧道17公里有一個地震頻發的地質斷層區，為了防止因地震損壞隧道，設計安裝兩環特殊的抗震接縫管片，一旦發生地震，便可以像關節那樣工作，使隧道具備了必要的柔性
隧道內安裝的抗震接縫管片 ● 使用飽和潛水技術維修碎石機和入口格柵 盾構隧道掘進過半后，因持續出渣土，導致位于氣泡艙底部的排漿泵入口柵格和顎式碎石機嚴重磨損，必須帶壓進行維修。 由于氣泡艙內壓力較高，依靠專業的潛水員采用飽和潛水技術，在9bar的壓力下連續工作三周完成了入口柵格和顎式碎石機的維修。
飽和潛水作業設備 工程進展情況 ● 盾構機于2014年4月始發，盾構隧道于2015年8貫通，盾構掘進歷時16個月，平均日掘進7-10m，平均月掘進200m，取得了較好效果。 單日最大進尺：17.3m，單周最大進尺：91.6m。
隧道貫通照片 五、 盾構未來發展趨勢和展望 盾構發展趨勢和展望 隨著盾構施工的需要和科學技術的不斷進步，超大直徑盾構機的研發正在向自動化、智能化和多模式等方向發展。 自動化——超大直徑盾構的上述工作任務量較大、施工作業的安全風險較高目前，相關盾構機制造商正在研發管片自動拼裝技術、機器人帶壓進倉更換刀具等技術，使用機器人代替人工完成繁重或安全風險較高的作業，降低安全風險，節約人力成本。 智能化——如刀盤磨損量實時監測技術、刀具狀態實時監測技術（例如滾刀是否旋轉、刀具磨損量檢測等）、超前地質預報技術等，實現在線狀態監測、智能感知和提前預警、預判等功能，便于及時進行人工干預和處置。 多模式——單一類型的盾構機無法適用同一條隧道復雜多變的水文地質，為此需要研發多模式盾構機。目前，部分盾構機制造商正在研發土壓/直接式泥水雙模盾構、土壓/敞開式雙模盾構、氣墊直接式泥水/土壓雙模式盾構。
《超大直徑泥水盾構關鍵技術和研究》 王志成 中鐵十四局集團有限公司 |
2019-12-05
2021-07-07
2021-06-29
2021-09-06
2021-09-07
Powered by Discuz! X3.2@ 2001-2013 Comsenz Inc. 京ICP備16000992號-2 
京公網安備 11010802022300號
請發表評論