盾构机可靠性及适应性评估方案

中铁九局集团有限公司盾构机可靠性及适应性评估方案中铁九局集团有限公司西安地铁四号线15标项目经理部二〇一五年八月目录编制说明12盾构选型分析工程概况及水文地质条件3盾构机主要性能参数4盾构机选型的确定5一、编制说明1.1选型依据1.1.1西安市地铁四号线15标段盾构隧道，各区间岩土工程初步勘查报告。1.1.2西安市地铁四号线15标段盾构区间施工招标、投标文件、工程合同、设计文件及图纸等。1.1.3合同要求的技术规范、规定、标准以及有关现行的国家、陕西省、西安市、西安地铁公司及行业技术规范和标准。1.1.4西安市地铁四号线15标段实施性施工组织设计方案。1.1.5工地现场实际情况。1.1.6公司与盾构生产厂家的技术交流和成功合作的经验。1.1.7公司及项目人员长期以来从事各类盾构工程施工、各种地质条件下地铁的施工经验，借鉴西安地铁一号线、二号线积累的盾构施工经验。1.2适用范围范围：凤城九路站~文景路站及文景路站~行政中心站区间隧道盾构区间1.3选型目的按照“技术领先、设备可靠、经济适用”相结合的指导思想为原则，根据西安市地铁四号线15标段盾构隧道区间施工的特点、重点、难点，盾构机的性能对地质条件的适应性，对盾构机进行选型。为了让盾构机能更好的适应本标段盾构施工，特编制本方案，请各位专家领导进行指导。第二章工程概况及水文地质条件2.1区间线路设计概况凤城九路站~文景路站平面图二、工程概况及水文地质条件文景路站~行政中心站区间平面二、工程概况及水文地质条件西安市地铁四号线TJSG-15标段工程，包括两个车站两个区间，即文景路站、凤城九路站、行政中心站～文景路站区间和文景路站～凤城九路站区间的土建工程施工,标段起讫里程为：YDK27+134.938～YDK29+588.25，跨度总长2453.312m。左线盾构隧道长度1751.863单线延米，右线盾构隧道长度1725.035单线延米。区间隧道线间距13.5m。区间线路纵向最大坡度28‰，最小坡度2‰，最小平曲线半径R=350m，最小竖曲线半径R=3000m。沿线经白桦林居5#楼、2#楼、地下车库、1#楼等建筑，建筑林立，管线众多，人流车流密集。二、工程概况及水文地质条件二、工程概况及水文地质条件本区间隧道地表据钻孔揭露，拟建工程场地在勘探深度50.0m范围内的底层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土（Q4ml）、冲击（Q4ol）黄土状土、粉质粘土、粉细砂、中砂、粗砂、砾砂和上更新统冲击（Q3ol）粉质粘土、粉细砂、中砂、粗砂砾砂组成。根据勘察结果，地下水潜水位埋深13.90~16.50m，水位高程364.98~367.98m。根据勘察及区域地质资料，覆盖层为第四系松散层，含水层主要为强透水的粉细砂、中砂、粗砂、砾砂和弱透水的黏性土，潜水含水层底板埋深大于80m。勘察发现该场地局部存在少量上层滞水，含水层主要为黄土状土和粉质黏土层中的砂土夹层及黄土状土底部土层，厚度一般1～2m。本地区潜水补给来源主要来自地下径流和大气降水入渗补给。本地区地下水的总体。流向与地形一致，由东南流向西北。本地区潜水的排泄方式为人工抽水二、工程概况及水文地质条件各地质标贯值土层编号及名称实测锤击数N(击）频数最大值最小值平均值标准差变异系数1-1杂填土1418813.52-1黄土状土33194113.8980.3502-2粉质粘土51915162-4粉细砂1071183318.4640.5662-5中砂44115286421.7660.3422-6粗砂1586426613.5260.2063-4粉质粘土144717247.2390.3063-6粉细砂15125508019.5730.2453-7中砂482505010138.8240.3833-8粗砂101889012333.5460.273二、工程概况及水文地质条件【凤城九路站-文景路站】区间：中砂、粗砂、粉细砂、砾砂、粉质粘土(969m)【文景路站-行政中心站】区间：中砂、粉细砂、砾砂、粉质粘土(756m)二、工程概况及水文地质条件工程风险点初步识别文景路站～凤城九路站区间序号环境风险源与工程位置关系1PS砼直埋DN500管线与隧道相交2PS砼直埋DN1400管线部分管线与隧道平行3白桦林居1#楼右线隧道距离建筑物最近处为2.0m4白桦林居2#楼下穿建筑物，距建筑物CFG桩底约为4.5m5白桦林居5#楼右线隧道距离建筑物最近处为5.75m6白桦林居地下车库下穿建筑物，隧道顶距建筑物基础约为12.9m7白桦林居商铺下穿建筑物，隧道顶距建筑物基础约为16.5m2、行政中心站～文景路站区间建（构）筑物与区间相对关系结构类型加固措施1.行政中心站v号过街通道垂直净距4.9m马蹄形隧道1.盾构机调整参数，谨慎通过2.加强监测2.张家堡环岛2*2m电力管沟与钻孔桩水平净距2.8m二、工程概况及水文地质条件白桦林居2#，下穿建筑物，距建筑物CFG桩底约4.5m白桦林居1#，右线隧道距离建筑物最近处为2.0m白桦林居地下车库，下穿建筑物隧道顶距建筑物基础为12.9m。白桦林居地下车库，下穿建筑物隧道顶距建筑物基础为12.9m。二、工程概况及水文地质条件二、工程概况及水文地质条件V号过街通道，下穿建筑物，隧道顶距通到底净距约4.9m二、工程概况及水文地质条件管线实际位置，埋深约6.8m，位于右线隧道北侧，局部与左右线隧道相交，管线走向基本与盾构隧道平行二、工程概况及水文地质条件联络通道兼废水泵房，此处已进行洞外加固，盾构掘进到此处时将开仓检查刀具磨损情况联络通道加固区域二、工程概况及水文地质条件工程危险源应对措施本工程穿越白桦林居建筑群属于重大危险源，根据设计图纸及公司穿越其他建筑物的经验采取如下措施：1、在盾构进入建筑群前，对盾构进行全面检修，减少盾构因设备故障停机，保证盾构掘进的连续性。预先选择一个没有重要建筑物的地面对盾构进行维修保养，同时对盾构配套设施进行保养维修。2、刀盘土仓库压力比普通地层施工要提高，并根据地表监测结果，不断调整土仓压力参数，把沉降控制在允许范围内。3、要求从同步注浆压力、注浆量来确保管片与地层中的间缝填充密实，坚持根据监控量测情况指导施工。4、加强地表及建筑物的监测，把测量的结果及时反馈到盾构操作室，一指导盾构施工参数的控制。5、盾构掘进过程中，要有专人检查盾构的铰接密封和盾尾密封，发现有泄漏立即处理。6、要求控制盾构每环的出渣量，建立出渣记录，具体包括两个记录，一个是地下盾构司机，另一个是地面龙门吊司机，两个记录要每环核对，发现异常要及时处理。7、防止“喷涌”。在十几米的富水砂层中，土仓内的水土压力很大，出渣时很容易发生“喷涌”。水土压力一旦释放，造成刀盘前方的掌子面塌陷，地面将发生较大的沉降。8、采用洞内超前注浆加固。第三章盾构选型分析基本功能盾构机具有开挖系统、出碴系统、渣土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统、视频监控系统等基本功能，并根据本工程的设计需要增加超前注浆装置。在本标段中掘进易出现的问题及控制难点1、盾构长距离中砂层掘进，刀盘刀具磨损严重2、螺旋机在砂层磨损严重；3、隧道地层以中砂为主，当改良效果不佳时，刀盘土仓发生堵仓风险高；4、穿越富水砂层掘进控制不好容易发生喷涌，盾尾及铰接密封出容易泄漏。5、穿越细砂层掘进扭矩、推力大，土仓压力保持与地面沉降控制故将盾构机在砂层中掘进作为本标段的难点来进行应对，同时作为盾构机选型的重要依据，对盾构机的各系统参数进行配置，确保选用盾构机具有良好的适用性和可靠性。盾构机基本参数开挖直径：6280mm前盾尺寸：6250mm中盾尺寸：6240mm盾尾尺寸：6230mm总长度：约84m总质量：约500t最大推进速度：80mm/min最大推力：3991t脱困扭矩：8100KNm最小转弯半径：250m最大爬坡能力：50‰第三章盾构选型分析对地质的适应性（1）合理的刀盘及出渣系统的设计，同时能够加注辅助材料如泡沫、膨润土、聚合物等进行渣土改良，能够有效地控制掌子面及地表稳定的同时减少刀盘、刀具及螺旋机的磨损，防止了渣土喷涌。（2）能够合理选取掘进参数及施工方案，有效地延长刀具的寿命，降低换刀风险。（3）具有局部气压平衡系统及人员舱，能够有效地降低换刀的风险，并避免地面加固带来的不必要的麻烦。设备本身的可靠性选用知名盾构厂商的产品，并能够进行合理的配置，无论从性能、质量、使用寿命等方面均能满足工程的要求。一下是厂家生产的盾构机在类似工程中所取得的业绩：第三章盾构选型分析专业制造专业服务产品编号使用城市使用地质掘进里程（m/台）中铁2号郑州粉质粘土、粉砂、细砂3528中铁6号西安中粗砂2360.4中铁7号郑州粉质粘土、粉砂、细砂3525.6中铁8号沈阳、郑州中粗砂、粉质粘土耳其1928.4中铁9、10号郑州、西安、石家庄粉质粘土、粉砂、细砂3085.2中铁11号郑州、北京粉质粘土、粉砂、细砂5200.8中铁16号西安中粗砂2371.2中铁17/18号西安粉质粘土、中粗砂6500中铁29、30号北京、西安粉质粘土、粘土、少量砂4981.2中铁31、32、33号郑州、西安、武汉粉质粘土、粉砂、细砂4125.6中铁38、39号南昌中粗砂、中细砂4016.4中铁133号石家庄粉质粘土、中细砂、中粗砂1052.4中铁138号石家庄粉质粘土、中细砂、中粗砂1308中铁141号石家庄粉质粘土、中细砂、中粗砂691.2中铁145号石家庄粉质粘土、中细砂、中粗砂1468.8已出厂应用于类似砂层地质盾构21台用于西安地铁有：中铁6/16/17/18/29/32号用于郑州地铁有：中铁2/7/9/10/11/31/32/33号用于南昌地铁有：中铁38/39号用于北京地铁有：中铁11/29/30号用于石家庄地铁有：中铁133/138/141/145号用于沈阳地铁有：中铁8号第三章盾构选型分析专业制造专业服务中铁16号盾构机的掘进参数软土及砂层施工案例序号参数名称含部分粘土的中细沙层全断面中细沙层全断面中粗砂砾石地层1刀盘转速（r/min）1.3-1.51.1-1.21.0-1.12刀盘扭矩(KNm)2500-35003500-40004000-45003总推进力(t)1100-17001600-20001800-24004上部土压(bar)1.1-1.80.7-0.90.5-0.75推进速度(mm/min)40-6030-4020-306铰接压力(bar)50-150150-250250-3507膨润土用量(m³)3-46-88-12在西安掘进过程中主要遇到的地质主要有三种：含部分粘土的中细沙层、全断面中细沙层、全断面中粗砂砾石地层。中铁16号在三种地质中的主要掘进参数对比：第三章盾构选型分析专业制造专业服务中铁装备盾构目前在西安使用情况设备编号项目城市当前地质施工总结设备状态本周累计总累计环数中铁6号西安地铁三号线9标土建延津门站～青龙寺站右线西安老黄土9月4日610环出洞，空推过站完成，10月17日始发，正常掘进至13环两个区间，总共1030环，3月2日始发，第一区间610环已贯通，第二区间400多环131980中铁16号西安地铁3号线实验线1标段鱼化路到丈八路区间西安粉质粘土10月2日始发，掘进至102环,区间场地1200米，1.5米管片第二条线掘进到289环，已经出洞；现已过完风井，计划10月中下旬二次始发422078中铁17号西安地铁3号线TJSG-4项目西安全断面砂层6月3日二次始发，掘进506环，扭矩大，推进速度慢，掘进缓慢，区间累计678环；2013年11月1日始发，4月11日第一区间900环已贯通；184141中铁18号西安地铁3号线TJSG-4项目西安砂土层7月19日始发，掘进至262环，扭矩推进大，掘进缓慢，区间累计共480环2013年11月18日始发，14年5月19日设备已出洞，累计883环贯通；73878中铁29号西安地铁1号线9标西安粘土，老黄土转场到西安，右线1330米，左线1230米；7月6日始发右线，掘进至640环。区间累计990多环2013年