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1地铁盾构知识交流2013-11第二部分盾构法施工第一部分盾构机选型3第一部分盾构机选型1.盾构法隧道的起源及发展史1818年,英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示,提出盾构掘进隧道设想。布鲁诺尔1806注册专利的盾构M.I.Brunel螺旋盾构,18181825~1843年,布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道(11.4m×6.8m)。1830年,英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。1865年,英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片,1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。1863年伦敦的首条地铁大都会地铁建成通车。1963年SatoKogyo公司(佐藤工业)土压平衡盾构1917年,日本引进盾构施工技术,是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家。1963年,土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来。日本第一台使用的土压平衡盾构(IHI公司1974年制造)日本东京湾海底隧道1989年,日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km,是世界最长公路专用海底隧道,用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。1990年12月,上海市隧道公司承建的上海合流污水治理工程过江隧道推进施工。采用自己设计制造直径5.17m土压平衡盾构。盾构自重190t,总推力2880t,总功率500kW。直径5.17m加泥式土压平衡盾构1992年,日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构,并成功地用于大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。三连体泥水加压平衡盾构基本构造图Ф4.35M土压平衡盾构研制及工程应用1987年,上海市隧道公司承建过江电缆隧道工程,成功设计了我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机,由上海造船厂制造。1992年台北地铁淡水线(Herrenknecht)土压平衡盾构1994年10月,上海隧道工程股份有限公司采用盾构法承建的南京第一条秦淮河治理工程隧道推进。南京夹江隧道直径6.34m盾构掘进机最具风险的是盾构推抵江中段,即钻入全断面粉砂层中,该粉砂层上方没有其它土层与夹江水间隔。直径6.34m土压平衡盾构掘进机于1995年2月5日顺利进入江心州接收井。与法国FCB公司合作设计制作的Φ6.34M土压平衡盾构1992年6月,上海市隧道工程公司承建上海地铁1号线上海火车站~汉中路车站区间隧道盾构推进,1993年4月全线贯通。1993年8月,上海隧道工程股份有限公司承建上海地铁1号线黄陂路站~陕西路站区间隧道,1994年4月全线贯通。土压平衡盾构设备示意图1995年,上海隧道工程股份有限公司于开始研究矩形隧道技术,1996年研制一台2.5m×2.5m可变网格矩形隧道掘进机,顶进矩形隧道60m,解决了推进轴线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构等技术难题。1996年,上海隧道工程股份有限公司施工总承包延安东路隧道南线工程。长1300m圆形主隧道采用从日本引进的直径11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。延安东路隧道南线Φ11.22M泥水盾构19海瑞克泥水盾构泥水土压平复合式盾构鄂式破岩机1998年12月,上海隧道公司承建中国第一条较长距离的水底观光游览隧道――上海外滩观光隧道。采用国外二手直径7.65m铰接式土压平衡盾构施工。三龙过江示意图1999年5月,上海隧道公司研制成功国内第一台3.8m×3.8m矩形组合刀盘式土压平衡掘进机,在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m,建成两条过街人行地道。2003年9月,上海隧道工程股份有限公司建设的中国首条双圆隧道在轨道交通8号线应用上海地铁建设用盾构在上个世纪90年代,修建上海地铁一号线的时候,区间隧道都采用盾构施工,共使用了7台盾构机,推进长度约为18.6km。以后在地铁二号线、明珠线和M8线等线路的施工中,所有区间隧道都采用了盾构法施工,最高峰时同时100余台盾构机在作业。国产863盾构24上海隧道股份研发的软土盾构在上海2号线西延伸首次使用,同时中铁隧道集团研发的复合式盾构也投入使用。中隧与小松联合制造的盾构机广州修建地铁一号线由日本青木公司采用了3台盾构机施工,造价昂贵,每延米约1万美元。施工的三号线,共有15台盾构机在作业,以后开工的地铁新线不断采购了新盾构机。北京修建地铁盾构法施工的线路也在不断增加。中国用掘进机修建铁路隧道TB880E修建的秦岭18.4km铁路隧道TB880E掘进机安康至南京磨沟岭铁路隧道(掘进机)2.盾构法隧道基本原理及特点盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前,主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用,这个钢质组件被简称为盾构。盾构另一个作用是能够承受来自地层的压力,防治地下水或流沙的入侵。盾构法隧道基本原理盾构法隧道优缺点盾构法隧道优点:(1)在盾构支护下进行地下工程暗挖施工,不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响,能较经济合理地保证隧道安全施工;盾构法隧道施工不受地面自然条件的影响(2)盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化,掘进速度较快,施工劳动强度较低;盾构法隧道机械化、自动化高(3)地面人文自然景观受到良好的保护,周围环境不受盾构施工干扰;在松软地层中,开挖埋置深度较大的长距离、大直径速度,具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。盾构法隧道缺点(1)盾构机械造价较昂贵,隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂;在饱和含水的松软地层中施工,地表沉陷风险极大。(2)需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、始发接收场地布置、盾构转移等施工技术的配合,系统工程协调难;(3)建造短于750m的隧道没有经济性;对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时,施工难度大;(4)盾构机的通用性比较差,适应性有限,并非所有地层都适合盾构施工,需要针对地层情况专门进行设计。总之,由于盾构机在地铁区间施工中正被越来越广泛的使用。盾构机的分类原则:无论是那种盾构机或TBM,不管是圆形的方形的、单圆的多园的、人工的、机械的、半机械的等等,它们都必须具备两种功能,一是与围岩的主动土压和水压的平衡方式;二是出土方式。将盾构机的这种平衡方式和出土方式称之为盾构机的型。盾构机的选型就是对盾构机平衡方式(采用土压平衡还是泥水平衡)和出土方式(采用螺旋输送器和皮带机还是泥浆泵和泥浆管路)的选择。这是一级功能分类。二级功能分类是指密封舱的状态,即通常所说的盾构机的模式,分为开胸式、闭胸式、半开胸式和加气压式。型是在盾构施工前选择的,也就是在施工招标前决定的。而模式是根据地质环境的变化在施工过程中由操作人员实时设定的。3.盾构机的分类盾构机的分类盾构机均一地层盾构机复合地层盾构机地层盾构机岩层盾构机混合盾构机土压平衡型盾构机泥水盾构机开胸模式欠土压模式闭胸模式加气压模式泥水模式加气压模式隧道掘进机总称地层分类与盾构机之间的关系盾构机的适应性分类盾构机选型(二类)盾构机选模式(六种)上隧863项目小松(土压)综述开挖直径6340mm6340mm整机长度59000m61380mm盾构主机总重250T330t(总重?)盾壳厚度40mm40mm刀盘刀盘形式平面直角开口率35%40%切削刀主切削刀96把切刀78把重量31t螺旋机扭矩45knm37.7knm出土能力260m3/h191m3/h4.盾构机的选型盾构机并非通用设备,是量身定做的,应当根据地层进行盾构机选型。1)软土盾构2)复合盾构机主要参数川崎(土压平衡)住友(泥水盾构机)综述开挖直径6140mm6140mm主机长度7.805mm8150mm开口率15﹪15﹪滚刀5双刃(外圈)9双刃(外圈)中心刀圆盘凸起刮刀圆盘凸起刮刀额定转矩389tm239tm脱困扭矩583tm359tm螺旋机外径650mm最大扭矩9.6tm初期盾构配置中期盾构配置平面圆角刀盘;41把单刃滚刀;480Knm扭矩;螺旋机扭矩40Knm细部部件名称海瑞克(土压平衡)开挖直径6280mm护盾直径6250mm盾壳厚度45mm开口率28﹪滚刀39把重量54t额定转矩4346kNm脱困扭矩5252.6kNm近期复合盾构主要参数细部部件名称罗瓦特罗宾斯开挖直径6280mm6300mm护盾直径6250mm6260mm主机长度8.74m8770mm开口率33%37%滚刀41把39滚刀重量60T额定转矩665TM5628脱困扭矩832TM7316复合盾构的总体参数1,刀盘>50t;2,开口率约30%;3,滚刀刀刃>39;刀间距≤100mm;4,刀高度差≥35mm;5,额定扭矩>4300knm;6,螺旋机最大扭矩>215knm粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗透性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构透水系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10-10-11问题一:选择土压平衡还是泥水平衡?选型时的几个困惑黄色区域适合于泥水平衡盾构,蓝色区域适合土压平衡盾构机。由于泥水盾构的场地要求较高,施工费用相对复杂,虽然其对地层适应性较广,但实际中能使用土压平衡盾机的,很少选用泥水盾构。43问题二:采用面板式还是幅条式?44面板式与幅条式的特点比较:面板式:优点是开口率较小,软土口开口率一般在45%左右,复合地层开口率在30%左右,面板开口小,强度高,易于刀具布置,对正面土体支撑效果较好,土压波动小;缺点是传感器对正面土体的压力反映不够准确,渣土进入土仓相对困难。幅条式:优点是开口率大,渣土易进入土仓,不易形成泥饼,刀盘不易被堵,正面土压能较准确的反映;缺点是正面土压波动较大,容易引起地表沉降,刀盘比较薄弱,不易满足复合地层刀具的布置和刀盘本身刚度的要求。目前复合式盾构开口率基本趋于一致,在30%左右,重点保证刀盘中心开口率,刀盘总重量在56吨左右;软土盾构刀盘在20吨左右。问题三:刀具的选择和布置单刃滚刀双刃滚刀三刃滚刀切削刀先行刀47滚刀仿形刀(复合地层)柱形仿形刀(软土地层)重型撕裂刀48中心滚刀中心鱼尾刀49刀具配置方式刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况,进行针对性设计,不同的工程地质特点,采用不同的刀具配置方案,以获得良好的切削效果和掘进速度。根据地质条件特点,可以大致分为四种地层:软弱土地层;砂层、砂卵石地层;风化岩及软硬不均地层;单纯的纯硬岩地层。软弱土地层如南京、上海、杭州等地,其地质条件主要以淤泥、粘土和粉质粘土为主,在软弱土地层一般只需配置切削型刀具,如:切刀、周边刮刀、中心刀、先行刀和超挖刀。以南京地铁盾构为例,刀盘采用面板式结构,装有1把鱼尾形中心刀,120把切刀,16把周边刮刀及1把仿形刀。切刀安装在开口槽的两侧,覆盖了整个进碴口的长度。刮刀安装在刀盘边缘。由于刀盘需要正反旋转,因此切刀的布置也在正反方向布置,为了提高切刀的可靠性,在每个轨迹上至少布置2把。在周边工作量相对较大,磨损后对盾构切口环尺寸影响较大,在正反方向各布置了8把刮刀。考虑到刀盘的受力均匀性,刀具布置具有对称性。刀具安装采用螺栓固定,便于更换。在切刀或刮刀的刃口和刃口背面镶嵌有合金和耐磨材料,以延长刀具的使用寿命,切刀的破岩能力为20MPa,可以顺利地通过进出洞端头的加固地层。50砂层、砂卵石地层如北京、成都其地质条件主要以砂,卵石地层为主,如遇到粒径较大的砾石或漂石,应配置滚刀进行破碎。在砂层、砂卵石地层施工时,需设置(宽幅)切刀、周边刮刀、先行刀(重型撕裂刀)、中心刀、仿形刀等刀具。切刀是主刀具,用于开挖面大部分断面的开挖;周边刮刀也称保径刀,用于切削外周的土体,保证开挖断面的直径;先行刀在开挖面沿径向分层切削,预先疏松土体,降低切刀的冲击荷载,减少切削力矩,同时重型撕裂刀用于破碎强度较低和粒径较小的卵石和砾石;中心刀用于开挖面中心断面的开挖,起到定心和疏松部分土体的作用;仿形刀用于曲线开挖和纠偏。滚刀用于破碎粒径较大的砾石或漂石。风化岩及软硬不均地层如广州、深圳,上软下硬、地
本文标题:盾构选型与施工
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