盾构机选型范文

盾构机选型范文（精选8篇）

盾构机选型 第1篇

南京长江隧道盾构施工不仅面临着3 km多的江底长距离掘进、高达6.5 kg/cm2的水土压力和透水性极强的砂层等诸多难题,还存在着卵石和风化岩等困难而复杂的地质条件,存在着可能遇到大石块、炸弹和沉船等不明地下障碍物等各种风险,是一个极具挑战性的、风险巨大的工程难题。盾构机选型是否得当,是能否化解风险、关系到工程成败的最关键问题之一。

1 盾构机的主要选型条件

盾构隧道最小平面曲线半径为2 500 m,线路最大纵坡4.5%,左右线最小中心距为23.33 m,一般地段线间距为35 m。隧道覆土厚度最大30 m,最小6.0 m(始发段)。江中段覆土厚度按不小于1倍盾构直径控制,但是受环境条件制约,近江心洲侧的江底冲槽处隧道最小埋深仅11.2 m。长江水面宽度约2.6 km,盾构隧道最低点位于江面以下约60多m。

隧道断面布置为单层3车道,路面下设置了疏散通道、检修通道和管廊等。盾构隧道内径13.3 m、外径14.5 m,管片厚度60 cm、环宽2 m;每环管片划分为7个标准块、2个邻接块和1个封顶块,环间和块间均采用斜螺栓连接、1/3错缝拼装。隧道断面形式见图1。

工程位于长江冲积平原区,主要为江岸漫滩和长江水域,地质勘察仅揭露白垩系及第四系地层。长江段水下地层上部为松散粉细砂,中部为中密~密实粉细砂,下部由密实状砾砂、圆砾等组成,下伏基岩为钙质泥岩夹钙质细砂岩。

盾构穿越的地层以粉细砂为主,渗透系数量级为10-3~10-4;江中段有砾砂、圆砾和风化钙质泥岩等复杂的复合地层。隧道穿越的地层情况见表1。

2 盾构机的选择

考虑本工程隧道将穿越的地层以粉细砂为主,粉细砂、砾砂、卵石等渗透性很强的地层占整个隧道的85%以上,而且隧道位于江底、水土压力很高,因此必须选择泥水平衡式盾构进行隧道挖掘。

盾构机选型的关键是根据工程地质条件、水文条件和环境条件确定其性能参数,使其对工程的适应性更强、可靠性更高、风险更低。该工程选型采购的盾构机是专门针对南京长江隧道工程条件设计的,适用于开挖面不稳定且水压较高的透水地层,其主要配置及技术参数见表2。

3 盾构机选型有关问题的探讨

3.1 刀盘开口率和开口尺寸

刀盘的开口率和开口尺寸是刀盘设计中的重要参数,对于松散地层其自稳能力差,盾构推进临时停止时开口处的地层容易坍塌,开口率更应慎重选择[1]。泥水盾构刀盘开口率通常取10%~30%,该工程盾构机刀盘约30%的开口率有些偏大。刀盘开口尺寸也是刀盘设计的重要参数,应考虑开挖砾石地层的要求,按假设可能出现的最大粒径确定。按该工程地质勘察报告预测卵石最大粒径为20 cm,但是为了保证安全而取值应更大。本工程盾构机刀盘开口尺寸是60 cm,局部为120 cm。

刀盘的开口率和开口尺寸以及开口位置的布置需要综合考虑。该工程盾构机采用了从刀盘辐臂内进行常压换刀的技术,这种技术曾首次在德国易北河第四隧道中采用,内部操作空间要求刀盘辐臂要有足够的尺寸,因此,盾构机刀盘开口的设置受到一定的限制,存在一定的不合理性。该隧道采用的盾构机刀盘图见图2。

3.2 开挖刀具的配置

刀盘配置了中心刀、重型主开挖刮刀和边缘刮刀,为了提高刀体的强度,主开挖刀采用了刃宽为220 mm的重型刮刀,并在6个轮辐前方增设了16把先行刀,以应对洞门加固体、卵石层和意外遇到的障碍物等容易损坏刀具的地层;此外,还在刀盘面板边缘增加了6个小的开口并安装了12把边缘铲刀,大大加强了到盘边缘的保护。刀盘刀具的配置见表3。

为了能更直观地判断盾构机刀具开挖时所承担的负荷情况,笔者采取下述方法进行分析:在设定刀盘转速0.8 rpm、推进速度3 cm/min的工况参数下,相应的刀具贯入度为1.25 cm;取单位刀具宽度b=100 mm,选取半径R=3.5 m、5.0 m和6.5 m三个开挖轨迹上的刀具进行计算,盾构机每向前推进1 m时,单位宽度的刀具所开挖的渣土体积见表4。

m3

表4中的计算数据表示刀具挖掘时的工作强度,数据越大表明该部位刀具担负的开挖任务量越大,受到的磨损也将越严重。相对于东京湾横断隧道、荷兰绿心隧道等类似工程实例,刀盘上刀具配置总数量偏少,而且分布也够不合理,开挖半径较大的区域刀具数量相对偏少,特别是半径较大区域的刀具磨损将是最快的。实践表明,长距离掘进后刀体由于渣土流动而受到的二次磨损是明显的。根据对该工程刀具使用寿命的初步计算,预计3 km长的隧道不需换刀,但由于渣土流动造成的二次磨损,还是需要进行刀具的更换[3]。为此,设置的可更换刀具可单轨迹覆盖整个开挖面。

3.3 盾尾刚度及盾尾密封

不同直径、不同压力和不同的地质条件,对盾尾的刚度要求不同。由于制造工艺方面的问题,盾尾钢板厚度不能过厚。南京长江隧道盾构机直径大、水压高,为保证高压条件下盾尾有足够的刚度,该工程盾构机采用了“三明治”(两层面板中间夹数道钢肋条)式的盾尾结构,厚度达12 cm,刚度较大、安全可靠度较高。另一方面,大厚度的盾尾导致了开挖直径的加大和管片壁后注浆数量的增加,开挖每m隧道由此增加的成本工程超过1 000元。若选用优质钢材,并根据计算在盾尾内部设置一定数量的钢肋,其刚度也能够得到保证,克服高水压盾尾变形问题,具有一定的可行性。

除了刀盘的适应性以外,盾尾密封的可靠性是保证水下施工安全的另一个关键问题,江底盾尾泄漏是后果严重的工程风险之一。为此,盾尾配置了3道密封刷(前2道可以在洞内更换)和1道钢板束;为应对盾尾泄漏和尾刷磨损后的更换,在后2道尾刷之间设置了1道紧急密封。要顺利完成本工程3 km隧道的掘进,需要在密封硬件高配置的前提下,对盾尾进行盾构机姿态、注脂、注浆、管片拼装等多方面的综合管理。

3.4 同步注浆系统

目前国际上盾构机管片壁后同步注浆系统基本形成日本的双液注浆和欧洲单液注浆2大流派,国内则主要由盾构机制造商决定而较少主动选择。该工程盾构机配置的是单液注浆的同步注浆系统,因为双液浆的注浆位置易于控制、不易离析且受地下水影响很小、固结时间短且容易调整等等特点,在泥水平衡时盾构中采用更广泛,更适用于稳定性差、透水性强的松散地层。为防止壁后注浆材料混入泥浆导致泥浆劣化,影响注浆质量和效果,通常在盾尾设置逆流防止装置。该工程盾构机未设置这种装置。

3.5 泥水环流系统

泥水的功能主要包括携带开挖渣土、提供平衡压力并形成泥膜支撑开挖面稳定、润滑刀具减少磨损。该工程盾构机由于采用了气垫平衡的泥水压力调整模式,因而泥浆泵不需具备精密的自动调节功能,这是与其他盾构机相比的主要区别。同时,为了克服卵石地层,在开挖舱底部设置了石块破碎机,并在排泥水口处设置了格栅以防止大石块进入环流管路。

反循环模式(逆洗)通常是盾构机用于处理地层坍塌底部堵塞的重要功能。该工程盾构机不具备反循环掘进模式,只是在开挖舱内设置了一定数量的高压冲洗喷嘴,用于冲洗在开挖舱底部形成的沉淀,能否有效处理解决地层坍塌还需实践验证。

4 几点认识和体会

4.1 常压换刀技术

常压换刀技术最先在德国汉堡易北河第四公路隧道施工中应用,其刀具可以无数次在常压下进行更换,直至完成整个隧道的掘进。常压换刀技术的发明为长距离隧道的施工提供了一种新的解决途径,由于更换刀具时工作人员在刀盘辐臂内部作业,不会因地层坍塌而受到伤害,也避免了高气压作业对人体健康的危害,因此这种换刀方式是很安全的。但该技术仍有以下不足,首先为了满足换刀操作的需要,刀盘辐臂的尺寸需要足够大,这在一定的程度上限制了刀盘结构形式的选择和调整,也限制了刀具的布置,有时会导致刀盘设计存在一些不足;其次,可以更换的刀具只能是部分刀具(约占总数的1/3),当刀具因磨损而大量被更换后,每个开挖轨迹上只有1把刀具进行开挖,盾构机掘进效率和能力都会显著降低。另外,如何设置使不同类型刀具的突前量高差更合理,也是一个需要研究的课题。虽然常压换刀技术是解决松散地层、高水压条件下换刀问题的有效途径,但其应用有利有弊,需要根据工程实际权衡决策。

4.2 盾构长距离掘进

盾构隧道掘进距离的限度主要取决于盾构机的连续掘进能力。随着盾构工程技术的发展,长距离掘进的能力不断提高,掘进长度纪录也不断被刷新。盾构掘进长距离的概念没有明确的界定,应综合掘进长度、盾构直径和地层对刀具的磨损性等情况进行分析。东京湾海底隧道为了实现约2 500 m长距离掘进,选择了超硬度合金刀具、加大刀刃尺寸、配置先行刀保护、装置若干刀具磨损探测装置等措施;为防不测,在刀盘中还配置了循环冻结管道[2]。南京长江隧道盾构开挖直径近15 m,掘进长度达3 km多,按刀具的开挖轨迹长度计算,相当于直径约6.3 m的地铁盾构推进7 km多;本工程砂层的石英含量约为40%,按地层对刀具的磨损系数估算,则相当于同直径盾构机在粉土地层中掘进大约30 km,是一个特点极其突出的长距离掘进盾构项目。在江底以常规方式进行刀具更换是极其困难也极其危险的,在以往的工程实践中,采用在开挖区间设置中间检修井、加固区、修筑人工岛等工程措施,或采用超量配置刀具、增强刀具的耐磨性、开发使用新型刀具等设备措施,特别是这些技术的综合运用,成功地完成了众多长距离掘进项目。常压换刀技术是新开发的一种新技术,对本工程有较好的适应性,今后也将有很好的推广应用前景。

4.3 开挖面稳定和地层沉降控制

保持开挖面的稳定主要是以下3种因素的综合作用的结果:一是泥水压力与水土压力的平衡,二是膨润土浆在开挖面上形成不透水的泥膜;三是泥浆渗透到一定厚度的地层中增加土体的粘聚力[1]。在这3个因素中,能够精确地控制泥水压力的波动,测量泥水压力与设定压力的偏差并及时进行修正是盾构机的关键。泥水盾构通常根据测量的压力和流量,在推进过程中通过调节送泥泵转速、推进停止时通过调节自动控制阀开度,自动化调节各种设备均衡运转而实现泥水压力的调节和压力稳定。

采用“气垫”调节压力平衡是泥水盾构新技术之一。选型盾构机泥水平衡系统采用了先进的“气垫”模式,其工作原理是通过压缩空气自动调节系统,根据测量的实际压力和设定压力之间的偏差,随时调节主开挖室后面的一个分隔的气垫室内的空气压力,从而精确地控制开挖室及盾构前方的压力。开挖舱平衡压力控制精度可达到±0.1 bar,有利于控制盾构开挖面的稳定和地层沉降。

前已述及刀盘开口率和开口尺寸与开挖面稳定的关系,此处不再赘述。从机器结构而言,盾体锥度与地层沉降也有一定的关系。所选盾构机开挖直径为14.96 m,前盾和尾盾直径分别为14.93 m和14.87 m。施工监测表明,在平衡压力控制准确、管片壁厚注浆及时充分的情况下,盾体上方有明显的地层沉降发生,特别是在覆土厚度较小的情况下,壳体上方的沉降更加明显,而且难以通过调整掘进参数来减少这种沉降的发生。因此,笔者建议在大直径软弱土层盾构中,刀盘开挖直径与盾体直径的差值不宜过大,不需开挖坚硬地层且线路曲线半径较大时盾体可以不设置锥度。

4.4 地下障碍物风险

虽然采用物探和磁探两种手段对沉船等大型地下障碍物进行了探测,但是目前的技术水平不可能完全准确地探测到并排除遇到地下障碍物的可能,特别是对大石块等的探测目前还没有有效手段。在江中的卵石地层中遇到大石块的可能依然存在,南京三江口西气东输盾构曾经遇到过最大尺寸近60 cm的扁平状大块的卵石。江边水压很高,一旦遇到石块很难排除,这是工程施工的风险之一。

该工程盾构机刀盘开口尺寸约为60 cm,而且配置了碎石机,可以将进入开挖舱的石块破碎排出,先行刀的设置对主开挖刀可以起到一定的保护作用。如遇到盾构机本身不能克服的地下障碍物,则需要高压进舱,为此盾构机配置了比较完善的气压闸,也预留了穿梭人闸的接口条件以提高工作效率。为了维持进行压气作业时开挖面的稳定,盾体上预留了超前钻探注浆孔,必要时可以对盾构机前方进行拱部加固。但带压进舱时,刀盘的开率、特别是开口尺寸偏大对进舱安全不利。总体而言,选择盾构机时应考虑可能出现的地下障碍物,尽可能配置完善。针对工程风险,进行工作全过程、设备全系统的风险对策研究也非常重要。

5 盾构机掘进情况及使用效果

按照上述标准采购的2台盾构机,分别于2008-01和2008-05始发掘进。截止到2008-06-30,左右线分别完成隧道掘进900多m和200多m,顺利通过了洞门加固体、始发浅覆土段、长江大堤和城南河航道等特殊地段,穿越了淤泥质粉土和粉细砂等地层,设备运转正常、适应性较好。但是也存在以下一些问题,一是地层沉降控制不理想,特别是软土浅埋地段沉降值超差,监测表明沉降主要发生在机壳上方,与切口压力设定和同步注浆关系不大;二是设备的使用功能存在一些不足,如排污能力不足、未考虑临时停机注浆管冲洗功能、泥水管换管闭塞器密闭效果不好、真空吸盘橡胶密封条损坏频繁等,这些问题需在使用过程中逐步研究加以改进。

6 结语

总之,要制造全能的或具有广泛适应性的盾构机,既不切合实际也是很不经济的。盾构机选型要紧密结合目标工程的实际情况,对工程特点和难点予以充分分析和研究,针对性地确定盾构机的性能参数,保证盾构机可以适应工程的主要特点;同时,必须能够或者结合辅助工程措施克服工程难点,确保安全顺利地完成工程施工。此外,还应结合盾构机的使用寿命,适当考虑广泛适应性或预留改造条件,使其在类似工程中的再利用具有一定的可行性。盾构机的总体设计方案需要盾构机制造商和设计单位、施工承包商之间沟通协作共同完成,还应进行多次细化设计以修正和完善。

参考文献

[1]日本土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2]上海隧道施工技术研究所科技情报室.世界三大海底隧道工程[M].1999.

盾构机管理制度 第2篇

一、总

则

为加强盾构机管理，提高盾构机技术状况水平和经济效益，保证安全生产和设备正常运行，特制定此管理制度。

（一）、盾构机管理原则：

保持盾构机完好，充分发挥盾构机的效能，取得良好的投资效益；依靠技术进步，促进生产发展和预防为主；坚持设计，制造与使用相结合，维护与计划检修相结合，修理、改造与更新相结合；专业管理与现场管理相结合，技术管理与经济管理相结合的原则。

（二）、盾构机技术管理

盾构机技术管理的目标：

要建立和健全以岗位责任制为中心的各项管理制度，强化基础工作，积极推行盾构机用油、用水管理，盾构机的检测、项修、计算机等管理手段和方法，做到科学管理、合理使用、精心保养、计划修理、安全生产。

盾构机技术管理的基本内容：

1、制定和健全盾构机操作、使用、维护规程和岗位责任制；

2、负责维护项目的监督、检查和组织协调；

3、结合生产安排，编制盾构机保养、检修计划，组织盾构机检修社会化、专业化协作，保证检修质量、缩短检修时间，降低检修成本。

4、对现有保、用、养、修人员进行各种形式、不同等级的技术培训工作，不断提高其业务技能，交流和推广盾构机保养维护工作中的先进经验；

5、负责盾构机零部件的计划和参与配件储备工作；

（三）、盾构机经济管理

盾构机经济管理的目标

强化以企业经济效益为中心，加强盾构机经济管理，克服片面追求产值、利润的短期行为和危机安全生产的现象发生。反对只重眼前利益、不顾长远、只重使用、不管维修，拼设备，吃老本的失职行为，把盾构机的经济管理作为企业承包责任制的一项重要内容，定期考核。以追求盾构机寿命周期费用最低，从而获得良好的投资效益。

（四）、具体管理制度：

中铁十四局长株潭综合Ⅱ标项目经理部一工区盾构机管理制度1、2、3、4、5、6、7、8、9、盾构机操作、维护人员岗位责任制； 盾构机安全技术操作规程； 盾构机交接班制度； 盾构机维护、保养工作制度； 盾构机维修工作制度；

盾构机维护保养工作中注意事项；

关于盾构机故障诊断和状态监测的有关规定； 盾构机检查工作制度和奖罚规定； 盾构机安全管理的有关规定；

10、盾构机操作维护技术培训；

11、关于加强盾构机油、水管理工作的有关规定；

盾构机操作、维护人员岗位责任制

盾构机的操作维护人员必须严格遵守设备操作、使用和维护规章制度。盾构机操作维护人员实行岗位责任制和持证上岗制度。

（一）、岗位责任制

1、盾构机实行“两定三包”制度（即定人、定机、包使用、包保管、包保养），操作维护人员要相对稳定，盾构架子队在调整操作人员上，必须取得机电部的同意后方可办理；

2、3、盾构机设专人负责保管，实行盾构架子队队长负责制； 操作人员必须监守岗位，确保机械正常运行；

4、盾构机操作维护人员要做到三懂（懂构造、懂原理、懂性能）四会（会使用、会保养、会检查、会排除故障）。要做到正确使用，按规定进行保养，严格执行安全技术操作规程。

（二）、持证上岗制

盾构机的操作人员，必须经过培训，经考试合格后发给盾构机操作证，无操作证严禁操作机械，考核一般1~2年进行一次，由机电部配合人事、安监共同进行，经考核不合格者，应吊销操作证，调离本岗位。

中铁十四局长株潭综合Ⅱ标项目经理部一工区盾构机管理制度

盾构机安全技术操作规程

为了提高盾构机综合效益和寿命周期费用的经济性，盾构机使用必须坚持以下原则：1、2、3、4、必须按各系统规定性能使用，严禁不合理使用； 使用时要保证人身及机械安全，不准超负荷使用；

盾构机使用的润滑油、液压油必须符合规定，电压等级必须符合铭牌规定； 盾构机操作人员必须听从机长的指挥，正确操作，保证作业质量，与施工密切配合，及时完成任务；

5、禁止对盾构机可编程控制系统进行程序更改，禁止机长私自对此系统参数擅自更

改，当需要更改时，必须请示机电部或主管领导，并将修改结果写入交接班记录中；

6、盾构机操作应严格按照操作说明书进行；

7、在启动和运行盾构机各系统时确保没有人处于危险区域中；

8、在运转不正常时，立即停止盾构机，并排除故障，待故障排除后方可继续推进。

9、在进行拼环作业时禁止收回过多的顶推油缸，防止盾体在土压作用下后移，造成塌方；10、11、在启动盾体铰接处紧急密封装置后，严禁盾构机向前推进；

盾构机发生设备事故时，必须如实上报机电部或主管领导，由机电部责成相关部门对事故进行调查，待查明原因后按事故性质严肃处理。

盾构机交接班工作制度

交接班制度是保证盾构机正常运转的基本制度，必须严格执行； 交接班制度除在机长、机电领班之间进行外，还应在班长之间进行交接； 盾构机交接时，要全面检查，做到不漏项目，交待清楚，严格做好以下交接工作：1、2、3、4、5、完成任务和生产情况； 记录情况；

备件、附件、工具情况； 设备技术状况；

为下一班的生产准备及卫生清洁等情况；

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6、上级指示及注意事项。

盾构机维护、保养工作制度

盾构机技术保养是保证盾构机正常运转，减少故障，杜绝事故发生，最大限度发挥机械效能，延长机械使用寿命的一项重要工作。因此，必须按照盾构机所规定的周期和作业内容严格执行，即实行强制保养制度。

盾构机保养必须贯彻：“养修并重，预防为主”的原则，做到“定期保养、对号入座”，保证盾构机保养工作能有领导、有计划、有组织地进行。

一、盾构机保养工作的种类：

1、每日维护保养：指盾构机在每班作业前、后及运转中的检查、保养。每日维护保养由盾构机操作人员和盾构架子队日维护人员按规定的检查路线，对照《盾构机每日维护保养内容》认真对盾构机进行“清洁、紧固、调整、润滑、防腐”十字作业，清除故障隐患。

2、定期维护保养：指按盾构机规定的运转间隔期进行保养，包括：周保养、月保养、季度保养、半年保养和年保养（具体保养内容按各自维护保养的表格执行）。定期保养应由盾构架子队日保人员配合维修班专业保修人员进行，以专业人员为主。

3、工地转移前和调头期间保养：指一项工程任务完成后，虽未达到规定的定期保养时间，但为使盾构机到新工点后能迅速投入生产，应进行一次全面的检查、维修、保养。具体按机况进行，保养内容可适当增加，如外表喷漆，易锈蚀部位铲除锈斑涂防锈漆等。

二、保养计划的制定和实施：

1、机电部应根据工程任务、盾构机日常使用情况和盾构机保养规定内容，每月编制保养计划，与施工计划同时下达，严格组织实施。并应经常检查保养计划的执行情况；

2、当盾构机运转到保养周期时，由机电部按保养计划把保养任务下达给参与盾构机保养的各单位负责人，由各单位负责人对保养内容进行内部具体分工，当生产任务与维修保养发生矛盾时，仍应按规定进行保养；

3、日保养和周保养利用盾构机作业间隙进行，不再另行安排时间；

4、月保养、季度保养、半年保养、年保养原则上，安排在盾构架子队倒班时间进行，如果时间不够的话，应上报领导，经领导同意后，可适当延长时间，以确保保养项目彻底完成。

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三、保养质量的检验：

1、盾构机各级保养，均应严格按照保养制度和注明事项进行，确保质量，还应特别注意作业中的清洁工作，防止机件、油料污染。在保养任务完成后，由各参保单位认真填写保养表格中的落实项，并立即将表格上交机电部，作为保养质量验收的依据。

2、每日维护保养由盾构架子队日保负责人验收，由机电部机械督察人员进行抽检；每周保养由机电领班进行验收，机电部派管理人员对重点部位进行检查，月保养、季度保养、半年保养和年保养由机电领班、机电部部长、主管机械领导共同进行验收。

3、对检查中发现的问题，由机电部下发《机械作业整改通知书》给维保单位，让其限期整改。维保单位在接到整改通知后，应立即完成需整改项目，然后将整改执行情况上报机电部。由机电部派人对整改项目进行验收。对不及时整改或拒绝整改的单位和个人，机电部有权根据有关条款对其进行处罚。

盾构机维修工作制度

盾构机维修工作是恢复盾构机技术状况的重要手段。必须组织力量专人负责，修理工作要面向现场，为施工服务，努力提高修理质量，降低修理成本，缩短修理时间，逐步从计划修理向按需修理发展和按照盾构机技术状况，采用设备诊断技术，实现项修制度。

（一）盾构机修理的分类：

1、零修：指一般零星修理，通常无预定计划，依据机况检测的结果及临时发生的故障，确定某一部分进行更换或修理，也可结合定期保养进行。

2、项修：以盾构机状态检测为基础，采用先进的检测手段，判断其各部分的技术状况，预知可能发生故障的零部件；确定其修理部位按需要进行项目修理，恢复其机械性能，达到缩短停机修理时间，减少修理费用，增加机械经济效益的目的。

3、特修：特修是正常修理以外的事故修理。修理的具体内容根据实际损坏情况确定。

（二）、修理计划的编制与实施：

机电部应根据工程任务、盾构机日常使用情况和盾构机各部分的实际技术状况，每月编制维修计划，与施工计划同时下达，严格组织实施。并应经常检查维修计划的执行情况。

机电部将维修计划下达给机械班，由机修班班长对维修内容进行内部具体分工，维

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修任务原则上，安排在盾构架子队倒班时间进行，如果时间不够的话，应上报领导，经领导同意后，可适当延长时间，以确保维修项目彻底完成。

关于零修项目安排在盾构机作业间隙进行，不再另行安排时间。

（三）、盾构机维修的专业化、社会化协作：

盾构机上损坏的总成部件，在可修复性上要求专业化程度较高的情况下，如各类电机、液压部件总成等。需与社会上专业化维修单位进行协作维修；

对于符合盾构机制造厂方规定的“三保”条件的部件，应在拆除后洗净污垢，严禁自行拆卸，立即与制造方取得联系要求索赔。

（四）、修理记录：

修理任务完成后，承修单位应将修理情况、主要部件更换情况及修理主要尺寸、规格等详细填入修理记录表格内，上交机电部，然后由机电部将其载入机械履历薄中，作为以后各次保养、修理的依据。

（五）、修理质量：

机电部应指定专门检验人员对修理后部件的各机械性能参数进行检验，当检验合格后方可入库保存或安装于盾构机。

（六）修旧利废：

1、凡磨损超限的零部件，经过修理可重新使用，要进行修旧利废工作。

2、盾构机修理更换的费旧配件，通过修理能保证质量，而且修理费用不超过新品费用，都必须执行交旧领新、修旧利废制度。

盾构机维修保养工作中注意事项

1、维护和维修工作只能由受过培训、掌握正确的技术、技巧和知识的人员来担任；

2、在开始特殊作业或维护作业以及指定监督员之前必须通知操作人员；

3、在维护和维修作业过程中，如果必须彻底关掉盾构机、马达，要采取措施，防止意外启动；

4、在对设置维护开关的机构进行维护时，必须使用维护开关；

5、在人体高度以上进行维护和维修作业时，必须使用安全绳和工作平台；

6、在用高压水清洗器清洗盾构机时，要对所有电器部分进行覆盖，清洗完后，要取掉覆盖物以利电器散热；

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7、在维修作业完成后，必须檫去所有把手、阶梯、扶手、脚手架、平台、梯子上的油污，以防人员滑倒；

8、在维护时不得随意更改和调整各电气和液压系统安全装置的安全值；

9、对空气、液压等压力管路或部件进行维修时应首先采取卸压措施，关闭压力产生装置并将负载装置进行机械锁死或安装机械支架，以防此类装置在失压下跌落伤人，同时要有防止此类装置被意外启动的措施，在维修完毕后，务必要恢复关闭的开关和撤除机械锁死装置；

10、在松开或除去螺丝之前，必须确保防止重型零件倾覆或坠落；

11、在维修过程中，必须确保控制室有人值班，或关闭控制室，以防止盾构机意外被开启；

12、在对盾构机进行焊接作业中，必须配备合适的灭火器材，严防火灾的发生，焊接搭铁线必须位于被焊接的部件上，越接近焊接点越好，严禁焊接电流经过液压部件和轴承（特别是主轴承）以及电气器件；

13、在土仓内进行作业时，禁止进行任何会影响盾构机控制系统的电气或液压系统上的作业或测试。

14、电气作业注意事项：

1）、必须只能由经过培训的电工对电气设备和装置实施作业；

2）、对带电部件进行作业时，必须有 中铁十四局长株潭综合Ⅱ标项目经理部一工区盾构机管理制度

接班薄上，报告队长或机电部技术人员。

2、状态检测：由操作者和维护人员共同执行，或机电部技术人员、维修人员参加。依据操作人员在运转状态监视中发现的不正常现象，逐项进行检查或利用仪器、仪表等进行测试作出正确判断（继续使用或修理后使用）。

3、故障诊断：在清洗、调整、紧固等方法不能排除的故障隐患或通过状态检测必须修理后才能使用的情况下，以不拆卸或局部解体的手段，经仪器测定，找出故障的原因以及准确部位。一般由机械、电器（电气）技师（工程师）执行，操作和维护人员参加。

4、故障处理：诊断出的故障，一般应结合各类保养进行修理，若故障的部位与损坏程度已超出就近保养规定的范围，可针对故障部位进行修理，使修理的部位恢复原来的性能。故障的部位、原因及修理后的状况，均应记入交接班记录和盾构机履历书内。

5、对于无法判断的故障，应及时向主管领导汇报，请盾构机制造方服务人员前来解决，严禁在不明原因的情况下，私自乱拆乱卸。

盾构机检查工作制度和奖罚规定

1、盾构机巡回检查制度：

为加强盾构机的维护保养，清除隐患，保持设备良好技术状态，必须坚持巡回检查制度。此制度是指在盾构机使用前后，办理交接时，由盾构架子队操作人员和维护人员按规定路线对盾构机的各个部分进行一次详细、全面的巡回检查，正在生产的过程中，也应利用休息停机间隙进行巡回检查，检查中发现的问题，应立即采取措施解决，并将检查结果和处理措施记入运转记录和日保检查项目中。

2、每日检查工作制度：

指由机电部日保检查人员每日两次对盾构机每班保养情况和盾构机出现的异常情况、存在的问题进行检查和记录。并根据盾构机维护保养制度中相关条款对盾构架子队日保工作提出整改意见，对超出日保范围的问题，进行登记。以此作为盾构机维修计划制定的依据。

3、其它检查项目：

包括盾构机定期保养验收和维修质量验收，以及刀具更换检查等项目，具体规定见各自的规章制度。

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4、奖罚规定：

机电部可根据盾构机管理工作的需要，在三个盾构架子队、维修班中，在设备操作、使用、维修、检查工作方面开展评比竞赛活动，对作出显著成绩的职工和集体给予奖励，对玩忽职守，违章指挥，违反设备操作、使用、维护、检修规程，造成设备事故和经济损失的职工，根据情节轻重，分别追究经济责任和行政责任。

盾构机安全管理的有关规定

在盾构机日常检查和在每周安全检查中，应把盾构机安全工作的情况作为重点，发现问题，及时纠正，消除隐患，使盾构机达到安全、优质、高效、低能的运行。

1、严禁违章指挥、违章操作、违反劳动纪律和无知蛮干等不安全行为。

2、凡违反盾构机安全技术操作规程的，机电部有权制止，待改进后方可继续操作。

3、操作和保养维护人员必须做到以下安全要求：

1）、操作及保修人员应熟知盾构机原理与构造及有关安全生产知识，操作人员经考核取得操作合格证方能单独操作；

2）、操作人员及保修人员必须思想集中，严守岗位，遵守劳动纪律，在机械未停止运动时不准对其进行维修，在机械运转前必须检查各部状态，确认良好，做好盾构机启动前的各项准备工作，启动后要认真监视运转情况，发现有异常情况（如剧烈振动、异响、异臭、温度压力突变等）要立即停机检查，并向上级汇报，待处理完后，方能继续使用；

3）、易发生危险场所，如双轨梁、管片拼装机、喂片机等运行区域，应设立警告标志，及建立场所安全区。此类机构在工作中禁止非此类机构工作人员进入运动区域；

4）、所有易发生火灾的场所，如配电柜、变压器、主机内、液压站、控制室等场所，必须采取严格有效的防火措施，并严禁吸烟；

5）、暴露在外部的运动机构，部件或高压带电等有可能伤人的部位，应加装防护罩或警示牌等安全设施；

6）、所有电器设备都应经常检查接地、接零，或漏电保护器等电器保护装置，确保状态良好；

7）、必须每日检查盾构机安全保护装置（如安全阀、熔断器、警报器、紧急停止开关等）及安全指示装置（如水位计、压力表、水温表、油温表等），如发现有动作或显

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示不准等异常情况，严禁继续使用，停机修理；

4、机械事故及处理：

盾构机由于使用、维修、管理不当等原因，造成设备非正常损坏，使机械质量、技术性能降低，影响正常使用和造成人员伤亡的均为机械事故或故障。

盾构机发生事故后，操作人员立即停止机械运转，保护事故现场，并向队长报告，转告机电部和单位领导，机电部或领导会同有关人员前往现场详细调查了解事故发生的原因和损失情况，初步判断事故等级，并由有关责任人写出事故经过和得出调查报告，根据“三不放过”的原则，认真分析事故的原因，核定损失价值，确定修复措施和今后的防范措施。确定事故责任和责任者。

盾构机技术培训工作的有关规定

盾构机技术培训，应当坚持为企业发展、为生产经营服务的方针，按照不同岗位、不同职务的实际需要，采取多层次、多渠道和多种形式，大力抓好必备专业知识和能力的培训。

机电部应不断对现有保、用、养、修人员进行各种形式、不同等级的技术培训工作，不断提高其业务技能，交流和推广设备操作保养维护中的先进经验，对在职盾构机操作人员和维修技工，主要按岗位规范的要求在实践中学习提高，本着“缺什么补什么“的精神，重点学习有关电气、液压、机械—电子一体化的综合知识，进一步熟练实际操作技能。

对盾构机维护操作人员，必须坚持先培训、后上岗的制度，通过专门操作培训，考核合格，确定掌握了机械结构特点、性能及操作、维修保养的特殊要求后，方可上机操作。

对新上岗的盾构机操作维护工人，必须按岗前培训教学计划要求，进行盾构机基本原理、构造和实际操作、维护保养、排除故障等基本技能的培训，通过培训达到岗位规范要求，方能上岗。

关于加强盾构机油、水管理工作的有关规定

各盾构机管理、使用、维护、保养单位要重视盾构机用润滑油料、液压油、冷却水

中铁十四局长株潭综合Ⅱ标项目经理部一工区盾构机管理制度 的正确管理和合理使用。机电部应制定油、水管理规章和设立专（兼）职管理人员，有关检测记录和处理结果应登记在机械履历薄中。

1、盾构机用冷却水应采用软水，硬度高的水应做软化处理；内、外冷却水要保证水量充足及散热良好，要定期清洁水池保持清洁；

2、盾构机用油 1）、润滑油的使用：

a、盾构机用润滑油、齿轮油、润滑脂都应按照海瑞克规定的牌号使用。代用润滑油必须按有关规定采取措施，不得盲目使用代用润滑油；

b、润滑油量要适当。加油过多会增加运转阻力，造成窜油和意外事故；油量过少会引起润滑不良。

c、润滑油（脂）应妥善保管、防止水、尘土、泥、沙等混入。加注的工具应清洁。2）、液压系统用液压油；

a、盾构机液压系统用液压油，必须符合原厂说明书规定。

b、液压油的污染，是造成液压系统故障的主要原因。因此，应严格防止空气、水、灰尘杂物混入。

c、换新油时，必须将液压系统内的旧油放尽。

泥水盾构机泥水循环系统选型及应用 第3篇

武汉市轨道交通2号线12标盾构隧道工程,采用泥水平衡式盾构机进行施工。以下结合工程实际情况进行泥浆循环系统的选型计算,并将泥水循环系统的操作方法及常见问题处理进行简要分析。

泥水循环系统选型

流量计算

泥水循环系统流量计算主要考虑输送的泥浆的临界沉降速度,只有保证了管路内泥浆的流速高于泥浆的临界沉降速度,才能保证管路不堵塞。对于直径大于200mm的管路,临界沉降速度可以按凯夫公式计算:

式中VL——临界流速,m/s;

d——管道直径,m;

S——渣土相对比重;

d50——中值粒径,μm;

CV——体积浓度%。

中值粒径d50。根据地质参数确定,表示粒径大于和小于此值的颗粒含量一样。

体积浓度CV表示泥浆中固体物体积占泥浆体积之比。

算出泥浆临界沉降速度后根据流量计算公式可得到临界沉降流量。

武汉轨道交通2号线12标使用的泥浆管直径为DN355mm,地质以粉细砂和粉质黏土为主,渣土的相对比重为1.9,渣土中值粒径为200μm,泥水分离设备分离过后的泥浆中值粒径为60μm,设计出浆比重为1.3g/cm3,进浆比重1.15g/cm3。有这些参数,根据公式(1)、(2)可得需要的进浆泵及出浆泵临界沉降流量QL进和QL出为:

可以看出流量的选择和泥浆颗粒粒径及比重、泥浆比重、泥浆管直径有很大关系。实际中以出浆流量为准,进浆流量要适应出浆流量。

泥水循环管路压力损失计算

泥水循环系统压力损失是确定泥浆泵型号的重要依据,除了高差造成的损失外,还主要包括管路的沿程损失和局部损失。即:

h=ρ混合物h高差+hf+hm (3)

式中p混合物——进浆或排浆密度,kg/m3;

H——压力总损失,MPa;

h高差——管路进口到出口的高度差,m;

hf——沿程水头损失,m;

hm——管路局部损失,m。

沿程损失沿程损失是由于沿程阻力引起的水头损失,计算公式如下:

式中λ——沿程水头损失系数;

l——管道长度,m;

d——管道内径,m;

v——管路中泥浆流动速度,m/s;

g——重力加速度。

泥水循环系统中泥浆都是在紊流状态下的阻力平方区流动,沿程水头损失系数公式:

式中Δ——管壁绝对粗糙度,mm;对于旧的轻微锈蚀泥浆管取0.15。

局部水头损失局部水头损失是由于局部阻力引起的水头损失,泥浆循环系统计算中主要考虑泥浆管弯头及泥浆管路中的球板阀造成的损λ。实际计算中可以将这部分局部l失折算成一定长度的管路的沿程损失,相当损失(等效长)计算公式如下:

式中l等效——管路中局部损失的等效长,m;

d——管路公称直径,m;

n——局部损失等效长度倍数,其中90°弯头取1、闸阀取12。

武汉轨道交通2号线12标泥浆循环系统从分离设备到隧道终点共计2400m。泥浆管上单线每60m安装1个闸阀,共40个闸阀,从盾构机开始单线管路上共有90°弯头15个。隧道最大埋深24m,泥水分离设备高15m。按照临界沉降速度进行计算,则根据公式(3)、(4)、(5)、(6)可得:

h进=ρ进浆h高差+hf进+hm进=-37m

h排=ρ出lξh高差+hf排+hm排=78m(6)

这些计算结果和实际情况基本相符合。

泥浆泵型号选择

泵选型主要根据需要的流量和压力,在流量和水头损失确定之后,就可以选择需要的泵。

泵的型号选定之后,根据实际情况,一般1个泵不能满足要求,需要在管路中增加中继泵,这就要考虑泵在管路中的布置,做到管路中压力均匀,防止因为管路压力过高造成泥浆管破裂。实际施工中,中级泵位置选择还要考虑安装位置的空间,电源位置等。

武汉轨道交通2号线12标泥浆泵配置如附表所示。

其中P1.1泵安装在泥浆站,P2.1泵安装在盾构机上,P3泵安装在第一个区间隧道进口竖井内,根据前面计算可以看出,泵的选型满足设计的施工需要。

泥水系统应用

泥水系统操作

掘进前开启分离设备泥水分离厂首先要进行调制浆工作,在盾构机开始掘进前,盾构机控制室电话通知泥水处理厂开启旋流器泥浆泵电机、振动筛电机等,否则会造成分离设备集渣槽溢浆。

旁通循环旁通循环是启动P1.1泵,P2.1泵开始旁通循环,泥浆管延伸到一定距离加设中继泵P2.2后,还要开启P2.2,打开旁通阀,关闭通往前方的进出浆阀,使泥浆通过旁通阀直接回到泥水场。

旁通循环之前首先要确认循环主回路上所有的阀门是打开的,特别是延伸泥浆管时,必须确认进/出浆管路上的手动闸阀是打开的。在刚开始旁通循环时,进浆泵(P1.1)、出浆泵(P2.1)和中继泵(P2.2)的功率应该缓慢增加,同时要密切关注泥浆管路的压力变化,特别是刚开始循环的时候我们应该加倍注意。因为在开始的时候泵的功率不高,如果管路有堵塞或阀没打开,管路的压力不会迅速上升,只要及时发现还可以避免爆管的危险。如果一直没有流量,也要检查是否有阀没有打开,或者检查P1.1泵是否出现抽空。在泵进、出口压力,管路压力以及流量正常后,再逐步加大其功率,通过调整泵的功率使P2.1泵进口压力与土仓底部的压力值相差不大,这样可以防止开阀时泥浆快速灌入泥水仓造成压力出现大的波动。在旁通循环的时候我们可使管路的流量比掘进时大,以更好地清洗泥浆管路。

掘进循环掘进循环时开启通往泥水仓的进浆阀和出浆阀,关闭旁通阀,使泥浆通过开挖面后回到泥水场。掘进循环有掘进和维修2种模式。掘进模式:调节3个泵的功率,使得在关旁通的瞬间,进出浆流量能基本相等,使气舱液位比较稳定,从而减少对泥水舱的冲击。由于在掘进期间,可能会出现突发情况,液位都会不同程度的波动,在掘进之前及掘进过程中要调节进出浆流量将其缓慢调整至50%左右。在掘进的过程中,如果出浆比重太高,则应停机循环直到进出浆比重相差不多时重新掘进,当掘进完成时,也应该循环到进出浆比重差不多时才能全部关闭通往前舱的阀门。维修模式:在这种模式下,所有球板阀可以任意开关,而不再受到系统的安全保护。所以,运用这种模式时,一定要谨慎,任何动作都要三思而后行。

泥水系统常见问题处理

进浆泵P1.1跳停发现P1.1跳停的时候,在立即打开旁通阀并同时停止运行P2.1,在旁通完全打开时依次关闭前面的出、进浆阀门。

出浆泵P2.1或P2.2跳停这时应该立即打开旁通阀并停止运行P1.1,在旁通完全打开时依次关闭前面的进、出浆阀门;P2.2跳停的处理方式与P2.1跳停相似。

泥水系统堵管当发现进/出前舱的泥浆管路不通畅时,必须在旁通模式下,用‘冲’、‘抽’2种方式将其逐个疏通:第一步,调节泵功率,将进浆管路压力调高(根据P2泵前的压力传感器判断),单个打开被堵塞的泥浆阀,在高压下冲击一段时间,密切观察前舱液位以判断管路通畅与否,如果还是堵塞,就需要进行第二步。第二步调节泵功率,将进浆管压力调低,依靠出浆泵,将堵塞管路抽吸一段时间,同样也要密切关注前舱液位。如此反复循环,可以达到清理堵塞管路的效果,但整个过程一定要聚精会神,特别是管路冲开的一瞬间,一定要及时做出反应,以免对前舱造成过大冲击。

球板阀故障如果出现球板阀关不住,应立即使用后方泥浆管上的闸板阀尽快封闭泥浆与前面舱里的通道,防止气垫仓出现满仓,然后慢慢处理故障。

系统漏浆系统漏浆一般有3种情况,一是软连接破裂。使用中如果浆液含沙石过多或者压力突然过大,就会造成软连接磨穿或者涨爆。可以在软连接内部增加一个钢套对其进行保护,同时需要在软连接外部增加防护设施,以防漏出的浆液喷到机器的电气等元件上。二是泥浆泵漏浆。泥浆泵漏浆一般有盘根处漏浆和泥浆泵磨穿2种情况。对盘根处漏浆可以采用复紧盘根压盖螺栓或者更换盘根解决,泥浆泵磨穿需要将泵拆下来使用奥氏体材料和高铬高钨耐磨材料交叉多层多道恢复到原始尺寸,焊接完成后还需要打磨平整,以防流动的浆液在不平处形成漩涡,造成泵很快再次磨穿。三是泥浆管漏浆。如果浆液含沙石较大,会造成泥浆管路磨穿,磨穿位置一般在管路弯头处。使用前可以在弯头内壁使用耐磨焊条焊接耐磨网格,外壁贴焊小块钢板将泥浆管加厚。

在泥水构施工中,泥水循环系统是盾构机的出渣系统,在施工中至关重要。泥水循环系统要根据需要的流量及压力进行选型。泥浆流量的大小要根据渣土的中值粒径及泥浆比重来决定。施工中泥浆比重过大会造成出渣困难,要控制泥浆比重,泥浆比重过大时就要加大泥浆流量,提高掘进速度时也要相应加大泥浆流量。泥浆系统压力主要根据沿程损失、局部损失及高差来定。

盾构施工转弯环管片选型 第4篇

1 工程概况

1.1 工程简介

长沙市轨道交通2号线一期工程13标长沙大道站~人民东路站盾构区间长1812米,整体线路水平向呈S型,两个转弯圆曲线段转弯半径450m,缓和曲线段转弯半径为3000m。本区间从长沙大道始发,经两段转弯后沿直线到达人民东路站(见图1)。

衬砌管片外径6000mm,内径5400mm,厚度300mm,衬砌环宽1500mm。管片结构形式分为左、右转弯+标准环。人~长盾构区间衬砌环采用“5+1”模式,分块形式为3A(72°)+2B(64.5°)+K(15°)。转弯环管片采用双面楔形,楔形量为38mm。环缝为10根环向螺栓连接,纵环缝为12根纵向螺栓连接。

1.2 盾构机概况(见表1)

1.3 盾尾间隙

海瑞克盾构机盾尾间隙为(6250-6000-50*2)/2=75mm,但由于尾刷固定钢环嵌于盾壳内侧,钢环位置盾壳为85mm,所以实际盾尾间隙为(6250-6000-85*2)/2=40mm。即盾尾间隙一旦小于40mm,管片外弧面就会蹭到盾构机(见图2)。

1.4 管片结构

标准环管片宽度都为1.5m,展开图为标准的矩形,持续安装时不会改变轴线的方向。转弯环由于楔形量的存在,展开图为两个连接在一起的梯形,将梯形的短边连续放在相邻位置时,会改变管片的轴线方向从而达到转弯的目的。左转弯即K块在正上方时,管片展开图的梯形短边在左侧位置,连续将K块在正上方时,管片轴线方向将向左偏转。右转弯环道理相同(见图3)。

2 管片选型基本知识

2.1 选型不当的后果

管片选型合理时,管片轴线与盾构机轴线基本处于平行位置,盾尾间隙适当,管片拖出盾尾后,成型质量好。管片选型不合理时,管片轴线与盾构机轴线成一定夹角,当盾尾间隙控制不当时,易造成管片与盾构机接触挤压,引起成型隧道质量问题(见图4)。当管片选型不合理时,油缸轴线和管片轴线不重合,管片受油缸小偏心挤压,容易造成管片质量问题。具体表现如图5所示:A点和B点位置容易破损或出现裂缝,引起管片外观质量差,严重时会损伤管片结构;C点和D点位置容易破损,引起管片渗漏水;E点拖出盾壳时受尾刷固定钢环和尾刷的挤压,易造成管片错台,影响管片表观质量,错台量较大时会导致管片渗漏水。

2.2 管片选型的理论基础:

2.2.1 曲线段标准环和转弯环的拼装比例(见图6)。

转弯环偏转角的计算公式:b=2a=2arctgδ/D;式中:a——转弯环的偏转角;δ——转弯环的最大楔形量的一半;D——管片直径;将数据代入得出b=0.363;根据圆心角的计算公式:θ=180L/πR;式中:L——一段线路中心线的长度;R——曲线半径,取450m;而θ=b,将之代入,得出L=2.85m。上式表明,在450m的圆曲线上,每隔2.85m要用一环转弯环,长沙地铁的管片长度为1.5m,就是说,在450m的圆曲线上,标准环与转弯环的拼装关系为(2.85-1.5):1.5,即9环标准环:10环转弯环。实际拼装中要考虑到线路坡度和盾构机蛇行以及管片楔形量不能100%利用等因素,应适当增加转弯环。2.2.2盾构机趋势、油缸行程差和盾尾间隙的关系。盾构机的趋势实际就是主机前后参考点的坐标差对前后参考点距离的比值。海瑞克盾构机前后参考点的距离为6m。主机趋势与油缸行程的关系为:趋势变化值=油缸行程差的变化量/油缸安装直径(5.7m)当油缸行程比较大时,安装的管片对盾尾间隙会产生相当明显的影响。例如,主机左右油缸行程差变化量为60mm,现在安装一环标准环,则油缸行程较小一侧的盾尾间隙就会减少60mm*1.5m/5.7m=16mm,因此,油缸行程与盾尾间隙之间有一个简单的近似公式:盾尾间隙变化量=油缸行程差的变化量/4。以本工程隧道施工为例,根据本工程质量管理条例规定,管片每环纠偏量不得大于9mm,即盾尾间隙变化量最大值为9mm。油缸行程差的变化值为9*4=36mm,趋势变化值为36/5.7=6.3‰,即每环趋势变化值不得大于6.3‰,实际控制中以5‰为控制标准。2.2.3曲线段掘进过程中盾尾间隙的变化。假设盾构始终沿设计轴线的割线前进,油缸撑靴位置始终位于设计轴线上。盾构机掘进1.5m,盾构机旋转的角度1.5/R。L为盾尾长度3.3m,由于油缸不能完全收回,计算值取3m,此时盾尾与管片中线距离变化为:

即完成一环掘进后,盾尾间隙变化量为5mm,实际施工中盾尾间隙变化量与该值相比有所偏差。施工中应提前考虑到转弯段盾尾间隙的变化量。

3 管片选型

3.1 选型原则

3.1.1 质量控制的原则。

盾构施工相对其它施工一个显著的特点就是拼装成环的管片直接成为隧道的最终衬砌,成型管片的防水质量和外观质量成为影响隧道质量的直接因素;因此盾构施工对管片拼装质量的要求很高,在掘进控制和管片选型时一定要慎之又慎,施工中更要采取各种措施严防管片出现大的错台、破裂和渗漏。正常情况主机沿着DTA走,即沿着隧道轴线方向走。管片随着主机走,线形控制为工作内容之首。为保证管片拼装质量,需要使管片轴线和盾构机轴线尽量重合,这样管片处于盾构机的中心位置。因此质量控制的重点为管片间隙的控制,控制好管片间隙,保证各点位置管片间隙值平均即可保证管片轴线和盾构机轴线的重合。3.1.2姿态控制的原则:姿态控制分为两种情况:a.盾构机偏离设计轴线;当盾构机偏离设计轴线时,为保证成型管片的线型控制,管片不可跟随盾构机偏离设计轴线。此时以线形控制为主,盾尾间隙控制为辅。可适当调小一侧间隙,以保证成型管片的轴线控制。如果隧道管片有超限的情况,基本上是无法纠正的,对工程造成的质量影响也是最坏的。b.盾构机掘进保护管片。若管片选型不正确,造成一侧管片间隙过小,即管片轴线和盾构机轴线成一定夹角时,若盾构机不进行调向,盾构推进时易造成质量问题。为保证成型管片的质量,需要对盾构机进行调向以调整管片间隙。此时以盾尾间隙控制为主,线形控制可以为辅,在进行管片选型时要提前决策做到胸有成竹。在调整盾构机掘进时,要注意保护已成型的管片,保留适当的盾尾间隙;同时在掘进过程中一次纠偏量不能过大,也就是油缸行程差不能过大,更不能出现隧道超限的情况。在转弯段进行盾构掘进时易发生此情况,在转弯段时应更加注意管片选型。

3.2 盾尾间隙的调整

直线段掘进控制和管片选型的方法比较简单,因为在直线段每掘进一环不会产生油缸行程差,盾构机趋势变化不大,盾尾间隙变化量相对较小。若盾尾间隙比较平均,可多装标准环以保持盾尾间隙。在曲线段掘进时,线路轴线会有较大变化,此时需要多安装转弯环以调整盾尾间隙。转弯环管片由于存在楔形量,它的的剖面为梯形。通过将梯形的短边连续安放在同一方位(或相近方位)即可调整管片轴线,进而调整盾尾间隙。如图7所示,将管片最窄的位置连续放在上部,上部间隙会变小,下部间隙会增大。管片间隙的调整即根据此原理控制(见表2)。左转弯环调整盾尾间隙的原则为:当需要将某点盾尾间隙变大时,将K块安装在该点左转90度的位置(见表3)。右转弯环调整盾尾间隙的原则为:当需要将某点盾尾间隙变大时,将K块安装在该点右转90度的位置(见表3)。当盾构机趋势变化时也会引起盾尾间隙的变化,如图8所示,当盾构机处于位置1时,盾尾间隙平均。当盾构机推进至位置2时下部间隙会变小。因此在进行盾尾间隙控制时必须提前考虑到盾构机趋势的改变。如图8所示情况,在拼装管片时必须考虑到盾构机处于位置2的情况,可提前将下部间隙调大,以免在盾构机推进了一环到达位置2时引起下部间隙过小,造成管片质量问题。

3.3 油缸行程差的调整

当油缸行程差过大时,易造成管片受压不均匀或者小偏心受压,引起管片破损,造成破损或漏水等管片缺陷。调整原则为管片最大边安放在油缸最长的位置。转弯环楔形量为38mm,在盾构机趋势未变化的情况下最大可弥补38mm的油缸行程差(见表4)。左转弯环调整油缸行程差的原则为:当需要将某点油缸变短时,将K块安装在该点左转90度的位置(见表5)。右转弯环调整油缸行程差的原则为:当需要将某点油缸变短时,将K块安装在该点右转90度的位置。

4 结论

实际施工中应综合考虑各种因素来进行管片选型。特别是在转弯段时,要提前考虑富余量。同时要考虑其他因素,例如铰接油缸长度的影响,盾构机蛇行的影响,盾构机未来趋势变化的影响等。控制好盾构机轴线和设计轴线一致,做好管片选型,是能够保证管片拼装质量的。

参考文献

盾构选型和关键参数选择探讨 第5篇

盾构法施工是目前进行隧道施工的一种重要的、先进的工法。由于盾构法施工不同于传统的人工开挖、明挖施工、浅埋暗挖等工法,主要依靠盾构设备这个载体,因此盾构设备选型是施工成败的一个重要环节,是盾构施工的关键。

1)盾构法施工设备投入大在盾构法隧道施工中,机电设备成本基本占到工程造价的30%左右,进行设备合理化的选型是控制工程成本的关键。

2)盾构施工的关键技术在于盾构设备的性能对于隧道施工中,地表沉降控制、隧道导向控制、隧道防水工程、隧道衬砌质量、施工进度控制、外界环保需求等关键技术都必须依赖于盾构及设备这个客体。设备的性能一定意义上决定了工程关键技术的实现。

3)盾构文明施工在于设备的优良性能在目前建筑施工行业,文明施工已经随着国家经济的发展、人民生活意识的提高,逐渐成为一个非常重要而被业主看重的一个环节,盾构施工设备的选型某种意义上已经决定了一个施工场地文明施工的程度。进行设备的合理选型,满足现场文明施工的需要,这是目前施工行业的要求。

4)施工人员劳动强度取决于设备的合理选型正是先进生产工具的出现,施工人员劳动已经走向高效率、强技术、低强度、低综合性方向。盾构法施工开创隧道工厂化作业的先河,工人劳动已经不再是以前繁重的纯粹体力劳动,简单的程序化培训、先进的人机界面、工序化作业操作已经成为盾构施工行业对设备的新要求。

5)盾构的合理选型可以实现施工企业的集中化管理盾构施工给企业管理方面,一个很大的特点的就是施工企业实现集中化的工厂管理,不论工程技术还是施工人员的管理。盾构合理化选型是利用选择先进的网络设备、集约的设备统筹管理人员,进行技术上控制、人员上管理、企业发展上远瞻。

2 盾构机选型的几个原则

盾构机选型一般按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行,这几个方面互为补充、相互统一。

1)适用性原则根据工程水文地质要求和环境接口要求、施工行业要求,选择适合本工程施工的盾构设备。

2)可靠性原则根据工程施工要求比如地表沉降要求、施工防水要求、管片衬砌要求和环境保护要求等工程技术,选择施工可靠的设备。

3)先进性原则根据盾构行业发展情况,综合比较选择先进的盾构设备,以利于施工企业的集中管理和工人的人性化操作。

4)经济性原则结合工程特点,根据市场比较,选择综合性价比高的盾构设备,满足工程造价的需要。

3 盾构设备一般选型依据

根据盾构的发展历程,盾构机类型基本分为敞胸式盾构和闭胸式盾构。敞胸式盾构包括敞开式盾构、网格挤压式盾构、机械式和半机械式盾构,闭胸式(密闭式)盾构包括泥水加压式盾构、土压平衡式盾构和复合型盾构(习惯叫法,即掘进地层的复合、刀盘刀具的复合等严格意义上属于土压平衡盾构机的一种)。目前隧道施工行业应用较多的是土压平衡式盾构和泥水平衡式盾构。下面介绍这两种盾构机选型的一般依据。

3.1 工程地质

根据隧道工程地质资料,综合分析隧道岩性和围岩类别,选择合适的盾构类型,确保施工安全可靠,确保地面建筑物的安全,确保施工进度目标的实现。不同类型的盾构适应的地质范围不同,所选择的盾构应能适应地质条件,能保持开挖面稳定。

3.1.1 根据围岩类别选型

土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土舱内的开挖土碴加压,使土压作用于开挖面使其稳定,主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工,掘进时,由刀盘切削下来的土体进入土舱后由螺旋输送机输出,在螺旋机内形成压力梯降,保持土舱压力稳定,使开挖面土层处于稳定。盾构向前推进的同时,螺旋机排土,使排土量等于开挖量,即可使开挖面的地层始终保持稳定。当碴土中的含砂量超过某一限度时,泥土的塑流性明显变差,土舱内的土体因固结作用而被压密,导致碴土难以排送;需向土舱内添加膨润土、泡沫或聚合物等添加剂,以改善土体的塑流性。

对于砂卵石地层,由于粉砂土及黏土含量少,开挖面在刀盘的扰动下易坍塌,采用一般的土压平衡盾构机已经不能满足这种地层的需要,必须采取辅助措施,注入足够数量的添加剂,进行碴土改良,或者选择泥水平衡式盾构机。

泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制,采用膨润土悬浮液(俗称泥浆)作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水舱内,在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜,通过泥膜表面扩张作用,以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面,通过泥水处理设备进行分离,分离后的泥水进行质量调整,再输送到开挖面。泥水平衡盾构机从某种意义上说在隧道掌子面平衡方面比土压平衡盾构机较优越。

3.1.2 从工程地质岩性颗粒级配关系曲线选型

一般来说,细颗粒含量多,碴土易形成不透水的流塑体,容易充满土舱的每个部位,在土舱中可以建立压力,平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差,实现土压平衡困难。

目前常用的盾构类型与颗粒级配的关系曲线见图1,图中左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区,为泥水盾构适用的颗粒级配范围。右边白颜色区域为细砂淤泥黏土区,为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围。

因此一个工程的盾构选型,一个重要方面就是工程地质关于围岩级配试验的数据资料,图1显示的工程围岩取样样件1和样件2级配曲线可以看出适宜选择泥水盾构机。

3.1.3 根据特殊工程地质选型。

如上所述概念上有所区别,但是在一定条件下这种区别是可以统一的。比如说在北京、成都砂卵石比例很大的情况下,根据上述选型原则泥水盾构更加适合工程,但是在进行传统土压机进行性能改造的情况下还是可以适应的,可以加入足够量的膨润土、泡沫剂、水等复制碴土改良剂,使盾构掘进的碴土呈流体塑性,这样土压平衡盾构机也是可以完全胜任这种地质状况的。北京地铁采用土压机进行施工的标段成功实例也不少。又如上海、南京地层基本以砂土、淤泥为主,非常适合土压机掘进,但是采用泥水盾构机,引入高性能的泥水分离设备,施工也是非常顺利的。广州、深圳地铁可以说是采用盾构机施工的一种典型的复合型地层,这样对于采用土压盾构机还是泥水盾构机各有利弊,但不同机型在辅助工法上或者设备上采取措施,都是可以实现的。

3.2 水文地质

隧道盾构施工另外一个重要选型依据就是隧道围岩水文地质因素,围岩渗水系数是盾构选型常用的一个参数指标。图2是地层渗透系数和盾构选型的关系示意图。

当地层的渗透系数小于10-7m/s时,可选用土压平衡盾构;当渗透系数在10-7m/s~10-4m/s时,可选用泥水盾构,在碴土改良的情况下,也可选用土压平衡盾构;当地层的渗透系数大于10-4m/s时,宜采用泥水盾构。

对于渗水系数大的隧道采用土压盾构施工,螺旋输送机“土塞效应”难以形成,螺旋输送机出碴发生大量“喷涌”现象,这样对施工是非常不利的,同时引起的一个直接反映是土舱压力波动大,地面沉降不利控制,如果采用泥水平衡盾构,甚至采用气垫等措施,泥水舱压力波动可以控制在很小的范围内,欧洲设备采用气垫一般可以控制在0.2bar左右。

对于渗水系数较小的隧道如果采用泥水平衡盾构施工,主要制约因素是隧道碴土排放需要较长的管道,同时需要昂贵的泥水处理设备,在环境要求高的场合还必须采用碴土压滤设备,同时耗费大量的膨润土,这样工程造价是比较高的。

3.3 尽量少的辅助施工工法

对于盾构施工,一个重要概念即掘进快速、工序少、人员程序化施工。辅助工法的增多给隧道施工带来很多不便:材料耗费大、工序复杂、工人技术能力要求高、管理困难。因此进行盾构选型,应该综合分析施工成本,尽量采取少的辅助施工工法,保证隧道稳定高速掘进。

3.4 环保要求

对于现代化隧道施工,进行盾构机类型的选择,环保要求应该引起施工界的高度重视,比如盾构施工带来的有形污染物、噪声、水源污染等各个环节应综合考虑。

以上几个方面在主要满足工程地质和水文地质关键技术需要的情况下,同时兼顾辅助工法尽量少的采用、环保高要求等因素,多方面调研,综合确定适合工程的盾构类型。

4 盾构关键参数的选择

4.1 盾构直径的选择

盾构直径的选择,一定意义上决定了隧道施工的成本,是盾构参数选择中一个主要参数。

盾构直径的选择是由隧道衬砌断面设计要求决定的。一般来说对于用户,考虑施工过程中,隧道掘进土体的开挖量、隧道开挖洞室和盾尾之间间隙注浆量,盾构开挖直径越接近隧道衬砌环外径越经济。但是对于盾构直径设计一般考虑盾尾间隙、盾体和土体的摩擦、刀具的更换等方面。一般盾构设计呈倒锥形,也就是说盾构前体略大于盾尾。确定了盾尾间隙(盾尾间隙的确定在后面部分介绍)后,一般刀盘开挖直径(DCmax)、刀盘直径(DC mi n)、盾体前端尺寸(DS ma x)、盾尾直径(DSmin)一般呈如下关系。

其中DGMAN—衬砌环直径;

δ—盾尾间隙;

δ1—盾尾钢板厚度。

刀盘开挖直径和刀盘的差值一定意义上反映出刀盘最外沿边刀的磨损极限,刀盘直径和盾构前体直径差值一定意义上保证了盾构边刀的合理更换,盾构前体和盾尾的差值主要考虑盾体和掘进后隧道土体的摩擦,从而提高盾构的有效推力。

4.2 盾构推力的确定

盾构推力的选择确定决定盾构机掘进速度的快慢、破岩效果是否理想,因此盾构推力是盾构参数选型的主要参数之一。

盾构的推力一般包含盾体和土体的摩擦力、刀盘推进力、盾尾密封摩擦力、后配套拖拉力、压力舱(土舱或泥水舱)反力。一般盾构总推力可以按照下式进行计算确定。

压力模式(适合土压和泥水盾构)

敞开模式(适合土压盾构)

式中∑F—总推力;

FM—盾体和土体的摩擦力;

FC—刀盘推力;

FS—盾尾密封摩擦力;

Ft—后配套牵引力;

Fyp—压力模式下压力舱反力。

4.3 盾构扭矩及刀盘功率确定

盾构扭矩的合理选择决定了盾构机掘进的高效率,是盾构主驱动功率重要因素之一,是盾构选型中一个主要参数。

盾构掘进机在土层中推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、盾尾密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅动力矩。随着土舱(泥水舱)和掌子面碴土改良技术的发展,在土层开挖中刀盘的扭矩可以得到大幅度的降低。理论计算是一个比较复杂的过程,这里采用常用的经验公式进行计算确定。

式中α—土压平衡盾构系数,根据盾构直径的大小不同一般取值14~23(硬岩取大值,软岩取小值);

D—盾构开挖直径。

盾构驱动功率的确定

式中η—传动部件总的机械效率;

T—刀盘扭矩;

ω—刀盘转动角速度(咨询盾构厂家脱困时刀盘角速度设计,如果采用变频电机则与变频电机基频有关)。

4.4 盾尾间隙的选择

盾尾间隙的大小直接关系到盾构施工管片衬砌质量的好坏、防水效果是否符合标准,因此盾尾间隙在盾构施工中是一个非常重要的参数,特别是小曲线段的掘进,盾尾间隙合理选择尤为重要。

盾尾间隙包括理论最小间隙、管片允许拼装误差、盾尾制造误差、盾尾结构变形、盾尾密封的结构要求等。计算确定如下

式中b—实际盾尾间隙;

b1—理论最小盾尾间隙;

b2—管片精度和管片拼装误差,一般取4~5 m m;

b3—盾尾制造误差,取厂家设计值;

b4—盾尾变形因素,3~5 m m;

b5—盾尾安装尺寸,咨询盾构厂家确定;

盾构机选型 第6篇

大连市地铁2号线工程201标段西安路站-交通大学站区间工程，为大连地铁单台盾构掘进最长区间，右线全长1 659.263m。平面线路出西安路站后沿南北方向向南，通过半径300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m的曲线接入黄河路，到达交通大学站。纵断面形式呈“V”字形(图1)，最大纵坡为25‰。区间隧道结构最大覆土厚度30.8m，最小覆土厚度14.2m。竖曲线最小半径为3 000m，最大半径为5 000m。

本工程重、难点为小半径(300m半径)曲线始发、左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行、受始发井场地限制无出碴井、复合地层长距离小半径R300曲线掘进、长距离硬岩段掘进等。区间需穿越大连市发电厂、西部通道桥、大连自来水集团公司等重要建筑群及断层破碎带(两次穿越马栏河)。区间隧道所穿越的地质构造复杂，地层起伏及围岩岩性变化大，且隧道埋深较深，线路坡度大。

大连地铁201标盾构于2011年2月20日始发，2月21日至3月22日完成盾构初始掘进0～47环。从4月4日开始进行正常掘进，右线于2012年12月20日贯通(掘进1 326m，日均6m)，设备运行状态良好。

2 盾构选型设计

盾构的种类非常多，应用范围也非常广。目前，城市地铁最常用的盾构是土压平衡盾构和泥水盾构两大类。

地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构;当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构;当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构，盾构与渗透系数关系如下图2所示。

大连地铁盾构穿越的基础地质是钙质板岩，掌子面稳定性好，渗透系数1.15×10-5～5.79×10-5m/s，处于渗透系数在10-7～10-4m/s之间，因此既可以选择土压平衡盾构也可以选择泥水盾构。但是，考虑到泥水盾构对碴土的分离成本高，需占用较大的碴土场地而本区间施工场地狭小，另外重要的是土压平衡盾构在成本、环保等方面均具有较大的优越性，因此选用土压平衡盾构。

最后，针对本盾构区间部分需要穿越中风化碎裂岩、中风化辉绿岩，为复合地层，盾构需要进行掘进模式的转化。加上盾构的使用寿命一般在10km左右，为了提高盾构对地层的适应范围，减少后期项目对盾构的改造，最终决定选择复合式土压平衡盾构。

3 盾构配置

3.1 刀盘结构形式选择

刀盘有面板式和辐条式两种，面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，土压管理困难。而且，受面板开口率的影响，碴土进入土仓不顺畅，易粘结和堵塞，刀具负荷大，寿命短。辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止粘土附着，不易粘结和堵塞;没有面板的阻挡，开挖面土压与测量土压一致，因而土压便于控制，能有地控制地面沉降;同时刀具负荷小，寿命长。

鉴于以上比较，结合大连地铁地质状况，兼顾面板式和辐条式刀盘优点，本标段盾构选型为辐条式+面板式复合式结构形式，如图3所示。

3.2 刀盘驱动方式选择

刀盘驱动方式有3种，一是变频电机驱动，二是液压驱动，三是定速电机驱动。通过仔细比较，结合本区间主要穿越中风化钙质板岩层，地层较为稳定，故选用变频电机驱动。

3.3 刀具配置

盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。目前盾构常用的有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩挖刀。

根据本项目长距离小半径硬岩掘进的要求，盾构刀盘配置了5把双刃中心滚刀、32把单刃滚刀(1把超挖刀) 、48把刮刀、12把边刮刀、16把大圆保护刀，如图4。

3.4 铰接方式选择

当盾构灵敏系数(机长/外径)大于1.5或隧道曲率半径小于250m时，应采用铰接装置。铰接装置是指盾构本体前后壳体间采用铰接液压油缸连接成一个整体，通过调整液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的装置。铰接的结构形式分主动铰接和被(随)动铰接两种(图5)。

主动铰接调向时即可采用主动转向方式也可采用被动转向方式，调向性能好，能够达到9°的弯曲角度。但是由于铰接千斤顶荷载大，其外形尺寸较大，布置数量较多，结构复杂、造价高且占用盾构内部空间大。相反，被动铰接虽然弯曲角度较小，一般情况下不大于3°，但是结构简单、造价低、占用空间小。综合本区间的情况，盾构采用被动铰接结构，具有260m半径转向能力。

3.5 碴土改良

当土层含砂量较高时，碴土流塑形变差，为便于碴土的输送，向土仓内注入膨润土、泡沫或水，然后进行强制性搅拌，使砂质土向泥土化转化。泡沫不仅改善开挖土体的流塑形，还可润滑刀具、刀盘、螺旋输送机，有效地降低刀盘扭矩稳定开挖面，并有良好的止水作用。膨润土不仅具有增强碴土流动性、和易性，以便于出土;同时可以充满盾壳周边，减少盾构的推进力，提高有效推力;并能够泵入同步注浆系统以置换砂浆，防止注浆管路堵塞。针对本标段的复合地层施工要求，同时配置了泡沫注入装置与膨润土注入装置，如图6。

4 盾构适应性设计

4.1 长距离中风化岩层掘进

根据地质报告最大岩石强度为36MPa，考虑到无侧限抗压强度与三向应力状态下抗压强度的区别，以及岩石层理方向与隧道轴线平行的可能，最大实际抗压强度应按照70MPa考虑。因此主要考虑的是刀盘破岩问题，要求刀盘应具备良好的破岩能力。

刀盘面板上布置了42把滚刀，正滚刀的刀间距为90mm，满足破除70MPa的风化岩层的要求。同时，盾构配置了膨润土及泡沫系统，可以对不同地段的掘进进行碴土改良，以便降低刀盘扭矩，减少刀具及螺旋机磨损，并解决以块石或片石为主的碴土从刀盘开口进碴及螺旋机出碴困难的问题。

4.2 极破碎风化岩及中等透水地段掘进

破碎地段围岩不能自稳，需要采用平衡模式掘进，但在以风化岩为主的破碎地层中，大粒径的石块含量大，细颗粒成分含量少，平衡模式需要的溯流性碴土难以获得，为克服此难题而采用的盾构适应性设计措施有：

1)盾构配备了碴土改良系统，膨润土和泡沫能同时输送到刀盘前面，既能稳定开挖面也能提高碴土的流畅性;

2)复合式面盘的开口多而窄，限制了进入土仓的碴土尺寸;

3)土仓设置前闸门，防止螺旋机堵塞进行处理时土仓失压。螺机有伸缩功能并具有足够的脱困扭矩。配置双出料门，在发生喷涌时临时用于出碴并保持土仓压力;

4)刀盘有足够的额定及脱困扭矩，以增大堵仓时、大块破碎石头卡在开口处时、或地层坍塌围住刀盘外圈梁时的脱困能力。

4.3 R300m小半径曲线盾构始发

由于在盾体离开始发架前盾构不宜或不能转向，因此盾构应采用割线姿态始发。盾构进入洞门3.5m左右即采用扩挖刀进行扩挖，以便留出初始转向空隙，在盾尾完全进入洞门后即开始转向，保证盾构由直线掘进状态顺利进入曲线状态掘进，避免在曲线外侧超差。

盾构适应性设计措施：盾构采用被动铰接结构，具有260m半径转向能力，配置超挖刀以备在需要时使用，超挖刀可以根据线形需要进行拆卸。

4.4 长距离小半径曲线掘进

本标段300m半径曲线状态掘进长度达2×700m左右，风化岩地层基本无压缩性，当边刀磨损5～8mm后盾构即出现卡盾及转向困难趋势;且在风化岩中刀具磨损较快及在曲线外侧超差时盾构需要以更小的转弯半径才能回正。采用的应对措施如下：

1)刀盘边刀间距密集布置，以减少边刀荷载延缓磨损速度及换刀次数;

2)配置盾体外膨润土润滑装置，可减少推进阻力，并防止开挖空隙被块石充填影响盾构转向;

3)刀盘外围滚刀布置刀体保护块，避免块石对刀具的额外荷载，减少边刀损坏的几率;

4)配置可更换的扩挖刀，以备在曲线;

5)外超差时扩挖，利于盾构转向;

6)边刀设置为通用滚刀，磨损后可作为正滚刀使用，提高刀具的利用率;

7)后铰接式盾体具有1.4°的最大铰接角, 可实现极限260m的转向能力。

摘要：针对大连地铁2号线长距离硬岩等复杂工程地质条件, 进行了盾构选型设计, 并根据施工过程中可能出现的工程难题提出了盾构适应性设计方案。

盾构选型中大漂石的影响及处理 第7篇

1 大漂石对盾构选型的影响

大漂石通常是指地下粒径大于2 0 0 m m的大石块, 通常赋存在砂卵石地层或其他土层中, 其空间分布具有较大的随机性, 很难找到规律, 不易被钻探发现, 故给盾构施工造成极大困难。对施工和设备的影响主要表现在刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难;刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低, 引起刀盘变形;刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏;刀盘堵塞, 盾构机负载加大等, 更有甚者是大漂石无法破碎, 致使盾构掘进受阻或偏离线路。

盾构穿越砂卵石地层时, 刀具磨耗和大漂石的排出是影响盾构掘进的两个主要问题。刀具磨耗通常通过提高刀具耐磨性和掘进中途换刀来解决。大漂石的排出问题比较复杂, 处理方式因地质条件、盾构的类型以及刀盘和出渣装置的结构和形式而有所不同。

一般对于最大卵石直径不超过2 0 0 m m的砂卵石地层, 可采用常规排除方式, 即要求在盾构选型和刀盘设计时, 按可能通过的最大卵石直径确定刀盘开口率和开口宽度, 并配备与上述卵石直径条件相适应的螺旋输送机排出大卵石。对开挖坚实稳定的地层可考虑采用轮辐式刀盘。

当最大卵石直径超过2 0 0 m m时 (即为大漂石) , 如果采用常规排除方式就必须增大刀盘开口, 增大螺旋输送机的直径。这一方面会因刀盘开口增大影响开挖面稳定, 另一方面也会因螺旋输送机直径增大引起排渣装置成本增加并造成盾构空间布置困难。因此必须考虑工作面破碎方式。

工作面破碎方式要求在盾构刀盘上设计安装可对大漂石或卵石进行破碎的刀具, 对石块进行先行破碎, 破碎后的小块岩渣经刀盘开口进入土压仓, 再通过螺旋输送机或排泥管道排出。工作面破碎方式不仅能减小刀盘面板的开口率和开口宽度, 而且可尽量减小开挖大漂石引起的土壤松动, 从而有利于开挖面的稳定。用于破碎的刀具可选用盘形滚刀或齿式刀头。齿式刀头依靠冲击力破岩, 盘形滚刀则是依靠挤压和冲击破岩, 这就要求地层提供足够的反作用力。如果大漂石在围岩中压埋不很牢固, 地层松软, 当刀头碰到大漂石时大漂石仅会简单地偏移或被弹开。由于不能传递破碎力, 因此达不到破碎的目的。而且被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至会导致盾构转向, 使盾构偏离隧道设计轴线。

2 隧道开挖过程中大漂石的行为预测

尽管用盘形滚刀破碎大漂石常常是非常有效的方法, 但是一些工程的实际情况表明在某些地质条件下隧道中的大漂石不能被破碎, 必须采取其他方式处理。这就需要对大漂石的行为及其所存在的地质状况进行研究, 以便对大漂石的行为进行预测, 从而提高隧道的开挖效率。

2.1 盾构掘进时大漂石的行为

当认为大漂石位于隧道轴线上时, 必须采用混合式刀盘。这种形式的刀盘使用切刀、刮刀、齿刀和盘形滚刀等刀具。盘形滚刀通常能破碎过大、不适合进入盾构渣土处理系统的大漂石。这里存在这样的问题, 盘形滚刀在一些工程中破碎大漂石极为有效, 而在另外一些工程中却根本无效。

在硬土层中对大漂石破碎通常比较有效, 此时盘形滚刀随着刀盘的转动而滚动或滑过土层直接撞击和切割遇到的大漂石。盘形滚刀以点载荷作用于大漂石, 使岩石碎片剥落, 直到大漂石破碎。如果岩石碎片较小, 它们就可以穿过刀盘进入机器。如果碎片仍就很大, 它们就必须由盘形滚刀进一步破碎。只要石头是埋在土层中被牢牢地固定在其位置上, 盘形滚刀就能够冲击和破坏任何形状且非常坚硬的大漂石。

有时盘形滚刀破碎不了大漂石, 此时大漂石往往被刀盘的旋转推力弹开或被推向隧道旁边。若大漂石处在盾构的外侧, 它们实际上可能会挤压盾构使其偏离方向。如果隧道左侧土壤软弱, 而右侧是坚硬的大漂石, 机器将转向阻力最小的左侧, 如果这种情况过大, 隧道的轴线将偏斜。若土质太软弱, 固定不住大漂石, 不能产生足够的破碎反力, 大漂石就会随着土体的破坏而移动或被刀具弹开, 而且会在刀盘前面循环, 挡在排土口并损坏刀具。这种情况下, 操作工人必须进入开挖面人工清除大漂石。

清除大漂石的工作对于工作人员和工程项目都很危险, 开挖面崩塌可能会使施工人员伤亡, 也可能引起隧道顶部地面过大的沉降。在这种情况下进入开挖面是不可能的, 解决的办法是提高周围土壤的剪切强度, 通常是从地面泵入浆液或通过刀盘向开挖面地层注入浆液对土体进行加固。这个方法非常有效, 但要求隧道暂停掘进。因此造成时间耽搁和成本增加。

2.2 大漂石行为的预测方法

虽然适当的地质调查能够揭示出盾构掘进时是否会遭遇大漂石, 但是隧道开挖时大漂石的许多行为以及它对盾构掘进的影响仍然是未知的。常用的预测方法有简单承载能力法和有限元法。

2.2.1 简单承载能力法

通常大漂石的切削计算用简单承载能力法, 即将盘形滚刀施加的力以点载荷到条形载荷作用于大漂石, 如果最终的压力值超过土壤的承受能力, 大漂石将移动。该法简单实用, 但也有一些不足。首先, 刀具上的载荷难以确定。虽然盾构千斤顶的推力是已知的, 但盾壳表面摩擦引起损失的确切数值是未知的, 该力转换到每个刀具上的确切数值也是未知的。而且在硬岩上只有盘形滚刀与开挖面接触, 但在软土隧道中, 整个刀盘的表面都推向了土壤, 尽管盘形滚刀被安装凸前于其他刀具, 可以假设它作用于大漂石上的力将比刀盘表面其他部分作用的推力的比率更大。但是同样难以确定盘形滚刀上力的确切数值。

此外, 简单承载能力法有概念上的弱点, 该法是为浅基础而开发的, 因此没有考虑剪切强度方面的限制, 在埋深大的隧道中会造成巨大的差异。承载能力法也不能揭示大漂石的破碎机理。因此应考虑预测大漂石行为的另一种方法。

2.2.2 有限元法

有限元法是一种数值方法, 如图1所示。有限元程序可以模拟位于盾构刀盘前面的一块材料 (如大漂石) 和地基。在有限元模型中盘形滚刀对大漂石的作用以一个节点位移来模拟。每一位移之后, 有限元程序可通过岩石破坏标准检验大漂石的应力水平, 当超过其强度极限时, 将引起大漂石破坏。程序也可以检查和计算地基的反力。随着盾构的推进, 当地基的反力不再增加时则意味着土壤已经发挥了其强度的所有能力以抵抗位移。当土壤不能抵抗任何更大的位移时, 岩石将在持续的载荷作用下移动。这种岩石运动说明了土壤已经破坏, 不能固定住大漂石。

有限元计算可将岩石和土壤之间的关系量化, 即根据大漂石与土壤的剪切强度比率预测盘型滚刀能否有效破坏大漂石。研究还表明当大漂石的剪切强度比土壤大600倍时, 大漂石将表现出无限强大。它不会被破碎, 但会像固体物体一样移动。有限元计算还可预测当大漂石富集成群或分散分布时对大漂石破碎的影响。

3 大漂石的处理方法

开挖混有大漂石的砂卵石地层时, 盾构选型通常主张选用密闭式泥水式盾构或加泥式土压平衡盾构。

3.1 泥水式盾构

泥水式盾构处理大漂石方式有两种, 一种是工作面破碎+机内破碎, 即在工作面利用刀盘上布置的盘形滚动刀将大漂石破碎至300~400mm, 岩石碎块和砂卵石通过刀盘上的开口进入机内, 在机内进行第二次破碎, 其破碎设备可放在土压仓内, 如图2。也可设在后方排泥管之前, 将砾石再次破碎后, 才进入排泥管。另外一种是工作面破碎+砾石分级, 盘形滚刀将大漂石在工作面进行破碎之后, 利用在土压仓与排泥管之间设置的旋转式分级器进行砾石分级处理, 将粒径大于50~70mm的

砾石分离出来, 采用斗车等运输工具运至洞外。泥水式盾构一般可以连续输送的砾石长径应小于排泥管直径的1/3。通常排泥管直径为100~200mm, 因此被排除的砾石直径最多为50~70mm。可见, 在含有大粒径砂卵石地层中采用泥水式盾构, 需要对砾石进行两次处理, 出土效率降低。

3.2 加泥式土压平衡盾构

加泥式土压平衡盾构采用螺旋输送机进行排土, 由于配备的螺旋机直径受到盾构机尺寸的限制, 所以可能排除的卵石直径受到限制, 如中轴式螺旋输送机直径为700mm时, 通过最大砾石粒径为250mm, 采用带式螺旋输送机虽然可以连续排除砾石的粒径要大得多, 但是对于少见的大于600mm的漂石输送亦有困难, 所以仍需利用刀盘上的滚刀将大粒径的漂石破碎至300~400mm, 然后通过刀盘上的开口进入机内后采用带式螺旋输送机排土, 所以采用加泥式土压平衡盾构只进行一次破碎, 且破碎的数量较少, 出土效率高。

4 结论

1) 大漂石的存在影响盾构机的选型。在盾构机选型前必须首先掌握隧道掘进线路的地质资料和数据, 确定大漂石的存在和分布情况以及它的直径和数量, 以决定盾构和刀盘的选型以及盘形滚刀的布置。

2) 大漂石的行为可以预测。计算结果表明大漂石与土壤的剪切强度比率是决定大漂石破裂可能性的关键。

3) 对大漂石切削性的认识十分重要。施工企业可在现场调查期间, 通过对土壤和岩石特性的确定, 在工程建设开始之前对潜在的大漂石问题进行鉴别, 及早确定施工对策和处理方案。这样就不会等到问题出现时, 要停止所有隧道掘进工作, 一直等到土体完成加固。

下穿人工湖区间盾构选型方案研究 第8篇

本工程有3座区间下穿人工湖。人工湖已基本开挖完成, 形状呈“回”字形。外湖设计深度约8.75 m, 目前北侧已经部分蓄水, 水深3 m, 水位标高为81.5 m (设计蓄水深度7 m, 水位为85.5 m) 。其内湖及外湖南侧尚未蓄水。内湖深度约14 m, 设计蓄水深度为7 m。人工湖四周设置0.4 m厚塑性防渗墙, 防渗墙深度40 m, 湖底铺盖0.3 m厚红黏土。区间主要参数:区间一, 长642.2 m, 最大纵坡28‰, 覆土埋深6 m~15.7 m, 区间穿湖长度335 m;区间二, 长618.6 m, 最大纵坡26.1‰, 覆土埋深6 m~19 m, 区间穿湖长度450 m;区间三, 长612.8 m, 最大纵坡25.9‰, 覆土埋深5.8 m~19.3 m, 区间穿湖长度110 m。

2 工程地质

区间一穿越土层主要为: (3) -4细砂以及 (3) -5中砂。区间二穿越土层主要为: (3) -4细砂, (3) -5中砂。区间三穿越土层主要为: (2) -4细砂、 (3) -4细砂, 以及 (3) -5中砂。区间穿越主要土层参数如下:

第 (2) -4层:细砂 (Q4al) , 黄褐色, 湿~饱和, 中密, 主要矿物成分石英、长石及少量云母。含粉土及粉质粘土块, 可见白色蜗牛壳及碎片, 夹薄层粉土。本层分布广泛, 23个勘探孔有揭露, 层底标高68 m~82.18 m, 层底深度2.5 m~23.2 m, 层厚0.70 m~13.8 m, 平均层厚4.87 m。标贯击数N范围15击~44击。

第 (3) -4层:细砂 (Q4al+l) , 灰~灰褐色, 饱和, 密实, 主要矿物成分为石英, 长石及少量云母, 分选性较好, 级配良好, 含粉土及粉质粘土团块, 可见白色蜗牛壳及碎片, 夹薄层粉土。本层分布广泛, 25个勘探孔有揭露, 层底标高54.95 m~72.87 m, 层底深度11.5 m~40 m, 层厚2.4 m~13.4 m, 平均层厚6.94 m。标贯击数N范围30击~67击。

第 (3) -5层:中砂 (Q4al+l) , 灰褐色, 饱和, 密实, 主要矿物成分为石英, 长石及少量云母, 分选性较好, 级配良好, 含粉土及粉质粘土团块, 可见白色蜗牛壳及碎片, 夹薄层粉土。本层分布广泛, 26个勘探孔有揭露, 层底标高52.06 m~67.62 m, 层底深度19.8 m~32.5 m, 层厚3.3 m~12.7 m, 平均层厚7.93 m。标贯击数N范围29击~72击。

3 盾构工作原理及适用范围

密闭式盾构机可分为土压平衡式盾构和泥水加压平衡式盾构两种。

3.1 土压平衡盾构的基本原理及适用范围

土压平衡盾构机是通过泥土舱的密封性能建立与控制泥土舱的压力, 使其与开挖面的地层水、土压力相平衡, 使开挖面保持稳定不坍塌、地面沉降得以有效控制。由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上, 皮带输送机再将渣土向后运输至渣土车的土箱中, 并运送至地面。

盾构机掘进时, 可根据掌子面土层的粘土含量及含砂量, 加入水、泡沫及泥浆材料, 使土舱内的泥土转变为具有流动性能好和弱透水的泥土, 使之及时充满泥土舱和螺旋输送机体内全部空间, 并随着盾构机的不断推进而顺利地由螺旋输送机排土口排出。

土压平衡式盾构机适用于含水饱和土、软弱地层中, 在砂层中可以通过加泡沫剂、膨润土、高分子聚合物等添加剂进行渣土改良, 适用于不同地层。

3.2 泥水平衡盾构的基本原理和适用范围

泥水加压平衡式盾构是在机械式盾构刀盘的后侧, 设置一道隔板, 隔板与刀盘之间的空间为泥水仓。把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水, 经输送管道压入泥水仓, 待泥水充满整个泥水仓, 并具有一定压力, 形成泥水压力室。通过泥水的加压作用和压力保持机构, 能够维持开挖工作面的稳定。盾构推进时, 旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水, 用流体输送方式送到地面泥水分离系统, 将渣土、水分离后, 将泥浆重新送回泥水仓循环利用。

泥水平衡盾构靠循环悬浮浆液的体积来调节和控制泥浆压力, 采用膨润土制成的泥浆作为渣土的传递介质。开挖掌子面的稳定是靠泥浆室内的泥浆形成不透水的泥膜层, 由泥膜起到平衡泥水压力作用, 以确保开挖掌子面的稳定。工作面任何一点的泥水压力总是大于地下水压力, 从而形成一个向外的水力梯度, 以此保持工作面稳定。

泥水加压平衡式盾构适用于软弱的淤泥质黏土层、松散的砂土层、砂砾层、卵石层等地层。经常用于地层含水量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。

4 盾构机选型依据

根据岩土勘察报告提供的水文地质参数, 结合施工场地、环境保护和工程造价, 对土压平衡式盾构和泥水加压平衡式盾构进行比选。

4.1 渗透系数

当渗透系数小于1.0×10-7m/s时, 宜选用土压平衡盾构。

当渗透系数大于1.0×10-4m/s时, 宜选用泥水加压平衡盾构。

当渗透系数大于1.0×10-7m/s, 小于1.0×10-4m/s时, 可选用土压平衡盾构或泥水盾构。

根据地质工程勘察报告, 本工程隧道洞身上部及通过的地层中主要为 (2) -4细砂层、 (3) -4细砂层以及 (3) -5中砂层, 细砂层的渗透系数为7×10-5m/s, 中砂层的渗透系数为1.7×10-4m/s。

区间穿越各类砂层长度见表1。

地层渗透性与盾构选型关系:

经分析比较, 区间有58%的区段在中砂地层中穿过, 渗透系数为1.7×10-4m/s, 略大于1×10-4m/s, 通常采用泥水加压平衡盾构。但土压平衡盾构机通过渣土改良、设备改造, 加泥型土压平衡盾构也能满足。

4.2 地下水压

当水压大于0.3 MPa时, 宜选用泥水加压平衡盾构。

当水压小于0.3 MPa时, 宜选用土压平衡盾构。

根据该段区间初步设计纵断面, 工程水压约为0.2 MPa~0.25 MPa, 可采用土压平衡式盾构机。

4.3 颗粒级配

一般来说, 当岩土中的粉粒、黏粒的总量小于40%时, 通常采用泥水加压平衡盾构, 相反则采用土压盾构。该区域地层多为细砂、中砂。粉粒、黏粒比重为12%~16%, 宜采用泥水加压平衡式盾构。

4.4 施工场地及环境影响

土压平衡盾构始发场地一般为3 000 m2~5 000 m2, 始发需求空间相对较小, 对周边环境影响较小。

泥水平衡盾构机施工场地一般为8 000 m2~10 000 m2。产生大量泥浆, 对周边环境影响大。

泥水平衡盾构需要较大的场地, 且其产生的泥浆对周边的环境污染较大, 优先选用土压平衡盾构。

4.5 工程造价

土压平衡盾构:单线每延米53 000元, 总造价18 730万元。

泥水加压平衡盾构:单线每延米60 000元, 总造价22 476万元。

优先选择土压平衡盾构。

5 结语

近年来, 随着国内外土压平衡盾构技术的发展, 土压平衡盾构的适应地层越来越广, 过江、河、湖泊的工程实例越来越多。土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构相比, 占用施工场地小, 污染小, 对周边环境影响较小, 且工程造价低。根据盾构机特点, 结合本区域水文地质、施工、环境、造价等因素, 本工程可采用加泥型土压平衡盾构机。

摘要：以某地铁下穿人工湖区间盾构法施工为研究内容, 对于该穿湖区间采用泥水加压盾构与土压平衡盾构的问题进行了分析, 并结合该区域的水文地质情况进行了技术、经济、环境等综合研究, 最终确定下穿人工湖区间采用土压平衡盾构施工方法。