盾构选型（共7篇）
盾构选型 篇1
1 工程概况
合肥市城市地铁1号线北起合肥站, 南至徽州大道站, 线路全长约25km。太望标段共包括3个区间:太湖路站-水阳江路站区间长度约478m, 隧道覆土厚度6.6~9.4m。水阳江路站-葛大店站区间长度约1 008m, 隧道覆土厚度10.3~17.8m, 最大坡度26‰。葛大店站-望湖城站区间长度约1 430m, 本区间平面共设3个曲线半径, 分别为350m、450m、350m, 最大坡度为25.4‰。盾构主要穿越粘土 (2) 层、粘土 (3) 层局部穿越粉质粘土 (2) 1层等粘性土体, 在粘性土中掘进可能会在刀盘上产生“泥饼”及“糊刀”现象, 影响掘进效率[1]。
2 刀盘选型
2.1 辐条式刀盘
1) 刀盘结构盾构刀盘为4主+4副的辐条式结构 (图1) , 刀梁及牛腿采用圆形钢管, 搅拌扭矩小, 利于碴土流动。本刀盘能较好地适应本标段粘土地层中掘进, 除此之外还广泛适用于淤泥、粉土、粘土、砂层、砾石、卵石层及强度不高的全强风化岩地层。
2) 开口率刀盘整体开口率约60%, 开口在整个盘面均匀分布, 中心部位设有面积足够的开口, 利于土压传递及保持土压平衡, 且开有3个泡沫口, 2个膨润土口, 单管单泵, 保证各口的通畅, 避免在砂质粘性土和全风化岩中掘进产生泥饼。
3) 刀盘配置针对本标段地质情况, 刀盘上配备鱼尾刀1把, 焊接撕裂刀36把, 切刀82把, 刮刀8把, 保径刀12把, 大圆环保护刀24把, 超挖刀1把。同时, 为提高刀盘整体耐磨性, 在刀盘上堆焊耐磨层, 并配置24把贝壳保护刀。
2.2 复合式刀盘
1) 刀盘结构刀盘采用面板式结构 (图2) , 刀盘整体结构强度大, 配置不同的刀具及合适的碴土改良方式, 可以适应各种不同的地层。
2) 开口率整体开口率约36%, 开口在整个盘面均匀分布, 中心部位设有面积足够的开口, 避免在粘性土层产生泥饼, 同时配有与辐条式刀盘相似的碴土改良接口。
3) 刀盘配置初装刀采用可更换撕裂刀, 刀具包括:4把中心双联撕裂刀, 单刃撕裂刀31把, 刮刀32把, 边刮刀8把, 焊接撕裂刀29把, 保径刀8把以及超挖刀1把。
复合式刀盘的结构形式不利于碴土的流动, 其开口率也远小于辐条式刀盘。在本标段粘性土层中掘进时, 为防止结泥饼, 需要进行充分的碴土改良才能达到碴土流畅的效果, 这样就会导致在施工过程中消耗的碴土改良剂大大增加, 最终导致施工成本增加。比较两种刀盘设计方案, 辐条式刀盘更适合于本标段的地质情况。如不考虑管片因素, 当岩石抗压强度低于120MPa, 此类型辐条式刀盘可适用于国内大部分城市, 为提高盾构适应性, 应预留更换复合刀盘的能力和接口。
3 主驱动选型
3.1 驱动形式比选
电机驱动和液压驱动两种驱动形式在盾构设备中都有广泛的应用, 两者各有所长, 现比较如下[3~4]。
1) 液压驱动液压驱动主要在一些非均质地层中得到广泛运用, 由于地层变化较大导致刀盘受到不均匀载荷的冲击, 由于液压驱动是一个柔性系统, 具备一定的自我调节功能, 对非均载荷适应性强。但是, 液压驱动效率较低 (约70%) , 而且在使用过程中能耗较高, 后期维保相对比较复杂, 费用较高。
2) 电机驱动相比之下, 电机的效率相对较高 (约90%) , 而且在使用过程中能耗也相对较低, 后期维保相对比较简单。电驱也有自身的不足, 就是电机与减速机属于刚性传动, 当遇到不均匀载荷冲击时自我调节能力相对较差。为了克服这个缺陷, 在每组电机与减速机之间设计有扭矩限制器。当扭矩过载时, 扭矩限制器会自动脱扣 (可人工手动恢复) , 将电机与减速机的传动链断开, 从而有效保护电机。
针对本标段地层, 全断面几乎均为粘土层, 地层突变因素很小, 从效率以及施工成本来看, 电驱更适合本项目的施工要求。
3.2 驱动参数选择
主驱动采用6组变频电机驱动, 驱动功率660k W, 额定扭矩5 500k Nm, 脱困扭矩6 900k Nm, 最高转3r/min, 扭矩系数20.3, 储备系数大。配置的主轴承直径为3 061mm, 最大使用推力荷载1 250t, 试验推力荷载3 125t, 破坏推力荷载5 000t, 安全系数4, 有效使用寿命≥10 000h。
主驱动采用中间支承方式, 可有效防止中心泥饼产生。利用刀盘主动搅拌棒 (图3) 和承压隔板上被动搅拌棒相对运动进行搅拌, 而且在驱动中心部分增加搅拌棒可增强中心部位碴土的流动性, 有效减少中心泥饼的产生。
4 液压系统
1) 推进及铰接液压系统推进系统包括32根推进油缸、控制阀块和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区域分为4组, 通过调整每组油缸的不同推进压力来对盾构进行纠偏和调向。铰接液压系统油缸选型时需考虑盾构转向角度与方向控制的要求, 推进速度的控制则靠推进阀组来实现, 推进方向及推进速度可实现实时远程调节。推进系统采用压力流量复合控制技术和分区联合控制技术, 能实现对各组液压缸压力和流量的单独控制, 油缸推力和速度分别由比例溢流阀和比例调速阀来调节, 可达到很好的同步控制效果, 同步精度满足盾构工作需要。液压站 (图4) 采用力士乐远程动态恒压变量泵, 位于2号拖车上, 控制阀采用电液换向阀进行方向的切换, 每组控制阀组配有电比例流量、压力阀, 可以实现对推进方向的精确调整。
2) 螺旋输送机液压系统螺旋输送机液压系统采用1个变量泵与1个两档排量的马达组成闭式系统, 共同实现转速控制。通过实时调整马达排量可以实现螺旋输送机高速档与低速档的切换, 进而适应不同地质需要;通过改变电比例控制泵出口流量, 可以实现螺旋输送机的无级变速, 以适应不同推进速度要求。另外, 螺旋输送机后舱门具有紧急状况自动关闭功能。
3) 管片拼装机液压系统拼装机液压系统油源采用力士乐的压力流量复合控制泵, 控制阀采用2组德国哈威的电比例多路换向阀, 可以进行流量精确控制, 从而保证安装机安装管片的精度。安装机的油缸、马达进油口都配有平衡阀, 这样可保证执行机构运动的平稳性及动作的精确性。安装机旋转转速可以实现无级调节, 最大可达到2r/min。安装机抓举头可以停在圆周方向任一位置。
5 其他装置
5.1 螺旋输送机
螺旋输送机为轴式螺旋机, 采用中心尾部驱动, 筒节内径800mm, 最大通过粒径为290×560mm, 具有伸缩功能, 配置2道出料闸门, 多个观察窗口, 9个碴土改良注口, 采用1个双速马达及减速机传动。驱动功率为200k W, 最大扭矩135k Nm, 最高转速25r/min。
5.2 管片拼装机
管片拼装机为中心回转式, 驱动功率55k W, 具有6个自由度, 回转角度为±200°, 回转速度为0~2rpm, 并可实现微调, 所有动作可遥控。推进油缸在拼装时切换到现场控制盘, 便于与拼装机配合操作。拼装机水平运动油缸行程2 000mm, 举升油缸行程为1 200mm。管片拼装机上预留超前钻机的位置及安装孔。
5.3 皮带输送机
采用DTⅡ型固定式皮带输送机, 皮带输送机由倾斜段 (包括接料段和上坡段) , 中间水平段 (分布在1~4号拖车上) , 卸料段构成 (安装在5号拖车上) , 输送总长初步设计为55m (设计联络时确定具体长度) , 输送高度为2.5m。皮带机具有曲线调整功能, 只需调整相应皮带支架的摆动角和驱动装置的摆动角即可适应不同曲线施工。皮带机采用变频驱动, 当碴土堆积或有大卵石输送时, 可降低转速防止皮带打滑。
5.4 管片吊机
管片吊机包括管片吊机轨道梁、吊机行走小车、吊机起吊小车、管片起吊吊具等, 其采用双梁双吊机方式布置, 其轨道梁采用标准H型钢制作, 布置在设备桥和1号拖车上。轨道梁前部与设备桥采用螺栓固定连接, 后部使用卡板与拖车浮放连接, 中部为不完全万向铰接, 以适应盾构转弯要求。
6 小结
通过工程实践证明, 所选盾构主要系统及部件较好地满足了以粘土地层条件为主的地铁项目施工需求, 能够为类似盾构工程提供一定的参考。
参考文献
[1]严辉.盾构隧道施工中刀盘泥饼的形成机理和防治措施[J].现代隧道技术, 2007, (4) :24-27.
[2]陈馈, 洪开荣, 吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2009.
[3]冯欢欢, 李凤远, 王助锋.盾构液压技术现状与发展趋势[J].建筑机械化, 2012, (5) :77-79.
[4]彭天好, 杨华勇, 付新.盾构掘进机动力系统的节能研究[J].矿山机械, 2000, (12) :21-22.
地铁盾构管片选型技术初探 篇2
1 管片选型考虑的因素
1.1 管片类型
西安市轨道交通二号线盾构4标管片分为三种类型:标准环、左转弯环和右转弯环。
1.2 盾尾间隙
盾构施工中管片的拼装是在盾尾壳体的保护下在盾体内部进行的,每环管片拼装完成后被推出盾尾(实际上是主机在已拼装好的管片提供的反力作用下向前推进),这要求盾壳和管片外径之间有一定的空隙,这个空隙称为“盾尾间隙”。
本工程盾构机盾尾为一直径6 230 mm、厚度45 mm的钢筒,管片的外径为6 000 mm。如果管片的中心轴和盾体的中心轴完全重合时,则四周的盾尾间隙值均为(6 150-45×2-6 000)/2=30 mm。当管片的中心轴和盾体的中心轴不重合时,也就是说当它们的姿态不一致时,盾尾间隙就会发生变化。
1.3 推进油缸行程差
盾构4标使用的日本小松盾构机有20组推进油缸,掘进过程中通过调整推进油缸的压力,使盾构机沿设计线路掘进。由于隧道线路的曲线变化以及地质条件的变化,各组推进油缸的压力各不相同,使得各推进油缸的行程也不相同,存在一定的差值。
1.4 管片拼装点位
我们从管片设计图上能够知道管片的纵向螺栓孔有10个,而且它们沿管片的圆周方向是均匀分布的,任何相邻的两个环向螺栓孔与管片中心所成角度都为36°,也就是说管片沿环向有10个安装位置,每个位置称为管片的一个拼装点位。管片拼装点位示意图如图1所示。
1.5 错缝拼装
为了使管片更好的起到防水作用,管片拼装方式采用错缝拼装,即相邻的两环管片不能有相连的纵缝。根据管片的拼装点位可知管片的相邻点位之间夹角为36°,而管片标准块两纵缝的夹角为72°,因此要避免管片通缝拼装,相邻两环管片的拼装点位相对差值不能是偶数位。管片错缝拼装可按表1进行。
2 管片选型方法
2.1 根据盾尾间隙进行管片选型
盾尾间隙是管片选型的一个重要依据。为保证盾尾间隙的正常,每次安装管片之前(一般推进到1.5 m),对管片的上、下、左、右四个位置进行盾尾间隙测量。如发现有一方向上的盾尾间隙接近15 mm时,就要用转弯环对盾尾间隙进行调整,调整的基本原则是,哪边的盾尾间隙过小,就选择拼装反方向的转弯环。
2.2 根据油缸行程差进行管片选型
西安市轨道交通二号线盾构4标使用的日本小松盾构机有20组推进油缸,分为A,B,C,D四大组(如图2所示),其中2号,7号,12号,17号油缸的行程可通过位移传感器反映在盾构机操作面板上,分别代表右上、右下、左下、左上四个方向。
施工过程中我们以各组油缸行程的差值大小来判断是否应该拼装转弯环。一般情况下当两个相反方向的行程差超过40 mm时,就应该选择转弯环来调整油缸行程差。
管片类型确定之后,再根据4组油缸的行程值确定管片的拼装点位。由图1,图2可看出,1点位在1号油缸处、2点位在2号和3号油缸中间、3点位在5号油缸处、11点位在19号油缸处、10点 位在17号和18号油缸中间、9点位在15号油缸处。当选择右转弯环管片拼装在11点位时,以19号、9号油缸为轴线,轴线左边的管片宽度均比管片的标准宽度1 500 mm大,最大处为19号 油缸逆时针旋转90°处——即14号油缸处,该处的管片宽度为1 519 mm,相比拼装标准环,油缸行程减小了19 mm;轴线右边管片宽度均比管片的标准宽度1 500mm小,最小处为19号油缸顺时针旋转90°处———即4号油缸处,该处的管片宽度为1 481mm,相比拼装标准环,油缸行程增大了19mm。因此由以上分析可知14号油缸和4号油缸的行程差缩小了38mm。
在实际的施工过程中,我们只能看到2号、7号、12号、17号油缸的行程,因此我们需计算出2号、7号、12号、17号油缸行程相比拼装标准环时的变化量(2号、7号、12号、17号油缸分别近似看作是2,4,8,10点位,19号、9号油缸分别为11,5点位)。2号油缸(2点位)和19号油缸(11点位)相差72°,因此2号油缸行程增大值=72/90×19=15.2mm(取整为15mm);7号油缸(4点位)和9号油缸(5点位)相差36°,因此7号油缸行程增大值=36/90×19=7.6mm(取整为8mm);以此类推,12号油缸行程变小值=72/90×19=15.2mm(取整为15mm),17号油缸行程变小值=36/90×19=7.6mm(取整为8mm)。因此拼装完后各组油缸行程数据变为:
17号油缸=1 793-1 500-8=285mm;
2号油缸=1 759-1 500+15=274mm;
12号油缸=1 804-1 500-15=289mm;
7号油缸=1 768-1 500+8=276mm;
2号、12号油缸行程差=274-289=15mm;
7号、17号油缸行程差=276-285=9mm。
根据以上方法,当管片拼装10点位时,各组油缸行程数据变为:
17号油缸=1 793-1 500-0=293mm;
2号油缸=1 759-1 500+19=278mm;
12号油缸=1 804-1 500-19=285mm;
7号油缸=1 768-1 500+0=268mm;
2号、12号油缸行程差=278-285=7mm;
7号、17号油缸行程差=268-293=25mm。
根据以上数据可知,在这个例题中我们选择拼装的管片为右转弯环,拼装的点位为11点位最佳。考虑管片的错缝拼装,如果不能拼装11点位时,则可选择拼装10点位。
2.3根据盾尾间隙和油缸行程差进行管片选型
在实际的管片选型过程中,我们要综合考虑盾尾间隙和油缸行程差进行管片选型。在选型过程中我们的目的是同时将盾尾间隙和油缸行程差调整至最佳状态,如果二者不能同时满足时,则优先考虑调整盾尾间隙。
3结语
管片选型是一项复杂的工作,因此管片选型者应熟悉管片的结构特点、线路情况以及盾构机性能等,选择出最佳的管片类型,建造出完美的隧道。
参考文献
[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.
浅谈地铁盾构机的选型 篇3
1.1 盾构机的用途
盾构机是一种用于隧道暗挖施工, 具有金属外壳, 壳内装有主机和辅助设备, 既能支承地层的压力, 又能在地层中整体掘进, 进行土体开挖、碴土排运和管片安装等作业, 使隧道一次成形的机械。
盾构机的工作原理如下:由一个钢结构组件依靠外壳支承, 沿隧道轴线一边对土壤进行切削一边向前推进, 在盾壳的保护下完成掘进、排碴、衬砌工作。
盾构机是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的一种非标设备。盾构机不同于常规设备, 其核心技术不仅仅是设备本身的机电设计, 还在于设备通过不同的设计如何满足工程地质施工的需求, 因此, 盾构机的选型正确与否决定着盾构施工的成败。
1.2 盾构机的类型
一般将盾构机的类型分为软土盾构机、硬岩掘进机 (TBM) 、复合盾构机3种。软土盾构机的特点是仅安装切削软土用的切刀和括刀, 无开岩的滚刀。TBM主要用于山岭隧道。复合盾构是指既适用于软土又适应于硬岩的一类盾构, 主要用于复杂地层的施工, 其主要特点是刀盘既安装用于软土切削的切刀和括刀, 又安装破碎岩石的滚刀, 或安装破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。地铁盾构机就是一种复合盾构机。
1.3 盾构机的组成
地铁施工可供选择的复合盾构机机型只有两种, 即土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机。
土压平衡盾构机由以下部分组成: (1) 刀盘 (分为面板式、辐条式、复合式3种) ; (2) 刀盘驱动 (分为电机和液压两种) ; (3) 刀盘支承 (主轴承) ; (4) 膨润土添加系统和泡沫系统, (5) 螺旋输送机; (6) 皮带输送机; (7) 同步注浆系统; (8) 盾尾密封系统; (9) 管片安装机; (10) 数据采集系统; (11) 导向系统。
泥水平衡盾构机由以下部分组成: (1) 刀盘 (分为面板式、辐条式、复合式3种) ; (2) 刀盘驱动 (分为电机和液压两种) ; (3) 刀盘支承 (主轴承) ; (4) 泥水处理站; (5) 环流系统; (6) 同步注浆系统; (7) 盾尾密封系统; (8) 管片安装机; (9) 数据采集系统; (10) 导向系统。
2 盾构机的选型
2.1 盾构机选型的原则
盾构机选型时主要遵循下列原则: (1) 应对工程地质、水文地质有较强的适应性, 首先应满足施工安全的要求; (2) 安全适应性、技术先进性、经济性相统一, 在安全可靠的情况下, 考虑技术先进性和经济合理性; (3) 满足隧道外径、长度、埋深、施工场地和周围环境等要求。
2.2 盾构机选型的依据
盾构机选型应以工程地质、水文地质为主要依据, 综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件, 以及周围环境对地面变形的控制要求等因素, 同时, 参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准, 对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数以及辅助设备的配置等进行研究。选型时的主要依据如下:
(1) 工程地质、水文地质条件:颗粒分析及粒度分布;单轴抗压强度;含水率;砾石直径;液限及塑限;黏聚力;内磨擦角;土粒子相对密度;孔隙率及孔隙比;地层反力系数;压密特性;弹性波速度;孔隙水压;渗透系数;地下水位 (最高、最低、平均) ;地下水位的流速和流向;河床变迁情况等。
(2) 设计参数:隧道长度、隧道平纵断面形状和尺寸等。
(3) 周围环境条件:地上及地下建筑物分布;地下管线埋深及分布;沿线河流、湖泊、海洋的分布;沿线交通情况;施工场地条件;气候条件;水电供应情况等。
(4) 隧道施工工程筹划及节点工期要求。
(5) 宜用的辅助工法。
(6) 技术经济比较。
2.3 盾构机选型主要步骤
盾构选型主要步骤如下:
(1) 在对工程地质、水文地质、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型;对敞开式、闭胸式盾构进行比选。
(2) 在确定选用闭胸式盾构后, 根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。
(3) 根据详细的地质勘探资料, 对盾构各主要功能部件进行选择和设计 (如刀盘驱动形式、刀盘结构形式、刀具种类与配置、螺旋输送机的形式与尺寸、沉浸墙的结构、泥浆门的形式、破碎机的布置与形式、送泥管的直径等) ;并根据地质条件等确定盾构的主要参数, 主要包括:刀盘直径、开口率、转速、扭矩、驱动功率;推力;掘进速度;螺旋输送机功率、直径、长度;送排泥管直径;送排泥泵功率、扬程等。
(4) 根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。
2.4 盾构模式的选择
在选择盾构模式时, 除对土质、地下水进行调查以外, 还要对用地环境、竖井周围环境以及安全性和经济性进行充分考虑。
土压平衡盾构主要适用于粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工。在黏性土层掘进时, 由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出, 在螺旋输送机内形成压力梯降, 以保持土仓压力稳定, 使开挖面土层处于稳定。在盾构向前推进的同时, 螺旋输送机排土, 使排土量等于开挖量, 即可使开挖面的地层始终保持稳定。排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。当含砂量超过某一限度时, 泥土的流塑性明显变差, 土仓内土体因固结作用而被压密, 导致渣土难以排送, 需向土仓内注水、泡沫、泥浆等添加材料, 以改善土体流塑性。在砂性土层施工时, 由于砂性土流动性差、摩擦力大、渗透系数高以及地下水丰富等原因, 土仓内压力不易稳定, 须进行渣土改良。
泥水平衡盾构通过施加高于开挖水土压力的泥浆压力保持开挖面的稳定。除泥浆压力外, 合理地选择泥浆的状态也可增加开挖面的稳定性。泥水盾构比较适合于河底、江底、海底等高水压条件下的隧道施工。泥水盾构使用送排泥泵通过管道从地面直接向开挖面进行送排泥, 开挖面完全封闭, 具有高安全性和良好的施工环境, 既不对围岩产生过大的压力也不会受到围岩压力的反压, 对周围地基影响较小, 一般不需辅助施工。特别是在开挖断面较大时, 其压控制地表沉降方面优于土压平衡盾构。
2.5 刀盘结构形式的选择
刀盘主要具有开挖、支撑掌子面和搅拌3大功能。
刀盘的结构形式一般有面板式和辐条式两种。泥水盾构一般都采用面板式刀盘;土压平衡盾构则根据土质条件的不同可采用面板式和辐条式。对于辐条式刀盘, 在辐条之间安装可拆卸的面板即变为面板式刀盘。
液压驱动具有调速灵活、控制简单、液压马达体积小和安装方便等特点, 但液压驱动效率低、发热量大。变频驱动具有发热量小、效率高、控制精确等优点, 在工业领域应用较广。虽然目前中小型盾构的刀盘驱动较常采用液压驱动, 大直径盾构较常采用变频驱动, 但由于变频驱动效率高, 从节能方向及发展趋势来看, 变频电机驱动方式是刀盘驱动今后的发展方向。
3 施工辅助设备的选择
盾构机及后配套拖车上设备以外的设备称为施工辅助设备。施工辅助设备因围岩条件、施工环境及施工方法的不同而不同, 一般包括材料堆放场、渣土运输设备、材料运输设备、电力设备、照明设备、通信设备、通风设备、竖井升降设备、给排水设备、消防设备、砂浆拌和设备、地基加固设备、起重设备、始发 (到达) 与调头设备、泥水处理设备等。施工辅助设备应结合工程的特点和施工环境进行优化配备。
一次通风宜采用压入式通风, 风管采用软管, 管径根据隧道断面、长度、出渣方式确定。根据计算风量和风压, 结合通风方式及通风设备的布置, 选择风机。长距离通风时, 为满足风压的要求, 宜采用相同型号的风机等距离间隔串联方式。施工区域的风速不宜低于0.3m/s。
参考文献
[1]张凤祥, 朱合华, 傅德铭.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社, 2004.
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基于VB的盾构选型设计计算 篇4
1 盾构关键系统能力设计计算
西安地铁某标段区间地质情况:粉质粘土、粘土、粉细砂、中粗砂、圆砾卵石, 根据地勘结果拟选取土压平衡式盾构, 配置辐条式软土刀盘。隧道区间设计选用管片外径6 000mm, 内径5 400mm。
计算系统初始界面如图1所示, 首先输入地质水文条件相关数据, 得到盾构外载荷等边界条件, 然后进行各项的计算工作。
1.1 装备推力及刀盘扭矩计算
确定盾构边界分布载荷 (上部土压、下部土压、侧压力等) , 是计算盾构装备推力和扭矩等技术参数的前提。
1) 松弛高度
2) 朗肯系数
3) 盾构拱顶竖向载荷
4) 盾构拱底竖向载荷
式中G为盾构自重。
5) 侧向水平载荷 (梯形上底)
6) 侧向水平载荷 (梯形下底)
式中D——盾体直径。
合理确定并设置地质条件等参数, 计算得到盾构分布载荷
装备推力F及刀盘扭矩T的计算方法有经验公式法和理论计算法。表1给出计算系统采用两种方法得到的推力和扭矩值。
工程实际中, 常用经验公式法得到的推力、扭矩值作为选型依据。由表1可以看出, 经验值比理论值的安全系数要高出很多, 这也反映出地质条件的复杂性, 需要设备能力有充足的裕量来应对可能存在的恶劣工况。
1.2 主驱动能力设计校核
1) 初定主要参数主要参数要求:额定扭矩T0=3 906k Nm;最大脱困扭矩Tmax=5 000k Nm;最大转速n=6r/min。刀盘驱动选取液压驱动形式, 初定以下相关参数:驱动组数N=8;大齿圈齿数Z1=101;减速机小齿轮齿数Z2=17;系统压力P=24MPa;马达排量qm=500m L/r。
2) 选型计算减速机减速比i=51.42;采用泵数量Zp=3;选用泵排量qp=750m L/r;采用电机数量Zd=3;选用电机功率P=315k W。
3) 校核计算低速大扭矩时, 刀盘输出扭矩T1=3 634.51k Nm, 刀盘输出转速n1=2.63r/min;高速小扭矩时, 刀盘输出扭矩T2=1 635.53k Nm, 刀盘输出转速n2=5.86r/min, 刀盘脱困扭矩T3=4 956.15k Nm。
1.3 管片拼装能力设计校核
管片安装机设计使管片能够实现回转、平移、举升、俯仰、横摇、偏转6个自由度, 现对回转、平移、举升动作机构的能力进行计算, 并进行设计校核。
1) 主要结构参数
管片外径6 000mm, 内径5 400mm;最大回转半径Rmax=2.7m;最小回转半径Rmin=1.87m。
2) 选型计算
回转机构:减速机减速比i=45.972;选用泵排量qp=140m L/r, 转速1 450r/min;选用马达排量qp=80m L/r。
举升机构:油缸筒径D=130mm, 杆径d=80mm;
平移机构:油缸筒径D=80mm, 杆径d=50mm。
3) 校核计算
回转力矩:最大阻力矩Mf=324.52k Nm, 驱动管片机最大扭矩Tn=407.09k Nm, Tn>Mf。
举升力:设计推力P1=200.05k N (5倍管片重) , 最大推力Ft=424.73k N, Ft>P1;设计拉力P2=80.02k N (2倍管片重) , 最大拉力Fl=329.86k N, Fl>P1。
平移力:平移阻力Ff=15.6k N, 最大拉力Fl=98.01k N, Fl>Ff;最大推力Ft=160.84k N, Ft>Ff。
管片机最大转速nmax=1.83rpm, 设计满足要求。
2 选型计算程序的完备性及可扩展性
盾构装备根据不同的地质条件, 其设计和应用有着较强的针对性和特殊性, 基于程序计算的盾构选型设计有助于进一步提高设计的智能化水平。
值得注意的是, VB程序的可视化对象及其接口的可扩展性为选型计算程序的升级扩展提供可能, 下一步可通过参数化驱动的结构模型 (CAD模型) , 为计算系统赋值, 实现建模和设计计算的同步;反之, 通过设计校核得到满足要求的系统参数, 直接驱动建立结构模型。
3 结论
1) 国内地质条件特点不一, 盾构选型设计计算具有复杂性和反复性, 基于VB语言的计算程序有助于提高盾构选型工作的高效性、可靠性。
2) 以西安地铁某标段区间设备选型为例, 刀盘扭矩和装备推力的选取考虑较大的安全系数, 计算系统直观的给出经验公式法和理论计算的量化关系, 同时也验证了程序计算的有效性。
3) 合理开展盾构选型工作, 直接影响着隧道工程施工的成效。高效的计算工具及手段是开展选型工作的重要内容, 更重要的是应注重对地质水文条件的深入研究, 确保盾构选型的正确性、可靠性。
摘要：盾构选型涉及刀盘开挖系统、主驱动系统、管片拼装系统、螺旋出碴系统等关键系统选型设计, 国内地质条件特点不一, 盾构选型设计计算比较反复, 各系统累计计算量较大, 为了提高盾构选型工作的高效性、可靠性, 本文基于自主开发的Visual Basic程序计算方法, 以西安地铁某标段区间设备选型过程为例对盾构主机各关键系统进行选型设计。
关键词：盾构,选型设计,VB,计算系统[关键词
参考文献
[1]苏健行, 龚国芳, 杨华勇.土压平衡盾构掘进总推力计算与试验研究[J].工程机械, 2008, 39 (1) :13-14.
浅谈南京地铁越江隧道盾构机选型 篇5
南京地铁某标段中间风井~江心洲站区间起点里程右DK11+251.065, 终点里程右DK14+850.039, 全长3598.975m, 为单洞双线断面, 采用盾构法施工。线路平面最小曲线半径1200m, 最大纵坡度28‰。隧道覆土埋深一般在10.4~40.4m, 冲槽段最浅处覆土仅为11.4m。区间隧道在江中设置三处泵房。
1.1 盾构区间施工条件
区间隧道起点里程CK11+251, 终点里程CK14+851, 全长约3600m, 其中江中段长约2538m。
隧道埋深:最大埋深40m, 最小埋深9.4m。
隧道内净空:管片内径φ10.2m, 外径φ11.2m, 环宽2000mm。
线路状况:线路平面最小曲线半径1500m, 最大纵坡度28‰。
坡度:2.8%。
掘进方向误差:±50mm。
地表沉降允许范围:+10~-30mm。
工期计划:总工期1092天, 最高月进度300m。
1.2 地质条件和水文条件
(1) 中间风井~江心洲站区间盾构穿越地层主要为粉砂、细砂、卵石圆砾及含砾中粗砂, 江中段最大水压可达7.5bar, 地层渗透性强, 为同步注浆及二次注浆质量提出了较高要求。
(2) 江中段盾构在CK12+715~CK12+745段进入泥岩约1.51m, 其饱和单轴抗压强度为0.074~1.44MPa, 属极软岩。由于硬度薄、强度低, 对盾构施工影响不大。
(3) CK13+980处隧道底部开始出现卵石圆砾地层, 约在断面底部1-3m, 至CK12+800里程处增长至占断面一半, 随后持续增加, 在CK13+130处增加至全断面, 至AK12+950处开始递减至半断面, 半断面持续至AK13+850处, 随后持续减小, 至AK12+000里程处该地层离开隧道断面。区间隧道穿越卵石圆砾地层长度共计1760m, 约占隧道总长50%。其中半断面卵石圆砾掘进长度约870m, 全断面卵石圆砾掘进长度约180m。
卵石圆砾地层中卵砾石含量达20%~45%。卵砾石粒径大多在5~40mm, 少量达到60~90mm, 个别超过110mm, 点荷载强度为54~252MPa, 仅个别小于115MPa, 平均150.70MPa。该层土中的卵、砾石粒径大、强度高, 距离长, 对盾构施工影响较大, 应针对该区间地层特征, 选用适合该区间地层特征的盾构机型及盾构机刀盘。
2 选型依据
盾构机选型是盾构隧道工程成功的关键, 盾构机选型主要从安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性等方面综合考虑, 所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并能确保开挖面稳定和适应本标段大盾构越江区间工程的地质条件。
2.1 盾构机开挖模式的确定
盾构机的主要类型有泥水平衡式、敞开式盾构机、土压平衡式、复合型盾构机等。根据本工程主要穿越渗透系数较大、与江水连通性较强的砂层的实际情况, 可选择的盾构机类型只有土压平衡和泥水平衡盾构机。土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机在稳定开挖面、适应的地质条件、抵抗水压、压力波动敏感程度、控制地表沉降、渣土处理、施工场地、工程成本等方面都有较大差异, 各有其独特的适应性。
2.2 土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机工作原理
土压平衡盾构机常用在粉土、粉质粘土淤泥质粉土和粉砂层等地层中, 其利用油缸推进力来平衡开挖面释放的地应力从而稳定开挖面。土压平衡盾构机工作原理为刀盘切削的土体进入土仓后形成压力梯降, 在掘进过程中, 土仓内的土通过螺旋机输出, 使土仓内的土与开挖面的应力保持平衡, 从而使得开挖面保持稳定。
泥水平衡盾构机通过改变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平衡仓内, 在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜, 通过该泥膜保持水压力, 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。泥水平衡盾构机适用的地质范围较大, 能适区间大盾构的所有地质。
2.3 盾构机类型与地层类别的关系
结合本工程的实际地质情况, 土压平衡盾构和泥水平衡盾构机均可被采用。但使用土压平衡盾构机在粉细砂层和中粗砂层施工时需要向开挖仓中注添加剂, 以改善碴土的性能, 使其成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的碴土, 并且, 当水压高于3bar时, 在含水砂层中, 渣土很难在螺旋输送机内形成土塞效应, 会产生涌水涌砂的喷涌现象。而泥水平衡盾构机较土压平衡盾构能够适应更广的地层。
2.4 盾构机类型与水压、渗透性的关系
水压及渗透性对的盾构机选型有着一定的影响, 根据国外经验, 不同的地层渗透系数所选择的盾构机类型也存在差异。
土压平衡盾构机能够适应地层的渗透系数小于10-4cm/s, 而泥水平衡盾构机则能够适应地层渗透系数大于10-4cm/s时的情况。根据工程的地勘资料, 隧道穿越层的渗透系数大于10-4cm/s, 主要在富含水地层, 如砂层、卵石层等, 由此可得出本工程宜采用泥水平衡盾构机。
2.5 盾构机驱动方式的选择
盾构机的驱动方式, 主要是指盾构机主驱动的动力方式, 目前主要有液压驱动与变频电机驱动两种方式。通过对液压驱动与变频驱动形式的比较, 本工程盾构机刀盘驱动采用变频电机驱动形式。
2.6 盾构机开挖模式的选择
泥水盾构机根据对泥浆压力的控制方式的不同, 分为直接控制型和间接控制型。
直接控制型泥水盾构机的掘进模式采用泥水平衡模式, 其泥水输送系统的流程为, 在地面设置泥浆池, 然后通过泥浆泵将池中的泥浆通过管道送至仓内与切削下来的土体进行混合, 形成高密度的泥浆, 再通过泥浆泵将高密度的泥浆反送到泥浆分离处理池中, 经过泥浆分离调制成合适的泥浆浓度, 再次通过泥浆泵送到仓内, 如此循环, 达到泥浆浓度适合来维持开挖面平衡。直接控制型泥水盾构的泥浆压力控制, 可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。通常泥浆泵安装在地面上, 由于远离仓内加上控制距离较长, 容易产生延迟效应, 不能及时控制泥浆压力, 因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。
间接控制型泥水盾构的掘进模式采用气压模式, 其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。其工作主要原理为泥浆和空气相互补充作用压力来维持开挖面稳定。具体工作流程为在盾构机内安装一道半隔板, 半隔板前方为充压力泥浆, 后方为压缩空气, 由于空气与泥浆想通, 所以空气与泥浆接触面具有相同的压力。由此就可以通过调节空气压力来达到维持开挖面平衡。
与直接控制型相比, 间接控制型泥水平衡盾构机操作控制更为简化, 泥水压力波动小, 控制精度高, 对开挖面土层支护更为稳定, 对地表变形控制也更为有利。因此, 本标段盾构机采用间接控制型泥水加压平衡盾构。
3 结论
结合工程特点, 借鉴以往工程经验和查阅相关专业书籍, 通过对盾构开挖模式的确定、盾构与地层条件的关系、工作原理的分析、驱动方式的选择等多方面进行综合研究和比较, 得出本标段盾构机应采用间接控制型泥水加压平衡盾构。
摘要：盾构机在城市地铁建设中是一种常用的大型机械设备, 合理的盾构选型直接影响隧道建设成本、工期和隧道施工工艺。因此盾构选型要结合实际工程, 对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数、辅助设备的配置等进行综合考虑, 经过认真比选, 方可确定盾构类型。
关键词：盾构选型,工作原理,选型依据,盾构机
参考文献
[1]刘建航, 侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社, 1991
[2]张庆贺, 柏炯.上海软土盾构法隧道的理论与实践[J].同济大学学报, 1998, 26 (4) .387-392
长春地铁盾构选型与刀盘设计初探 篇6
拟建中的长春地铁1号线位于长春市区中部,一期工程起点为长春市人民大街北环城路,沿人民大街向南经火车站至规划中的南部新城,然后向西到达终点南绕城高速。线路主要经过宽城区、朝阳区、南关区、南部新城。线路长19.9km,共设车站18座。
2 地质概况
2.1 工程地质
场地地层主要由道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积粘土和冲洪积砂土、下伏白垩系泥岩组成。
盾构隧道穿越的地层主要为粉质粘土(2)4层、粘土(2)5层、粗砂(2)6层、全风化泥岩(3)1层、强风化泥岩(3)2层。
2.2 水文地质
实测地下水初见水位埋深2.8m～12.2m。沿线场地地下水赋存于第四系粘土和砂土层中,含水层的厚度在8.0m～35.0m。其中粉质粘土(2)1层至粉质粘土(2)3层透水性中等,渗透系数为3.47×10-6m/s～5.79×10-6m/s;粉质粘土(2)4层至粉质粘土(2)5层透水性差,基本为不透水层,渗透系数为0.58×10-6m/s～1.16×10-6m/s;粗砂(2)6层透水性良好,并具有一定的微承压性,渗透系数为1.74×10-6m/s;其下部的泥岩可视为不透水层。
3 盾构选型建议
根据欧美等国的盾构施工经验,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和10-4m/s之间时,既可选用泥水盾构,也可选用土压平衡盾构;当地层的渗透系数大于10-4m/s时,则宜采用泥水盾构。
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,主要适用于粘稠土壤的施工,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,在螺旋机内形成不透水的土塞,保持土舱压力稳定。土压平衡盾构施工中,土舱内的碴土起着平衡开挖面水土压力,支撑开挖面的作用,应具有良好的塑性变形、内摩擦角小及渗透率小等特点。当碴土中的含砂量超过某一限度时,碴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;需向开挖面注入添加剂,以改善土体的塑流性。
根据长春地铁1号穿越的地层特点,宜选择土压平衡盾构。
4 盾构的地质适应性设计
4.1 盾构设计要点
根据盾构隧道穿越的地层,盾构设计时,其总体设计应以满足所有地层为基本点。其中,盾构的基本设计及主要参数,包括刀盘转速扭矩,推力及推进速度,铰接及转向机构,螺旋输送机及输送带装置、管片吊机及后配套辅助系统等应按照满足国内所有地层进行设计。盾构掘进能力一般应满足600m/月,最小曲线半径满足300m。
盾构可按照三种不同的掘进模式工作,以适于在不同的地层中掘进。能够自稳的无水地层适于采用敞开模式掘进;渗透系数小且无水的地层适于采用气压平衡模式掘进;其余地层应采用土压平衡模式掘进。
根据管片直径宽度及分块形式,盾体需进行不同的推进油缸分组布置及设计。
不同结构型式的刀盘,分别适应不同的地层。在同一区域因不同的地质时,可采用同一刀盘配置不同的刀具来满足。在不同的区域因地质差异较大时,则采用同一盾构配置不同的刀盘来适应不同地层,以满足地铁施工需要,并最大限度地节省设备资源。
4.2 刀盘结构与地质的关系
刀盘是盾构的核心部件。在粉质粘土、粘土、粗砂、泥岩地层中,可配置辐条式或面板式刀盘。在刀盘上配置软土刀具可满足软土地层的切削要求;安装滚刀后,可在风化岩地层及卵砾石地层掘进。
1)四辐条式刀盘最简单的辐条式刀盘,刀具数量较少。适用于中软粘土以下土层、粉土及粉质粘土地层。优点是开口率最大,形成泥饼的可能最少;进碴及传递土压效果好,所需的切削及搅拌力矩小。缺点是结构强度低。见图1。
2)六辐条式刀盘刀具数量适中。适用于硬土以下土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层地层。优点是开口率大,形成泥饼的可能小;进碴及传递土压效果好,所需切削及搅拌力矩小。缺点是结构强度较低。见图2。
3)八辐条式刀盘刀具数量足够。适用于硬土以下土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、较小卵石层。优点是开口率较大,形成泥饼的可能较小;进碴及传递土压效果较好,结构强度好。缺点是搅拌阻力增大。见图3。
4)六辐条薄面板式刀盘刀具配置数量足够。适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、中等卵石层。优点是进碴及传递土压效果较好,中心部位开口率较大,在刀盘中心形成泥饼的可能较小;结构强度好,可限制进碴粒径。缺点是开口率较小,搅拌阻力增大。见图4。
5)六辐条式强化刀盘优点是刀具足够,开口率较大,形成泥饼的可能较小;进碴及传递土压效果较好;结构强度好,同时可限制进碴粒径;由于周边安装滚刀,强化刀盘结构和刀具配置,除适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层、较大卵石层外,还可用于全风化及强风化岩。缺点是比四辐条和六辐条式刀盘相比,搅拌阻力增大。见图5。
6)面板式刀盘优点是结构强度好,可安装滚刀(滚刀刀座在不安装滚刀时可换装重型撕裂刀),能限制进碴粒径。缺点是开口率较小,搅拌阻力增大;刀盘中心部位开口率小,可能形成泥饼。安装软岩刀具时适用于硬土层、粉土及粉质粘土层、砂层、圆砾层。安装滚刀时适用于较大密实的卵石层及中风化或微风化岩地层施工。见图6、7。
4.3 适用于长春地质的刀盘建议
针对长春地铁的地质条件,可选用图5所示的六辐条式强化刀盘,也可选用图6或图7所示的面板式刀盘。如果区间隧道为单一的粉质粘土层或粉质粘土、粘土、粗砂的互层时,可选用图2、图3、图4所示的刀盘。
粉质粘土、粘土地层,流动性低,黏性较大,易结泥饼,不易建立土仓压力,施工中要对碴土进行充分改良。可通过加水、加泡沫、膨润土,并充分搅拌。盾构设计应充分考虑刀盘的开口位置和开口率。如采用面板式刀盘时,易结泥饼,且刀盘旋转阻力较大,推荐采用辐条式刀盘。
在区间隧道部分地段,盾构隧道的底部基层为强风化泥岩局部夹薄层砂岩,强度较高,致密,盾构设计需采用滚刀进行破碎。采用辐条式刀盘时,因同时需采用滚刀破岩,刀盘设计时应强化其结构强度。因此,推荐采用图5所示的六辐条式强化刀盘。采用该结构型式的刀盘时,开口率较大,进碴及传递土压效果好,不易形成泥饼,结构强度好。周边安装滚刀破碎泥岩;中心安装撕裂刀和切刀松动并切削粘土。软硬不均地层,应考虑滚刀和撕裂刀的互换。
5 盾构施工技术要点
粉质粘土、粘土地段施工时,黏性较高,应合理使用添加剂进行碴土改良,以增加土体的流动性。
粗砂层,透水性强。颗粒主要由石英、长石组成,自上而下颗粒逐渐变粗,强度增加,中密-密实状态,泥质弱胶结,底部有薄层砾石。隧道掘进过程中应注意防喷涌及引起开挖面失稳和地面沉降的问题。需采用合理添加剂进行碴土改良。
盾构施工影响范围内粗砂层内的地下水具有微承压性,掘进过程中易发生突发性的涌水和流砂,可能造成地下空洞,严重时会随着地下空洞的扩大引起地面大范围的突然塌陷,必要时应采取注浆加固措施。
当掘进开挖面进入粉质粘土层、粘土层、粗砂层、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化泥岩等地层组成的复合地层时,应注意推进油缸分组的压力控制。
上部土层为可塑状态,局部为软塑状态,围岩易坍塌下陷及变形。应控制好注浆压力,注浆压力应大于土压力的0.5bar。
参考文献
[1]李建斌.浅谈盾构刀盘的设计与应用[J].建筑机械化,2006,(3),31-35.
[2]唐健,陈馈.成都地铁试验段盾构选型探讨[J].建筑机械化,2006(6),43-46.
[3]陈馈.西安地铁施工盾构选型分析[J].建筑机械化,2006(9),34-36.
盾构选型 篇7
盾构法施工具有进度快、作业安全、噪音小、管片精度高、衬砌质量可靠、防水性能好、地表沉降小、占地少、不影响城市交通等优点, 但也存在施工设备复杂昂贵, 机械针对断面尺寸调整的适应性最差等缺点。
1 盾构选型
1.1 盾构选型原则
能适应本工程的地质和水文条件, 对抛石、暗浜等不可预知事件有对应措施, 遭遇流砂和管涌时能确保施工安全。
施工占地少, 特别是地面处理设施占地少, 且能适应市区道路狭窄、建筑物密集、拆迁难度大等现实条件。
盾构适应性强, 可针对不同区段、不同地质进行隧道施工, 应尽可能选用同类型盾构, 实现盾构的灵活配置。
有压力平衡等开挖面稳定对策, 能有效减少施工对周围土体的影响, 掘进过程中能确保沿线建筑及地下管线的安全。
1.2 盾构类型及原理介绍
目前在国内的地铁区间盾构隧道施工中, 基本均采用泥水盾构和土压平衡盾构这两种盾构机型, 且均能满足地铁区间盾构隧道施工的需要。但这两种盾构各有自己不同的特点和适用的地层范围, 因此需结合区间隧道的地质条件及周边环境综合选择合理的盾构机类型。
泥水盾构机先将切削的土体与泥水搅拌后形成高浓度泥水, 然后由排泥管路将泥水泵送到地面。由于有一定压力的高浓度泥水可在较短时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜 (或止水域) 使泥水压力可通过泥膜向土层传递, 形成对抗地层水土压力的平衡力。泥水盾构适用范围大, 可用于粘土、砂质土、砂砾、软流塑、流动性好的特别松软的地层, 也可用于各种软弱地层的施工。泥水盾构机型内部空间较大, 对高水压开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性较好, 施工时对土体搅动极小, 因此地面沉降易于控制, 有利于保护周围环境。但是泥水式盾构需在地面设置泥水分离设备, 该设备系统庞大, 价格高, 占地面积大, 一般需要6000m2左右。泥水盾构在城市繁华地段因场地往往受到限制。
土压平衡盾构是指在推进时靠由刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定的一类盾构。盾构的前端紧靠刀盘设置密封仓 (渣土仓) , 盾构推进时, 前端刀盘旋转切削土体, 切削下来的土体进入密封土仓, 当土仓内的土体足够多时, 可与开挖面的土、水压力相抗衡, 使开挖面保持平衡。土压平衡盾构机适用的地层更广泛, 从软弱土层到硬岩石地层。对于流塑性较差不易出渣的地层, 可采取与之相适应的增加添加剂的流塑化技术, 对渣土进行改良, 促进开挖渣土流动性, 达到顺利掘进和出渣的目的, 这样极大地拓宽了土压平衡盾构机的施工领域。土压平衡盾构占地较省, 一般4000m2以上都可以满足要求。
经分析石家庄地区采用土压平衡盾构, 即螺旋机出土、土箱运输方式, 具有不需要大规模的泥水处理设施和处理场地, 施工占地少;不需要大量的施工用水, 有利于在市区进行隧道施工;开挖土体直接由车辆运出, 无泥水排放, 满足环境保护要求;在盾构出洞时, 容易建立初始土压平衡, 控制地面沉降;通过改良开挖面土体, 更易控制涌气、涌水、涌砂事件的发生;盾构通用性强, 有利于全线盾构的合理调配;拥有丰富的地铁隧道土压平衡盾构施工经验, 施工队伍众多;盾构设备和盾构施工费用较低, 经济性好等优点。综上所述, 推荐采用土压平衡盾构。这对不增加石家庄轨道交通建设盾构类型、提高盾构的通用性, 减少备品备件, 降低设备和施工费用, 都有益处。
2 隧道衬砌结构设计
2.1 结构尺寸拟定
2.1.1 衬砌限界
盾构圆形隧道按区间的最小曲线半径条件及适当考虑施工纠偏量确定, 根据车辆及设备条件布置需要, 石家庄市地铁3号线圆形车辆限界为D=5200mm。
考虑盾构隧道施工时不可避免的施工误差、结构变形、隧道沉降以及测量误差等, 在隧道建筑限界周边再预留100mm的裕量, 隧道外径外预留140mm施工裕量。因此, 隧道的净空尺寸为D=5200+100×2=5400mm, 刀盘直径D=5400+300×2+140×2=6280mm。
2.1.2 衬砌厚度
衬砌的厚度对隧道土建工程量以及工程造价有显著的影响。在结构安全、功能合理的前提下, 应尽可能采用较经济的衬砌厚度。衬砌的刚度与厚度的三次方成正比, 厚度的改变直接改变了衬砌的整体刚度, 以及衬砌与周围地层的刚度比, 进而影响衬砌周边土体压力的分布和衬砌本身的受力大小。衬砌厚度的确定应根据隧道所处地层的条件、覆土厚度、断面大小、接头刚度等因素综合考虑确定, 并应满足衬砌构造 (如手孔大小等) 、防水抗渗以及拼装施工 (如千斤顶作用等) 的要求。
一般情况下, 板式管片的厚度按照隧道直径的5%左右考虑, 固隧道外径为6000mm, 本区间管片厚度采用300mm。
2.2 计算模型
2.2.1 计算方法选取
盾构隧道的计算模型采用修正惯用法, 地层弹簧设置为受压弹簧, 受压刚度按地质勘查报告选取。
2.2.2 内力计算分析
土体荷载计算原则:根据塌落拱效应理论计算, 隧道埋深小于塌落拱高度的按全土柱荷载计算, 大于塌落拱高度的按太沙基土压力进行计算。
管片结构计算选取控制截面, 计算区间最小覆土10.3m, 最大覆土12.5m。当覆土高度h>2D时, 隧道等效荷载高度:
hq<2D, 故取h=2D=12.5m。
当隧道覆土厚度大于12.5m时, 竖向荷载按照12.5m覆土计算。
本段区间覆土厚度取12.5m计算。
地面车辆荷载标准值20k N/m2, 注浆压力取0.2MPa;抗浮水位取地表下6m。
计算结果 (每延米) 如图2所示。
配筋计算:管片配筋内、外侧8φ18/环、纵向连接采用5.8级的M24螺栓, 螺母的机械性能等级8级, 垫圈机械性能等级最低Hv=200;最大裂缝0.16mm, 不大于最大裂缝宽度允许值0.2mm, 满足裂缝要求。
3 应用实例
市庄站—小灰楼站区间为石家庄市轨道交通3号线一期工程的一个区间。区间敷设于中华北大街下, 规划道路红线宽度70米。
盾构区间左线起讫里程为CK4+778.928-CK5+389.390左线全长638.171 m, 右线起讫里程为CK4+778.928-CK5+389.189右线全长638.347m;区间从市庄站出发, 呈V字型坡度至小灰楼站, 区间最大坡度为3.19‰, 在区间CK4+900左右线有长链, 长度28.086m, 左CK5+000存在短链, 短链长0.377m。
在区间CK4+975处设有联络通道, 联络通道净宽3m。隧道埋深约为10.13~12.52m。
本段区间预计工期7个月, 初步设计概算投资总额为:7690.36万元, 技术经济指标为:12053.86万元/正线公里, 其中土建工程费为7558.59万元, 技术经济指标为11.84万元/双延长米。
4 结束语
随着高新技术的发展和应用, 盾构技术的科技含量越来越高, 测量定位技术也越来越准确, 盾构施工过程中地表沉降控制技术日臻成熟, 隧道施工的质量也越来越好, 应用盾构法进行轨道交通隧道施工将越来越受推崇。
参考文献
[1]吴笑伟.国内外盾构技术现状及展望[J].建筑机械, 2008.
[2]石家庄轨道交通3号线工程市庄站-小灰楼站区间初步设计文件.2013.