穿黄隧洞工程的盾构选型

都市快轨交通·第 20卷 第 1期 2007年 2月 土建技术 　　　　　URBAN RAP ID RA IL TRANSIT 穿黄隧洞 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的盾构选型 屈天祥 (中铁隧道股份有限公司　河南 新乡　453000) 摘　要　介绍采用大型泥水盾构进行施工的穿黄隧洞 工程 ,根据地质条件及工程特点 ,系统阐述盾构的选型 及对策。 关键词　隧洞　泥水盾构　选型　对策 穿黄隧洞工程是南水北调中线总干渠穿越黄河的 关键性、控制性工程 ,为双线平行隧洞 ,两条隧洞轴线间 距为 28 m。其中 ,过黄河隧洞段长度为 3 450 m,邙山隧 洞段长度为 800 m,隧洞内径均为 7. 0 m,外径为 8. 7 m, 一次衬砌为预制钢筋混凝土管片 ,厚度为 0. 40 m,二次 衬砌为现浇环锚预应力钢筋混凝土 ,厚度为 0. 45 m,衬砌 总厚度为 0. 85 m。由于在国内水利工程中首次采用大 型泥水盾构进行长距离机械化施工 ,进行合理的盾构选 型是穿黄隧洞工程能否顺利实施的关键性因素。 1　工程地质条件对盾构选型的要求 穿黄隧洞穿越透水砂层及粉质壤土层 ,砂性土层 透水性强 ,开挖面自稳性差 ,还承受高水压力 ,要求盾 构机必须具有稳定开挖面及高水压下长距离掘进不换 刀的性能 ,并具有处理孤石、枯树的能力。 (1) 过黄河隧洞段覆土厚度约 23～30 m,穿越饱 和含水砂层和粉质壤土层 , Q14 砂层中石英颗粒含量达 40% ～70% , Q2 粉质壤土钙质结核强度较高 ,并有结块 的可能 ; 隧洞范围内和顶部分布泥砾层 , 厚度为 0. 5～6. 6 m,砾石含量 45% ～50% ;第三系中局部分布 有钙质胶结的砂岩 ,呈坚硬状 ,强度较高 ,抗压强度达 16. 5 MPa。可见 ,应重视刀盘及刀具结构的选择、布置 形式及耐磨性能。 (2) 盾构通过砂层时 ,不能排除偶遇较大卵石 (0. 5 m以上直径 )和枯树的可能 ,盾构选型时必须考虑 相应的处理措施。 (3) 盾构在黄河下掘进时承受的最大静水压力约 收稿日期 : 2006 - 03 - 07　修回日期 : 2006 - 03 - 18 作者简介 : 屈天祥 ,男 ,高级工程师 ,副总经理 , ys j321 @163. c om 为 0. 45 MPa,要求盾构主轴承及盾尾具有极高的密封 性能。 (4) 邙山隧洞段地层由黄土状粉质壤土、第四系 中更新统冲积洪积层、粉质壤土、古土壤组成 ,隧洞最 大纵坡达到 4. 91% ,对盾构的爬坡能力及刀盘的防泥 饼 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求极高。 2　盾构类型的确定 盾构选型应根据隧洞外径、长度、埋深、地质条件、 岩性、地下水、工程曲率半径、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 ,结合掘进和衬砌等诸因素 ,经综合分析后决定。穿 黄隧洞穿越饱和含水砂层和粉质壤土层 ,适合采用水 力出土 ,同时地层渗透系数也是盾构选型时必须考虑 图 1　地层渗透系数与盾构选型关系 的关键因素。如 图 1所示 ,当地 层的渗透系数小 于 10 - 7 cm / s时 , 宜选用土压平 衡盾构 ;当地层 的渗透系数在 10 - 7 ～10 - 4 cm / s 之间时 ,选用土压平衡盾构或泥水盾构均可 ;当地层的 渗透系数大于 10 - 4 cm / s时 ,宜选用泥水盾构。本工程 Q2 粉质壤土渗透系数为 10 - 5 cm / s,黄土状粉质壤土渗 透系数为 3. 7 ×10 - 5 ～1. 0 ×10 - 4 cm / s,过黄河隧洞段 穿越饱和含水砂层的渗透系数为 10 - 3 ～10 - 2 cm / s,选 用泥水加压平衡盾构比较适合 ,盾构机结构见图 2。 3　盾构长距离掘进不换刀的对策 在过黄河隧洞段 ,盾构掘进距离长达 3 450 m,刀 盘应具有足够的刚度、强度和耐疲劳性 ,并满足长距离 掘进不换刀的要求。刀盘是针对穿黄隧洞的特殊地质 条件而设计的 ,刀盘 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面和开口部位焊接有耐磨层 ,外 圈焊接有耐磨板。刀盘共 12对开口 ,其中 6对开口较 27 穿黄隧洞工程的盾构选型 URBAN RAP ID RA IL TRANSIT 图 2　盾构机结构示意图 长并贴近中心。刀盘设计为双向旋转 ,其转速可无级 调节。为了适应穿黄隧洞工程的地质 ,在刀盘上安装 了不同形式的刀具 ,所有刀具都可在刀盘后面安全地 进行更换。刀盘结构见图 3,刀具见图 4。 注 :浅黄色部分为刀盘开口 图 3　刀盘结构示意图 图 4　刀具结构图 311　先行式撕裂刀 撕裂刀为先行刀 ,超前刀盘 120 mm,超前切刀 30 mm, 撕裂刀切削地层 ,并对切刀起保护作用。撕裂 刀安装 30把 ,每把刀切削宽度为 60 mm,切削宽度较 窄 ,可以使撕裂刀在卵石地层和钙质结核地层中具有 更高的切削效率。 撕裂刀按刀盘双向转动设计 ,安装在特殊设计的 刀箱中 ,并能够适当微动 ,用来减少撕裂刀侧面的磨 损。撕裂刀两侧均设计有双层碳钨合金刀刃 ,中间设 有碳钨合金柱齿 ,每层刀刃的高差为 32 mm,其最大允 许磨损量为 64 mm。在第一层刀刃磨损后 ,第二层刀 刃继续发挥作用 ,从而确保长距离掘进不换刀。撕裂 刀与滚刀刀座相同 ,所以可以更换成滚刀。 312　切刀 切刀用于切削土层 ,并把切削下的土碴刮入泥水 仓中 , 共 214 把 , 布置在刀盘辐条两侧 , 超前刀盘 90 mm。切刀的切削宽度为 120 mm,采用双层碳钨合 金刀刃以提高耐磨性 ,其最大磨损高度为 64 mm ( 2 × 32 mm)。在第一层刀刃磨损之后 ,第二层刀刃开始发 挥作用 ,切刀背部设有双排碳钨合金柱齿。在不同区 域的 3把切刀上 ,配备有磨损量检测装置 ,根据检测结 果 ,能够及时掌握刀具的磨损情况 ,保证刀具正常工作。 313　刮刀 刮刀安装在刀盘的外圈 ,共 24把 ,采用单层碳化钨 合金齿和双排碳钨合金柱齿 ,确保在连续掘进 3 450 m 后 ,刀盘的开挖直径保持不变。 4　处理孤石、枯树等不良地质的对策 目前 ,穿黄隧洞地质勘探成果资料较多 ,隧洞所穿 越地层情况已基本查明 ,对施工中可能遇到的孤石、枯 树等不良地质条件 ,盾构选型时考虑了相应的应对措施。 (1) 在盾构采购时 ,选配超声波探测仪 ,加强施工 中的地质超前预报工作 ,发现情况及时处理。 37 都市快轨交通·第 20卷 第 1期 2007年 2月 　　　　　URBAN RAP ID RA IL TRANSIT (2) 在刀盘上 ,配置双层先行式碳化钨撕裂刀 ,撕 裂刀超前切刀布置 ,首先切削地层 ,对卵石地层、钙质结 核地层和枯树进行破碎和切削 ,并对切刀起保护作用。 图 5　破碎机 ( 3 ) 在 泥水平衡仓 底部排泥管 的前面 ,安装 一个双颚 板 式破碎机 (见 图 5 ) , 破 碎 机能破碎砾 石的最大尺 寸为 500 mm; 其后配有隔栅条 ,用来限制进入排泥管石块的尺寸。 对刀具未能破碎、粒径在 180～500 mm的卵石进行破 碎 ,使其破碎后能通过排浆管排出。 (4) 配备双气路的双室人仓 ,具备带压进仓的功 能。对粒径超过 500 mm的块石或枯树 ,可从人仓进 入盾构机前部处理。我集团施工的“西气东输”忠县— 岳阳段城陵矶穿越长江隧洞 ,在泥水盾构刀盘上安装了 可伸缩的冲击钻 ,成功地进行了前方障碍物的破碎。 5　针对高水压段掘进采取的措施 过黄河隧洞穿越地层主要为含水饱和砂层 ,地下 水压力高达 0. 45 MPa,在高水压地段推进 ,重点是保证 主轴承密封、盾尾密封在高承压状态下的正常工作。 为确保水下施工的安全 ,盾构刀盘主轴承和盾尾密封 的防水性能按承压 0. 6 MPa设计。 511　主轴承密封 主轴承内外密封具有自动润滑功能、自动密封功 能、自动检测密封工作状况的功能、密封磨损后的继续 使用功能。主轴承内外密封系统均采用 5道唇形密封 系统 (见图 6) ,采用自动润滑方式 ,能通过泄漏室对密 封状况进行检测 ,并设计有联锁保护功能。 图 6　主轴承密封结构 512　盾尾密封 为了提高盾尾的止水性 ,盾尾采用 4道密封 ,可选择 采用 4道钢丝刷密封或 3道钢丝刷密封加 1道钢板束密 封 (见图 7) ,不需要采取辅助措施即可在隧洞内安全更 换前 2道钢丝刷密封。在第 2道与第 3道钢丝刷密封之 间 ,设计 1道紧急止水密封 ,该密封平时弯曲在盾尾的沟 槽里 ,不起密封作用。当钢丝刷密封失效时 ,通过注水或 充气使该密封膨胀 ,将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙 完全封闭 ,以防涌水涌砂从盾尾漏入隧洞内。 图 7　盾尾密封结构图 6　盾构对粘性土层掘进的适用性 由于刀盘中心部位的线速度较低 ,粉质壤土层等 黏性土层的流动性较差 ,容易在刀盘中心部位沉积 ,同 时在泥水仓的后部也容易黏结形成泥饼 ,盾构选型时 应有防泥饼形成的措施。 (1) 采用膨润土泥浆冲洗系统 ,在刀盘中心设计 膨润土注入口 ,用于对刀盘中心部位进行冲洗和清理。 (2) 加大刀盘中心部位开口率。刀盘开口率为 33% ,为防止中心部位黏结泥饼 ,设计时加大中心部位 的开口率至 50%。 (3) 刀盘开口设计成楔形结构 ,使刀盘后面的开 口逐渐变大 ,利于泥浆的流动。 (4) 在刀盘的背面安装搅拌棒 ,用于搅拌土仓底 部 ,以改善泥浆的均匀性。 (5) 对泥浆系统进行针对性设计。为防止黏土地 层中排泥管堵塞 ,需对泥浆系统进行针对性设计 ,安装 电磁控制球阀和相应管路 ,可以在进排浆管中进行反 循环 ,以清理堵塞的排泥管。 7　对邙山隧洞陡坡段的应对措施 邙山隧洞段为 4. 91%的上坡 ,在上坡段盾构需要 更大的推力 ,盾构总推力一般按直线水平段的 1. 3～ 1. 5倍考虑。同时 ,为防止在上坡段盾构产生低头 ,推进 油缸分组时下组油缸的数量应多于上组油缸的数量。 (下转第 78页 ) 47 都市快轨交通·第 20卷 第 1期 2007年 2月 　　　　　URBAN RAP ID RA IL TRANSIT 通过购买新型国产 AGT—1高精度自动陀螺经纬仪 ,或 将用户拥有的非自动陀螺经纬仪改造成为比原来精度 更高的自动陀螺经纬仪 ,并在相应规范和规程中加入高 效率的定向测量内容。这样 ,可以使我国自动陀螺经纬 仪的生产、装备和使用迅速提高到国际先进水平 ,为我 国现代化建设提供强有力的定向测量保障。 参考文献 [ 1 ] GB 50308—1999地下铁道、轻轨交通工程测量规范 [ S]. 北京 :中国计划出版社 , 2000. [ 2 ] DTM. Operator′s Guide GYROMAT 2000 [ G ]. [ 3 ] 陈建华 ,赵仲荣. W ildGAK1 - T2陀螺经纬仪定向的研究 [ J ]. 测绘工程 , 1998 (2). [ 4 ] Heister H,等. 自动陀螺经纬仪的比较 [ C ] / /F IG 19th Congress. Helsinki Finland, 1990. [ 5 ] W illiam s H S. GAK1型自动陀螺经纬仪的测量精度实验 [ J ]. 普通测量通报 , 1980 (3). [ 6 ] 高兴华 ,寇贵德 ,朱长睿. GAK1与 GP - 1陀螺经纬仪在 矿井定向中的比较 [ J ]. 矿山测量 , 2003, 6 (2). [ 7 ] 于来法. 陀螺定向测量 [M ]. 北京 :解放军出版社 , 1988. O n the O rien ta tion Effic iency o f Hom e 2m ade H igh2p rec is io n Au tom a tic Gyro 2theo do lite Q in Chang li1 　Zhang Xuezhuang2 (1. Beijing U rban Engineering Exp loration & Surveying Institute, Beijing 100101; 2. Central2South University, Changsha 410083) Ab strac t: This paper analyzes the causes that affect the efficiency of orientation of gyro2theodolite, and introduces the method of orientation in light of the orientation characteristics of the home2made AGT21 high p recision automatic gyro2theodolite. Then the paper puts forward the necessity of modifying current specifications of gyro2theodolite survey, and advises to publicize the home2 made AGT21 high p recision automatic gyro2theodolite. It suggests that the relevant users may also update their devices to the high p recision automatic gyro2theodolite. Key wo rds: high p recision; automatic gyro2theodolite; orientation; localization è (上接第 74页 ) 如图 8所示 ,推进油缸分为 4组 ,其中下组油缸的数量 为 10根 ,上组及左、右组的推进油缸数量均为 6根。 图 8　推进油缸分区控制示意图 为了满足盾构上坡的要求 ,管片吊机的行走电机 及升降电机均应采用加大功率设计 ;后配套拖车上的 设备进行稳定性设计 ,采用螺栓与拖车进行连接 ,防止 在盾构上坡时产生滑移。 参考文献 [ 1 ] 王良. 盾构法施工在北京地铁 5号线的应用 [ J ]. 都市快 轨交通 , 2004, 17 (5). [ 2 ] 竺维彬 ,王晖 ,鞠世健. 复合地层中盾构滚刀磨损原理分 析及对策 [ C ] / /都市快轨交通理事会 2005年会会刊. 北 京 , 2005. [ 3 ] 周文波 ,吴惠明 ,赵晓霞. 国产盾构在地铁施工中的应用 [ J ]. 都市快轨交通 , 2006, 19 (2). S h ie ld Type S e lec tion fo r the W a te r D ive rs io n Tunne l P ro jec t ac ro s s the Ye llow R ive r Q u Tianxiang (China Railway Tunnel Joint Stock Co. , L td. , Xinxiang, Henan 453000) Ab strac t: It is the first time in China to adop t the large slurry shield to conduct the water p roject construction across the Yellow R iver. Based on the geology conditions and engineering features of the p roject, the paper describes the shield type selection and its measures, which is expected to be taken for reference by sim ilar p rojects. Key wo rds: tunnel; slurry shield; type selection; counter Ο measures　 87