5,成都地铁试验段盾构选型探讨

发布于:2021-08-04 02:51:45

成都地铁试验段盾构选型探讨
唐 健 ,陈 馈           
709 ( 中铁隧道集团有限公司 河南 洛阳 4 10 )

[ 要] 摘 本文针对成都地铁盾构试验段的工程和地质特点, 对盾构试验段的盾构选型方案进行了探讨。 渗透系数;盾构选型 [ 关键词1 卵石 ;漂石; 5 39 [ 文献标识码」B [    文章编号]1 1 1 6 06 6 04- 4 0 - 3 ( 0) - 03 0 0 62 0 [ 中图分类号]U4 5. * o s il ma h n i t t  o C egu  w y f  ed  c i e  e s t  hn d sb a h n s e f  c u
T G in HN  i                AN Ja ,C E K u

1 工程概况
成都地铁 号线为南北走向,北至新都大丰      1 镇,南至华阳,全长 3 .k 16 m,其中一期工程盾 构施工区间北起红花堰,南止于火车南站,全长

卵石粒径以3 一7 mm 为主,部分为 8 一 0 0 0 10 m, 2m 最大粒径20 m, 1m 偶见漂石, 卵石含量 占5%- 5 ( 5 7% 重量比) 充填物以细砂、 ; 中砂为 主, 夹少量粘性土, 含量约 t%一 5 稍密一 o 3%,
密实。隧道下穿人民南路立交桥、电力调度公司 房屋 ( 层) 4 、机场立交桥、火车南站股道。 地下水系为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两      种类型。孔隙潜水主要埋藏于砂卵石土地层中, 地下水位埋藏较浅 ,水量丰富,渗透系数为 k =

1 .0k 共 1 个区间。由于地质条件复杂, 86 1m, 1 为有效降低盾构法在技术、工期和投资上的风
险,选定人民北路站至天府广场站区间段 ( 盾构 2 、 标) 省体育馆站至火车南站区间段 ( 盾构4 标)

的各一条隧道为盾构法试验段。 盾构 2      标段隧道最大覆土厚 2m,最小坡度 0 2 - o 左右线间距 1 一1m, 0 - 3  l 2 0, o o  1 o 1 5 最小曲线半径 40 ; 0m 隧道穿越的地层主要为卵石层, 局部为砂 夹层;卵石的单轴抗压强度为 5 .一15 a 5 1 6MP ; 卵石粒径 以 3 0一8 mm 为主 ,部分粒径大于 0 10 6mm,并含有少量漂石 ( 粒径大于 20 ) 0mm  , 且局部漂砾富集成层。目前已知的最大漂石粒径 为60 m,卵石含量占6 %- 0 ( 比) 7m 0 8 % 重量 , 充填物为细砂及圆砾,稍密 一密实。隧道下穿万 福桥、省展览馆东侧房屋群、西御河人防通道、 25 一 层的房屋、 天府广场下穿隧道, 并*距离水 *穿越中银大厦 (6 、轻工大厦 (2 。 3 层) 1 层) 盾构 4      标段隧道最大覆土厚 1m,最小坡度 3 2 。 20, %一 2 o 左右线间距1.3 3 最小曲线半 % 20 一1 m, 径70 隧道穿越的 0m; 地层主要为卵石层, 局部为 砂夹层:卵石的单轴抗压强度6 . 一 6 5 a  8 1 9 .  ; MP

176 04 / , .3 x - s 为强透水层, 1- m 补给来源为大气
降水和地表河流、沟渠。基岩裂隙水主要赋存于 泥岩强风化裂隙带中,透水性较差。

2 盾构类型的选择
根据德法等国的盾构施工经验,当地层的渗     

透系数小于 1- s 0' 时,可选用土压*衡盾构; m/ 当渗透系数在 1- s 1- s 0' 和 04 之间时,既可 m/ m/ 选用泥水盾构, 也可在碴土改 良的情况下选用土 压*衡盾构; 当地层的渗透系数大于1- / 时, 04 s m 则宜采用泥水盾构。 2 泥水盾构方案 . 1 成都地铁盾构试验段隧道穿越地层的渗透系      数为 176  04 s 大于 1- s 采用泥水 .3 x - 1 m/ , 04 , m/
盾构施工是可行的。

1      )开挖面稳定与泥膜的形成 泥水盾构利 用泥浆作为支护材料, 开挖面的稳定是通过泥浆
建 机 化 20( )  3 筑 械 080   4 6

渗透形成不透水的泥膜, 通过泥水压力来*衡作 用于开挖面的土压力和水压力, 开挖面的稳定对
泥膜能否形成至关重要。在砂卵石地层 中使用泥

刀盘有异响时, 刀盘前部可能有较大粒径的漂石, 此时应停机进行处理。为给作业人员创造一个安 全的作业环境,同时为加强地层对漂石的约束力 及防止破碎大漂石时的振动造成砂卵石地层液化, 在带压进仓前应对地层进行加固。地层加固常采 用地面加固和隧道内超前加固两种方式。当地面 施工条件允许时,应优先采用地面加固。

水盾构的风险就是泥膜形成困难。砂卵石地层中 孔隙较大, 当有效孔隙L 3 ma 泥水最大粒 >  x( D 径)时,全部泥水可经过地层的孔隙流走,无法 形成泥膜 ,易出现逸泥现象,泥水压力管理较困 难,易造成掌子面坍塌或地面沉降的危险。在卵 石地层泥膜形成的方法除在泥水中加人膨润土外, 还应加人增粘剂 ( MM) C 或聚丙烯酞胺 (A , P A) 泥水在向地层孔隙中渗透的同时,自身形成体积

2 土压*衡盾构方案 . 2
1      )盾构类型与粘土含量的关系 根据 日本 的经验,当地层中粘土含量不足 1%,使用泥水 0 盾构在开挖面上很难形成泥膜 ,开挖面易坍塌 , 不推荐使用泥水盾构。成都地铁盾构隧道穿越的 地质粘土含量极少,特别是盾构 2 标段几乎不含 粘土,泥膜形成较困难,较适宜采用土压*衡盾
构施工 。

增大的团粒与地层土颗粒吸附结合, 对渗透形成 阻力。该阻力随渗透距离的增大而增大,当渗透 距离达到某一定值时, 渗透阻力与泥水压力*衡,
渗流停止 ,形成渗透泥膜。表面吸附聚集泥膜仅

局限于开挖面的表面,而渗透泥膜则深入地层 , 泥膜厚度等于渗透距离。泥水盾构中形成的泥膜 都属于动泥膜 ,边生成边部分破坏 ,由于渗透泥 膜较厚 ,比吸附聚集泥膜对开挖面稳定有利。对 于渗透泥膜而言 ,应控制泥水参数及掘进参数 , 使其成膜时间短于刀盘对应的掘削时间。 2      )刀具的布置与卵石的破碎 在砂卵石地 层,卵石属松散体,地层对卵石缺少约束力 ,且 由于卵石的抗压强度较高,滚刀只能部分破碎卵 石 ,不能对卵石进行有效破碎。建议在刀盘上配 置撕裂刀、切刀、周边刮刀等刀具。撕裂刀为先
行刀 ,超前切刀布置 ,先行切削地层 ,先对卵石 进行冲击和撕裂 , 对卵石进行部分破碎并解除地 层对卵石的约束力 ,然后由超前量较小的切刀切

2      )开挖面稳定与土压*衡

土压*衡盾构

是依靠*透椎耐屏Ω敛帜诘目谕敛昙友梗 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 人土仓后由螺旋输送机输出, 在螺旋机内形成不 透水的土塞 ,保持土仓压力稳定。土压*衡盾构 施工 中,土仓 内的碴土起着*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。在饱水的卵石地 层 ,需使用添加剂进行碴土改 良。其原理为将开 挖土砂与添加剂在开挖面混合 ,形成具有不透水 和塑流性的碴土 ,通过*透赘敛旨友 ,使
土压作用于开挖面 ,以*衡开挖面的水土压力 。

削剩余部分。经撕裂刀松动和部分破碎的卵石通
过刀盘的刀 口进人泥水仓 ,在泥水仓 内通过破碎

在饱水的砂卵石地层施工, 应重点防止地下水的 渗透和喷涌 ,需选择不易被水稀释的添加剂,并

机进行二次破碎。由于受盾构尺寸的限制 ,在泥 水仓内布置的破碎机能破碎卵石的粒径一般不大

于 50 0 mm。因此在设计刀盘时宜采用面板式刀 盘, 通过刀盘的开 口来限*四嗨值穆咽
粒径。

使用二级或三级螺旋输送机。 3 添加剂的选择 成都地铁的地层为地下水      ) 位下的饱水卵石层 , 注人膨润土容易被地下水稀 释 ,不适宜使用膨润土或增粘剂。成都地铁的地
层为卵石粒径大、 含量大、 细砂含量小的卵石层 ,

3      )大漂石的处理 对大于 50 m的漂石需 0m 人工处理 ,处理程序如下:停机一刀盘前地层加 固一带压进人开挖仓一破碎漂石一掘进。一般在 掘进过程 中,如果刀盘的驱动扭矩呈波动变化或
4   060 ) O SRC IN  C A IA IN 4 20 (6  C N TU TO M H NZ TO E

不适宜单独使用泡沫剂,仅靠泡沫不能确保 良好 的塑流性, 应在注人泡沫剂的同时适当添加聚合 物材料。成都地铁盾构试验段卵石层的孔隙率大

约为3% 填充率为9%时, 5, 0 添加剂的注人率为
3 .%。泡沫的用量因地层情况及泡沫特性的不 15

同而异。泡沫注人率 ( 注人的泡沫体积 /被开挖 土的体积)一般最低 2%,在需要防止附着的情 0 况下为 3%。在成都卵石层施工时,推荐注人泡 0 沫约2%-2%, 0 2 注人聚合物材料约 1%。日 0 本的

部的土压计控制高浓度注人剂的自动添加来进行
土压 管理 。

3 方案比选
从设备的购置成本来看,      泥水盾构需要泥水 分离站,设备的费用高于土压*衡盾构。 从设备的运行成本来看,      泥水盾构由于泥水 *衡、泥水分离和泥水输送的需要,其总功率要 高于土压*衡盾构。 从设备的使用成本来看,泥水盾构和土压*      衡盾构均需使用添加剂,土压*衡盾构由于需要
引进国外的添加剂 ,成本要稍高些。从刀具的使

N o T ru h e- h og 是一种较适用于饱水砂卵石地层
的开挖面添加剂,可在成都地铁土压*衡盾构施 工 中应用。 4 卵石的处理 砂卵石地层 中,      ) 卵石属松散 体, 地层对卵石缺少约束力,刀具不能对卵石进 行有效破碎。对土压*衡盾构,采用以下处理方 法 :①将刀盘的开 口加大 ,或采用辐条式刀盘 ; ②使用较大直径的带式螺旋输送机。 5      )刀盘类型 面板式刀盘的优点是通过刀 盘的开 口限*送敛值穆咽>叮 其缺点是由 于受刀盘面板的影响 ,开挖面土压 护测量土压 , 因而土压管理困难 ;刀具负荷大,寿命短;由于 地层对卵石的约束力弱 ,不论滚刀还是撕裂刀 , 都不能对卵石进行有效的破碎。辐条式刀盘的优 点是开挖面土压 =测量土压 ,因而能对土压进行 有效的管理 ;同时刀具负荷小 ,寿命长;卵石的 处理与地层的约束力无关。缺点是不能限制大粒 径的卵石进人土仓。 6      )大漂石的处理 带式螺旋输送机能输送 较大粒径的卵石, 如采用01  m 00 m带式螺旋输 0 送机可输送的最大粒径为L 2m X  7m 75 m  0 0 m, 6 因此即使未经破碎的卵石也能通过带式螺旋输送 机排出。当遇到更大粒径的漂石时,将螺旋输送 机的螺旋片往后退 ,将大漂石吸人到螺旋机 内

用成本来看,如果均使用面板式刀盘的话,由于 泥水盾构的刀具有泥水的润滑和冷却作用 , 土压 *衡盾构消耗的刀具费用约为泥水盾构的 1 5 . 倍;如果土压*衡盾构采用辐条式刀盘,则刀具 费用会大幅度降低。在成都地铁施工中,建议使 用高耐磨的重型碳化钨合金钢刀具, 避免中途换 刀,最大限度地提高施工进度和降低施工成本。 泥水盾构有两种体系 ,即 日本体系和德国体      系。日 本采用直接控制型泥水盾构,德国采用间
接控制型泥水盾构。 德国体系的泥水盾构可在泥水仓 内安装破碎     

机, 大粒径的漂石可以经破碎机破碎后通过排泥 管排出;而 日 本体系的泥水盾构的破碎机安装在 后配套拖车上, 大粒径的漂石需首先经吸泥管吸 出后才进入破碎机 ,破碎后用排泥管排出。成都 的地层常出现长径40 0mm的漂石, 且漂石是硬质 的,由于地层对漂石的约束力较弱 ,刀盘上的刀 具并不能对漂石进行有效的破碎,未经破碎的漂 石须通过吸泥管排到破碎机, 需设置0 0mm以 60
上的吸泥管 ,在盾构上装设大型吸泥管会使流体

( 能容纳的最大粒径为L  0 m  0 5m ; l  m X  0 m)  0 0 7 关闭螺旋输送机的前闸门;土仓内加气;打开螺 旋机的观察 口,使用劈石机将漂石破碎后取出。 7 防止地表沉降的对策 掘进时,      ) 通过合理 的土压管理控制土仓压力 尸 ,使主动土压 +地下 水压 <尸<被动土压 + 地下水压 ,同时通过合理
使用开挖面添加剂进行碴土改 良,合理控制开挖

输送的能力减弱,因此 日 本体系的直接控制型泥 水盾构不适合成都的地质条件。而德国体系的泥 水盾构虽然能将未破碎的漂石在泥水仓内进行二 次破碎, 但只能破碎粒径小于50 0mm的漂石, 对 大于 5 0 的漂石则只能通过加固地层后带压 0 mm 进仓进行人工破碎,施工效率低,因此,对于漂 石富集成层的盾构 2 标建议采用土压*衡盾构施 工,并通过添加泡沫和聚合物材料 ( 推荐使用
建 机 化 20( )  5 筑 械 060   4 6

面添加剂的注人率 ,合理控制排土量。在土仓内 设有多个土压计,当土仓内不是均一性状的碴土 时,多个土压计会检测出极高的土压值 ,通过调 整添加剂的注入量 , 使多个土压计的检测值能按 从上到下的顺序*滑显示。停机时,通过土仓顶

N o T ruh 来改善卵石土的塑流性, e- hog ) 通过大
直径带式螺旋输送机来排出大粒径漂石, 通过二 级或三级螺旋输送机来防止喷涌。 盾构 4      标穿越的地层夹有少量粘土,细颗粒 含量 占1%一3 %, 0 5 卵石的粒径比2 标小些, 且 漂石出现的可能性也要少些 , 漂石的抗压强度也 要小些,并且有布置泥水分离站的场地 ,可考虑 使用德国体系的泥水盾构。

严重影响施工进度和增加施工成本。由于土压* 衡盾构可以使用带式螺旋输送机将未经破碎的大 粒径漂石排出,因此 , 成都的地层较适宜采用加 泥式土压*衡盾构施工,特别是在卵石含量大、 粒径大及有大粒径漂石存在的成都市中心及北部 地区。 在成都市南部地区, 由于细颗粒含量较多,

4 结束语
使用添加剂的土压*衡盾构,日      本称为泥土 加压盾构 ,我国称为加泥式土压*衡盾构 ,是

且卵石层中有粘土存在, 卵石粒径相对较小,出 现大粒径漂石的可能性较少,同时施工场地较宽 敞,有布置泥水分离站的场地 ,因此也可以采用 德国体系的泥水盾构进行施工。 圃
〔 参考文献] [l张风祥, 1 傅德明,杨国祥,等. 盾构隧道施工手册

18 年由日 94 本日 立建机株式会社首先开发的。
成都地铁的施工难点是大漂石的处理 ,      在松 散的砂卵石地层, 通过刀盘对硬质漂石进行有效

[ . 北京:      人民交通出版社, 05 M] 20 .

(                 编辑 羌荣生 )

破碎非常困难, 且刀具破碎卵石时产生的振动和 扰动易造成卵石层液化,易引起地面沉降。另一 方面当遇到大于50 0mm的漂石时, 使用泥水盾构
施工 必须进行地层加固带压进仓人工破碎漂石 ,

[ 收稿日 期〕20- 2 0 06 0- 9 [ 作者简介] 唐 健 们99 ) 男, 5- , 山东*度人, 高级工程师, 现 从事国家83 日 6计戈全断面雇构a进机的电气系统设计工作, 洛阳市 道北陵园东路3 号.

( 上接第3 页) 5 入或修改各种基础数据和运行参数, 启动系统投
入运行。

5 主要技术参数

理论生产率 m3h                      ( 1 )  10 2

3      )动画组态软件全屏幕显示硅搅拌站动态 工作流程。 实时显示出各种骨料、 水泥、 粉煤灰、
水、外加剂的配方值 ,称量值和落差值 ;各出料 门的状态;上料皮带机 ,螺旋输送机的状态 ;水 泥仓和粉煤灰仓的料位。 4      )可随时通过键盘修改下一罐次硷的配方, 调整每一罐的配方值容量系数 ,骨料投放顺序, 搅拌和出料时间以及调整含水率的大小。 5 能精确控制各物料的称重重量 ,      ) 自动对配 料称量过程进行扣称、落差补偿 , 保证各物料称 重精度。 6 当错误操作或运行过程出现故障时,      ) 能自

理论循环周期 ()       S                   6 0

骨料称量范围及精度 (g 0 3  ) 2      k )  一 00士 %  ( 0 水泥称量范围      及精度 (g (一 20士1 k )  1 0) % 0 粉煤灰称量范围及精度 (g (一 0) 1      k )  601  0 % 水称量范围      及精度 (g     0) % k )  (一 0士1 05 外加剂称量范围及精度 (g   一 0士1      k )  0 3) % ( H S 2 型搅拌站自      Z 10 动控制系统通过将可靠 性高的P C L 技术和人机交互性强的工控软件相结
合,不仅实现了硷搅拌站工作的完全 自动化,而 且与同类型产品相比,该系统具有成本适中、操 作方便、维护简单等优点,其工作效率、可靠性 和安全性也得到了极大的提高。因而该系统 自投 产以来得到了广大用户的好评。 ! 亘〕

动保护。并发出蜂鸣警报、显示错误内容以便及
时处理。

(               编辑 徐祖华) 〔    期」20- 3 1 收稿日 06 0- 3 〔    作者简介〕 黄智勇 (91 ) 男, 17- , 湖南玩江人, 工程师, 长沙市
经济月发区三一重工股份有限公司泵送研究院.   

7      )生产过程中系统能 自动存储各种生产数 据,生产完后 自动打印出货单。 8      )提供用户要求的各种出货单和生产报表。
4    0(6 O SRC I M CA I T N 6 2 60)  NTUT N  H NZ I 0  C O E AO


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