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北京地下直径线盾构施工技术

归档日期:07-19       文本归类:地下化      文章编辑:爱尚语录

  北京地下直径线盾构施工技术_建筑/土木_工程科技_专业资料。盾构隧道施工关键技术 ——北京铁路地下直径线工程 中铁隧道集团北京铁路地下直径线月 汇报大纲 一、工程概况 二、工程特点、难点 三、盾构隧道施工技术 三、取得的成果

  盾构隧道施工关键技术 ——北京铁路地下直径线工程 中铁隧道集团北京铁路地下直径线月 汇报大纲 一、工程概况 二、工程特点、难点 三、盾构隧道施工技术 三、取得的成果 一、工 程 概 况 ?工程范围 北京铁路地下直径线标从崇文门正义路路口至小马厂。隧道全 长6230米,包含181m段明挖工程、874m的暗挖隧道工程和5175m盾构隧道 和三个施工竖井(4号竖井为盾构始发井兼风井、5号竖井为盾构始发辅助 井、6号竖井为暗挖工作井)。 一、工程概况 ?工程地质 隧道西端(天宁寺至和平门)主要穿越的地层为卵石层、圆砾层,局 部为粉质粘土层、粉土层和粉质粘土层等土层,密实,湿~饱和,一般粒径 20~60mm,大于20mm的颗粒含量约占总重的65%,亚圆形,中粗砂充填;向西卵 石粒径逐渐加大,大于0.08mm的颗粒含量约占总重的98%。根据实际开挖揭露, 盾构隧道穿越地层中存在Φ650mm的大直径卵石,并且存在砂层与卵石层的胶 结,最大强度约30MPa。 隧道东端(和平门至崇文门)主要穿越的地层为粉质粘土层、粉土层 和砂层等土层,密实,湿,属于中压缩性土,自稳性差。 一、工程概况 ?水文地质 地层渗透系数每天为50~150米,地下水主要为孔 隙潜水和孔隙承压水,水位标高为21.36~21.71m(水位 埋深为23.13~24.31)。含水层主要为卵石⑦层、圆砾 ⑦1层、卵石⑨层、圆砾⑨1层、卵石⑾层、圆砾⑾1层 及其所夹砂层。该层地下水主要接受侧向径流补给及越 流补给,以侧向径流方式排泄。地下水流向自西向东。 一、工程概况 盾构区间采用钢筋混凝土管片衬砌,管片外径11.6m,内径 10.5m,环宽1.8m。每环管片分为9块,采用6+2+1通用环形式(6块 标准块,2块邻接块和1块封顶块)。管片纵缝设50根φ30直螺栓连 接,环缝设18根φ36直螺栓连接。管片均采用错缝拼装。钢筋混凝 土管片设计强度为C50,抗渗等级P12。 型 B1 管 片 K型 管 片 B2 型 管 片 A1型 管片 A2型 管片 A3 型 管 片 A6型 管片 A5 型 管 片 片 A4 型 管 一、工程概况 盾构区间隧道采用1台φ12.04m气垫式泥水加压盾构机施工。盾构机长 58.5m,主机长度为10.58m(不包括刀盘)。主要由推进系统、管片拼装系 统、泥水循环系统、泥水处理系统等组成。 一、工程概况 盾构机主要性能参数 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 项目 主机与后配套的重量 最小转弯半径 刀盘型式 开口率 最大扭矩 脱困扭矩 最大推力 最大推进速度 技术参数 1400 t 700m,纠偏500m 8个辐条带有辐板 30% 15700 kNm @ 0.85转/分 20410 kNm 114000 kN 40 mm/min,用50 个油缸 二、工程特点、难点 ?工程特点 (1)北京地下直径线工程是国内第一条在市区地下修建的铁路全 电气化隧道。 (2)是北京市首次在地下工程中运用泥水盾构工法进行施工。 (3)12.04米的盾构直径在国内同类富水砂卵石条件下为最大。 (4)5175米的独头掘进长度为目前国内最长。 二、工程特点、难点 ?工程难点 1.穿越地层卵石粒径大,设备部件磨损大。 盾构隧道穿越地层主要以粒径650mm以上的卵砾石为主,掘进过 程刀具、进排浆管路、泥浆泵以及刀盘本身磨损系数高,对施 工影响较大。 二、工 程 概 况 ?工程特点、难点 2.掘进距离长,洞内运输及泥水系统要求高, 施工组织难度大。长距离连续掘进的关健在于洞内轨道 运输及泥水环流系统正常运转。 3.环境排放标准高,泥水分离难度大。直径线东 西两端地质差异大,泥水分离适应性要求高,如何实现排出泥 浆碴浆的快速分离直接关系到能否快速连续掘进,同时泥水的 处理效果也关系到污水排放是否满足环保要求。 二、工 程 概 况 ?工程特点、难点 4.周边环境复杂,平行2号线公里,沉降 控制标准高。工程沿线两侧地面建筑物密集,煤气、热力、 电力、污水等大型地下管线繁多;下穿西便门桥、天宁寺桥、护城 河和4号线宣武门站等构筑物;近邻箭楼、正阳门等重要文物;盾 构隧道与地铁2号线米。为保护好环境,沉 降控制极其严格,如地铁沉降要求控制在3mm以内。 二、工 程 特点、难点 光、、 ?工程特点、难点 燃气井 热力管 道 天宁寺2号匝 道桥 天宁寺桥1 号匝道 护城河 盾构下穿护城河 盾构下穿西便门桥 (5)场地狭小、盾构组装与始发难度大 盾构施工场地由两块组成,盾构工作场地约5000m2,泥水场地约 3000m2,场地总面积不足8000m2,并且被城市道路分割成两块。 三、盾构施工技术 针对北京地下直径线的工程特点与难点,我们项目 与科研所、北京铁路局、铁三院专门设立了课题以解决 所面临的难题及施工中涌现的新的挑战,通过截止目前 1.7公里的掘进,初步获取了部分经验和成果,现相关具 体实施情况下介绍如下: 1、盾构始发出洞技术 2、盾构掘进参数控制 3、盾构刀盘刀具改造与地层适应性分析 4、换刀技术 5、盾构泥水技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 三、盾构施工技术 1、盾构始发出洞技术 三、盾构施工技术 一、盾构洞门围护连续墙及开洞位置竖井内衬采用玻璃 纤维筋替代钢筋,实现了盾构直接切削,避免了人工开 凿可能存在的基坑失稳风险。 三、盾构施工技术 二、通过地表后退式注浆结合洞内水平前进式注浆,解 决了由于管线影响而存在的加固盲区,提前了始发端头 加固效果,确保了盾构始发出洞的安全。 端头加固范围为:隧道掘进方向地下连续墙外边缘起12m范围,隧道轮廓线米范围。隧道中线m范围内采用玻璃纤维注浆管进行注浆加 固,间距0.6m,其他区域采用Φ108钢管进行注浆加固,间距0.8m。标高27.45~31.4 为砂层(加固区地面标高为+48.15)此区域注浆材料采用超细水泥浆,其他加范围内 地层采用普通水泥浆。 三、盾构施工技术 ?端头加固—后退式注浆用玻璃纤维注浆管 玻璃纤维片 PVC注浆管 三、盾构施工技术 污 1500 水管 ?始发--端头加固—端头增加素桩确保基坑开挖安全 北 京 站 围 档北 京 西 站 素 混 凝 土 桩 00煤 气 管 新改移Φ 3 缆 空电 入地 ,覆 2米 土 1. 铸铁 管 D K 6 + 7 9 5 . 6 新 水 1500污 改移Φ 土 4. 泥管 覆 水 5米 Φ 60 0雨 水 管 架 素桩 盾 构 掘 进 方 向 Φ 暗 挖 隧 道 1 . 0 m 厚 地 连 墙 在始发端头地面垂直注浆基础上再增加施做两排素桩。素砂浆桩桩长为 34.62m(竖井开挖深度为31.62m),桩径为1.0m,桩间距为2.0m,成梅 花型布置,采用M10砂浆灌筑,共计19根素砂浆桩。 三、盾构施工技术 ?始发--端头加固—洞内水平前进注浆 预埋钢环 水平注浆补强 受场地条件限制及管线影响,地面注浆存在盲区,为进一步改善端头加固效 果,在洞内增加了水平注浆对端头加固进行了补强。 三、盾构施工技术 始发--端头加固取芯检查 北 2500 2500 3 2000 4 洞门范围取芯钻孔 1000 1 2500 2500 2 1800 渗水量测试孔 1000 1 2 4号 井 洞 门 范 围 钻 孔 取 芯 位 置 示 意 图 端头加固通过钻孔取芯进行效果验证。经取芯检测,芯样抗压强度为 1.5MPa~1.8MPa;满足设计要求。(设计要求抗压强度不小于1.2MPa) 三、盾构施工技术 ?始发--端头加固—注浆渗透性检查 洞门范围内底部钻孔施作完成后,采用水平钻机 在洞门下部钻取两个渗水量检查孔,通过观察孔内是 否渗水及渗水量,确定加固后土体的渗透性。 从钻孔情况看,成孔后无水渗漏,满足设计要求。 三、盾构施工技术 ?始发--洞门密封 通过采用双重帘布橡胶结合注入堵漏济,实现始发出洞洞门密封。始发出洞洞门密封 盾构始发时需安装洞门临时密封装置,临时密封采用双道密封装置,其中每道密封由帘布 橡胶、扇形压板、止水箱、注浆管和螺栓等组成,两道密封间隔400mm。当盾构机盾尾通过 外洞门密封且压板下翻后,要及时利用预留孔向内继续注堵漏剂。使洞门临时密封起到很 好的防水效果,保证盾构顺利始发并减少始发时的地层损失。在盾构完成始发后,根据洞 门漏水情况,利用预埋的6根Φ50的注浆管进行注浆堵水。 6-φ 50注 浆 管 3-φ 50注 浆 管 螺 栓 M 24? 0 外洞门压板 止水箱 内洞门压板 三、盾构施工技术 2、盾构掘进参数控制 盾构掘进主要参数包括:刀盘转速、掘进速度、盾构推力、刀盘扭 矩及盾构姿态。这些参数互相制约,要根据地层条件、刀盘状态、同步 注浆状况、泥浆质量等因素综合考虑而确定,不应盲目追求高速,根据 我们项目掘进1760米的状况分析,理论最佳速度应在18-24mm/分钟,受 各种条件影响,实际速度一般维持在12-18mm/分钟。 (1)刀盘转速:对卵石集中、粒径大的地层应控制在0.9-1.0之间, 以避免扰动地层过强而超挖量过大,进而造成推力控制波动较大,掘进 速度宜控制在15mm以内。对卵石粒径较小或粘土含量较多地段,宜控制 在0.95-1.05之间,同时可适当提高掘进速度至20mm以内。 (2)泥水指标:根据我项目掘进情况分析,泥水比重宜控制在1.21.3之间,粘度控制20-30s,比重高于一般资料上推荐的1.05-1.15。根 据我们项目施工资料室统计:泥浆密度提高,一是停止掘进时刀盘仓泥 浆损失量较低;二是泵站功耗较以往可降低10-15%;三是可以降低管路的 磨损。但应注意的是,过高的泥浆比重也容易造成渣浆泵、振动筛、驱 动电机负荷过大而增加故障率。 三、盾构施工技术 2、盾构掘进参数控制 (3)盾构姿态及掘进方向控制:盾构掘进姿态控制严格遵循勤调整、 微调整的原则进行,要根据管片与盾尾之间间隙大小调整掘进时的纠偏 大小,防止因盾尾间隙过小导致管片受盾壳压力而破损及损坏盾尾密封 刷,实际施工过程中我们一般控制在5mm以内。 10000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 三、盾构施工技术 2、盾构掘进参数控制 扭矩 0 盾构掘进扭矩变化图 盾构扭矩范围控制在3000-6000KNm。 环号 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 127 130 133 136 139 142 145 148 151 154 157 160 163 166 169 172 175 178 181 184 187 190 193 196 199 202 205 208 211 214 217 220 223 226 229 232 235 238 241 244 247 250 253 256 259 262 265 268 271 274 三、盾构隧道施工技术 2、盾构掘进参数控制 10 15 20 25 30 35 掘进速度 0 5 盾构掘进速度变化图 盾构掘进速度范围控制在15-25mm/min。 环号 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 127 130 133 136 139 142 145 148 151 154 157 160 163 166 169 172 175 178 181 184 187 190 193 196 199 202 205 208 211 214 217 220 223 226 229 232 235 238 241 244 247 250 253 256 259 262 265 268 271 274 三、盾构隧道施工技术 4、盾构掘进参数控制 刀盘转速 0.2 1 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 0 盾构掘进刀盘转速变化图 盾构刀盘转速范围控制在1-1.25 r/min 。 环号 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 127 130 133 136 139 142 145 148 151 154 157 160 163 166 169 172 175 178 181 184 187 190 193 196 199 202 205 208 211 214 217 220 223 226 229 232 235 238 241 244 247 250 253 256 259 262 265 268 271 274 10000 12000 14000 16000 2000 4000 6000 8000 2、盾构掘进参数控制 三、盾构隧道施工技术 推力 0 盾构掘进推力变化表 盾构掘进推力范围控制在4000-8000 KN 。 环号 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 127 130 133 136 139 142 145 148 151 154 157 160 163 166 169 172 175 178 181 184 187 190 193 196 199 202 205 208 211 214 217 220 223 226 229 232 235 238 241 244 247 250 253 256 259 262 265 268 271 274 三、盾构施工技术 3、盾构刀盘刀具改造与地层适应性分析 1、初装刀盘刀具配置 2、初装刀盘刀具的适应性分析及改造原因 3、刀盘改造 ①、盾构刀具的布置 ②、盾构刀盘面板耐磨加强 ③、盾构刀盘刚度加强 4、盾构刀具改造技术 5、盾构其它系统改造技术 6、改造后刀盘刀具与地层的适应性分析 7、刀盘刀具的二次改造及加强 三、盾构施工技术 1、初装刀盘刀具配置 初装刀盘为复合式刀盘,开口率30%,开口部位设计成楔形梯级结构以便刀盘后 面的开口逐渐变大,利于碴土的流动,防止粘土堵住开口。同时刀盘中心开口率设计 为45%,有效防止粘土地层泥饼的形成泥饼,从而使开挖仓泥水压力时刻可以被控制。 在刀盘背面安装搅拌臂,防止碴土沉淀,优化泥水压力的控制和改善泥浆的均匀性。 初装刀盘刀具配置主要为齿刀:重型撕裂刀(与17寸滚刀具有互换性)、切刀、周边 刮刀、中心鱼尾切刀及扩孔刀。如下图所示。 三、盾构隧道施工技术 初装刀盘配置 内容 切刀数量 周边刮刀数量 先行撕裂刀数量 周边保护刀数量 改造前 296+12 (中心刀座) 16 32 24道 刀盘改造前三维示意图 三、盾构施工技术 1、初装刀盘刀具与地层适应性分析及改造原因 直径线米后,出现刀盘扭矩过大,主驱动保险轴断裂,随后带压 进仓对掌子面及刀具情况进行检查,发现刀盘刀具磨损非常严重。主要是由于实际地 层与地勘出入较大,发现了非常致密的卵石胶结层。为此造成重型撕裂刀无法松动土 层,损坏严重,而实际上利用切刀松土,但切刀刀齿受卵石碰撞导致大范围崩落,进 而发生刀盘、刀具磨损;周边刮刀因线速度最大,磨损也最严重,由刀齿切削地层改 变为刀座切削地层,刀具由刀齿点接触改变为面接触,最终导致刀盘、刀具磨损超限 及停机。原刀具选型及配置已不适应实际地层需要。因此依据实际揭露地质情况,需 要对盾构机刀盘、刀具进行改造以适应实际地层情况。 刮刀、切刀、重型撕裂刀磨损状况图 三、盾构隧道施工技术 带压开仓检查发现地质照片 三、盾构隧道施工技术 发现的胶结地质 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造 根据盾构机设备制造方刀盘刀具的空间需求以及专家会论证意见,盾 构刀盘刀具改造主要是通过在盾构机停机位置设置一14.0m×4.5m的竖井, 进行刀盘改造及刀具更换。 天宁寺2号匝 道桥 天宁寺桥1号匝 道 盾构竖井位置 西侧是天宁寺桥1号 匝道,南侧为天宁 寺2号匝道桥及两根 架空的φ800mm热力 燃气井 热力管道 管道和两根浅埋的 φ300mm燃气管,东 雨水管口 护城河 侧是护城河。 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造 刀具名称 切刀 重型撕裂 刀 周边刮刀 中心刀 原有数 量 296把 32把 16把 改造后数量及形 式 360把 0 32把 5把双联滚刀 34把 12把鱼 尾状切刀 0 双刃滚刀 边滚刀 焊接合金 刀 0 0 8把 96把,部位处于 刀盘外周和倒角过 渡区 52把,其中26把 焊接可更换,26把 不可更换 刀盘改造后三维示意图 撕裂刀 0 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造 刀盘改造前的中心刀 刀盘改造后的中心刀 中心刀处将将原设计12把切刀更换为5把17”双刃滚刀 三、盾构隧道施工技术 3、盾构刀盘改造 刀盘改造前的幅板 刀盘改造后的幅板 改造后的幅板上增加短刀梁,包括一把单刃滚刀,2把周边刮刀,6把切刀 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造 90度与270度 增加滚刀以及原撕 裂刀处更换为双刃 滚刀,以实现对卵 石胶结层切削。 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——改造后刀盘刀具的布置 将原来32把重型撕裂 刀更改为32把双刃滚 刀,每个幅板上开孔 增加1把单刃滚刀, 同时将每把周边滚刀 两侧各增加一把撕裂 刀。 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——改造后刀盘刀具的布置 三种刀具示意图 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘3改造——改造后刀盘刀具的布置 各类型刀具间距 滚刀与撕裂刀间距25mm,撕裂刀与切刀间距15mm。 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——改造后刀盘刀具的布置 刀盘刀具改造后的刀间距图 三、盾构隧道施工技术 3、3刀盘3改造——改造后刀盘刀具的布置 改造前刀盘边沿处焊接耐磨焊已磨损、周边刮刀刀座也已部分磨损、 同时刀盘也有磨损迹象。为保证长距离掘进,需增强刀盘整体抗磨损性能。 在刀盘面板上增加耐磨钢板,在刀盘外圆上增加合金刀齿以保护外圆,保 证开挖直径。在刀盘外圆与面板倒角位置增加合金块及耐磨钢板,在刀盘 幅板上增设的单刃滚刀刀箱上增加耐磨钢板以保护刀箱。 原刀盘周边倒角处磨损情况 刀盘改造后周边和倒角处每个腹 板各4把保护刀 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——改造后刀盘刀具的布置 2、盾构改造技术——刀盘的改造——面板耐磨加强 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——刀盘结构加强 利用有限元方法计算, 对刀盘改造后的各种负 载计算,载荷作用在刀 盘的正面、背面总载荷, 所产生的最大应力是 525MPa且远远高于原刀 盘的屈服应力355MPa, 为此通过对刀盘增加强 筋板,满足刀盘结构刀 盘整体的强度要求 三、盾构隧道施工技术 3、刀盘改造——刀盘结构加强 刀盘中心加强筋板改造 刀盘法兰与刀盘加强筋板 三、盾构隧道施工技术 3、盾构刀盘刀具改造——刀具的改造 根据带压进仓对刀盘前方掌子面地质情况及刀具磨损情 况观察、分析,经专家论证认为:由于隧道穿越的地层存在 铁板砂和非常致密的卵石层,重型撕裂刀无法松动土层,形 成实际上利用切刀松动土体,造成切刀刀齿受卵石碰撞而大 范围崩落,进而刀具磨损;周边刮刀由刀齿切削地层改变为 刀座切削地层(刀具由刀齿点接触改变为面接触),刀盘扭 矩增大,进一步加剧刀具磨损,增大掘进扭矩。 为此,将重型撕裂刀改造为双刃或单刃滚刀,切刀和周 边刮刀重新设计为:具有高防冲击、高耐磨性的能力。 同时,基于立体切削原理:设计增加了撕裂刀。 三、盾构隧道施工技术 4、刀具改造 重型撕裂刀更换为滚刀 原重型撕裂刀 双刃滚刀 单刃滚刀 三、盾构隧道施工技术 4、刀具改造 新设计增加的撕裂刀 为保证立体切削,刀盘上新增加52把撕列裂刀,根据安装位置不同,设 计为可更换和直接焊接两种形式。 不可更换的撕裂刀 可更换的撕裂刀(专利申请中) 三、盾构隧道施工技术 4、刀具改造 新设计周边刮刀与原周边刮刀对比: 新设计刮刀将原来两排合金齿更换为一排大的合金块,合金块间焊 接耐磨焊,增加整体抗冲击性和耐磨性。 刀盘改造前的周边刮刀 刀盘改造后的周边刮刀 三、盾构隧道施工技术 5、其它系统改造——冲刷系统的改造 针对地层中存在粘土层,需要增加一套冲刷系统。 在开挖仓增加6个冲刷口,从进浆管路上引出浆液,由一台WARMAN型渣 浆泵加压后从背后对刀盘进行冲刷。并根据掘进中实际需要,可以实现单 独控制对不同位置进行冲刷。 三、盾构隧道施工技术 5、其它系统改造——主驱动系统的改造 9 8 7 6 1 2 由于刀盘改造后, 刀盘自重增加,且刀具 数量增加,为保证在正 常掘进期间刀盘转速, 扭矩的控制得到最优化, 需要在原有驱动电机基 础上再增加一套减速机、 电机和相应的控制系统。 新增电机型号,功率与 原有电机相同。 3 4 5 新增一台驱动电机 三、盾构隧道施工技术 5、其它系统改造——旋转密封的改造 保护油管 外罩 适应目前地质情况,对 刀盘背后旋转接头进行改造, 以适应中心锥形刀改为滚刀, 主要是更改仿型刀液压油管, 更改检测刀液压油管,并进 行保护。 三、盾构隧道施工技术 6、改造后刀盘刀具与地层的适应性分析 (1)滚刀适应性分析 由于北京直径线隧道穿越地层主要以砂卵石为主,滚刀 的破岩机理与以往硬岩破岩有很大区别,由于开挖面整体抗 压强度不高,此时已非传统的破岩机理,滚刀只是将卵石和 漂石击碎或挤碎。相比硬岩而言,滚刀受到更多的刮削磨损 和冲击磨损。直径线正面滚刀为双刃滚刀,边滚刀为单刃刀, 刀间距80mm,施工过程中发现所装滚刀磨损基本上全部正常 磨损,偏磨及刀圈断裂现象微乎其微,但是总结发现所装双 刃滚刀磨损较单刃滚刀快,磨损量也较大,同时发现有部分 双刃滚刀刀圈串轴的现象,经过分析研究,在盾构推进和刀 盘转动过程中,双刃滚刀受到大粒径卵石、漂石的高速冲击, 造成刀圈的串轴和刀体变形。为了减少滚刀刀具的磨损,延 长刀具使用寿命,节约成本,将双刃滚刀替换为单刃滚刀, 使用寿命延长了1/3,效果明显。 三、盾构隧道施工技术 6、改造后刀盘刀具与地层的适应性分析 (2)切、刮刀适应性分析 直径线切、刮刀根据直径线地质条件,采用了抗高冲击 性、高耐磨性设计,在目前近1.8Km盾构施工过程中正常磨 损非常微小,但是非正常损坏比较严重,如图所示。主要原 因为切刀刀座设计不合理,切刀与刀座接触部位角度太小, 刀盘在旋转过程中,切刀背部及侧面受到卵石、漂石的高速 冲击,导致刀具螺栓频繁、不均匀疲劳受力,螺栓被剪断, 切刀掉落,掉落的切刀锥积在开挖仓底部,刀盘转动过程中, 掉落的刀具与刀盘刀具发生激烈碰撞冲击,造成了更大范围 的切刀、刮刀刀具的掉落,从而导致刀盘刀具损伤比较严重, 所以针对上述情况,必须对掉落的刀具进行带压潜水打捞和 对刀盘刀具进行恢复。 三、盾构隧道施工技术 6、改造后刀盘刀具与地层的适应性分析 双刃滚刀(正常磨损) 双刃滚刀(严重偏磨) 单刃滚刀(正常磨损) 单刃滚刀(严重偏磨) 三、盾构隧道施工技术 6、改造后刀盘刀具与地层的适应性分析 三、盾构隧道施工技术 7、刀盘刀具的二次改造及加强 由于切刀大范围掉落,并间接破坏刀盘上其它完好刀具, 其中大部分断裂在刀座的刀具螺栓取出十分困难,仅通过带 压进仓已很难保证刀盘恢复最初状态,同时刀盘耐磨焊也出 现了较大的磨损,考虑到后面还有近2公里掘进以砂卵石为 主,为避免类似情况发生,同时为更好控制风险,我们选择 了在下穿宣武门前对刀盘进行修复,同时更换新型切刀刀座。 由于该停机点不具有常压开仓条件,第二次改造我们与德国 北海公司合作采取了带压动火的方式进行。 三、盾构隧道施工技术 7、刀盘刀具的二次改造及加强--土建方案 根据北海公司 对带压进仓作业空 间的要求,我们采 用旋挖钻复打成空 心桩作为进仓的作 业空间,确保了带 压进仓的作业安全 及长时间停机。 三、盾构隧道施工技术 7、刀盘刀具的二次改造及加强--土建方案 带压动火作业示意图 三、盾构隧道施工技术 7、刀盘刀具的二次改造及加强--土建方案 进仓法兰:最大的一根管用于排放废 气,另有两根电焊机的焊把线,中央 一根为高压清洗机。左侧一根为人员 呼吸用空气管。 ) 仓内焊接面罩(带呼吸系统) 三、盾构隧道施工技术 7、刀盘刀具的二次改造及加强--刀盘刀具改造主要内容 (1)切刀形式由原来螺栓连接方式改为销轴连接方式,新型切刀刀座定位焊接原 有刀座上。 (2)刮刀刀座处理措施在原有刮刀刀座上重新焊接一个新刀座,安装新刀。 (3)滚刀刀箱处理处理措施是将无法拆除的滚刀刀轴割除,拆除滚刀后补焊刀箱, 安装新刀。 (4) 在刀盘外周焊接周边保护刀,保证刀盘圆周的耐磨性及开挖直径。在刀盘 面板上焊接耐磨撕裂刀,目的减少在于刀盘的磨损和减小刀盘旋转切削过程中切刀 的受力。 (5) 针对刀盘的磨损情况进行耐磨补焊,主要部位有刀盘正面、倒角、外圆、 背部切口环及其刀具刀座和刀盘开口等部位。 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 为主动控制风险,加强盾构掘进过程掘进参数控制的可靠性,施 工中,换刀已纳入工序进行管理,目前我们的刀具更换主要通过两种方 式进行:一是在不进行地表加固的情况下,通过置换高黏度泥浆、中盾 注膨润土浆液等措施确保进仓的气密性,实现短期内的刀具更换;二是 在上述措施采取的同时,在停机点地表通过地表注浆进一步提高进仓期 间的气密性,进行系统性的刀具更换。通过多种措施的组合、试验,目 前已解决:带压换刀的气密性,换刀工作实现流程化。具体做法如下: 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 (1)进仓的气密性实现做法。一在盾构到达预定停机位置前3-5 环提高同步注浆压力0.2bar增大注浆量,减少作业时气体从盾尾后部管 片背后逃逸。二是掘进完成后刀盘应比平时正常掘进停机多旋转几圈, 尽量排空开挖仓内的沙石。三是提高泥浆比重,以避免各个泵站的密封 水会进入泥水循环系统,使泥浆密度下降而不利于掌子面的泥膜形成。 四是完成掘进后,将盾尾同步注浆管路改为向中盾顶部、左右两侧注入 高浓度泥浆,用于填充盾构掘进时盾壳与地层间的空隙。五是对开挖仓 置换高浓度泥浆。六是泥浆置换完成后转动刀盘,以对开挖仓内置换的 高黏度泥浆充分搅拌。七是完成转刀盘后开始保压,保压压力应比设定 的进舱工作压力高0.4-0.5bar,目的是将高黏度泥浆中的膨润土等压入 地层以形成泥膜,保压按照开挖舱中心起始压力起算,每间隔30min提 高压力0.1bar,直至达到保压压力,液位控制在50%。然后稳定压力2小 时,使得刀盘舱内的高黏度泥浆充分渗入到地层中,形成很好的泥膜, 防止漏气。 对于停机计划时间较长的点,另通过地表注浆等辅助措施 进一步提高地层气密性。 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 (2)地表加固 由于直径线以砂卵石为主地层特性,决定地表注浆钻孔难度较大,为确保 地表加固的顺利实施,通过设备对比确定,目前韩国产的液压履带钻机效果最 好,此钻机最大的优点钻杆钻头适合砂卵石地层,钻孔较深,角度控制精确。 钻孔完成后,钻杆作为护壁套管预留在地层中,从钻杆中间安装注浆管后,再 将钻杆拔出地层,避免了成孔后拔出钻杆塌孔,注浆管安装不到位的情况发生。 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 (2)进舱压力及液位设定 进舱压力一般不低于掘进时的顶部压力,从带压作业角度考虑,进舱压力 在一个范围内,减压时间是一定的,在地层条件较好和采取了加固措施的地段, 可以适当降低进舱作业压力。 进舱液位根据工作需要而定:换切刀时液位可保持在55%以上,换滚刀、 周边刮刀时,液位不高于40%,如需检查破碎机、泥浆门,则液位可降至10% 左右。 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术 泥膜检查 → 滚刀检查 → 更换刀具 进仓加压 → 吸氧减压 → 减压出仓 三、盾构隧道施工技术 4.在地面条件允许的情况下,采用辅助工法进行加固,以提高地 层的密实性。 皮碗式双环止浆塞 聚丙烯袖阀管 履带式液压钻机成孔 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术——地面加固与非加固两种方式下换刀情况比较 加 固 点 与 非 加 固 点 换 刀 数 量 比 较 序 号 1 2 3 4 里程 距离 换刀量 滚刀16把 滚刀24把 切刀3把 滚刀1把 撕裂刀3把 滚刀4把 周边刮刀6把 切刀10把 滚刀34把 中心滚刀3组 周边刮刀1把 滚刀8把 周边刮刀2把 切刀10把 滚刀17把 中心滚刀2组 周边刮刀10把 滚刀24把 撕裂刀2组 周边刮刀11把 切刀117把 备注 加固点 加固点 K6+630.0 88.20 K6+497.0 133.00 K6+439.0 K6+389.0 58.00 50.00 5 K6+276.0 113.00 加固点 6 K6+113.0 163.00 7 K6+006.0 107.00 8 K5+939.0 67.00 加固点 三、盾构隧道施工技术 4、盾构换刀技术——地面加固与非加固两种方式下换刀情况比较 加固点与非加固点停机时间比较 序号 1 2 停机里程 K6+630.00 K6+497.00 停机时间 进仓次数 (天) 15 12 32 44 平均每仓 作业时间 (min) 141.69 149.52 备注 加固点 加固点 3 4 5 6 7 8 K6+439.00 K6+389.00 K6+276.00 K6+113.00 K6+006.00 K5+939.00 5 5 11 4 5 13 9 21 33 15 24 37 83.27 93.64 151.67 92.11 95.23 115.6 加固点 加固点 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水调制系统 渣场 调制 系统 分离 设备 泥水系统场地+渣场共面积3500m2,为目前同类直径泥水盾构工程最小 场地。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水调制系统 泥水的调制系统由新浆槽、 新浆泵、新浆搅拌器、膨化槽、 CMC搅拌槽、CMC储备槽、CMC泵、 堵漏剂槽、分配阀、清水罐和 加水设备以及泥浆池组成。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——初装泥水分离系统 ①最大泥浆处理量1600m3/h。 ②一次除砂分离dm=40μm;二次除泥分离 dm=20μm; ③渣料筛分能力为1260t/h。可根据进尺 的不同而调整; 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——初装泥水分离系统 一级旋流 二级旋流 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——初装泥水分离系统使用效果 预分筛分离效果 二级旋流分离效果 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——原有泥水系统使用过程中主要出现的问题 最初掘进时,地层以大直径卵石为主,泥沙粘土含量较小,分离系统主要负 担在一级预分筛上,二级脱水筛、旋流器负担较小,采取增大预分筛筛板孔径、 增加过流量确保预分筛不发生逸浆,泥水分离系统可以适应掘进需要。但随掘 进距离延伸,由于粘土、细沙含量逐渐增大,原配置的脱水筛、旋流器处理能 力不足,泥浆中粘土、沙含量的增加使泥浆比重、黏度上升,导致: ⑴、预分筛、脱水筛经常发生筛板堵塞、逸浆; ⑵、振动电机负荷加大,振动筛承载的重量过大使筛板损坏、筛板支撑梁断裂; ⑶、一、二级旋流器进浆泵负荷加大磨损加剧,电机发热,经常烧坏电机。 ⑷、同时随粘土数量增加,每掘进一环,泥浆比重增加近0.05,泥水处理能力 已不能满足连续施工需要。 ⑸、地层泥沙含量增加,加剧了盾构机上的排浆管路、地面上及隧道内的排浆 管路、渣浆泵、阀、传感器磨损,管路磨穿后漏浆影响文明施工及掘进。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水系统改造 针对原有泥水系统使用过程中存在的问题,结合对地层取样的筛分试验,我 们对泥水方案进行优化与调整,具体如下: 一是加大泥水分离处理能力:在现有泥水分离工厂增加一套一、二级旋流系统,并 结合对土层的颗粒分析调整现有分离设备预筛、脱水筛的筛孔尺寸和组合方式, 同时更换现有一二级旋流碴浆泵,以提高筛分效果,加大泥水分离设备的处理 能力。 二是对分离后的高比重泥浆进行压滤泥水分离处理,根据现有泥水分离能力和地层 颗粒含量的最不利分析,增加6台压滤机对泥水场地泥浆进行压滤处理。压滤机 的配置根据施工场地的电力配置和对碴浆泵扬程要求进行配置。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水系统改造 (1)预分筛优化 预分筛主要有两层组成,上层为孔径10mm和5mm的聚氨酯筛板构成,下 层为间距为3mm的不锈钢条形筛板。优化措施:将预分筛的二层不锈钢筛板孔 径由目前3mm更改为2mm,使大于2毫米的颗粒在经过预分筛后从浆液中分离, 目的在于减少一、二级旋流分离碴土的压力。 (2)脱水筛优化 泥水脱水筛分为一级和二级,一级脱水筛由0.5mm、1mm,300*300mm的 聚氨酯筛板组成,二级脱水筛由孔径为0.25mm的聚氨酯筛板构成。由于地层中 粉细沙含量大,二级脱水筛的负荷较重。优化措施:将一级脱水筛的聚氨酯筛 板孔径由目前的筛板组合混用全部更改优化为孔径0.5mm的筛板,减轻二级脱 水筛的工作负荷。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水系统改造 (3)压滤机设置 经对比选择,我项目部最终采用的为KMZG350/1500*2000-U高效节能压 滤机。基本参数:过滤面积350m2,滤室容积7.82 m3,每个工作循环45min。 则每天每台压滤碴土处理量:7.82×24×0.8÷0.75=200 m3/d(工作效率按0.8计 算)。考虑到东端的实际地质情况,即使泥水按全部压滤处理,按每天6环的进 度考虑,则需配置6台压滤机。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥水处理通过使用压滤机达到污水零排放 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥浆循环管路 由于掘进过程中经常出现管路磨损爆管影响正常掘进, 并影响环境文明施工,为此我们通过开展积极攻关,利用 双层复合管替代了传统的单层排浆管, 得管路麿损由300 米提高到800米。目前,复合管技术已经申请专利。 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥浆循环管路 双层耐磨砼管加工 双层管浇筑耐磨砼 三、盾构隧道施工技术 5、泥水系统——泥浆循环管路 四号井口双层管架设 泥水场地双层管架设 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 从实测结果中可以看出,盾构段地表沉降大小一般在5~8mm间,平均 值为6.0mm。隧道轴线地表隧道轴线纵向沉降曲线见下图。 隧道轴线 680 第1次阶段 580 第2次阶段 480 380 第3次阶段 DK6+ 280 里程 累计沉降(mm) 盾构改造前 护城河西岸 护城河 护城河东岸 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 盾构掘进的纵向影响范围为盾构掘进前方15米,盾构通过后25米 范围。沉降速率较大的主要集中在开挖面前部沉降、通过沉降以及盾尾 空隙沉降,最大的集中在通过阶段。 测点距刀盘距离—沉降关系曲线 35 刀盘距测点距离 40 45 50 累计沉降(mm) 0 -2 -4 -6 -8 1 2 3 4 5 DK6+450测点 DK6+390测点 DK6+350测点 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 盾构沉降槽曲线基本沿隧道轴线点呈典型的正态分布,在轴线处的 沉降值最大,隧道洞径范围是沉降的主要范围(距轴线m处的沉降一 般为最大沉降的50%左右,距轴线m为次要沉降区,距轴线mm)。 典型断面横向沉降槽曲线 累计沉降(mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 距轴线断面 DK6+770断面 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 对于沿线建构筑物的保护主要通过以下措施进行。 (1)下穿护城河:通过增加抗拔桩及盖板,确保顺利下穿覆土不足8米的 护城河段。 (2)对于距隧道处于2倍洞径内的建筑物:主要考虑通过地表跟踪注浆、 隔离桩进行保护。 (3)近距离旁穿2号线:主要通过控制掘进参数,加强同步注浆及二次注 浆实现对构筑物的保护。 从目前已完成的近1.8KM掘进情况看,沿线环境风险点沉降均控制 在限值以内,其中与隧道净距不足的2米段的2号线mm。 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 护城河围堰进行盖板及抗拔桩施工 西便门桥隔离桩施工 三、盾构隧道施工技术 6、盾构沉降规律研究及环境风险控制 西便门西里7、10号楼跟踪注浆施工 五、取得的成果 盾 构 隧 道 施 工 现 状 1760m 宣武门 西 盾构机现已累计掘进1760米,分别下穿护城河、天宁寺 1号匝道桥,侧穿西便门西里3、7、10和16号楼、西便门东 里9、10号楼,下穿西便门立交桥后不久即进入既有地铁2号 线区域开始并行施工,目前抵达到宣武门西侧风井位置。 五、取得的成果 大直径泥水盾构在北京砂卵石地层具备长距离施工能力。 在此种深地层条件下,盾构掘进地面沉降可以控制在15mm以内,目前实际最大沉降 7.1mm;既有地铁结构沉降可以控制在5mm以内,目前实际最大沉降3mm。 盾构在砂卵石层中掘进,平均进度可以达到150米/月,我们实际最大达到200米/月。 掌握了盾构刀具在砂卵石地层中磨损规律,解决了砂卵石地层带压换刀气密性难题, 突破了地表环境对换刀地点的限制。 利用旋挖钻复打成空心桩形成作业空间,对局部存在常压换刀的情况有借鉴意义。目 前正准备申报专利。 实现了狭小场地下大直径盾构组装、整体始发(始发场地面积不足5000m2,施工场地 总面积不足8000m2)。 在北京中心城区泥水分离技术实现零排放。 谢谢大家!

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