西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验
2020-05-17
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2008年12月 铁道工程学报 Dec 2008 第l2期(总123) JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY NO.12(Ser.123) 文章编号:1006—2106(2008)12—0091—04 西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验 龚旭东 (中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西安710043) 摘要:研究目的:通过对西安地铁试验段区间工程盾构选型的研究,为西安地铁后续工程的盾构选型提供参 考;针对黄土地区特殊地层对盾构施工的关键技术进行研究,以及西安地铁2号线试验段工程施工经验的介 绍,掌握西安黄土地区盾构选型及施工的关键技术。 研究结果:通过对西安地铁2号线试验段区间的工程地质、水文地质及不同类型盾构机的分析,完成了适 应于该段工程的盾构选型,得出西安地铁2号线试验段工程最适合使用土压平衡盾构机施工。针对黄土地区 特殊的地质状况,对盾构施工的刀盘、刀具、螺旋输送机、加泥及加泡沫系统、推进油缸等影响盾构施工的关键 技术进行了探讨,同时对试验段工程施工经验进行分析,为今后黄土地区盾构工程提供参考。 关键词:黄土;盾构机;土压平衡;选型;西安地铁 中图分类号:U455.43 文献标识码:A TBM Type Selection for Experimental Section of Line 2 of Xi an Metro and Construction Experience GONG Xu——dong (China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi an,Shanxi 7 10043,China) Abstract:Research purposes:The researches are done on the TBM type selection for experimental section of Line 2 of Xi an metro and the key shield construction technologies for loess area for the purposes of providing the reference to TBM type selection for construction of metro in future and mastering the construction technology for loess area. Research results:Through the analyses of the engineering and hydrographical geology of the section and different types of TBM,it shows EPB TBM is the most suitable for working in the experimental section of Line 2 of Xi an metro.Aiming at the spcial geologic condition in loess area,this paper discusses the key technologies of capstan,cutter,screw conveyer, mudding and foam system and propulsion cylinder of TBM and analyses the construction experience for experimental section,which provide references for similar construction in future. Key words:loess;TBM;EPB;type selection;Xihn metro 盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构 法是在盾构机钢壳体的保护下,依靠其前部刀盘上的 通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。 盾构机作为区间隧道施工的专用大型机械,其选 型的正确与否,直接关系到区间施工进度和工程造价。 因此,应高度重视盾构机的选型,使其在西安地铁的施 刀具挖掘地层,并在盾构机壳体内完成出渣、管片拼 装、推进等作业。因此盾构法施工具有良好的隐蔽性, 施工引起的噪声、振动的危害小,对城市居民的生活影 响小,机械化程度高,劳动强度低等优点。盾构法施工 不仅施工进度快,而且无噪音,无振动公害,对地面交 工中发挥重要作用。本文结合西安地铁2号线试验段 区间隧道的施工,分析了盾构选型需考虑的主要因素, 提出了盾构选型的依据,总结了该工程盾构选型的经 收稿日期:2008—10—22 作者简介:龚旭东,1981年出生,男,助理工程师。 92 铁道工程学报 2008年12月 验和教训。 黄色。土质均匀,针状孔隙发育,含少量氧化铁钙质条 1 工程概况及水文地质条件 1.1工程概况 纹及零星蜗牛壳碎片,可塑,局部软塑,属中等压缩性 土;古土壤3—2,棕黄~棕红,土质较均匀,具块状结 构,含多量氧化铁及钙质结构,局部底部钙质富集,可 塑,属中等压缩性土。水位线位于区间腰部上下。 西安地铁2号线试验段行政中心站一凤城五路站 区间位于西安市北郊未央大道上的张家堡广场一凤城 五路十字。区间地势平坦,地面标高介于383.84~ 387.70 m。区间纵断面采用“省力坡”,中间低、两边 高,隧道结构顶最小埋深8 m,最大11.2 m。线路全长 1 046 m,线间距19~13 rn,最大坡度23‰。 1.2工程水文地质条件 2盾构机类型选择 采用盾构施工的地层大都是复杂多变的,在选定 盾构时,最重要的一个因素就是地质条件。西安地铁 2号线试验段区间结构所处地层为第四系新黄土、古 土壤,部分地段下部位于粉细砂中,岩性变化较大,地 层的均一性较差,洞身附近有多层土层分布且洞身在 地下水位附近,受地下水的影响较大。各土层为可塑 状态,局部为软塑状态,围岩易坍塌下陷及变形。黄土 不仅具有遇水湿陷的特性,而且具有垂直裂隙发育的 特点,同时,本段区间位于水位线附近,因此,试验段区 间不宜采用敞开式盾构机和半机械式盾构机。 泥水式盾构机对地层适用的范围较广,特别适用 本段区间位于渭河二级阶地区,地层主要为第四 系上更新统风积、残积及冲积层。上部人工填土0.8~ 1.8 m,局部较厚,杂色,坚硬一硬塑,Ⅱ级普通土;黄 土,厚度约6—10 m,褐黄色,可塑为主,Ⅱ级普通土, 下部软塑,I级松土;古土壤,厚度约1—5 m,棕~棕 红色,可塑为主,Ⅱ级普通土;粉质粘土,厚度约1.0~ 3.6 rn,褐黄色,可塑为主,Ⅱ级普通土;下部砂类土基 本呈密实状态,褐黄~浅灰色,厚度大于10 m,饱和, I级松土;为非液化土层。上部黄土具湿陷,黄土地基 于冲积洪积的砂砾、砂、亚粘土、粘土层或多水互层的 土层;有涌水工作面不稳定的土层;上部有河川、湖沼、 海洋等水压高、水量大的地层;缺点是后配套设施较 大,泥水分离设备成本较高,占地较多,对环境影响较 湿陷等级I~Ⅱ级,湿陷性土层厚度3~6 m。属潜水 较强富水区,含水层为冲、洪积中、粗砂,含水层厚约 30~40 m,地下水位埋深约13 m,为强透水层。地下 水主要以大气降水和地表水人渗补给。 1.3区间穿越的地层 大等。由于试验段工程主要位于黏性土地层,水位较 低,土压平衡盾构机即可满足要求。因此,通过综合比 选,本工程宜采用土压平衡盾构机,各种盾构机比较详 如表1所示。 本段区间穿越的地层主要为新黄土3—1—2,褐 表1各类盾构机比较表 \\类型 开放型 机械挖掘式 部分开放型 闭胸式 削土加压式 封闭型 项目\\ \ \ 土压平衡式 泥土加压式 泥水平衡式 工法概要 开挖面密闭,在其 在切削密闭舱内充 在切削密闭舱内注 盾构前部安装有 上设有可调的出 满开挖下来的碴土, 入混合添加材料、制 向切削密闭舱内 切削刀头,用机械 土口,开挖时盾构 以盾构的推进力对 泥原料土等改良土 循环填充泥浆,抵 连续开挖土砂,切 的前部贯人土砂 整个工作面加压,来 体,将其填满密封 抗开挖面的土压、 削刀面板亦起支 之中,土砂呈塑 抗衡开挖面上的压 舱,用盾构推进力对 水压,开挖下来的 撑开挖面的作用 性流动并从口中 力,在保持开挖面稳 工作面加压来抗衡 碴土以泥浆的形 定的同时,用螺旋输 开挖面上的土压,用 式通过流体输送 排出 送机出渣 螺旋输送机出渣 方式运出 全断面切削刀盘 盾构机挤压贯入 全断面切削刀盘 全断面切削刀盘 全断面切削刀盘 ,开挖方式 开挖面管理 未设置挡土支撑 调节排土阻力、速 调节土舱内土压力 调节土舱内的泥土 调节泥水压力度及开口大小保 及排土量控 机构 控制开挖 压力及排土量,控制 制开挖面的稳定 持开挖面稳定 面稳定 开挖面的稳定 ,地层变化的适 不适应地层变化 一般只适用于砂、 松砂砂粒层较难 通过调节添加材料 松砂粘土未分选的冲 的浓度和用量砂粒层较难 应性 的地层 适应 适应 适应 击层 不同地层 、、,障碍物的处理 能目视开挖面,但 同左 处理稍难 看不到开挖面,处理 同左 困难 同左 第12期 龚旭东:西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验 续表1各类盾构机比较表 部分开放型 闭胸式 削土加压式 93 \\类型 开放型 机械挖掘式 稍差 封闭型 泥土加压式 泥水平衡式 同左 项目\ \\ 土压平衡式 作业环境 无人工开挖,较 人工作业少,环境 同左 安全 良好 对周围环境影响 空压机噪音及碴 同左 土运输影响 辅助措施 碴土运输影响 同左 泥浆处理设备噪音 及振动、碴土运输 易坍塌的细砂及砂 粒层需进行改良 后方设备能力强 则进度快,但设备 故障影响大 降水、压气及地层 为防止地表下沉 为改善开挖性能需 不需要辅助措施 改良等措施 需进行地层改良 对砂层进行改良 如果土质适合,无 变化,与封闭型 同左 接近 快 同左 施工进度 3刀盘及驱动的选择 3.1刀盘结构型式的选择 层但有大粒径的砾石(粒径大于400 mm),并且含量 达到一定比例时,也可采用滚刀型刀具。另外,在隧道 掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器,由掘削 地层的刀具、稳定掘削面的面板、出土槽口、转动或摇 动的驱动机构、轴承机构等构成。刀盘设置在盾构机 的最前方,其功能是既能掘削地层土体,又能对掘削面 起到一定支撑作用从而保证掘削面的稳定。掘削系统 对于盾构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择 的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可 以影响到总造价的4%~8%,尤其掘削设备的装备扭 矩是盾构机最基本的参数之一。 掘削刀盘分为辐条式和面板式两种,辐条式盾构 仅有几根辐条,无法对前方土体进行有效的支撑,适用 于掘削面可以自立的土层。西安地铁2号线区间隧道 主要穿过黄土及黄土状的、上更新统饱和软黄土,局部 含有砂层,地层中地下水位较高,地铁穿行于潜水含水 层中。根据西安地铁盾构掘进穿越的地层土质具有饱 地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体 (或粘土或砂土)交错频繁出现的情况,也有可能采用 滚刀型刀具,即在复合式盾构机中采用。切削刀的切 削原理则主要是盾构机向前推进的同时,刀具随刀盘 旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切 力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力,不断将开挖面前 方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400 I/i113 的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。根据西安地铁盾 构区间穿越的地层多为新黄土和古土壤,部分地段下 部存在砂层的特点,盾构机刀具无需采用滚刀。刀具 应采用切削刀,超前刀,鱼尾刀,仿形刀构成。 3.3刀盘驱动方式的选择 刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分,承担驱 动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任 务,刀盘驱动系统也是盾构机内务系统中消耗功率较 大的设备之一。因为大口径盾构机内空间较大,驱动 马达空间设置限制少。变频电机驱动具有驱动效率 和性、流塑性、可塑状等特点,为了防止掘削面产生坍 塌及涌水、涌砂,导致地面沉降对地下管线及周边建、 构筑物产生不利影响,宜采用面板式刀盘。由于盾构 机在黄土、古土壤等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,须注意其对 施工设备的不利作用,因此,刀盘应增加开口率以改进 盾构施工避免产生“泥饼”及“糊刀”等问题。 3.2刀具的布置和选择 刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地 质条件,直接影响到盾构机的切削效果、出土状况和掘 进速度。 高,后续配备设备少,设备维护、保养的较简单,作业人 员工作环境较好等优点,刀盘的驱动方式应采用变频 电机驱动。 3.4刀盘支撑方式的选择 刀盘通过轴承与盾构机前体连接,其支撑方式一 般有3种:中心支撑、中间支撑、周边支撑。 中心支撑是在轴线位置布置轴承。其优点是轴承 结构小,密封面积小,容易保证密封质量,但盾构壳 体周边的刚度较差,故适合用于小直径盾构机。周边 支撑是将刀盘支撑在盾构周边壳体结构上,支撑刚度 好,但轴承尺寸大,密封结构复杂,适合用于大直径 盾构。中间支撑介于前两者之间。本段区间隧道属于 中等直径隧道,宜采用中间支撑。 目前盾构机刀具按切削原理划分,一般分为滚刀 和切削刀两种类型。滚刀的切削原理主要是刀具依靠 挤压破岩,一般用于岩石隧道的掘进。当穿越松散地 94 铁道工程学报 2008年12月 4盾构基本参数选择 4.1盾构直径 盾构直径是指盾构的外径,与刀盘、同步注浆用配 管等突出部分无关。盾构直径必须根据管片外径、盾 尾空隙和钢板厚度进行确定。 D=d+2( + ) 式中D——盾构外径(mm); d——隧道外径(mm); ——盾尾空隙(ram); 6——盾尾钢板厚度(mm)。 西安地铁盾构内径为5 400 mm,盾构管片厚度为 300 mm,根据经验,盾尾空隙一般取20~40 mm,经过 计算,D=6.14 m。 4.2推进油缸行程计算 S=LP+0+L 式中S——推进油缸行程; L。——管片环宽; £ ——封顶块搭接悬出长度; 0——预留间隙。 西安地铁采用的管片为环宽1.5 m,封顶块搭接 2/3,预留间隙150 mm,根据计算,推进油缸行程为 2.15 m。 4.3螺旋输送机选型 螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要组成部分, 主要有以下3个功能: (1)将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续 排出。 (2)切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形 成密封土塞,阻止土体中的水分散失,保持密封舱内土 压稳定。 (3)将盾构机密封舱内土压值的高低,自动(也 可手动)与设定土压值比较,随时调整向外排土速度, 控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程, 确保盾构机连续正常向前掘进。 根据螺旋输送机的构造不同,可分为有中心轴的 螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机, 前者适用于一般性土、砂运输,后者适用于较大颗粒的 砂卵石和块石的运输。对西安市地铁隧道施工,基本 不会遇到砂卵石地层,因此,采用有中心轴的螺旋杆式 螺旋输送机可满足施工需要。 4.4加泥及加泡沫系统 加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。 采用该系统,对于不同地质条件,通过添加塑流化改性 材料,改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性,既可实 现平衡开挖面水、土压力,又能向外顺畅排土,大大拓 宽了盾构机的适应范围。西安地铁区间隧道绝大多数 地段位于黏质黄土地层,局部地段的隧底部位接触到 砂层,盾构切削的部分砂土和大量的黏质黄土在土仓 中被搅拌,可能会在刀盘上产生“泥饼”及“糊刀”现 象,因此,西安地铁盾构机选型必须采用加泥或泡沫 系统。 5西安地铁试验段工程盾构施工经验 总结 5.1盾构机选型 本段区间采用一台小松TM614PMX土压平衡盾 构机。该盾构机适宜在粉质粘土、粉土、局部为粉砂、 淤泥质粘土、粉砂、细砂等土层的掘进施工;盾构机掘 进最小曲率半径150 m,最大坡度40%o。盾构机全长 8.68 m,盾构直径6.14 m,盾尾间隙30 mm,推进油杠 行程为2.15 m,采用有轴式螺旋输送机,刀盘开口率 为62%。 5.2施工组织 试验段区间右线隧道于2007年11月28日始发, 采用土压平衡模式进行掘进,在2008年4月9日顺利 贯通;左线隧道于2008年5月6日始发,在6月份施 工中连创全国盾构隧道施工单班14环、单日27环的 新纪录,于2008年7月6日圆满贯通,目前隧道内无 一处渗漏。 5.3施工经验总结 (1)本段区间盾构选型较为成功,施工较Jil ̄N,未 出现“泥饼”、“糊刀”等问题,施工速度较快,对地面 建、构筑物影响较小,对地下管线影响较小,未出现地 下管线破裂,地面建筑物开裂变形等事故; (2)黄土地层土质直立性好,较稳定,未出现开挖 面坍塌、地面沉降等问题; (3)黄土对刀具的磨损较小,试验段区间施工结 束后,无需更换刀具,即可投入后续工程施工; (4)古土壤及老黄土土质较密实,施工中需向掌 子面注入泡沫及水,保证盾构顺利向前推进; (5)由于黄土地层裂隙垂直发育,部分地段出现 地面冒浆,浆液为黄色泥水,施工时需控制同步注浆压 力及注浆量,在保证同步注浆密实的同时,避免对地面 交通造成不利影响; (6)本段区间盾构施工时多次停电,导致盾构机 停机,影响施工。盾构机停工时造成盾构机下沉,形成 错台。因此,盾构施工前应做好与供电单位的协调工 作,保证盾构机施工顺利。 (下转第98页) 98 铁道工程学报 2008年12月 活方便的特点,国铁在这方面应汲取轻轨、地铁的长 处,结合新技术、新规范适时进行更新,使造价水平与 之大体持平。随着铁路造价系统的不断更新和完善, 地铁与国铁两个行业之间的造价水平向着越来越切合 实际的方向发展。 算编制方法分析,不管是国铁还是轻轨、地铁,它们之 间既有相同点又有不同处,而且存在一定的联系;要因 地制宜,结合工程实际,确定可行的施工组织方案;结 合当地规定及项目情况进行综合运用,不断完善城市 轨道概算编制方法。 随着轻轨、地铁的快速发展,出台一套完整的轻 轨、地铁概算编制办法指日可待。可根据轻轨、地铁本 身特点,借鉴国铁概算编制办法中的有关项目规定, 参考文献: [1] 铁道第三勘察设计院.天津市区至滨海新区快速轨道交 通工程初步设计文件[z].天津:铁道第三勘察设计院, 2O04. 如:建设单位管理费、安全生产费、预备费、贷款利息等 计算办法,对轻轨、地铁概算编制办法进行补充完善, 使轻轨、地铁在概算编制方面日臻完善。 [2] 铁建设[2006]113号,铁路基本建设工程设计概(预)算 编制办法[s]. 天津市市政工程预算基价[S]. [3] 建筑[2004]1262号,5 结论 通过以上对国铁和轻轨、地铁施工组织设计及概 (编辑张滨) (上接第94页) [2] 张凤翔,傅德明,杨国祥.项兆池盾构隧道施工手册 6 结论 本文对西安地铁施工用盾构机选型进行了探讨, 得出西安地铁2号线试验段工程最适合使用土压平衡 盾构机施工,同时对刀盘、刀具、螺旋输送机、加泥及加 泡沫系统、推进油缸等影响盾构施工的关键技术进行 了探讨,得出适应于西安地铁黄土地层掘进的参数。 通过对试验段工程施工经验的分析,对西安地铁后续 盾构施工提供一定的指导。 [K].北京:人民交通出版社,2005. [3]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术 出版社,2006. [4]铁道第一勘察设计院,西安市城市快速轨道交通2号线 工程可行性研究报告[z].西安:铁道第一勘察设计院集 团,2006. [5] 西北综合勘察设计研究院.西安市轨道交通2号线工程 试验段详细堪察张家堡~尤家庄区间岩土工程勘察报告 [z].西安:西北综合勘察设计研究院,2006. 参考文献: [1]GB 5Ol57——2003,地铁设计规范[S]. (编辑 吕洁)