九号线2标盾构机选型修改Word格式文档下载.docx
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本标段盾构隧道穿越的地层分布统计见表1-1、1-2，隧道洞身穿越地层分布比例见表1-1、1-2。
表1-1区间隧道左线地质纵断面地层统计表
编号
地层名称
所占比例
折算面积
<
3-1>
冲积～洪积粉细砂层
6.43%
6176.241
3-2>
冲积～洪积中粗砂层
55.74%
53539.67
3-3>
冲积～洪积砾砂层
8.36%
8031.289
4-1>
冲积～洪积土层
3.14%
3018.957
4-2>
河湖相淤泥、淤泥质土层
19.84%
19051.45
4-3>
坡积土层
2.59%
2491.83
5C-1A>
碎屑岩可塑～软塑状残积土层
0.18%
171.9996
5C-2>
灰岩硬塑或密实状残积土层
0.22%
209.9383
6>
碎屑岩岩石全风化带
0.95%
916.2647
7>
碎屑岩岩石强风化带
1.44%
1381.653
8>
灰岩岩石强风化带
0.50%
481.4676
9>
碎屑岩岩石微风化带
0.60%
576.1814
图1-1隧道洞身地层比例饼状图
表1-2区间隧道右线地质纵断面地层统计表
折算长度
1>
人工填土
0.20%
181.2515
3.60%
3212.126
47.86%
42656.66
10.93%
9736.883
1.73%
1544.789
17.41%
15514.83
12.58%
11209.04
5C-1>
0.32%
285.737
0.93%
825.0378
0.34%
299.9324
7C-1>
1.98%
1763.937
1.97%
1754.008
9C-1>
炭质灰岩微风化带
0.16%
140.4932
图1-2隧道洞身地层比例饼图
⑶隧道围岩条件分析
由地质勘探资料可知，本标段隧道穿越的地层较多，但主要以中粗砂层和淤泥质土层为主，部分隧道底部有风化岩层存在，而且强度较高，因此刀具必须能够适应软硬不均的施工需要，对刀盘、刀具配置要求较高。
1.2.3工程特点与难点
（1）富水砂层中掘进
本区间隧道穿越的地层主为砂层，含水丰富、透水性好，并且与天马河底距离较小，可能与河道水系有直接水力联系，如果盾构密封不严，一旦出现河底坍塌，则有可能导致隧道与河水贯通而淹没隧道。
（2）沉降控制难度大
本段线路埋深较浅，盾构隧道所穿越地层及隧道上部地层主要为砂层和淤泥质土层，盾构施工时沉降控制比较困难，而隧道须穿越天马河、广清高速路，特别上方有风神大道行人车辆繁多，一旦发生沉陷坍塌事故，将会产生很大的社会影响，因此须采取有效措施防止地面沉降。
（3）隧道旁桥基保护
隧道线路在穿越天马河时，距桥只有10余米，盾构开挖土体后，土体应力释放可能对桥台桩基造成较大影响，存在较大风险。
（4）上软下硬地层掘进
本标段隧道以中粗砂和淤泥质土为主，但部分区段的隧道范围有风化岩层侵入，因此存在上软下硬地段，刀具的选择和配置比较困难。
1.3本工程特点﹑难点及对盾构机的要求
1.3.1基本功能要求
盾构工程的主体是盾构机，盾构机性能的优劣直接决定盾构工程的工程进度、工人的人身安全、地面环境的保护以及对整个工程的成败。
选择盾构机首先要求盾构机必须具备开挖系统、管片安装系统、背填及超前注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统、密封注脂系统等基本功能。
1.3.2工程特点﹑难点及对盾构机的要求
针对本工程施工条件、围岩条件和工程地质特点、难点，盾构机还应该具备以下功能特点：
（1）具备良好盾构密封效果
在富水砂层中掘进，要盾构机具备良好的密封效果。
盾构机密封主要包括三个方面：
主轴承密封、盾尾密封和铰接密封。
如果盾构密封不严，泄漏泥砂废水的清理将会严重影响盾构掘进，而且大量泄漏将可能导致地面沉陷、坍塌和淹没隧道等灾难性的后果。
（2）沉降控制控制能力强
本工程隧道覆盖层全部是强度低，灵敏度高，易沉降、易塌陷的淤泥、粘土、沙层，隧道上方主要为风神大道，行人与车辆繁多，而且隧道还需穿越天马河和广清高速，都对沉降非常敏感。
因此，本工程对盾构机的沉降控制要求较高。
为了保证地面沉降在规范允许范围内，盾构机设计必须考虑刀盘开口率的大小和如何保持开挖面稳定来保证较小的挖掘沉降，还要配置强大的双液注浆系统。
（3）适应在多种复杂地层掘进
本工程隧道主要穿越冲积－洪积砂层、冲积－洪积土层，局部岩面侵入隧道，存在上软下硬和软硬夹层的地层，且起伏较大；
该岩层硬度较大，对刀具切削岩层的要求较高，并且要求主切削刀具为可更换要求背装式刀座设计，能根据不同地层条件、磨损程度及时更换或更新；
还要具有能进行气压作业的人闸系统。
（4）设备可靠性、技术先进性与经济性统一的要求
盾构机的可靠性是工程施工的重要保障，盾构机的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。
盾构机的可靠性主要表现在两个方面，一是整体设计的可靠性，即地质的适应性；
二是设备本身的性能、质量、使用寿命等的可靠性。
同时盾构机设计也应该兼顾到先进技术的应用及经济因素的影响，确保盾构机使用上可靠、技术上先进、造价上经济。
（5）掘进速度满足计划工期要求
为了确保满足本工程的合同工期要求，盾构机的设计掘进速度必须满足掘进的计划工期要求。
（6）环境保护要求
盾构施工的环境保护包括两个方面：
首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，无大的噪声、震动等；
再者要求盾构施工弃土、弃浆装卸运输等不能对环境造成污染。
1.4盾构机型式的确定
不同类型的盾构机适用的地质类型亦是不同的。
选择盾构型式时，除考虑施工区段的地质条件、地表环境、断面尺寸、隧道长度、隧道线路、施工安全、工期等各种条件外，还应考虑施工后盾构机的重复使用、开挖和衬砌等施工问题，必须选择能够安全而且经济地进行施工的盾构型式。
根据盾构头部的结构，盾构机大致分为开放式和密封式，开放式盾构机包括人工式、半机械式、机械式；
密封式盾构机包括挤压式、泥水平衡式、土压平衡式。
目前主流盾构机为土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机两种。
其中土压平衡和泥水平衡两者的区别详见下表1-3所示。
表1-3泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构比较表
项目
泥水平衡式盾构
土压平衡式盾构
平衡原理简述
工作面与盾构机之间设有隔板，工作面被加以大于孔隙水压力的泥浆压力，表面形成泥水粘膜及渗透膜，在刀盘配合下使工作面得以稳定。
工作面与盾构机之间设有隔板，经刀盘切削的泥土中被加入高浓度的人造泥浆或泡沫等材料，经过搅拌棒的强力搅拌后，形成具有流动性、止水性、塑性“三性”的介质，充满切割仓及螺旋输送机内，盾构千斤顶推力使切割仓内形成土压力，用以平衡工作面的地下水土压力。
地质情况
渗透系数
10-2以上
10-3～10-1
孔隙水压
无特别限制，可通过泥浆压力来控制
宜小于150kPa，万一超过该值，需要启用相应的防喷涌措施
细颗粒比例
10%以上
可适应极细颗粒
含水量
无特别限制
小于30%，则需要通过加泥浆、水、泡沫等来增加流动性
土的硬度、N值、内摩擦角、粘着力
无特别限制，但需考虑对付硬岩的措施（砾石破碎装置）
无特别限制，但需考虑破岩刀具的维修
优点
控制泥水压力，可保持工作面稳定，沉降较小；
排土采用泥浆管来输送，水压较高地段也不会出现喷涌现象；
由于使用泥水，需要扭矩较小，刀具不易磨损；
使用流体运输，弃土输送效率高，适合长距离输送。
控制泥浆土压，可有效抵抗水压、土压，可保持工作面稳定，沉降较小；
地质适应范围较广，适合混合地层；
人造泥浆设备规模较小，还可根据围岩状态，切换成开放模式掘进，便于控制工作面；
弃土较容易处理费用较低。
缺点
如果工作面渗透系数较高，则易造成泥浆渗漏，难以保证泥水压力；
遇到粘土地段，排泥口有可能堵塞，导致土仓切口水压变动使工作面不稳定；
需要增加泥水处理设备，地面设施场地增大；
弃土处理较困难费用较高。
如果孔隙水压较高，富水性较大，则有可能产生喷涌，工作面压力难以保证；
遇砂砾地层、粘土地层，刀盘的扭矩会增大，刀盘磨损较快。
泥水平衡盾构主要针对于无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可广泛用于各种软弱地层的施工。
土压平衡盾构适用于各种土层及这些土层的互层，使用范围广。
土压平衡盾构装备有渣土改良机构，以促进开挖渣土的流动性，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土仓内的压力容易控制和稳定。
本标段地层以<
中粗砂和<
淤泥质土层层为主，从泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构的地质适应性比较来看，认为两种盾构机均能适应本标段施工，但综合考虑施工场地要求、碴土处理难易性、环境保护要求和经济效益等方面原因，本工程拟采用土压平衡盾构。
1.5盾构机的提供方式及工期需要
1.5.1提供方式
参考广州地铁盾构施工的现状，结合我司多年来在盾构施工中的经验和教训，我司将以现有两台海瑞克土压平衡盾构机（出厂编号S-470的盾构机为5#盾构机，出厂编号S-471的盾构机为6#盾构机）来满足本标段的施工掘进要求。
1.5.2盾构机进场进度安排
我司S-470、S-471两台盾构机分别与2008年3月和2008年4月出厂，在深圳地铁2号线2203标首次投入使用，两机各完成约2km的掘进施工内容（2008.07~2009.03）；
之后于2010年01月份转运至成都地铁某标段标项目进行该项目的掘进施工，从投入使用至今，S-471盾构机共计完成770环（1155m）的掘进施工内容，S-470盾构机共计完成480环（约计720米）的掘进施工内容。
据统计在深圳地铁中掘进施工S-471盾构机月平均速度可达210环，S-470盾构机月平均进度可到210环；
在成都地铁某标段掘进施工S-471盾构机月平均速度可达250米/月，S-470盾构机月平均进度可到230米/月，均可到达施工要求。
在完成成都地铁2号线某标段项目的掘进施工后，进行盾构机的拆解吊出作业；
在完成吊出作业后立刻着手5#、6#两台盾构机的针对性改造和维护保养工作，使两台盾构机能以良好的状态投入到新标段的施工掘进中。
确保可于2012年4月14日下井组装。
（1）盾构机改造设计
针对性进行盾构机的改造设计，不追求单项性能的高指标，平衡掘进中各种相互矛盾的功能要求，考虑最佳的综合性能指标，使之更好地适应成都工程水文地质及本标段地质特点的要求。
盾构机改造的主要内容：
刀盘重新设计制造，注浆系统功能改造及其他系统功能的针对性改造等。
盾构机刀盘重新设计制造的计划时间：
2011年9月1日～2012年3月3日。
盾构机改造的方式：
联系海瑞克公司，依据本标段工程地质情况，做出针对性的功能设计和完善。
（2）盾构机维修、改造进度
根据S-470/S-471两台盾构机的现状及使用情况，提前制定如表10-2-1所示的维修改造计划。
表10-1-1S-470、S-471盾构机维修改造计划表
内容
工作时间安排
盾构机卫生清洁
2011.09.01~2011.09.10
盾构机本身故障、损坏件整修和更换
2011.09.01~2011.010.05
盾构机改造
2011.11.01~2011.12.20
盾构机刷漆、包装和运输准备
2011.12.21~2011.12.30
盾构机运输至始发场地
2012.02.01~2012.031
1.5.3盾构机使用情况说明
我司S-470、S-471两台盾构机分别与2008年3月和2008年4月出厂，目前两台盾构机均在成都地铁2号某标段项目掘进施工掘进，预计S-471盾构机与S-470盾构机分别于2010年12月下旬和2011年01月下旬可全部完成该项目掘进工作。
目前两台盾构机故障率低，性能稳定。
根据海瑞克制造商提供的证明文件，盾构机的主要部件（主轴承、变速箱、液压泵、液压马达）的设计制造标准不少于10000小时。
现S-471盾构机主轴承使用时间约为1080小时，S-470盾构机主轴承使用时间约为642.5小时，完全可以满足本标段盾构推进的硬件要求。
2盾构机的设计特点和改造方案
针对本标段工程地质情况，结合卵石地层中掘进的经验，吸取其他公司在成都地铁施工中的教训，立足于S-470、S-471两台盾构机部分功能相对于本标段地层的缺陷，进行相关的功能完善和改进。
2.1设计特点
2.1.1基本功能
S-470、S-471两台盾构机配有开挖系统、出碴系统、碴土改良系统、人闸气压装置、保压泵碴系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等。
同时必须配备独立可实施双液注浆的注浆设备和具备超前地质预报和超前注浆设备。
2.1.2功能特点
（1）盾构在灰岩地层施工时重点考虑以下功能：
①考虑到灰岩地层的特点，盾构机必须具备足够的刀盘驱动扭矩和推力；
②足够的刀盘开口率及合理的刀盘形式，刀具的形式及布置设计能最大限度满足不同粒径的灰岩的处理；
③对刀盘开口部分，设置格栅限制通过粒径的尺寸，保证进仓的碴土能顺利通过螺旋输送机；
④盾构机各部位须提前做加强耐磨性，以减少磨损损坏，包括刀盘、刀具、螺旋输送机等易磨损部位。
（2）根据本标段地层特点，盾构在泥岩和粘土层施工时应重点考虑以下功能：
①采用合适的刀盘和合理的刀具配置，适量加大刀盘开口率，减少刀盘接触面积，刀具和刀盘开口布置及主动和被动搅拌棒的布置须充分考虑预防“泥饼”的因素；
②要求盾构机必须具备对刀盘和土仓有高压水（能添加粘土分散剂）清洗的功能，必要时通过人闸系统人工清理泥饼；
③通过注入泡沫，对土壤进行调节，经过泡沫调节的土壤降低了对盾构机的附着性，同时具有良好的流动性和弹性，便于螺旋出土器排出；
④通过土舱喷水也可以充分离析粘土，提高粘土的流动性和出土效率。
2.2针对含灰岩地层的改造方案
区间虽然大部分地层以砂层和粉质粘土层为主，但是隧道线路即将到达广州北站处存在一段上软下硬地层以及全断面的<
8C-1>
的中风化灰岩。
所以需要对两台盾构机进行改造。
2.2.1刀盘驱动及主轴承密封系统
（1）刀盘驱动装置通过唇形密封来负责轴向密封，可抵抗1.0Mpa的水压。
（2）灰岩的摩擦阻力较大，盾构刀盘扭矩一般较大，而且施工中常会出现刀盘扭矩瞬间过大的现象。
把盾构机刀盘额定扭矩设计为4500kN·
m，能够满足灰岩地层的隧道施工要求。
2.2.2刀盘刀具布置
针对本标段地层情况，我司已与广州海瑞克公司联系，设计一款新型刀盘，以适应广州地铁灰岩地质的掘进，软硬岩刀具基座相同，刀具可互换，并可以从刀盘背后更换。
硬岩刀具布局：
32把单刃宽刃滚刀，4把中心双刃宽刃滚刀，28把铲刀，32把周边刮刀。
软岩刀盘布局：
将中心4把中心双刃滚刀换装为4把中心双刃重型齿刀，32把单刃滚刀更换为单刃重型齿刀，保留28把铲刀，32把周边刮刀。
刀盘开口率35%。
使粒径小于340mm的碴土能顺畅通过，有利于降低掘进时的推力，使刀具的磨损减到最小。
实践证明，这样的刀具布置是适合成都地层的，最大限度减少了刀具的磨损，每盘刀具最长掘进距离达300余米。
2.2.3刀盘和刀具的改进
（1）周边刮刀（宽250mm）
实践证明，双式栓接的大尺寸刮刀工作效率较高，这种刮刀更加耐用，耐碰撞。
为了增加刮刀的耐磨性，正面镶嵌4排合金柱，背部镶嵌1排合金柱+60mm宽的耐磨堆焊（厚4～6mm）。
另外，在每个开口旁的刮刀空隙增加四把刀，以提高进碴效率。
（2）铲刀
铲刀也为双式栓接，迎土正面和侧面均采用耐磨堆焊。
（3）重型齿刀
根据灰岩特点，大部分无须破碎可直接入仓，以刮土入仓为理念，新设计了两种单刃重型齿刀，最大高出面板215mm，如图10-1-2和图10-1-3所示。
特别是第一种重型齿刀，对于提高灰岩地层中的掘进效率提高非常明显，一般掘进速度可达20～30mm/min。
对于中心部分，则应用双刃重型齿刀。
图10-1-2重型齿刀一图10-1-3重型齿刀二
（4）可更换刀具
本盾构刀盘中，所有滚刀都可以与齿刀互换。
当预计将遇到强风化泥岩或，可以安装滚刀来增加刀盘的破岩能力；
（5）刀盘耐磨保护
图10-1-4刀盘耐磨板
在灰岩地层中掘进，刀盘正面及边缘的磨耗都非常大，需在刀盘正面和边缘等部位增加20mm厚的hardox500耐磨板，镶嵌硬质合金，以增加刀盘耐磨性。
如右图10-1-4所示。
（6）挡板
换刀过程中为了加强开挖面的防护，将有人工布置的挡板挡住刀盘背部开口处（背部预留U型接口），尤其是边缘区域。
2.2.4螺旋输送机
（1）鉴于灰岩地层较强的磨损力，将在螺旋输送机的前3节螺旋叶片上增加通过栓接方式固定在螺旋上的耐磨保护块，见图10-1-5；
其余磨损相对较弱部分也须焊耐磨保护板。
图10-1-5螺旋机耐磨块示意图
（2）螺旋机叶片具备足够的刚度和强度。
2.2.5压缩空气气源
在透气性能较高地段，盾构机后配套原本所配置的两台空气压缩机（55KW/台）在供气量不足以保持土仓所需设定的压力时，可通过增加压缩气气源，即增加空气压缩机数量，以保证气压开仓时有足够的压缩气体供应，保证气压开仓和正常掘进时土仓压力的稳定和安全。
S-470、S-471两台盾构机均具备工业供气备用管路系统。
同时可通过压缩空气自动调节系统，自动调节土仓内气体压力，保持土仓内压力的恒定，保证安全。
2.2.6防泥饼措施
除了灰岩全断面岩层之外还存在大量的粘土，渗透性普遍偏低，在大推力、高扭矩的情况下，容易形成泥饼。
通过配置强大的碴土改良系统，在土仓内和刀盘面加水、加泡沫，同时调整土仓压力，可以有效的消减碴土的粘性。
施工中采取的主要技术措施如下：
①加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态。
②刀盘前部中心部位布置有泥浆及泡沫注入孔，增加泥浆和泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。
③土舱内水、土、气压力设定值不宜过高，应设法减少刀盘与正面岩土的挤压应力。
④在土舱内加以适当的气压，采用大直径螺旋输送机，提高排土能力。
2盾构机的设计特点
2.1工程地质条件针对性强
本标段盾构隧道主要穿越<
中粗砂层和<
4N-2>
粘土。
依据业主提供的地质报告资料及左、右线隧道的地质纵剖面图，由海瑞克公司专门针对本标段地质情况进行设计，包括整机结构、刀盘型式、刀具配置、刀盘扭矩和掘进推力提供方式、预防喷涌措施、动力设备配置等，都是针对本工程的特点，有针对性地进行配置，确保工程的顺利进展。
2.2盾构机整机设计完善
海瑞克公司生产的盾构机以其强大的适应性，在广州市轨道交通土建工程中取得了巨大的成功。
此次针对本工程的地质条件，有针对性地做出适当改善，提高整机性能，对地层的适应性更强，能够满足复杂地层、软硬交错地层等特殊地质的施工。
在整机配置方面，不仅增强了各个重要部件的功能，如改善人闸系统，提高螺旋输送机的出土能力，而且安装了保压泵喳装置，预防施工过程中可能出现的喷涌。
刀盘开挖范围调整到6280mm，盾体外径6250mm，可防止盾构机在硬岩中卡壳。
2.3刀盘、刀具设计对地层的适应性
充分研究地质勘探资料，结合盾构机制造经验，适当提高刀盘的抗压强度，增强刀具的破岩能力，增加耐磨性，保证刀盘在掘进过程中不变形、少磨损。
刀盘设计、刀具配置详见本章§
3刀盘、刀具设计及对地层的适应性。
2.4工程进度有保证
2.4.1盾构机改造工期保证
海瑞克公司拥有强大的盾构机生产能力，具有多年盾构机生产经验，自身实力较强，对盾构机的生产工艺把握能力较强，能够按工程实际在盾构机生产中做出适应性强的改善设计。
通过多年与施工单位交流，海瑞克公司对广东的地质条件较熟悉，因此，对盾构机的适应性把握更强，改造工期相应比较稳定，保证能够在规定的时间将盾构机运抵施工场地。
2.4.2掘进进度保证
海瑞克公司的盾构机最大掘进速度80mm/min，刀盘转速最大可达6.1rpm，即使在硬岩中，刀盘转速也可以控制在0～4.5rpm。
从理论掘进速度来看，完全能够满足工期要求。
且在深圳地铁和成都工程实际应用中也取得了比较理想的成绩，无论是机械设备本身还是掘进进度，都能够让人信服。
2.5盾构机机体尺寸选择
盾构机掘进时，必须给予重视的是如何防止掘削中的上部土体的坍方。
因此在本标段使用的盾构机就这一问题进行考虑，采用盾构机机体的前、后体直径取相同直径Φ6250mm。
掘进这种场合的岩石时会夹入粉尘和细小岩石块，增加与机体的摩擦力，使所需推力急剧上升。
当施工中发生这一情况时，作为处理措施，在机体的中体部外周侧配备了注浆管，通过该注浆管注入膨润土等润滑剂，来降低机体外周的摩擦力。
盾构机机体尺寸一般考虑在不同地层中采用不同的筒体尺寸以更好地适应盾构掘进，尺寸选择对比如表2-1所示。
表2-1不同地层中不同筒体尺寸比较
盾构机掘进软弱地层
TBM（硬岩掘进）
盾构机体尺寸
长处
·
盾尾空隙小，难以引起地基沉降。
当掘削硬岩时，盾尾空隙很难夹入粉尘和细小的岩石块
短处
在掘削岩石层时，有时容易夹入粉尘和细小岩石块、和与机体的摩擦力变大的情况。
盾尾空隙大，容易引起地基沉降。
壁后注浆材料容易回流到前面，机体容易被注浆材料粘附。
盾尾空隙大，盾构机姿态难以控制。
2.6压缩空气气源
针对砂层透气性高的特点，盾构机后配套原本所配置的两台空气压缩机
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