泥水盾構PPT課件

泥水平衡盾構及隧道掘進技術綜述 中交隧道局南京緯三路過江通道工程 中交隧道局南京緯三路過江通道 1 目錄 中交隧道局南京緯三路過江通道 2 泥水平衡盾構基本原理泥水平衡盾構特點泥水平衡盾構工作原理 中交隧道局南京緯三路過江通道 3 泥水平衡盾構是在機械式盾構刀盤的后側 設置一道封閉隔板 隔板與刀盤間的空間定義為泥水倉艙 把水 膨潤土 及添加劑混合制成的泥水 經(jīng)輸送管道壓入泥水艙 待泥水充滿整個泥水艙 并具有一定壓力 形成泥水壓力室 通過泥水的加壓作用和壓力保持機構 能夠維持開挖工作面的穩(wěn)定 盾構推進時 旋轉刀盤削切下來的土砂經(jīng)攪拌裝置攪拌后形成高濃度泥水 用流體輸送方式送到地面泥水分析系統(tǒng) 將碴土 水分離后重新送回泥水艙 這就是泥水氣壓平衡盾構法的主要特征 泥水平衡盾構基本原理 中交隧道局南京緯三路過江通道 4 中交隧道局南京緯三路過江通道 盾構機圖 5 南京緯三路越江隧道工程采用開挖直徑 15 02m泥水平衡復合式盾構機 設計滿足施工水壓達0 77MPa 石英含量高達50 的砂卵層 強度可達120MPa的巖層 粘土層 特別是上軟下硬的復合地層施工技術要求 盾構機全長133m 分為盾體和后配套設備兩部分 其中盾體長度為14 58m 包括切口環(huán) 承壓環(huán) 盾尾三部分組成 氣墊艙則位于切口環(huán)內(nèi) 通過高壓氣體平衡開挖面土體的穩(wěn)定性 后配套分3節(jié)臺車 采用衍架結構 臺車之間通過連接銷和牽引油缸連接 按工作內(nèi)容和性質主要可劃分為刀盤 推進系統(tǒng) 拼裝系統(tǒng) 同步注漿系統(tǒng) 環(huán)流系統(tǒng) 管片運輸系統(tǒng) 空氣系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)等 南京緯三路泥水平衡復合式盾構機 中交隧道局南京緯三路過江通道 6 南京緯三路泥水平衡復合式盾構機 中交隧道局南京緯三路過江通道 7 在易發(fā)生流沙的地層中能穩(wěn)定開挖面 可在正常大氣壓下施工作業(yè) 泥水傳遞速度快而且均勻 開挖面平衡土壓力的控制精度高 對開挖面周圍土體的干擾少 地面沉降量控制精度高 盾構出土 減少了運輸車輛 進度快 刀盤 刀具磨損小 適合長距離施工 刀盤扭矩小 更適合大直徑盾構隧道施工 適用于軟弱的淤泥質黏土層 松散的砂土層 砂礫層 卵石層和硬土的互層等底層 特別適用于地層含水量大 上方有水體的過江隧道和海底隧道 泥水盾構施工的特點 中交隧道局南京緯三路過江通道 8 泥水氣壓平衡式盾構機適用于地下水壓大 一般0 25 0 3Mpa以上 土體滲透系數(shù)大的地質狀況 依靠泥水在切削面形成泥膜 通過加氣壓來調(diào)整泥水的壓力達到切削面的穩(wěn)定 其特點是泥水輸送系統(tǒng)不參與壓力調(diào)節(jié) 其壓力艙由泥水艙 開挖艙 和氣墊艙組成 通過改變氣墊艙的壓力 間接調(diào)整泥水艙的工作壓力 這種控制方式反應靈敏 控制精度高 泥水艙內(nèi)部的泥水在壓力作用下 能夠迅速滲入開挖面形成泥膜 由于泥水輸送系統(tǒng)不參與壓力調(diào)節(jié) 因此 可以選用更大功率的輸送泵將開挖的渣土以泥漿的形式泵送至隧道外 可以選用大管徑的輸送管 具有作業(yè)效率高 環(huán)境清潔的特點 地面需要設置泥水處理系統(tǒng) 以供給適合的泥水 處理切削出的渣土 泥水平衡盾構工作原理 中交隧道局南京緯三路過江通道 9 泥水平衡盾構工作原理 中交隧道局南京緯三路過江通道 10 泥水平衡盾構工作原理 刀盤系統(tǒng)推進系統(tǒng)拼裝系統(tǒng)同步注漿系統(tǒng)環(huán)流系統(tǒng)管片運輸系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 11 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 刀盤刀具的配置情況刀盤采用輻條 面板式 開挖直徑達15 02m 開口率25 7 其主要材料采用合金結構鋼Q345B 結構表面焊接耐磨板 HARDOX500 輻條及面板厚度100mm 外周圓弧板厚度120mm 驅動方式采用電機驅動 250KW 6P 690V 40Hz 15個 中心回轉接頭配置液壓油管和磨損檢測線路 可以實現(xiàn)刀盤部分刀具的動作以及刀具磨損情況分析 中交隧道局南京緯三路過江通道 12 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 刀具配置設計理念盾構機在粘土層 砂層中掘進時 主要依靠先行刀和可更換式切削刀挖掘軟土 距離面板高度為200mm 刀具可通過磨損檢測裝置檢查 當需要更換切削刀時 可采用常壓換刀方式 作業(yè)人員通過常壓通道進入密閉輻條內(nèi) 按作業(yè)流程更換切削刀 盾構機穿越砂卵層 巖層前 先加裝刀座將切削刀回縮100mm 此后 掘進過程中主要依靠輻條面板上預裝滾刀挖掘巖土 距離面板高度為160mm 并且面板布置38把備用可推出式滾刀 與面板高度齊平 當檢查滾刀磨損嚴重時 可通過帶壓換刀方式進行滾刀更換 中交隧道局南京緯三路過江通道 13 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 14 刀具種類 A 先行刀 預松巖土 B 主切刀 切削巖土 C 刮刀 鏟土入倉 D 滾刀 挖掘巖層 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 15 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 16 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 刀盤驅動滑動裝置通過對盾構機刀盤 驅動部深化設計 創(chuàng)新研制出刀盤 驅動部滑動裝置 運用其功能特性 使刀盤整體脫離開挖面土體 不僅在刀具更換過程中 給新刀具留有足夠的余量 減小刀具安裝阻力 而且在盾構施工中可作為刀盤脫困應急方案 當?shù)侗P扭矩達到上限時 通過該系統(tǒng)可減少掌子面土體作用在刀盤上的扭矩 使盾構機恢復到正常掘進工作中 滑動裝置工作機理是通過液壓油缸 4000KN 150S 35MPa 24個 作用于驅動部 使總重達1000T刀盤 驅動裝置整體縱向移動100mm 通過鎖緊油缸 17KN 280S 14MPa 24個 實現(xiàn)滑動裝置制動功能 中交隧道局南京緯三路過江通道 17 緯三路泥水平衡盾構機刀盤系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 18 緯三路泥水平衡盾構機推進系統(tǒng) 推進系統(tǒng)泵單元由4個液壓泵 1個先導泵組成 通過若干電磁先導液壓閥塊控制流體介質的流量 方向 壓力三個參數(shù) 從而實現(xiàn)油缸的伸縮功能 本盾構機采用58根 29組 液壓油缸 分為上 下 左 右四個區(qū)域 油缸最大行程3200mm 通過檢測NO1 NO15 NO29 NO44號油缸來測定該區(qū)油缸行程 每組油缸端部設有萬向接頭撐靴 表面加裝防護板 當盾構掘進時 運用油缸撐靴與管片之間反作用力 為盾構及后配套設備提供前進動力 中交隧道局南京緯三路過江通道 19 緯三路泥水平衡盾構機拼裝系統(tǒng) 管片拼裝機是隧道施工用的盾構掘進機中的重要部件之一 可以用于安裝預制好的鋼筋混凝土管片以及鋪設1 臺車軌道船底板 盾構機向前掘進后 必須用管片拼裝成隧道襯砌 以此保護開挖好的隧道表面土體穩(wěn)定性 管片拼裝系統(tǒng)由中心支撐回轉機構 水平行走機構及徑向油缸伸縮機構等組成 管片的對中 就位則通過真空吸盤來調(diào)整拼裝精度 從而實現(xiàn)平移 回轉 升降 偏轉 俯仰 橫搖6個自由度 連鎖保護裝置設置 平移油缸行程3272mm k segment 伸縮油缸行程2000mm k管片行程500mm 中交隧道局南京緯三路過江通道 20 拼裝機 中交隧道局南京緯三路過江通道 21 緯三路泥水平衡盾構機注漿系統(tǒng) 注漿裝置位于1 臺車中間 主要包括三個注漿泵 漿液箱及管路等組成 盾尾注漿管共計12個 6用6備 均勻分部在盾尾上 盾構機掘進時 注漿泵將漿箱中的漿液泵送至盾尾同步注漿管 漿液凝固后就可以起到穩(wěn)定管片和地層的作用 為了適應掘進速度的快慢 可根據(jù)盾尾壓力來控制注漿量的大小 同步注漿時 應注意以下兩點 一是保證盾尾油脂密封不會被擊穿 管片不會受到過大的壓力 二是保證周圍土層較小擾動 本系統(tǒng)采用自動注漿方式 預先設定好注漿流量值 當盾構機掘進時 自動進行盾尾注漿 中交隧道局南京緯三路過江通道 22 注漿系統(tǒng)界面 中交隧道局南京緯三路過江通道 23 緯三路泥水平衡盾構機環(huán)流系統(tǒng) 作為泥水盾構機 環(huán)流系統(tǒng)對切削巖土外排起到至關重要的作用 通過送泥泵將新漿送至刀盤泥水艙內(nèi) 刀盤及攪拌棒將切削巖土與漿液攪拌混合 通過排泥泵將流體介質外排至地上泥水處理系統(tǒng) 本隧道采用送泥泵2臺 排泥泵3臺 20英寸泥漿管若干 操作泥水控制閥可實現(xiàn)正循環(huán) 反循環(huán) 旁通循環(huán)三種模式 其中 泥水艙作業(yè)面內(nèi)主送泥管分成4個 10英寸 進漿管及中心回轉周圍6個 6英寸 沖洗管路 主排泥管1路 20英寸 并且設計2個備用排泥管路 在盾體內(nèi)碎石機后方與主排泥管路交匯 中交隧道局南京緯三路過江通道 24 泥水倉 中交隧道局南京緯三路過江通道 25 緯三路泥水平衡盾構機管片運輸系統(tǒng) 管片行車為滿足南京市緯三路越江隧道泥水氣壓平衡復合式盾構機同步施工專用管片與口子件起重搬運系統(tǒng)的需要 對于超大型盾構機專用的管片搬運裝置系統(tǒng) 在設計中首創(chuàng)使用起重桁架式結構 根據(jù)不同管片的特點 設計了三種管片搬運行車 雙管片行車安裝在2 臺車桁架的上方 桁架內(nèi)中部為口子件吊車 前下方為單管片吊車 設計上要求三部吊車有聯(lián)鎖保護功能 并能滿足隧道內(nèi)復雜作業(yè)條件 中交隧道局南京緯三路過江通道 26 緯三路泥水平衡盾構機管片運輸系統(tǒng) 口子件行車該行車位于2 臺車下層 最大起重量為20T 每次可拼裝一塊箱涵 通過行車將運輸車上的箱涵吊起運輸至安裝位置后 通過液壓馬達旋轉90 結合橫向移動油缸調(diào)整其基準位置及標高 箱涵之間通過螺栓連接 箱涵安裝完成后 兩側鋼筋混凝土澆筑 并按期養(yǎng)護一定時間 確保盾構三 臺車行走機構強度要求 中交隧道局南京緯三路過江通道 27 緯三路泥水平衡盾構機管片運輸系統(tǒng) 雙管片行車雙管片行車作為管片運輸系統(tǒng)中重要設備 最大起重量為40T 每次可搬運兩塊管片 節(jié)省管片運輸時間 工作時 由2 臺車后端起吊 通過臺車內(nèi)部運輸至前端 將管片放置在單管片接收平臺上 整個運輸過程可以實現(xiàn)人工及半自動兩種控制方式 中交隧道局南京緯三路過江通道 28 緯三路泥水平衡盾構機管片運輸系統(tǒng) 單管片行車該行車位于1 臺車后部 主要用于油脂搬運及接受平臺上管片的轉移 最大起重量為20T 每次可起吊一塊管片 當行車起吊接收平臺上放置的管片時 運用液壓油缸實現(xiàn)管片開啟和閉合 運用旋轉馬達將管片整體旋轉 90 通過液壓系統(tǒng)還可以調(diào)整管片位置精度 并放置在管片供給裝置末端接收段 中交隧道局南京緯三路過江通道 29 緯三路泥水平衡盾構機管片運輸系統(tǒng) 管片供給裝置該裝置位于1 臺車下方 船底板上方 通過牽引油缸與盾構臺車連接 裝置末端可接收單管片行車輸送的管片 運送方式通過集成液壓千斤頂群整體移動管片 此外 為了防止管片破損 加裝橡膠等保護材料 在盾構機掘進時 整個裝置可儲存一環(huán)管片 通過有線界面可控制管片供給裝置的前進 后退和搬運速度 中交隧道局南京緯三路過江通道 30 篩分壓濾系統(tǒng)制漿系統(tǒng)調(diào)漿系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 31 緯三路泥水平衡盾構機泥水處理系統(tǒng) 泥漿處理系統(tǒng)由篩分系統(tǒng) 壓濾系統(tǒng) 制漿系統(tǒng) 調(diào)漿系統(tǒng)等構成 通過管路連接使各系統(tǒng)單元組合在一起 達到盾構機泥水循環(huán)泥漿指標要求的目的 篩分本項目泥水處理系統(tǒng)采用型號為ZX 3000篩分處理設備 總機泥水處理量為3 1000m3 h 篩分設備分為三個泥水處理單元 每個單元又由9個框架3層結構構成 設備總重量108t 裝機功率1500KW 篩分設備結構圖如下 中交隧道局南京緯三路過江通道 32 泥水處理系統(tǒng) 中交隧道局南京緯三路過江通道 33 緯三路泥水平衡盾構機泥水處理系統(tǒng) 壓濾系統(tǒng)本系統(tǒng)采用型號為KZGSF600 2000 U壓濾機 整個設計過程中最為重要的是通過循環(huán)泥漿的物質平衡計算 提高前二級旋流分離渣土量 同時采取措施降低三級泥漿處理量 在確保三級泥漿處理效果的基礎上 保證盾構泥水循環(huán)系統(tǒng)泥漿比重穩(wěn)定 當二級旋流分離設備不能達標時 從其處理后的泥漿中以一定的比例取出部分泥漿 對這部分泥漿進行濃縮后 根據(jù)其性狀判斷是否需要進一步加入絮凝或助濾劑 壓濾處理以獨特的分段壓濾方式進行 壓濾后渣料含水率低至28 可以車裝直接外運 壓濾后回收的清水直接回調(diào)漿池與二級旋流后的泥漿混合 使比重還原到進泥所需之值 中交隧道局南京緯三路過江通道 34 中交隧道局南京緯三路過江通道 35 緯三路泥水平衡盾構機泥水處理系統(tǒng) 制漿系統(tǒng)全自動制漿系統(tǒng)QZJ 200從上料 水 稱重 攪拌到輸送全過程均為自動控制運行 亦可人為干預 具有制漿速度快 漿液攪拌均勻等特點 通過上位機預設定水灰比 可靈活配制從1 05 1 20g cm3之間不同密度的漿液 制漿時間可調(diào) 每個制漿周期耗時最多3 5分鐘 足以滿足應急補漿所需 中交隧道局南京緯三路過江通道 36 中交隧道局南京緯三路過江通道 37 緯三路泥水平衡盾構機泥水處理系統(tǒng) 調(diào)漿系統(tǒng)調(diào)漿系統(tǒng)由不同功用的泥漿池 泵組 管閥 自動檢測儀器以及相關的控制部分組合而成 其主要功能是對泥漿處理系統(tǒng)的泥漿進行分配 循環(huán) 沉淀和調(diào)整 操作人員可以在集中控制室對泥漿的流向 比重和流量予以監(jiān)控 調(diào)漿系統(tǒng)的組成為 循環(huán)泵1套 補漿泵1套 供漿泵1套 清水泵2套 清淤泵2套 化學泵2套 污水泵若干 自行式機械式攪拌器3套 泥漿比重計1套 液位傳感器若干 閥門若干 沉淀池若干 清水池1個 藥池2個 膨化池1個 儲漿池1個 調(diào)漿池1個 和回漿池1個 中交隧道局南京緯三路過江通道 38 中交隧道局南京緯三路過江通道 39 盾構機掘進技術盾構機參數(shù)選擇管片拼裝質量盾構線性控制同步注漿 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 40 盾構機掘進參數(shù)選擇盾構機掘進過程主要包括以下主要參數(shù) 扭矩 推進壓力 推進速度 俯仰角 滾動角 總推力 盾構機掘進參數(shù)的設置直接影響掌子面穩(wěn)定 盾構中心理論切口水壓的確定對盾構機掘進參數(shù)的選擇具有重要的參考意義 其計算公式如下 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 41 切口壓力計算 中交隧道局南京緯三路過江通道 42 盾構機掘進參數(shù)選擇南京市緯三路過江通道工程地質條件復雜 穿越不同地質掘進參數(shù)不盡相同 結合本工程特點總結如下表 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 43 管片拼裝質量管片拼裝式盾構法施工的重要環(huán)節(jié) 其拼裝質量的好壞不僅直接關系到成洞的質量 而且對盾構機能否繼續(xù)順利推進有著直接的影響 因此管片拼裝前仍要進行一次檢查再次確認管片種類正確 質量完好無缺和密封墊黏結無脫落 管片的吊裝孔預埋位置正確 封堵蓋完好無損 以及其他主要預埋件和混凝土的握裹牢固 管片接頭使用的螺栓 螺母 墊圈 螺栓防水用密封墊等附件準備齊全后 才允許拼裝 每環(huán)管片拼裝結束后要及時擰緊各個方向的螺栓 且在該環(huán)脫出盾尾后再次擰緊 通縫 錯縫 通用楔形 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 44 中交隧道局南京緯三路過江通道 45 管片拼裝質量根據(jù) 盾構法隧道施工與驗收規(guī)范 GB50446 2008 的表9 4得知 襯砌環(huán)直徑橢圓度允許偏差在 6 D之間 管片內(nèi)徑D為13300mm 故本項目襯砌環(huán)直徑橢圓度允許偏差在 80mm之間 相鄰管片的徑向錯臺不大于6mm 相鄰管片環(huán)面錯臺不大于7mm 要求合格率達到85 以上 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 46 管片拼裝質量 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 47 盾構線形控制線形控制的主要任務是通過控制盾構姿態(tài) 使構建的襯砌結構幾何中心線線形順滑 且位于偏離設計中心線的容許誤差范圍內(nèi) 盾構機線性控制基本原則如下 偏離量增大之前及早修正在手場地限制不能修正 按現(xiàn)時方向掘進的場合下 可超前10 20m處的通常偏離量預測遵循偏離量的管理值和允許值 確立偏離修正方法 盾構機掘進技術 中交隧道局南京緯三路過江通道 48 盾構線形控制第一步 決定方向修正量在決定盾構方向修正量時 應進行盾構位置 方向變化的模擬 必須明確偏離修正的方針 通過盾構推進微小距離時對應的方向變化角確定對應計劃線性的偏離量 必須注意盾構的實際掘進方向與其姿態(tài) 方向是不一致的 特別是縱斷方向的盾構高程變化 由盾構自重力與地耐力的關系可知 盾構的方向與實際掘進的方向存在一定的差異 在預測盾構位置時 應選用包含這種變化的模型決定方向修正量 在掌握盾構變化時 應考慮給出某方向修正量時偏離量變化的實績值 為此 應做出描繪盾構偏離狀態(tài)的圖面 分析傾向作必要管理 隨后用計算機分析處理這種傾向 最后提升為成果的事例 也要有報告 盾構機掘進技術 49 盾構線形控制第二步 方向控制方法盾構的方向修正基本上靠選擇推進千斤頂進行 即利用所謂的千斤頂單側推進 把修正方向的可以上下左右旋轉的力矩作用到盾構機上 決定盾構機規(guī)格時 應考慮隧道線形 最小曲線半徑 土質等因素 并充分地討論裝備推力 千斤頂條數(shù)和分布 且留有裝備裕度 在急彎曲線施工 平面和縱斷復合曲線的施工中 因為選擇千斤頂時受模式限制 故必須考慮裝備中折機構 提高曲線施工性 盾構機掘進技術 50 盾構線形控制第三步 推進中的方向變化管理方向修正量 就平面方向而言 通常是把方向角變化量 或者掘削面至盾尾偏移量的變化量換算成左右推進千斤頂行程的變化量 對縱斷方向而言 同樣是換算成上下千斤頂?shù)男谐套兓?或者利用傾斜計給出縱向變化量 盾構機掘進技術 51 同步注漿由于盾構的外徑大于管片的直徑 隨著盾構的推進 在管片與土體之間將產(chǎn)生建筑空隙 盾構同步注漿就是在隧道內(nèi)將具有適當早期及最終強度的材料 通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管 在盾構向前推進 盾尾空隙形成的同時進行 漿液在盾尾空隙形成的瞬間及時填充 從而使周圍巖土及時獲得支撐 可有效地防止巖體坍塌 控制地表沉降 同步注漿主要技術參數(shù)有 注漿量 注漿壓力 注漿速度 盾構機掘進技術 中交隧道局南