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摘要:泥水平衡盾构适合多种恶劣环境施工,尤其是穿江越海。本文以南水北调穿黄隧道为实例,简述泥水盾构掘进在不同地质层中的风险和操作控制。
关键字:泥水盾构机;地质层;操作
中图分类号: F407 文献标识码: A 文章编号:
工程简介
1、工程概况:南水北调中线穿黄隧洞包括3450m过黄河隧洞和800m邙山隧洞,采用一台泥水平衡式盾构机自北向南推进,埋深45m隧道施工。隧道直径9m,采用预制混凝土管片拼装支护方式。
2、工程地质:根据勘探资料,隧道大约由以下地质层构成:1)全土层:由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、淤泥质粉质粘土、砂壤土中的一种或几种组成,所占隧洞总长度的13.2% ;2)全砂层:由粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂中的一种或几种组成,所占隧洞总长度的25.6%;3)复合层:由全土层和全砂层中的任何两种或以上组成,所占隧洞总长度的15.0%;4)砂砾石层:只要含有砂砾石层就作为单独的一层,所占隧洞总长度的34.5%;5)钙质结核土层:层中只要含有钙质结构就作为单独的一层,所占隧洞总长度的11.7%;地质结构复杂多变。
盾构机的选择
1、盾构机的分类与区别
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine简称TBM)大体分为硬岩掘进机、土压平横盾构机、泥水平衡盾构机和顶管机四类。硬岩掘进机用于地质稳定性较好的隧道工程,比如岩石层,一般用于山体隧道;顶管机一般用于距离短、直径小,地质疏松的小型直线隧道;土压平衡盾构(EPB)一般用于沙、水含量较少的地质,它是通过螺旋输送机出渣同时控制出渣量来保持压力平衡;泥水平衡盾构(slurry)用于地质变化大、条件比较恶劣的环境下,通过进、排泥浆管道出渣同时保持泥浆在气垫仓的液位保持盾构平衡,并且地面配备泥水分离设备。他们的区别主要在于出渣方式不同。本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但土压平衡盾构一般只适应0.3MPa以下的水压,本工程水压高达0.45MPa,因此选用泥水平衡盾构。
2、加压式泥水平衡盾构工作原理
泥水平衡盾构是通过对泥浆压力进行调节和控制建立平衡、保证掘进的,采用膨润土悬浮液(俗称泥浆)作为支护材料。泥浆有两个作用:1)、在隧道开挖仓形成泥膜,支撑掌子面,防止隧道上方坍塌;2)、将掘进开挖出的渣土通过进、排泥浆将渣土悬浮于膨润土浆液中,通过管道泵出至配套的泥水处理设备进行分离。泥浆再通过沉淀调制,重复使用。泥水盾构适用的地质范围较大,从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
泥水盾构的掘进模式采用气压模式,其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾
构的泥水仓内插装一道半隔板(如图[8]),在半隔板前(即开挖舱,如图[4])充以压力泥浆,顶部掌子面压力等于埋深的压力。在半隔板后面(即气垫仓,如图[3])盾构轴心线以上部分充以压缩空气(如图[7]),形成空气缓冲层,气压作用在隔板后面与泥浆接触面上,由于接触面上气、液具有相同压力,因此只要调节空气压力,就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。当盾构掘进时,有时由于泥浆的流失,或推进速度的变化,进、排泥浆量将会失去平衡(如图[3、6、9、10]均为进浆管,[11]为排浆管),气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器,根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速,使液位恢复到设定位置,以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说,供泥浆泵输出量随液位下降而增加,随液位上升而减小,另外在液位最高和最低处设有限位器,当液位达到最高位时,停止供泥浆泵,当液位降低到最低位时,则停止排泥浆泵。由于空气缓冲层的弹性作用,当液位波动时,对支护泥浆压力变化无明显影响。
3、基本配置要求
泥水加压平衡盾构由掘进系统、同步注浆系统、泥水输送系统、综合管理系统、泥水分离系统等五大系统组成;具有泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、自动控制及故障显示功能、方向控制功能、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离等基本功能。
三、不同地质层掘进的风险问题与操作控制
1、盾构机在砂层掘进的风险和操作控制
由于砂子颗粒的流动性和不稳定性,在砂层掘进时特点为推力小、刀盘扭矩小、掘进速度快,泥水仓液位和压力较容易控制,盾构姿态容易“掉头”;砂层掌子面不稳定,容易造成超挖,操作不当泥水仓液位会迅速的升降,导致掌子面塌方,地面沦陷。同时由于砂子的不连续性且易沉淀,出渣时砂子在管道中沉淀,废渣不易悬浮在泥浆中排出;泥水分离系统分离效果差,使得泥浆质量下降;在掘进时由于与刀具、刀盘的摩擦很容易造成刀具、刀盘磨损;泥浆管路、进、排浆泵等部件亦磨损严重。
根据穿黄盾构经验,在操作掘进时必须控制掘进速度到40-50mm/min,减小刀盘转速(一般控制在1-1.2rps)以增大扭矩,减小刀盘、刀具磨损;适当开启颚式破碎机;盾构机仰俯角保持在1.2—2.0mm/m,保证盾构不“掉头”;增大进、排浆流量,减小对泥浆管道和进、排浆泵的磨损;同时,精细控制气垫仓内泥浆液位,进而使得掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,导致地面隆起或者河面冒泡;精确控制出渣量,避免超挖多排,防止掌子面塌方,地面沦陷。另根据计算,要求膨润土泥浆进浆黏度在22s—25s之间,调高泥浆比重,保证泥浆质量。这样也有利于保护砂子与刀盘刀具、泥浆管道之间的摩擦。若刀盘、刀具磨损严重,在砂层带压换刀比较危险。一般采用冷冻掌子面等办法。
2、在土层掘进的问题和操作控制
在土层中掘进尤其有壤土、古土壤时刀盘刀具最容易形成泥饼包裹刀具,无法达到切削效果;掘进速度较慢,贯入度较小,扭矩较小,掌子面较为稳定;泥土溶解于泥浆中,地面泥浆分离设备分离效果最差。
在土層掘进时,由于刀具形成泥饼,贯入度小,掘进速度一般为20-30mm/min,刀盘转速设定为1.3-1.5rps,破碎机适当破碎与摆动结合;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”,减小刀盘刀具上附着的泥饼;精细控制气垫仓内泥浆液位,使掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,精确控制出渣量,避免超挖多排。由于泥土易溶解于泥浆难以分离,故要求膨润土泥浆进浆黏度在18s—20s之间,降低泥浆比重,弃浆加水,保证泥浆质量。
3、在砂砾石层掘进中的问题与操作控制
在砂砾石层中掘进尤其有大石时,刮刀切削效果差,仅先行刀与滚刀切割石块,刀具磨损较为严重,石块较大时排浆泵涡轮等位置偶尔堵塞;掘进速度适中,扭矩较大,掌子面一般较为稳定,有时会有空洞;地面泥浆分离设备分离效果良好。
在砂砾石层掘进时,由于刀具配置问题,穿黄盾构机仅有6把滚刀,切削效果不好,掘进速度一般控制在20-40mm/min,刀盘转速设定为1.4-1.6rps,破碎机一直处于颚式破碎状态,偶尔摆动;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”;精细控制气垫仓内泥浆液位,使掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,使气垫仓空气压力直接进入掌子面空洞造成地面隆起,精确控制出渣量,避免超挖多排。泥水分离效果良好,泥浆黏度控制在20s-22s。若排浆泵被堵塞,提高排浆泵功率一般可以通过,或者拆开排浆泵挡板清除。
4、在钙质结核层掘进中的问题与操作控制
钙质结核层中大多数为姜结石状或者扁于椭圆状,有很强的胶性且不易破碎,容易形成泥饼包裹刀具影响切削;盾构出渣时很容易胶结成团,堵塞出浆口、管道弯管、排浆泵、泥浆分离设备。使得进、出浆不平衡,气垫仓液位易控制,进浆管压力过高等诸多问题。掘进速度慢,贯入度较小,扭矩大小,掌子面较为稳定;地面泥浆分离设备分离效果良好。
在钙质结核层掘进时,切削、出渣、泥水循环效果不好,掘进速度一般为10-15mm/min,刀盘转速设定为1.4-1.6rps,破碎机一直处于摆动状态,偶尔使用颚式破碎模式,以防颚式使得钙质结核胶结更为严重;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;掘进时增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”;精细控制气垫仓内泥浆液位,使之低于气垫仓中线,避免出浆堵塞瞬间气垫仓泥浆液位迅速上升,从排气孔喷出。泥水分离效果良好,但分离设备分配阀容易堵塞。泥浆黏度控制在18s-20s。若排浆泵被堵塞,停止掘进,提高排浆泵功率,如果气垫仓液位迅速上升,泥浆循环系统马上切换到旁通模式,紧急情况时在旁通模式下关闭气垫仓排气阀;同时调整气垫仓液位和压力,等胶结的堵塞物完全循环出排浆管再行掘进。若出渣口堵塞,可以采用高压反冲洗法慢慢疏通。
5、盾构机在复合层掘进中的问题与操作控制
在复合层中有上砂下土段,有上土下砂段,也有上砂中土下砂砾,期间混杂钙质结核段,综合上述四类掘进中的问题和操作控制要领,根据实际情况应变解决。期间注意盾构姿态控制,下软上硬时盾构会上浮,仰俯角应保持较小甚至为负;下硬上软时盾构会上浮,应保持较打的仰俯角。
6、其他注意问题
在掘进还应注意每环同步注浆量一定满足计算设计,壁后注浆饱满,稳定隧道不易变形;同时盾尾油脂密封应充足,管片质量合格,拼装精细,避免涌水涌砂,如果涌水涌砂严重隧道将会被淹,出现重大事故。
四、结束语
在实际掘进中,穿黄隧道大多为复合型地质,条件复杂,掘进困难,机电故障频出。要求操作人员必须熟悉盾构性能,掌握工作原理,能够熟练、准确、迅速的做出正确操作,避免工程事故。
关键字:泥水盾构机;地质层;操作
中图分类号: F407 文献标识码: A 文章编号:
工程简介
1、工程概况:南水北调中线穿黄隧洞包括3450m过黄河隧洞和800m邙山隧洞,采用一台泥水平衡式盾构机自北向南推进,埋深45m隧道施工。隧道直径9m,采用预制混凝土管片拼装支护方式。
2、工程地质:根据勘探资料,隧道大约由以下地质层构成:1)全土层:由黄土状粉质壤土、古土壤、淤泥、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质壤土、淤泥质粉质粘土、砂壤土中的一种或几种组成,所占隧洞总长度的13.2% ;2)全砂层:由粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂中的一种或几种组成,所占隧洞总长度的25.6%;3)复合层:由全土层和全砂层中的任何两种或以上组成,所占隧洞总长度的15.0%;4)砂砾石层:只要含有砂砾石层就作为单独的一层,所占隧洞总长度的34.5%;5)钙质结核土层:层中只要含有钙质结构就作为单独的一层,所占隧洞总长度的11.7%;地质结构复杂多变。
盾构机的选择
1、盾构机的分类与区别
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine简称TBM)大体分为硬岩掘进机、土压平横盾构机、泥水平衡盾构机和顶管机四类。硬岩掘进机用于地质稳定性较好的隧道工程,比如岩石层,一般用于山体隧道;顶管机一般用于距离短、直径小,地质疏松的小型直线隧道;土压平衡盾构(EPB)一般用于沙、水含量较少的地质,它是通过螺旋输送机出渣同时控制出渣量来保持压力平衡;泥水平衡盾构(slurry)用于地质变化大、条件比较恶劣的环境下,通过进、排泥浆管道出渣同时保持泥浆在气垫仓的液位保持盾构平衡,并且地面配备泥水分离设备。他们的区别主要在于出渣方式不同。本工程可使用加泥式土压平衡盾构和泥水平衡盾构。但土压平衡盾构一般只适应0.3MPa以下的水压,本工程水压高达0.45MPa,因此选用泥水平衡盾构。
2、加压式泥水平衡盾构工作原理
泥水平衡盾构是通过对泥浆压力进行调节和控制建立平衡、保证掘进的,采用膨润土悬浮液(俗称泥浆)作为支护材料。泥浆有两个作用:1)、在隧道开挖仓形成泥膜,支撑掌子面,防止隧道上方坍塌;2)、将掘进开挖出的渣土通过进、排泥浆将渣土悬浮于膨润土浆液中,通过管道泵出至配套的泥水处理设备进行分离。泥浆再通过沉淀调制,重复使用。泥水盾构适用的地质范围较大,从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用。
泥水盾构的掘进模式采用气压模式,其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾
构的泥水仓内插装一道半隔板(如图[8]),在半隔板前(即开挖舱,如图[4])充以压力泥浆,顶部掌子面压力等于埋深的压力。在半隔板后面(即气垫仓,如图[3])盾构轴心线以上部分充以压缩空气(如图[7]),形成空气缓冲层,气压作用在隔板后面与泥浆接触面上,由于接触面上气、液具有相同压力,因此只要调节空气压力,就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。当盾构掘进时,有时由于泥浆的流失,或推进速度的变化,进、排泥浆量将会失去平衡(如图[3、6、9、10]均为进浆管,[11]为排浆管),气液接触面就会出现上下波动现象。通过液位传感器,根据液位的高低变化来操纵供泥浆泵转速,使液位恢复到设定位置,以保持开挖面支护液压的稳定。也就是说,供泥浆泵输出量随液位下降而增加,随液位上升而减小,另外在液位最高和最低处设有限位器,当液位达到最高位时,停止供泥浆泵,当液位降低到最低位时,则停止排泥浆泵。由于空气缓冲层的弹性作用,当液位波动时,对支护泥浆压力变化无明显影响。
3、基本配置要求
泥水加压平衡盾构由掘进系统、同步注浆系统、泥水输送系统、综合管理系统、泥水分离系统等五大系统组成;具有泥水压力平衡功能、泥水输送及管路延伸功能、自动控制及故障显示功能、方向控制功能、数据采集处理和分析功能、管片安装功能、同步注浆功能、泥水分离等基本功能。
三、不同地质层掘进的风险问题与操作控制
1、盾构机在砂层掘进的风险和操作控制
由于砂子颗粒的流动性和不稳定性,在砂层掘进时特点为推力小、刀盘扭矩小、掘进速度快,泥水仓液位和压力较容易控制,盾构姿态容易“掉头”;砂层掌子面不稳定,容易造成超挖,操作不当泥水仓液位会迅速的升降,导致掌子面塌方,地面沦陷。同时由于砂子的不连续性且易沉淀,出渣时砂子在管道中沉淀,废渣不易悬浮在泥浆中排出;泥水分离系统分离效果差,使得泥浆质量下降;在掘进时由于与刀具、刀盘的摩擦很容易造成刀具、刀盘磨损;泥浆管路、进、排浆泵等部件亦磨损严重。
根据穿黄盾构经验,在操作掘进时必须控制掘进速度到40-50mm/min,减小刀盘转速(一般控制在1-1.2rps)以增大扭矩,减小刀盘、刀具磨损;适当开启颚式破碎机;盾构机仰俯角保持在1.2—2.0mm/m,保证盾构不“掉头”;增大进、排浆流量,减小对泥浆管道和进、排浆泵的磨损;同时,精细控制气垫仓内泥浆液位,进而使得掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,导致地面隆起或者河面冒泡;精确控制出渣量,避免超挖多排,防止掌子面塌方,地面沦陷。另根据计算,要求膨润土泥浆进浆黏度在22s—25s之间,调高泥浆比重,保证泥浆质量。这样也有利于保护砂子与刀盘刀具、泥浆管道之间的摩擦。若刀盘、刀具磨损严重,在砂层带压换刀比较危险。一般采用冷冻掌子面等办法。
2、在土层掘进的问题和操作控制
在土层中掘进尤其有壤土、古土壤时刀盘刀具最容易形成泥饼包裹刀具,无法达到切削效果;掘进速度较慢,贯入度较小,扭矩较小,掌子面较为稳定;泥土溶解于泥浆中,地面泥浆分离设备分离效果最差。
在土層掘进时,由于刀具形成泥饼,贯入度小,掘进速度一般为20-30mm/min,刀盘转速设定为1.3-1.5rps,破碎机适当破碎与摆动结合;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”,减小刀盘刀具上附着的泥饼;精细控制气垫仓内泥浆液位,使掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,精确控制出渣量,避免超挖多排。由于泥土易溶解于泥浆难以分离,故要求膨润土泥浆进浆黏度在18s—20s之间,降低泥浆比重,弃浆加水,保证泥浆质量。
3、在砂砾石层掘进中的问题与操作控制
在砂砾石层中掘进尤其有大石时,刮刀切削效果差,仅先行刀与滚刀切割石块,刀具磨损较为严重,石块较大时排浆泵涡轮等位置偶尔堵塞;掘进速度适中,扭矩较大,掌子面一般较为稳定,有时会有空洞;地面泥浆分离设备分离效果良好。
在砂砾石层掘进时,由于刀具配置问题,穿黄盾构机仅有6把滚刀,切削效果不好,掘进速度一般控制在20-40mm/min,刀盘转速设定为1.4-1.6rps,破碎机一直处于颚式破碎状态,偶尔摆动;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”;精细控制气垫仓内泥浆液位,使掌子面压力波动小,防止气垫仓和开挖舱窜通,使气垫仓空气压力直接进入掌子面空洞造成地面隆起,精确控制出渣量,避免超挖多排。泥水分离效果良好,泥浆黏度控制在20s-22s。若排浆泵被堵塞,提高排浆泵功率一般可以通过,或者拆开排浆泵挡板清除。
4、在钙质结核层掘进中的问题与操作控制
钙质结核层中大多数为姜结石状或者扁于椭圆状,有很强的胶性且不易破碎,容易形成泥饼包裹刀具影响切削;盾构出渣时很容易胶结成团,堵塞出浆口、管道弯管、排浆泵、泥浆分离设备。使得进、出浆不平衡,气垫仓液位易控制,进浆管压力过高等诸多问题。掘进速度慢,贯入度较小,扭矩大小,掌子面较为稳定;地面泥浆分离设备分离效果良好。
在钙质结核层掘进时,切削、出渣、泥水循环效果不好,掘进速度一般为10-15mm/min,刀盘转速设定为1.4-1.6rps,破碎机一直处于摆动状态,偶尔使用颚式破碎模式,以防颚式使得钙质结核胶结更为严重;仰俯角保持在0.5—1.0mm/m即可;掘进时增大进、排浆流量,增大开挖舱泥浆冲刷流量和压力,进行“大循环、大冲洗”;精细控制气垫仓内泥浆液位,使之低于气垫仓中线,避免出浆堵塞瞬间气垫仓泥浆液位迅速上升,从排气孔喷出。泥水分离效果良好,但分离设备分配阀容易堵塞。泥浆黏度控制在18s-20s。若排浆泵被堵塞,停止掘进,提高排浆泵功率,如果气垫仓液位迅速上升,泥浆循环系统马上切换到旁通模式,紧急情况时在旁通模式下关闭气垫仓排气阀;同时调整气垫仓液位和压力,等胶结的堵塞物完全循环出排浆管再行掘进。若出渣口堵塞,可以采用高压反冲洗法慢慢疏通。
5、盾构机在复合层掘进中的问题与操作控制
在复合层中有上砂下土段,有上土下砂段,也有上砂中土下砂砾,期间混杂钙质结核段,综合上述四类掘进中的问题和操作控制要领,根据实际情况应变解决。期间注意盾构姿态控制,下软上硬时盾构会上浮,仰俯角应保持较小甚至为负;下硬上软时盾构会上浮,应保持较打的仰俯角。
6、其他注意问题
在掘进还应注意每环同步注浆量一定满足计算设计,壁后注浆饱满,稳定隧道不易变形;同时盾尾油脂密封应充足,管片质量合格,拼装精细,避免涌水涌砂,如果涌水涌砂严重隧道将会被淹,出现重大事故。
四、结束语
在实际掘进中,穿黄隧道大多为复合型地质,条件复杂,掘进困难,机电故障频出。要求操作人员必须熟悉盾构性能,掌握工作原理,能够熟练、准确、迅速的做出正确操作,避免工程事故。