江南大道为杭州市主干道路,位于钱塘江南岸,线路走向基本与钱塘江一致,场区内地表水均受其影响。本工程施工范围内的主要河流为北塘河,施工时需对中兴桥进行拆复建。
盾构机穿越的土层为③-4砂质粉土、③-5砂质粉土夹粉砂、③-6粉砂、③-7砂质粉土、⑥-2淤泥质粉质粘土、⑧-2粉质粘土、⑧-3粉砂、-1粉砂、-4圆砾土。圆砾粒径以0.5～2cm为主,含量15～30%;卵石粒径5～7cm为主,最大粒径超过30cm,含量35～50%。
潜水主要赋存于场区浅部①层人工填土及其下粉性土层内,其富水性和透水性具有各向异性,特别是表部填土层,透水性良好,下部粉性土层透水性稍弱。潜水位埋深为地面下0.7～6.50m,平均水位标高为3.75m。
承压含水层分布于深部的⑧3 粉砂、1 粉砂、4圆砾中,水量丰富,隔水层为上部的淤泥质土和粘土层。
有害气体主要赋存在⑥2层淤泥质粉质黏土和下部⑧2层粉质黏土中(⑥2层和⑧2层均夹较多粉土、粉砂,使之成为较好的储气层),一般实测气压0.01～0.03MPa。
区间长度为北线2258.6m,南线2256.6m;区间平面曲线半径最小800m;区间隧道顶覆土最大37.5m;隧道最大坡度北线4%,南线3.7%。
管片主要设计参数,管片内径10.36m,管片外径11.36m,管片宽度2.0m。
本工程的地质较为复杂,既有粘土、砂土,又有圆砾、卵石,要求盾构机对于变化的地质具有较高的适应能力。
工程中主要的难点和挑战如下:
·盾构穿越粘土层,有结泥饼的风险;
·盾构穿越砂性土和圆砾层,对刀盘和刀具的耐磨性能提出较高要求;
·连续掘进距离较长、地下水位较高,盾构需具备气压开仓换刀功能;
·盾构穿越沼气层,需要配备防沼气系统。
针对以上难点和挑战,需对盾构机配置做针对性设计,以便在工程中能够顺利应用。
原刀盘的结构形式为面板式软土刀盘,刮刀开挖直径11680mm,开口率20%。配置204把宽度150mm的刮刀,114把焊接式贝壳刀,1组中心鱼尾刀,2把仿形刀。不同类型的刀具呈高低布置,刮刀高120mm,贝壳刀150mm。
原驱动采用了14台200kW电机,转速0～1.5rpm,额定扭矩32769kN·m,ɑ系数20.7。主轴承是一台5900mm的三排滚子轴承,设计寿命超过10000小时。内、外周密封系统采用1道齿形平面密封,3道齿形圆周密封,设计压力10bar。
原盾壳直径11660mm,前、中、后壳体板厚分别为70mm、60mm、80mm。盾尾密封采用3道钢丝刷加1道钢板刷,设计密封压力10bar。
原推进系统采用22组3联油缸,总推力达到128370kN,单位面积推力1202kN/m2,最大推进速度60mm/min,行程3000mm。推进的液压系统分为6区,每个区配有压力传感器,各区独立调节油压。
为了判断原盾构的主要设备性能是否能满足本项目使用要求,对以下设计条件做了对比。
由于本项目掘进距离较长、地下水位较高,所以需考虑气压开仓换刀措施。原盾构为泥水平衡盾构,降液位的风险较高,且未安装气压平衡系统,无法进行气压开仓作业。因此原盾构要改造成泥水气平衡盾构机[1],增设气包舱和一套气压平衡系统,泥水系统亦进行相应的改造。
原刀盘配备的焊接式贝壳刀是针对砂性土的刀具,由于本项目会遇到圆砾和卵石,而贝壳刀不够强壮,所以损坏率可能会提高。因此考虑重新设计一个复合式刀盘[2],贝壳刀换成撕裂刀,并采用刀盒安装的结构,使撕裂刀可以从刀盘背面更换。同时升级刮刀设计,主刃更换为大合金贴焊式,刀背镶嵌多层耐磨合金。还要考虑加强刀盘结构的耐磨保护,在正面和侧面加装耐磨板和耐磨堆焊。刀具的超挖量应满足R800m转弯。
原驱动扭矩系数20.7,转速0～1.5转,在软土盾构机里属于超配的。在本项目中,随着刀盘改为复合式,原驱动的性能依旧可以满足复合式盾构的使用要求。
在上一个项目中驱动共计运转1330小时,运转率约为22.5%,主轴承剩余寿命约8670小时。本项目预计掘进7728小时(322×24小时),假设运转率不变,估计驱动将运转1740小时<<8670小时,因此主轴承寿命可以满足使用要求。
本项目的覆土深度和坡度,均小于原盾构机的设计值,且本项目管片形式和原项目相同,因此推进系统不作更改。
原切口环不具备改造、增加气包舱的条件,因此需要新设计制造一个切口环。原中间盾、盾尾按照45m顶覆土设计,而本项目最大顶覆土为37.5m,所以原结构强度满足使用要求。盾尾密封采用3道钢丝刷加1道钢板刷,设计密封压力10bar,预测最大埋深时水土压力不超过10bar,因此可以满足使用要求。
原盾构机后配套车架的设计转弯半径为R1000m,不满足本项目的R800m。主要原因是车轮的型式不适合转弯,并且车架间牵引是花篮螺栓,调节需要靠手动,操作非常不方便。因此需要更改车轮型式和车架间牵引型式。
重新设计制造一套复合式刀盘,增大开口率至35%。为了应对砂土和卵砾石,应加强刀盘和刀具的耐磨性能。刀盘正面和圆弧面敷设高铬合金耐磨板,硬度达到HRC60,其它耐磨板覆盖不到的区域采用硬质合金堆焊,硬度达到HRC55。刀盘背面开口周围、外圆边、搅拌棒表面采用硬质合金堆焊,硬度达到HRC55。正面刀具呈高差布置,刮刀、圆弧刮刀高175mm,焊接式撕裂刀、可更换撕裂刀高200mm。
磨损检测布置10个点,分为刮刀磨损检测、圆弧刮刀磨损检测、撕裂刀磨损检测三种功能,根据被检测刀具的不同设置不同的磨损量报警值。
人行闸内安装一套刀盘就地控制手柄,用于开仓换刀前旋转刀盘用。设计安全切换联锁,当切换到刀盘就地控制,则操作屏上不能进行刀盘正反转操作,此时操作屏上应反映出刀盘目前的旋转角度。
重新设计制造带气包舱的前盾(直径11.67m),隔舱板上配置各系统用的接口,预留备用口。切口处用硬质合金堆焊保护。为了减少粘土环境下泥浆吸口堵塞风险,同时又要考虑卵砾石环境下限制过流粒径保护排浆泵,设计了一套开口大小可变的格栅机构,网格大小能在200mm×167mm和200mm×385mm之间切换。
配备完整、独立的2套气压平衡系统,1套工作,1套备用。当一套系统发生问题时可以迅速切换到第二套系统。系统全部为气动控制,无需电源,可以在含沼气的地层使用。系统工作压力8.0bar,采用SAMSON公司的气动控制器、流量控制阀、压力变送器等关键部件。气源采用3台90kw空压机,流量12.6m3/min,压力13bar,其中1台为备用。为了节约车架空间,选用水冷式空压机。
为预防刀盘结泥饼[3],泥水系统增配了中心冲洗功能。这套系统利用一台中心冲洗泵,从排泥管或工作舱内抽取泥水,再通过中心回转接头预留的管路泵入刀盘正面中心部位,冲散岩石粉末或粘土颗粒防止聚集,达到预防刀盘结泥饼的目的。
泥水舱设置4个进泥口,气包舱设置2个进泥口。气包舱底部设置1根主排泥管,另有1根备用排泥管直接通向泥水舱,可以在主排泥管堵塞情况下切换。泥水舱底部设置2路冲洗对着闸门方向冲洗,气包舱底部设置2路冲洗对着格栅方向冲洗。为了保证冲洗效果,中心冲洗泵流量配到400m3/h,冲洗流速达到5m/s。
增设液位监控功能,气包舱内设置11个液位开关,参与系统控制,为了防止泥浆粘附在开关上导致失灵,每个开关都自带冲洗功能。并配有液位传感器,可以反馈液位高度。
防沼气系统主要是通过电器控制系统,将通风系统与气体监测系统进行联动,当气体检测系统检测到沼气,将会自动报警并打开通风系统降低浓度至安全值[4,5]。
选用进口防爆型气体探测传感器,防护等级IP67,抗中毒,耐高浓度冲击,可在缺氧条件下检测。配置防爆型UPS供电,能够在断电后一定时间内测量。沼气探测头布置的位置和数量也是经过考虑的,我们认为沼气大概率会从盾尾密封、人行闸、排泥管、接管器处进入盾构内,为了能尽快探测到沼气,并全面监控盾构及后配套区域的沼气浓度,我们在这些位置设置了气体探测传感器。
通风系统除了配置常规排风机(1033m3/min)外,还增设了气动风机(33.6m3/min,4个设置在机头内,2个设置在车架接管区域),作用是打散气团,预防有害气体的局部集聚,也可以在断电情况下保障盾构机的通风。
为适应800m转弯半径,修改所有车架的车轮型式,由原来的单列轮改为双列轮,同时减少每节车架的轮排数至两排。这样改造的优点是在轨道铺设有高差时,仍可保证所有车轮同时落地。车架左侧的连接杆全部改为油缸式,并就地安装操作开关控制伸缩,相比原先手动花篮螺栓式的调整结构,极大地方便了工人的操作。
截至文章发稿,改造后的盾构正在杭州江南大道工地施工。平均推进速度为25～30mm/min,泥水系统、气平衡系统均工作正常。盾构工作压力在2.65bar左右,并随着埋深增加而提高,大约每环提高0.02bar,但仍未到达最大埋深处,后续将密切跟踪泥水系统和气平衡系统的工作情况。盾构始发时已处在800m转弯半径的区域,经过实际工作验证,后配套车架行走正常,无出轨现象,可以在该转弯半径下正常工作。
摘要：原文一路11.66m泥水平衡盾构机改制为11.67m泥水气平衡盾构机,用于杭州江南大道改造提升工程。通过分析原有盾构机的主要设备性能,比较原项目设计条件和本项目设计条件,提出不同设备的适应性改制内容。主要工作是增加一套气平衡系统,新制一个带气包舱的前盾,一个复合式刀盘,改造泥水系统使其符合泥水气平衡控制要求,增加一套防沼气系统,改造后配套车架满足800m转弯半径。
关键词：盾构,泥水气平衡,改造,杭州,沼气
[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2004.
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