用户名:  密码:   刊号:ISSN1001-554X/CN11-1956/TU  
 
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北京铁路地下直径线盾构选型——建筑机械杂志社
工程现场 作者:user 加入时间:2007/7/18 12:12:55 点击:4428 
 
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工程报道SITE REPORT
北京铁路地下直径线盾构选型
陈 馈
(中铁隧道集团有限公司,河南 洛阳 471009)
1 工程概况
北京铁路枢纽北京站至北京西站地下直径线工程,自北京站起,沿崇文门西大街、宣武门大街,莲花池东路至北京西站,线路全长9.156km,其中地下隧道长7.23km,地下隧道中盾构施工长度为5.7km。北京铁路地下直径线工程是国内第一条采用盾构法施工的铁路地下隧道,也是目前城市最大直径的双线铁路隧道工程。
  盾构区间采用钢筋混凝土管片衬砌,外径?1.6m,内径?0.5m,环宽1.8m,管片分块采用8+1形式。盾构法隧道分为2个标段,共采用2台?1.97m大直径盾构施工,其中1标段盾构在前门站始发,向西掘进3.2km到达宣武门站; 2标段盾构在天宁寺桥北侧设置盾构始发井,向东掘进2.5km到达宣武门站。
2 工程地质与水文地质
  盾构穿越的地层95.21%为砂卵石地层,盾构区间各地层所占比例见图1。
  盾构区间地层随机取样筛分试验粒径比例见图2。地层细颗粒含量极少,0.074mm以下的约占2.4%,10mm以上的含量大于60%,最大砂卵石粒径达到280mm左右,且不能排除有大直径孤石的可能。
  盾构区间覆土厚度为11~29m。含水层主要为砂卵石层、圆砾层及砂层,最大渗透系数为1.74×10-3m/s,最大水土压力为0.3MPa。
3 盾构类型的选择
3.1 泥水盾构方案
  (1) 盾构类型与地层渗透性的关系。
  根据德、法等国的盾构施工经验,当地层的渗透系数小于10-7m/s时,可选用土压平衡盾构; 当渗透系数在10-7~10-4m/s之间时,既可选用泥水盾构,也可在碴土改良的情况下选用土压平衡盾构; 当地层的渗透系数大于10-4m/s时,宜采用泥水盾构。北京铁路地下直径线盾构穿越地层的渗透系数为1.74×10-3m/s,大于10-4m/s,采用泥水盾构施工是可行的。
  (2) 盾构类型与颗粒级配的关系。
  一般来说,细颗粒含量多,碴土易形成不透水的流塑体,容易充满土仓的每个部位,在土仓中可以建立压力来平衡开挖面的土体。粗颗粒含量多的碴土塑流性差,实现土压平衡困难。盾构类型与颗粒级配的关系见图3,图中右边蓝色区域为粘土、淤泥质土区,为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围; 左边的黄色区域为砾石粗砂区,为泥水盾构适用的颗粒级配范围; 中间的绿色区域为细砂区域,两类盾构都能适用。北京地下直径线的地层主要为砂卵石地层,砂卵石含量占95.21%。根据直径线地层随机取样筛分试验所作的级配曲线(图3中左边两条曲线)可以看出,北京直径线的地质颗粒级配不适宜采用土压平衡盾构,较适于采用泥水盾构。但样件1与样件2的曲线局部超出了泥水盾构的适用范围,因此,北京地下直径线使用泥水盾构也存在一定的风险。
  (3) 开挖面稳定与泥膜的形成。
  泥水盾构利用泥浆作为支护材料,开挖面的稳定是通过泥浆渗透形成不透水的泥膜,通过泥水压力来平衡作用于开挖面的土压力和水压力,开挖面的稳定与泥膜能否形成至关重要。在砂卵石地层中使用泥水盾构的风险就是泥膜形成困难。在砂卵石地层中,地层孔隙较大,当有效孔隙L>;3Dmax(泥水最大粒径)时,全部泥水可经过地层的孔隙流走,无法形成泥膜。由于易出现溢泥现象,泥水压力管理较困难,易造成掌子面坍塌或地面沉降的危险。砂卵石地层泥膜形成的方法除在泥水中加入膨润土外,还应加入增粘剂或加入聚丙烯酰胺或其它聚合物等泥浆改良剂。当加入泥浆改良剂后,泥水在向地层孔隙中渗透的同时,自身形成体积增大的团粒与地层土颗粒吸附结合,对渗透形成阻力,该阻力随渗透距离的增大而增大,当渗透距离达到某一定值时,渗透阻力与泥水压力平衡,渗流停止,形成渗透泥膜。对于渗透泥膜而言,应控制泥水的参数及掘进参数,使其成膜时间短于刀盘对应的掘削时间。
  (4) 刀具的布置与砂卵石的破碎。
  在砂卵石地层,砂卵石属松散体,地层对砂卵石缺少约束力,且由于砂卵石的抗压强度较高,滚刀只能部分破碎砂卵石,不能对砂卵石进行有效破碎。在刀盘上应配置撕裂刀、切刀、周边刮刀等刀具,撕裂刀为先行刀,超前切刀布置,先行切削地层,先对砂卵石进行冲击和撕裂,对砂卵石进行部分破碎并解除地层对砂卵石的约束力,然后由超前量较小的切刀切削剩余部分。经撕裂刀松动和部分破碎的砂卵石,通过刀盘的刀口进入泥水仓,在泥水仓内通过破碎机进行二次破碎。在泥水仓内布置的破碎机能破碎砂卵石的粒径一般不大于500mm。因此在设计刀盘时,泥水盾构宜采用面板式刀盘,通过刀盘的开口来限制进入泥水仓的砂卵石的粒径。
  (5) 大直径孤石的处理。
  直径线地层预计最大砂卵石粒径为280mm左右,且不能排除有大粒径孤石的可能。对粒径大于500mm的孤石需人工处理,处理程序如下: 停机→刀盘前地层加固→带压进入开挖仓→破碎漂石→掘进。
3.2 土压平衡盾构方案
  (1) 盾构类型与粘土含量的关系。
  根据日本的盾构施工经验,当地层中粘土含量不足10%时,不推荐使用泥水盾构。粘土含量不足时,使用泥水盾构在开挖面上很难形成泥膜,开挖面易坍塌。直径线地层细颗粒含量极少,0.074mm以下粘土含量仅占2.4%,泥膜形成较困难,因此使用泥水盾构具有一定的风险,可考虑采用土压平衡盾构施工。
  (2) 开挖面稳定与土压平衡。
  土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压,使土压作用于开挖面使其稳定,主要适用于粘稠土壤的施工。掘进时,由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出,在螺旋机内形成不透水的土塞,保持土仓压力稳定。土压平衡盾构施工中,土仓内的碴土起着平衡开挖面水土压力,支撑开挖面的作用,应具有良好的塑性变形、内摩擦角小及渗透率小等特点。在饱水的砂卵石地层,需使用添加剂进行碴土改良。其原理为将开挖土砂与添加剂在开挖面混合,形成具有不透水和塑流性的碴土,通过推进油缸给土仓加压,使土压作用于开挖面,以平衡开挖面的水土压力。
  (3) 添加剂的选择。
  添加剂的选择和使用与地层的含水量、地层的细颗粒含量等有关。对于一般的砂层或砂砾层(渗透性在10-7m/s~10-4m/s)而言,掘进时注入泡沫或膨润土泥浆。在细颗粒含量很少的地层中(渗透系数在10-4m/s~10-2m/s),可注入添加有聚合物的泡沫或泥浆,或注入单纯的聚合物,或同时通过几种添加剂的联合合理使用,也可以建立起有效的土压平衡和土压控制。直径线地层的最大渗透系数1.74×10-3m/s,为达到建立土压平衡及有效实现开挖碴土的流塑性,宜采用多种添加剂联合使用方案,建议注入的添加剂为泡沫(FIR=80%)、稠泥浆(8~10%)、聚合物(1%)。具体如下:
  ① 掺聚合物的泡沫: 主要以向刀盘上添加为主,向土仓和螺旋输送机上添加为辅。由于地层具有细颗粒少、高透水性的特点,因此泡沫剂中宜掺入专门为这种地层研制的用于增强泡沫韧性和寿命的聚合物TFA 6 AM(CONDAT)或FIX SLF P2(麦斯特)。向刀盘上添加的目的是利用掺聚合物泡沫良好的渗透性、控水性和润滑冷却性,使用时将发泡率设置成较大值。向土仓内加的目的是利用其维持土仓内上部没有碴土填充部位的开挖面的稳定性,同时也可加速碴土搅拌和在土仓内的流动。
  ② 高浓度泥浆: 主要以向土仓内添加为主,向刀盘和螺旋输送机上添加为辅。向土仓内添加以给开挖下来的碴土提供足够的用于改良的细颗粒,以实现碴土的流塑性和低渗透性,同时可极大降低仓内土与刀盘间的摩擦,以减少刀盘扭矩。向刀盘前注入是辅以增加开挖面的细颗粒,形成一定的泥膜以降低渗透性并加强泡沫的使用效果。
③ 聚合物溶液: 从土仓隔板上往螺旋输送机两侧注入,用于再次改善进入螺旋输送机的碴土的塑性和止水性,确保在螺旋输送机内形成土塞效应。添加剂可使用CONDAT的TFA34或麦斯特的FIX SLF P3。
4 方案比选
  盾构选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑,所选择的机型要能尽量减少辅助施工工法并能确保开挖面稳定、施工安全可靠、地面建筑物的安全、以最低的成本实现施工进度目标。从技术上来说,直径线工程不论是选用土压平衡盾构还是选用泥水盾构都是可行的,但哪类盾构更适用,从以下几个方面予以分析:
  (1) 地表沉降。
  大直径土压平衡盾构施工的困难在于难以有效地控制螺旋输送机内的土压力,难以达到理想的碴土混合效果。由于直径太大,泡沫堆积在土仓的上部,较重的土体集中在土仓的下部。大直径盾构比小直径盾构刀盘的转速慢,更加剧了这种趋势,要想碴土达到同样的搅拌效果,土仓中的碴土混合耗时长,这导致掘进过程中,螺旋输送机内的土体的粘性变化剧烈, 从一开始的密质,到掘进一段时间后会变成浆液。此外,在泡沫积累的过程中还可能造成气体泄露。大直径土压平衡盾构的土仓压力的控制精度不会低于±0.05MPa,也就是说地表沉降会较高,不利于地面建筑物的安全。相反,泥水盾构的压力控制精度不受盾构直径大小的限制,不论直径多大,泥水压力的控制精度都是±0.01MPa,地表沉降会低于5mm。
  (2) 装机功率。
  土压平衡盾构的功率大部分用于土仓内土体混合,泥水盾构的装机功率要比土压平衡盾构的功率小很多。比如,西班牙项目?5.16m的土压平衡盾构刀盘的装机功率为14000kW,而格林哈特项目?4.87m泥水盾构刀盘的装机功率仅为3600kW。
  (3) 刀盘及刀具的磨损。
  土压平衡盾构高装机功率的后果就是造成刀盘及刀具磨损严重,大部分功率都消耗在土仓内土体的混合和地层与刀盘及刀具之间的摩擦上。施工经验数据表明,同直径盾构的两种机型的磨损率和其装机功率成正比,因此土压平衡盾构的刀盘及刀具的磨损比泥水盾构严重,根据北京地铁土压平衡盾构的施工经验,在砂卵石地层掘进时,由于砂卵石地层石英含量高,约每掘进300~500m需换刀一次,带压换刀不仅安全性差,而且严重影响了施工进度。泥水盾构的刀具在泥水环境中工作,由于泥水的冷却与润滑作用,刀具磨损较小,有利于长距离掘进,可减少或避免中途换刀,不仅降低了盾构法施工风险,更节省成本,且提高了施工进度。
  (4) 施工成本。
  大直径土压平衡盾构的综合施工成本比泥水盾构高。一方面,高装机功率会带来盾构价格的增加,从使用成本来说,高装机功率造成能源消耗增加,在电及冷却水的消耗方面,土压平衡盾构比泥水盾构要高,这种成本的增加相当于地面泥水处理设备的成本。第二方面,大直径土压平衡盾构采用螺旋输送机将碴土转运至皮带输送机上,然后通过碴车运至竖井,由地面上的门吊将碴车吊至地面进行卸碴,土压盾构的碴土运输成本要略高于泥水盾构。第三方面,土压平衡盾构的维护费用大约是泥水盾构的2倍,特别是刀具的更换费用很高。第四方面,土压平衡盾构在砂卵石地层施工时,碴土的改良成本相当昂贵。
  (5) 施工进度。
  由于砂卵石地层的孔隙率高达38%,为了能形成具有塑流性的碴土,需要添加大量的膨润土、泡沫、聚合物进行碴土改良,需要的添加剂量多,不仅在地面要设置添加剂存储场地,而且,由于碴土改良的需要,增加了洞内的运输量,由于运输量的增加,严重制约了施工进度。泥水盾构采用管道以流体形式将开挖土碴运输至地面,施工工序连续性强,有利于提高施工进度。
5 选型结论
  北京铁路地下直径线的盾构选型,先后进行了多次专家论证,在专家首次论证时选用了土压平衡盾构方案,以后经多次反复论证后,决定采用泥水盾构方案,所选泥水盾构的主要技术参数见表1。
  从技术上来说,土压平衡盾构和泥水盾构都是可行的,但泥水盾构更适应北京铁路地下直径线的工程地质和水文地质,可以确保盾构施工的安全可靠。北京铁路地下直径线选用泥水盾构施工,不仅是“安全第一”的需要,也是满足施工进度目标的需要。
2018年1月21日
 
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