地下隧洞工程盾构施工法技术发展简介

2010-01-25 01:48:20安国明
凿岩机械气动工具 2010年1期
关键词:隔墙泥水刀盘

安国明

(北京市建筑工程研究院,北京100039)

盾构施工法的构思,起源于蛆虫蛆食木材,同时蛆虫将自身的分泌物覆盖被蛆成的空间而研究成功的盾构机和施工方法。最初的盾构机被称作“cell”或“cylinder”,大约1866年定名为“盾构”。

盾构施工法快速发展和普及的主要背景:一是城市建设的急速发展对环境的破坏,交通的拥堵,占用人类正常生活的土地等问题突出,对此人们对地下空间的开发、利用的需求越来越大;二是开发地下空间时,由于明挖施工法造成对地上交通的影响以及施工时的噪声、振动、空气的污染等对环境的影响和带来的公害,人们要求更加环保的施工方法;三是由于盾构施工法除竖井以外,几乎没有地面上的作业,不受地面交通、建筑物、河流等条件的影响,可实现全天候施工,因此,钻机制造厂商开发研制了适用于各种地质条件的不同类型的盾构机。

1 盾构施工法的特点及其适用范围

1.1 优点

(1)安全性

盾构施工法除竖井以外,几乎没有地面上的作业,不受地面交通、建筑物、河流等条件的影响,可实现全天候施工。盾构施工是在钢壳的支护下进行的,因此可安全地进行开挖和衬砌等作业。盾构的推进、管片的拼装、衬背的灌浆等作业都是重复循环进行,因此施工管理简单。

(2)环保、公害小

施工中对地面的交通无影响,噪声、振动等危害小,对周围环境干扰少。横穿河底或在掘进中与地下设施、障碍物及地上建筑物的地下基础等交叉时,并不妨碍盾构的机能,同时也完全不影响航道的通行和地面建筑物的正常使用。

(3)经济性

隧道工程费用与覆盖土层的深浅无关,适合埋深、长大隧道施工。在确保掘进面安定的情况下,即使地质条件恶劣以及遇到地下设施等障碍,也比明挖工法经济。

(4)效率高

盾构的推进出土,拼装管片,衬背注浆以及推进中的监控等全部实现了机械化,自动化控制,劳动强度低,施工精度高,掘进速度快。

1.2 缺点

初期投资大,组装、解体、运输等费用高,刀具磨损、维修费用昂贵。盾构重复利用率较低。盾构型式的选择是根据工程地质、水文地质条件、隧道断面尺寸等因素确定的。因此,一般不能任意将在其他隧道施工用的盾构重复使用。当覆盖层较浅时,在盾构的推进过程中很难防止地表沉陷。竖井附近由于盾构的作业会产生噪声和振动,特别是泥水处理设备的振动筛的低频振动,应加强管理。在曲线地段施工时,盾构机因为是曲折推进,所以造成超挖、急转弯处的施工困难。采用压气工法时,根据地层不同可能会造成缺氧和枯井现象。

1.3 适用范围

盾构用于城市地下空间的地下铁路、上下水道、电力通讯、燃气热力等隧道建设。盾构机能适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件,既可以用来修建小断面的区间隧道,也可以用来修建大断面的地下铁路隧道。盾构隧道的外径尺寸取决于隧道内收容设备的种类、规格以及一次衬砌、二次衬砌的厚度。

铁道、公路盾构隧道的内空断面是由线路的建筑临界以及轨道、路基、维修用通道、信号通讯设备、照明、换气及排水等空间确定的。同时还要考虑到盾构施工所产生的误差(产生误差的主要原因是盾构在推进的过程中,上下、左右偏摆、晃动等所致)。施工误差的控制应考虑到施工条件(掘进断面、地质条件、盾构的操作等)而确定。

在建造上下水道的隧道内,要考虑在隧道内设置如钢管、球墨铸铁管等承压设备。

盾构施工法同样适用于建筑电力隧道。电力隧道内空断面要考虑收纳电缆的根数、检修通道、照明、换气和排水等设备所需要的空间等因素确定。

由于盾构工法对工程地质和水文地质条件的依赖性较高,因此为了保证盾构施工的安全、快速和经济性,应在施工前对隧道线路的规划、地质地形、周围环境等作好充分勘查。在地面交通拥堵,建筑物及地下管线密布地区不宜采用明挖法施工;地下水发育,围岩稳定性差,不能采用钻爆法施工时,采用盾构施工是较为经济合理的施工方法。

2 盾构机的分类

盾构机能够适用于各种复杂的工程地质和水文地质条件,盾构机既可以用来修建小断面的区间醴道,也可以用来修建大断面的地下铁路隧道。

盾构可按断面形状、开挖方式和有无隔墙进行分类。按盾构断面形状可分为圆形、矩形、马蹄形、半圆形、多圆形、椭圆形和球体形等。按开挖方式可分为人工挖掘式、半机械式和机械式。按隔墙有无可分为全敞开式、部分敞开式和密封式。

全敞开式、部分敞开式和密封式,主要区别是在盾构机内部是否设置隔墙。隔墙是指在盾构机内,将切削刀盘和盾构机内部的设备分离开的钢制隔板结构。全敞开式是指盾构机内部无隔墙,开挖面的全部或大部分呈裸露状态形成的盾构机。这种形式的盾构机适用前提条件是开挖面具有自稳性的土层。如果开挖面没有自稳土层时,则需要使用辅助工法,以达到开挖面的自稳。这种形式的盾构机有人工挖掘式盾构、半机械式盾构和机械式盾构。

部分敞开式盾构机是在开挖面的稍后方设置隔墙,在隔墙上设有能够调节排土量的孔口。盾构机前部贯入土中向前推进,同时将贯入的土砂变成塑性流动状态,然后将土砂由排出口排出。开挖面的稳定是依靠调节口的大小和排出阻力而实现的。这种形式的盾构机有挤压式盾构机。

密封式盾构机是在切削刀盘的后部设置有隔墙,在开挖面与隔墙之间形成泥土室。在盾构机推进的过程中泥土室内充满土砂和泥水,给泥土或泥水加以有效的约束力,以使开挖面保持自稳。密封式盾构机是机械挖掘式盾构,这类盾构机包括土压盾构机、泥土压盾构机及泥水式盾构机。

2.1 人工挖掘式盾构机

人工挖掘式盾构机是使用人工挖掘隧道的机械,它的正面是全敞开式,由盾构机内可以直接看到开挖面。盾构机由前端的切口环、中部的支撑环和后部的盾尾组成。挖掘时为了防止顶面的坍塌,在切口环部设置有活动前檐及活动前檐用千斤项。为了防止开挖面的坍塌,在盾构机内设置有档土机构及挡土液压缸,以抵抗开挖面的土压力。当挡土液压缸不能抵挡土压和水压时,往往采用压气工法保持开挖面的自稳。当出现地下水时,则采用降水法或注入药物法等进行施工。这种型式的盾构机适用于开挖面自稳性强的土层。这种型式的盾构机价格便宜。对于掘进中出现的障碍物,如基础桩等处理容易。

2.2 半机械式盾构机

半机械式盾构机是在人工挖掘式盾构机的基础上发展起来的。它保留了人工挖掘式盾构机的优点,克服了劳动强度大,效率低的缺点。

盾构机装有不同形式的开挖设备,如反铲工作装置、悬臂式旋转切削装置等,并配置有皮带输送机等出渣装置。为了防止开挖面顶面坍塌,盾构机装备有活动前檐及千斤顶。反铲挖掘装置的形式多用于砂砾层,而旋转切削装置多用于硬粘土层。半机械式盾构机主要用于开挖面基本上能自稳的土层中。盾构机的直径一般在4m之内不设置作业平台。直径在5m以上的盾构机由于设置了作业平台而将动力装置布置在下部。使用开挖设备进行开挖面的控掘,而开挖面的左右未挖掘部分仍由人工挖掘。

2.3 机械式盾构机

机械式盾构机的前面装备有旋转式的切削刀盘,在切削土壤的过程中由于切削刀盘始终与开挖面紧密地接触,因此与人工式挖掘及半机械式盾构相比,开挖面具有一定的安定性。

机械式盾构机的切削刀盘的形式有轮辐式和面板式,使用哪种形式应根据土质及地下水的状况考虑确定。机械式盾构机最大的优点是提高了挖掘能力。敞开式可能看到开挖面的状态,便于开挖管理,便于更换切削刀盘的切削刀头。

2.4 挤压式盾构机

挤压式盾构机是在人工挖掘式盾构机的前部即开挖面稍后方设置隔墙,盾构机在推进的过程中由隔墙的开口处向外排出膏状的土砂。根据土质的变化,开口部设有可以作几个阶段的开启调节板,有的使用液压缸进行无级调节以保持开挖面的稳定。排土机构采用螺旋输送机方式。

施工前,如勘测到施工地段会发生土质变化以及地上建筑物的基础等障碍物的影响时,可事前卸下隔墙进行施工。

这种盾构机适用于自稳性差、流动性大的软粘土和粉砂质土层,但不适用于含砂率高的围岩和硬质地层。

2.5 土压式盾构机

土压式盾构机包括使开挖面稳定的切削机构、搅拌切削土的混合搅拌机构、排出切削土的排土机构和给切削土一定压力的控制机构。

土压式盾构机切削机构与机械式相同,具有切削刀盘和在切削刀盘前面安装的切削刀头。

混合搅拌机构设置的目的是使切削的土砂产生相对运动,防止切削土的附着和沉淀。混合搅拌机构包括切削刀盘(刀头、轮辐、中间横梁)、铣刀背面搅拌叶片、设置在螺旋搅拌机轴上的搅拌叶片、在隔墙上或在泥土室的隔墙上设置的搅拌叶片和单独驱动的搅拌叶片等。

排土机构和控制机构设置的目的是为了使切削土的排土量与盾构机掘进速度相平衡。排土机构主要是螺旋输送器,而控制排土量的机构有闸门方式、排土口加压装置方式、旋转送料方式、压送方式和泥浆泵方式等。在选择以上机构形式时,除考虑土质、粒径以及地下水压力等山体条件以外,还需考虑隧道的断面及坑道内的各种因素,以选择最合适的设备。

在盾构机的隔墙上安装有土压计,用以测量土室内的土压力,控制和保持泥土室内土压。

这种土压式盾构机由于切削土的泥土化方法不同分为土压式盾构机和泥土加压式盾构机。

(1)土压式盾构机

土压式盾构机的切削刀盘在回转的过程中切削土砂,被切削的土砂充满开挖面与盾构隔墙间的泥土室内,盾构机在推进的过程中用其推进力给予加压,使土压力作用于全部开挖面上,以使开挖面得到稳定,同时在切削的过程中用螺旋输送机排土。

土压式盾构机的搅拌机构将切削的土砂搅拌成流动状态以便排土。这种盾构机适用于开挖含砂量小的塑性流动性软粘土。

(2)泥土加压式盾构机

泥土加压式盾构机是在加入添加剂,膨润土、沾土以及发泡剂等使切削土塑性液化的同时,将用切削刀盘切削下来的土砂用搅拌机构搅拌成泥土状,使其充满开挖面与盾构隔墙之间的泥土室内,用盾构的推进力加压,将其泥土全部压于开挖面,使其开挖面稳定。采用螺旋输送机排土。

添加剂注入装置是由添加剂注入泵以及设置在切削刀盘或泥土室内的添加剂注入口等组成。注入装置、注入口径个数应根据土质、盾构直径和机械构造等考虑选择。添加剂的注入量、注入压力应根据切削刀盘扭矩的变化、向山体内浸透量、排土出渣状态以及泥土室内的泥土压等状况进行控制。

切削刀盘的正面形状有两种。一是面板形式,这种形式的盾构机是以泥土压+面板以维持开挖面的稳定;二是不设面板的轮辐形,这种形式的盾构机是以泥土压和轮辐结合以保持开挖面的稳定。面板形的盾构机,在面板上设有切口开闭装置,盾构在停止作业时关闭切口,以防止开挖面的坍塌,同时切口可以用来调节土砂的排出量。轮辐形可以减轻铣刀的实际负荷扭矩,增大排出开挖土砂的效果。选择哪一种形式要考虑开挖面的安定性、泥土室内的维修保养、切削刀头的更换难易程度以及排除障碍物作业的安定性等因素决定。

这种型式的盾构机适用范围较广,适用于地下水压力高,细粒,流动性差的砂层、砂砾层等。

2.6 泥水式盾构机

泥水式盾构机是在机械式盾构机的前部设置隔板,其形式是在刀盘切削山体时给泥水施加一定的压力,在使开挖面保持稳定的同时,将切削土以流体的方式输送出去。这种形式的盾构机构造包括开挖山体的切削机构、对切削土搅拌的搅拌机构、循环泥水用的排送泥水机构、给泥水施加一定压力的控制机构、将切削输送的泥水分离的泥水处理机构以及将一定性质的泥水输送到开挖面上的配泥机构等。切削机构与机械式盾构机相同,由切削刀盘和安装在前端的切削刀头构成。

搅拌机构设置在泥土室内,以防止泥土室吸入口的堵塞及稳定开挖面。搅拌机构包括切削刀盘(刀头、轮辐、中间横梁)、在泥土室下方的排泥口及入口附近设置的搅拌装置和铣刀背面搅拌叶片。

排送泥水机构及控制机构由以下几部分组成:①将配制的泥水由设置在泥土室上方的送泥管输送到开挖面,控制开挖面水压的送泥管路。②将切削的土砂由设置在泥土室下部的排泥管向处理设备输送的排泥管路。③作业停止时,或管路接长时等用的旁通管路。④停止时,控制开挖面水压的开挖面水压保持管路。根据施工条件还设有循环管路。在送泥、排泥的各管路中设置几个泵和阀门,在管道中为了控制开挖面水压和土压的稳定而设有压力计、流量计以及密度计等仪器设备。为了不使泥土在管内沉淀而设置了控制流速机构。

在切削砾石层时,被切削下来的石渣中会夹杂有大块砾石,因此应根据排泥设备(泥浆泵、排泥管)的能力,设置砾石处理装置。砾石处理装置分设置在泥土室内和设置在排泥管中两种方式。根据机能的不同有破碎方式和筛分分级方式。因此,在选择砾石处理装置时,应根据砾石的粒径大小、砾石的数量、盾构的直径和砾石处理能力等因素考虑确定。

泥水处理装置的功能是将排送到地面上的泥水经一次分离装置分离后,把砾石、砂等分离出去,再将凝集剂加入剩余下的淤泥、粘土等土砂中使之形成团块,然后经机械或其他强制方法进行脱水分离出去。配泥机构的功能是在分离土砂后遗留下来的泥水里加入泥土、添加剂等,并调整为适当的比重、浓度、粘性等,然后再将配置好的泥水输送到开挖面,形成再循环使用。

切削刀盘的长条切口处设有开启装置,根据土质的不同调节其开口的幅度(即开口的大小),当作业停止时将长条切口全部关闭。

泥水式盾构机主要适用于砂层、砂卵层、淤泥、粘土层以及粘土交错层。

3 盾构机的组成

盾构机主要由钢壳、切削机构(切削刀盘)、推进机构、排土机构(或送排泥浆机构)、管片组装机构、液压装置、电气系统、自动控制系统以及附属装置等组成。钢壳承受外部(地层)土压和水压,在钢壳保护下,保护内部设备及操作人员的安全,在开挖面处进行连续切削、衬砌、推进等作业。

3.1 盾构机的钢壳

盾构机的钢壳由最前部的切口环、中间的支撑环和后部的盾尾三部分组成,是一个坚固的构造体。根据盾构机型不同,有的在切口环和支撑环之间设置有隔板。

切口环位于盾构机的前端,具有保持开挖面的自稳、切削土砂的移动通路和形成挖掘作业用的空间的功能。切口环的前部带有切削刃口,在外壳钢板上焊有加强筋以增加其强度。加强筋作成楔形,以便土砂流动。切口环的形状多采用直线形、斜坡形及阶梯形,但这些形状均向盾构内部方向倾斜。切口环外壳钢板的断面形状加工成直线形、内锥形、外锥形和复合形。在切口环前端的外圆上设置有固定的刮板,其目的是保持推进的稳定性,并设有减摩板,以减少外壳钢板与山体的摩擦阻力。切口部长度不宜过长,一般在300~1000mm之间,根据地质条件和盾构机外径确定其长度。当切口环过长时可以根据地质条件的不同设置为活动式前檐。切口环过长增加了盾构机的推进阻力,同时也容易造成盾构机的失稳,如盾构机的偏摆、倾俯等异常现象。

支撑环是盾构机的刀盘驱动装置、排土装置、盾构千斤顶等各种掘进装置,以及承受作用在盾构机上的全部载荷的主体结构。因此,对于切口环和盾尾要求有足够的强度,重要的是支撑环应具有一定的刚度。对此在外壳内侧设置了环状加强筋和纵向加强筋。在密封式盾构的支撑环内设有隔墙,承受泥土室内所产生的土压、泥水压的作用。

支撑环的长度主要根据盾构千斤顶的尺寸及补强空间而确定。根据切削机构、挡土装置、切削驱动装置的布置不同,支撑环的长度也不同。

盾尾主要是在其内部进行拼装管片的空间,其长度由管片的长度及拼装空间所确定。盾尾部的内壁与衬砌之间设有密封装置,以防止外部的泥水、土砂及水泥砂浆侵入到盾构机的内部。尾部的密封一般设置2~3段。盾尾的长度包括盾构液压缸(千斤顶)安装长度、管片宽度、密封安装长度和安装余量。

盾构机的长度有2种表示方式,即盾构机机体长和盾构机全长。所谓盾构机机体长即支撑环长加盾尾长。而盾构机全长即盾构机体长加上切口环前端到铣刀头长再加上盾尾的最尾端到内部装置的距离。盾构机全长的确定在考虑与盾构外径相匹配的同时,还应考虑操纵性能的影响,尽量越短越好,最好使盾构机的全长与盾构外径的比值在1或小于1的范围之内。然而其比值过小,则盾构的接地比压较大,操纵性能差。

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