盾
构
业内工程人员对于盾构这个词并不陌生,但您对盾构知识到底有多少了解呢?
什么是盾构?盾构的施工特点和工艺流程有哪些?盾构机都有什么种类?怎样选取适合的盾构机类型进行施工?..
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什么是盾构?
盾构是一种用于软土隧道暗挖施工,具有金属外壳,壳内装有整机及辅助设备,在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业,而使隧道一次成形的机械。
2008年3月31日发布的GB50446-2008《盾构法隧道施工与验收规范》定义:盾构是盾构掘进机的简称,是在钢壳体保护下完成隧道掘进、出渣、管片拼装作业,由主机和后配套组成的机电一体化设备。
盾构机是一种用机械能破碎隧道掌子面、并将破碎物质连续向后输出而获得预期的洞型、洞线的机器。同时,盾构机还能够承受来自地层的压力,防止地下水或流沙的侵入。
其工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个组件的壳体对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着临时支护的作用,承受周围土层的土压、地下水的水压以及将地下水挡在壳体外面。掘进、排土、衬砌等作业在壳体的掩护下进行。
盾构施工特点与工艺流程
施工特点:
(1)必须面对复杂的地质条件和敏感的地面环境;
(2)所用设备集成度高,技术含量高;
(3)涉及专业领域较多,需要复合型人才;
(4)不受地面自然条件的影响;
(5)机械化、自动化程度高 ;
(6)地面人文自然景观能够得到良好的保护;
(7)需多种施工技术配合,系统工程协调复杂;
(8)施工过程中改变断面尺寸困难;
(9)只能前进,不能后退;
(10)当隧道曲线半径小或隧道埋深浅时,施工难度大;
(11)在饱和含水松软地层中施工,地表沉陷风险较大;
(12)盾构机制造周期长,组装、转移等较复杂。
工艺流程:
盾构机选型→始发/到达井施工→端头加固→始发架安装→盾构机下井、安装、调试→始发掘进(100m或100环)→正常掘进→到达段施工(50~100m)→盾构机解体外运→隧道清理验收
盾构种类
敞开式盾构
敞开式盾构分为全敞开式和部分敞开式。全敞开式盾构在隧道工作面上没有封闭的压力补偿系统,不能抵抗土压和地下水压。根据开挖方法的不同,全敞开式盾构分为以下几种类型:
(1)手掘式盾构。是指采用人工开挖隧道工作面的盾构,其正面是敞开式的,开挖采用铁锹、风镐、碎石机等开挖工具人工进行。对开挖面一般采取自然的堆土压力支护及利用机械挡板支护。
(2)半机械式盾构。该型盾构进行开挖及装运石碴都采用专用机械,配备液压挖掘机、臂式掘进机等掘进机械和皮带输送机等出碴机械,或配备具有掘进与出碴双重功能的挖装机械。
(3)机械式盾构。该型盾构前面装备有旋转式刀盘,增大了盾构的掘进能力,开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机,围岩开挖和排土可以连续进行。适用土质同手掘式及半机械式盾构。
压缩空气式盾构
压缩空气盾构的原理是空气压力与地下水的静水压力保持平衡,因此也称为“气压平衡(air pressure balance)盾构”,简称APB盾构。但空气压力不能直接抵抗土压,土压由自然或机械的支撑承受。
泥水盾构(SPB)
泥水盾构送泥泵从设置在地面的调浆池抽取泥水(水与膨润土的混合物),经送泥管送入到泥水盾构的泥水仓,在泥水仓内,充满压力的泥水贯入地层一定深度,使膨润土嵌入到土颗粒间的缝隙,形成一层“蛋糕”,从而使开挖面的土层变得较稳定和不透水。通过刀盘旋转,将“蛋糕”状的土体切削下来,与泥水仓内的膨润土浆液混合后,通过排泥泵和隧道内的中继泵经由排泥管道后泵送到地面上的泥水分离站,泥水分离站再将渣土从膨润土泥浆中分离出来排出,而剩余的泥水再循环利用。
土压平衡盾构(EPB)
由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出,在螺旋输送机内形成压力梯降,保持土仓压力稳定。盾构向前推进的同时,螺旋输送机排土,使排土量等于开挖量,即可使开挖面的地层始终保持稳定。排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。
混合式盾构
该型盾构将不同形式的盾构机进行组合,在结构空间允许的情况下,将不同形式盾构机的功能部件同时布置在一台盾构机上,掘进过程中根据地质情况进行功能或工作方式的切换和调整;或对不同形式盾构机的功能部件进行类似模块化设计,掘进时根据土层情况进行部件调整和更换。这样一台盾构机在不同的地层经转换后可以以不同的工作原理和方式运行。 混合式盾构机可以根据土层地质和水文条件作调整,其本质上是对开挖面支撑方法以及刀具、输料系统和其他设备的调整。 混合式盾构机的组合方式有压缩空气盾构/敞开式盾构、泥浆式盾构/敞开式盾构、土压平衡盾构/敞开式、泥浆式盾构/土压平衡式盾构、敞开式盾构/泥浆式盾构/土压平衡式盾构、敞开式盾构/压缩空气式盾构/土压平衡式盾构等。
混合式盾构不同工作方式下的输料系统
复合式土压平衡盾构 复合式盾构在硬岩及软硬不均地层中,掘进模式分为敞开式、半敞开式或土压平衡模式掘进,且各种掘进模式能够进行快速转换。 (1)敞开式掘进模式。盾构机切削下来的渣土进入土仓后即被螺旋输送机排出,土仓内仅有极少量的渣土,土仓基本处于清空状态,掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭矩较小。由于土仓内无压力,所以不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入,该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。
(2)半敞开掘进模式。半敞开式又称为局部气压模式。掘进中土仓内的渣土未充满土仓,尚有一定的空间,通过盾构保压系统向土仓内输入压缩空气与渣土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。该掘进模式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层,其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。
(3)土压平衡模式。土压平衡模式是将刀盘切削下来的渣土充满土仓,通过推进操作产生与掌子面土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定掌子面地层和防止地下水的渗入。该模式主要通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量来产生压力,并通过测量土仓内的土压力来随时调整盾构推进速度和螺旋输送机的转速,控制出渣量。该掘进模式适用于不能自稳的软土和富水地层。
盾构机选型 5.1 根据地层渗透系数进行选型
地层渗透系数与盾构选型关系示意图
5.2 根据地层的颗粒级配进行选型
地层颗粒级分类选型图
5.3 刀具配置
(1)滚刀。齿形用于软岩,盘形用于较硬岩。
(2)切刀(安装于开口槽的两侧,也称刮刀)。用来切削未固结的土壤,并把切削土刮入土仓中。
(3)先行刀(一般安装在辐条中间的刀箱中)。它超前于切刀布置,先切削地层,从而保护切刀。
(4)周边刮刀(安装在刀盘外圈)。用于清除边缘部分的渣土,防止沉积,确保开挖直径,防止刀盘外缘磨损。
(5)仿形刀(安装在刀盘外缘上)。在转弯时使用,驾驶员控制其开挖深度及超挖位置。
(6)刀具高度设定及刀盘力学计算。
5.4盾构机选型主要步骤
(1)在对工程地质、水文地质、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型;对敞开式、闭胸式盾构进行必选。
(2)在确定选用闭胸式盾构后,根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。
(3)根据详细的地质勘探资料,对盾构各主要功能部件进行选择和设计,并根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。
(4)根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。
盾构 盾构施工已然成为开发城市地下空间的主力技术,未来盾构施工工法和盾构机的制造将向更多元化和精细化发展。