曹 智,李劍祥
(1.中鐵城市發(fā)展投資有限公司,四川 成都 610031;2.中鐵六局集團(tuán)成都地鐵3號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)項(xiàng)目部,四川 成都 610031)
2012年1月,中國(guó)中鐵股份公司與成都市政府簽訂了成都地鐵建設(shè)合同,標(biāo)的涵蓋了成都地鐵1號(hào)線(xiàn)南延線(xiàn)首期工程、3號(hào)線(xiàn)一期及地鐵7號(hào)線(xiàn)等合計(jì)全長(zhǎng)約64 km的設(shè)計(jì)施工任務(wù)。上述3條線(xiàn)覆蓋成都所有復(fù)雜水文地質(zhì),其中7號(hào)線(xiàn)是成都唯一的環(huán)形線(xiàn)路,既有富水卵石,也有膨脹泥巖,更有復(fù)合地層。
為快速有序、均衡高效地推進(jìn)施工,中國(guó)中鐵在盾構(gòu)選型上進(jìn)行了深入研究。在成都市地鐵1號(hào)線(xiàn)一期和2號(hào)線(xiàn)施工中,分別采用8臺(tái)、15臺(tái)“國(guó)外盾構(gòu)”施工,對(duì)其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),中國(guó)中鐵充分進(jìn)行了考慮和借鑒:在砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工,卵石含量、粒徑、強(qiáng)度和沖填物的性質(zhì)對(duì)盾構(gòu)選型和施工起決定性作用,盾構(gòu)隧道的上覆蓋層、地下水情況和地表建(構(gòu))筑物分布狀況,也對(duì)盾構(gòu)選型和施工亦有一定影響[1];在成都地鐵1號(hào)線(xiàn)4標(biāo)試驗(yàn)段施工時(shí),分別采用1臺(tái)泥水盾構(gòu)與1臺(tái)土壓盾構(gòu)進(jìn)行左右線(xiàn)的掘進(jìn)[2];在研究成都地鐵1號(hào)線(xiàn)和2號(hào)線(xiàn)施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提煉汲收諸多要點(diǎn),通過(guò)對(duì)成都地鐵1號(hào)線(xiàn)試驗(yàn)段盾構(gòu)選型進(jìn)行總結(jié),得出土壓平衡盾構(gòu)全面優(yōu)于泥水平衡盾構(gòu)的結(jié)論[3];在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效果的基礎(chǔ)上,研究刀具耐磨性,以期提高掘進(jìn)里程,減少換刀帶來(lái)的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)[4];根據(jù)成都地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)所選機(jī)型在施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),通過(guò)對(duì)盾構(gòu)的掘進(jìn)機(jī)制深入分析,提出了在富水砂卵石地層盾構(gòu)刀盤(pán)的合理結(jié)構(gòu)形式[5];刀盤(pán)是隧道掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件,刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)性能會(huì)影響隧道掘進(jìn)機(jī)的施工效率、施工成本及施工安全[6];盾構(gòu)刀盤(pán)的合理設(shè)計(jì)和刀具布置,可減少碴土堆積和結(jié)泥餅現(xiàn)象,同時(shí)對(duì)碴土起著有效的攪拌作用[7]。
結(jié)合上述結(jié)論和成都地鐵施工實(shí)際案例,中國(guó)中鐵優(yōu)化改進(jìn)“中鐵盾構(gòu)”,并投入施工。通過(guò)對(duì)投入施工的“中鐵盾構(gòu)”進(jìn)行調(diào)研,在與“國(guó)外盾構(gòu)”對(duì)比后認(rèn)為,“中鐵盾構(gòu)”具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、可靠性,并具有一定的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。
見(jiàn)表1。
表1 成都地鐵1,3,7號(hào)線(xiàn)工程概況表Table 1 Overview of No.1 Line,No.3 Line and No.7 Line of Chengdu Metro
1)盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越地層地質(zhì)情況復(fù)雜,主要為砂卵石、泥巖,以及砂卵石和泥巖的復(fù)合地層。
2)其砂卵石地層中,卵石含量高達(dá)50% ~85%,粒徑以20~80 mm為主,部分粒徑大于100 mm,最大粒徑為180 mm,卵石級(jí)配差,細(xì)顆粒含量少;局部含有粒徑超過(guò)500 mm的高強(qiáng)度漂石;卵石和漂石單軸抗壓強(qiáng)度高,部分達(dá)55~165 MPa;地層的密實(shí)度從松散-稍密-中密-密實(shí)均存在,但以中密和密實(shí)居多,在區(qū)位分布上靠近城市西部。
3)全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖等屬于膨脹(土)巖,具有遇水軟化、崩解,失水開(kāi)裂、收縮(膨脹)的特點(diǎn),天然單軸抗壓強(qiáng)度為3~10 MPa。另有黏性極強(qiáng)的膨脹性泥巖(3號(hào)線(xiàn)北端),亦為不良盾構(gòu)施工地質(zhì)。
地下水基本存在于砂卵石層中,水位均位于隧道頂板以上,屬?gòu)?qiáng)透水層,富水性好。特別是部分標(biāo)段臨近河流干道,加之成都?xì)夂蚨嘤?,地下水補(bǔ)給較為充足。
1)在砂卵石地層土倉(cāng)建壓掘進(jìn),對(duì)主驅(qū)動(dòng)扭矩要求高,刀盤(pán)、刀具和螺旋輸送機(jī)磨損快。
2)小曲線(xiàn)施工盾構(gòu)轉(zhuǎn)向困難;施工中地層泄漏土倉(cāng)保壓換刀困難。
3)渣土改良不易達(dá)到良好效果,添加劑注入量大。
4)地表沉降控制難,后期沉降較明顯。
5)強(qiáng)透水地層可能會(huì)發(fā)生噴涌。
6)在泥巖和復(fù)合地層容易結(jié)泥餅等。
2012年4月上旬,由中國(guó)中鐵股份公司發(fā)起和組織,成都地鐵公司、中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中鐵二院、中鐵咨詢(xún)?cè)杭案鲄⒔ㄊ┕挝粎⑴c,對(duì)適用于成都地鐵的新造盾構(gòu)選型配置、既有盾構(gòu)改造、配套設(shè)備的匹配等課題進(jìn)行了深入探討,從盾構(gòu)設(shè)計(jì)和使用角度提出了應(yīng)對(duì)措施。
堅(jiān)持針對(duì)性和通用性的設(shè)計(jì)原則,保證設(shè)備可靠性和良好性?xún)r(jià)比,滿(mǎn)足各標(biāo)段的地質(zhì)條件,并重點(diǎn)關(guān)注:
1)盾構(gòu)在砂卵石地層中,土壓平衡盾構(gòu)能夠在足夠土壓力條件下快速掘進(jìn),確保地層不坍塌,地表不發(fā)生異常沉降,達(dá)到良好的地表沉降控制效果。
2)刀盤(pán)開(kāi)口和渣土改良設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足在富水砂卵石層、泥巖地層順利掘進(jìn)和防泥餅的需要。
3)刀盤(pán)刀具、螺旋輸送機(jī)有足夠的強(qiáng)度和良好的耐磨性設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離持續(xù)掘進(jìn),不易出現(xiàn)異常損壞。
4)盾構(gòu)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)具有國(guó)內(nèi)外行業(yè)先進(jìn)水平,盾構(gòu)關(guān)鍵部件全球采購(gòu),采用國(guó)際知名廠(chǎng)商產(chǎn)品。
結(jié)合成都的各種地質(zhì),特別是富水砂卵石及復(fù)合地層,設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)為:
1)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要有足夠功率和扭矩,設(shè)計(jì)為液壓大扭矩,且做到主軸承及主軸承密封、主驅(qū)動(dòng)組件、鉸接密封等關(guān)鍵部件質(zhì)量可靠?!爸需F盾構(gòu)”主驅(qū)動(dòng)采用9組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)功率為945 kW,額定扭矩為6 650 kN·m,脫困扭矩為8 100 kN·m,可以滿(mǎn)足在對(duì)扭矩要求較高的卵石地層中掘進(jìn)。液壓驅(qū)動(dòng)尤具有耐沖擊性、高扭矩性等特性,能更好地適應(yīng)富水砂卵石掘進(jìn)。
2)刀盤(pán)形式主要指開(kāi)口形式和開(kāi)口率,二者直接影響掘進(jìn)效率。一般來(lái)說(shuō),輻條之間的刀盤(pán)外周長(zhǎng)多設(shè)定在2.5~4.5 m,所以標(biāo)稱(chēng)直徑6 280的刀盤(pán)可以設(shè)計(jì)成4輻條+4面板,每輻條寬度為750 mm。刀盤(pán)具體形式如圖1所示。
開(kāi)口盡量靠近刀盤(pán)的中心位置,以利于中心部位渣土的流動(dòng)。同時(shí)為防止中心區(qū)域渣土堆積,造成泥餅現(xiàn)象,刀盤(pán)開(kāi)口率可以達(dá)到38%。該種形式刀盤(pán)即提高了開(kāi)口率,也滿(mǎn)足了配置40把滾刀刃和刀盤(pán)本身剛度的要求。
3)刀盤(pán)面板、刀盤(pán)周邊和螺旋輸送機(jī)耐磨設(shè)計(jì)采用復(fù)核鋼板或耐磨塊,加強(qiáng)了耐磨性能。
圖1 刀盤(pán)形式Fig.1 Cutter head
4)采用單管單泵的泡沫系統(tǒng)并配置刀盤(pán)、盾殼膨潤(rùn)土系統(tǒng),利于渣土改良和盾體防卡。
每路泡沫采用單管單泵設(shè)計(jì),當(dāng)?shù)侗P(pán)噴口阻力不同時(shí),每路泡沫仍能夠等量噴出,以避免在中、強(qiáng)風(fēng)化巖中掘進(jìn)時(shí)的泥餅問(wèn)題。
配置的盾殼外膨潤(rùn)土注入系統(tǒng),從盾殼外部注入膨潤(rùn)土或黏土,可有效減少砂層對(duì)盾體的摩擦阻力,防止卡盾。
刀盤(pán)各添加劑注入口分布如圖2所示。
圖2 添加劑注入口分布及其改良區(qū)域圖Fig.2 Distribution of additives injecting points and their conditioning scopes
添加劑注入口設(shè)有橡膠逆流防止閥(單向閥)(見(jiàn)圖3),以防止管路被泥砂堵塞,同時(shí)考慮到在卵石層中掘削,在6個(gè)添加劑注入口閥上設(shè)置保護(hù)刀具,以防止入口閥被卵石擠壓損壞。在人行閘內(nèi)的中心旋轉(zhuǎn)接頭后部留有液壓快速接頭,其構(gòu)造能承受高壓油,如果注入口被堵塞時(shí),可接上油壓管路,通過(guò)液壓疏通裝置,用油泵向刀盤(pán)加泥系統(tǒng)管路加注最大為14 MPa左右的液壓油進(jìn)行疏通,工程應(yīng)用效果很好。
圖3 添加劑注入閥詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Detail of additives injecting valve
5)在土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)上共采用3道閘門(mén)設(shè)計(jì),配置有高分子聚合物注入系統(tǒng)接口、保壓泵接口,以利于解決盾構(gòu)在富水地層掘進(jìn)時(shí)的噴涌及脫困問(wèn)題。
1)按照總體設(shè)計(jì)思路及具體針對(duì)性設(shè)計(jì)的要求,確定了盾構(gòu)的主要參數(shù)(見(jiàn)表2)。
表2 中鐵盾構(gòu)主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of CREC shield
2)采用液壓驅(qū)動(dòng),適應(yīng)管片規(guī)格:外徑為6 000 mm,內(nèi)徑為5 400 mm,寬度為1 500 mm,縱向螺栓分度為36°,刀盤(pán)開(kāi)挖直徑≥前盾外徑30 mm,最大推進(jìn)速度≥80 mm/min,最小轉(zhuǎn)彎半徑為250 m,適應(yīng)縱向坡度應(yīng)不小于±35‰。
目前,大部分“中鐵盾構(gòu)”已按期投入使用,承擔(dān)著地鐵1號(hào)線(xiàn)南延線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)絕大部分(地鐵7號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)施工將于2014年全面鋪開(kāi)),以及地鐵2號(hào)線(xiàn)(二期)和4號(hào)線(xiàn)(一期)部分的盾構(gòu)施工任務(wù)。
現(xiàn)成都地鐵1號(hào)線(xiàn)和3號(hào)線(xiàn),施工中共計(jì)使用18臺(tái)盾構(gòu),其中“中鐵盾構(gòu)”15臺(tái),其他盾構(gòu)3臺(tái)。15臺(tái)“中鐵盾構(gòu)”中包含新機(jī)12臺(tái)(液驅(qū)),改造機(jī)3臺(tái)(電驅(qū)),其中1號(hào)線(xiàn)南延線(xiàn)使用了中鐵新機(jī)2臺(tái)和2臺(tái)其他盾構(gòu)。
中鐵系列盾構(gòu)自大規(guī)模投用至今,達(dá)到了預(yù)期效果。特別是中鐵58號(hào)盾構(gòu),在全斷面砂卵石地層掘進(jìn)中,創(chuàng)造了單日21環(huán)(31.5 m)的成都地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工的最高記錄,并在35 d的有效掘進(jìn)時(shí)間內(nèi)完成了615 m的區(qū)間掘進(jìn)施工任務(wù),充分證明了設(shè)備的高效性和可靠性。
從整體看,已投用的15臺(tái)“中鐵盾構(gòu)”,無(wú)論是在全斷面砂卵石地層、膨脹性泥巖地層,還是泥巖與卵石的復(fù)合地層中,都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性:在富水砂卵石地層掘進(jìn),最短換刀距離600 m以上,3號(hào)線(xiàn)1標(biāo)中鐵56號(hào)盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離持續(xù)掘進(jìn)至852 m處換刀,刀盤(pán)、刀具磨損正常。雖受各種城市活動(dòng)影響,渣土外運(yùn)受阻,穿越重大危險(xiǎn)源等,在施工連續(xù)性得不到保障的情況下,但“中鐵盾構(gòu)”仍取得了如表3所示的成績(jī)(截至2013年12月31日)。
表3 成都地鐵1號(hào)線(xiàn)和3號(hào)線(xiàn)各臺(tái)盾構(gòu)詳細(xì)施工情況一覽表Table 3 Statistics of shields used in No.1 Line and No.3 Line of Chengdu Metro
在成都地鐵施工期間,“中鐵盾構(gòu)”與曾經(jīng)在1號(hào)線(xiàn)和2號(hào)線(xiàn)施工中表現(xiàn)良好的國(guó)外某知名品牌,在各種地質(zhì)條件下多次同時(shí)投入施工,實(shí)用效果證明“中鐵盾構(gòu)”能更好地適應(yīng)在成都地質(zhì)條件下施工。
3.2.1 施工進(jìn)度
3.2.1.1 泥巖、粉土地層
在成都地鐵2號(hào)線(xiàn)東延線(xiàn)保安村站—龍泉東站區(qū)間,其右線(xiàn)長(zhǎng)1 489.70 m,左線(xiàn)長(zhǎng)1 488.608 m,“中鐵盾構(gòu)”承擔(dān)右線(xiàn)掘進(jìn)任務(wù),“國(guó)外盾構(gòu)”承擔(dān)左線(xiàn)掘進(jìn)任務(wù)。
“中鐵盾構(gòu)”于2012年11月26日先行始發(fā),并于2013年6月1日順利接收,總計(jì)用時(shí)188 d,其中除去非掘進(jìn)天數(shù)38 d,實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)150 d,平均實(shí)際日掘進(jìn)9.93 m,最高日掘進(jìn)18環(huán)(27 m)。
“國(guó)外盾構(gòu)”則于2012年12月12日始發(fā),至2013年7月2日順利接收,總計(jì)用時(shí)200 d,其中除去非掘進(jìn)天數(shù)36 d,實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)164 d,平均實(shí)際日掘進(jìn)9.08 m,最高日掘進(jìn)18環(huán)(27 m)。具體進(jìn)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。
3.2.1.2 全斷面砂卵石地層
在成都地鐵3號(hào)線(xiàn)馬鞍北路站—一號(hào)橋站區(qū)間,其左線(xiàn)長(zhǎng)739.936m,右線(xiàn)長(zhǎng)740.322m?!爸需F盾構(gòu)”承擔(dān)左線(xiàn)掘進(jìn)任務(wù),“國(guó)外盾構(gòu)”承擔(dān)右線(xiàn)掘進(jìn)任務(wù)。
表4 泥巖、粉土地層“國(guó)外盾構(gòu)”和“中鐵盾構(gòu)”施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表Table 4 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in mudstone and silt strata
“中鐵盾構(gòu)”于2013年4月13日先行始發(fā),并于2013年8月31日順利到達(dá)一號(hào)橋站接收,總計(jì)用時(shí)141 d,其中去除非掘進(jìn)天數(shù)56 d,實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)85 d,平均實(shí)際日掘進(jìn)8.7 m,最高日掘進(jìn)16環(huán)(19.2 m)。
“國(guó)外盾構(gòu)”則于2013年7月15日始發(fā),至2013年11月18日順利接收,總計(jì)用時(shí)126 d,其中去除非掘進(jìn)天數(shù)25 d,實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)101 d,平均實(shí)際日掘進(jìn)7.32 m;最高日掘進(jìn)16環(huán)(19.2 m)。具體進(jìn)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。
表5 全斷面砂卵面地層“國(guó)外盾構(gòu)”和“中鐵盾構(gòu)”施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表Table 5 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in full-face sandcobble strata
從表4和表5可以看出,“中鐵盾構(gòu)”、“國(guó)外盾構(gòu)”分別在泥巖、粉土地層和全斷面富水砂卵石地層中的掘進(jìn)效率比較接近,局部進(jìn)度差異由非設(shè)備因素所致。在整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降可控,單次及累計(jì)沉降均未超過(guò)規(guī)范要求,圓滿(mǎn)完成了掘進(jìn)任務(wù)。
3.2.2 設(shè)備故障率對(duì)比
“中鐵盾構(gòu)”、“國(guó)外盾構(gòu)”在泥巖、全斷面富水砂卵石地層中的掘進(jìn)故障次數(shù)如表6所示。
表6 泥巖、全斷面富水砂卵石地層中掘進(jìn)故障次數(shù)對(duì)比Table 6 Comparison and contrast between malfunctions of CREC shields and those of foreign shields in mudstone strata and full-face water-rich sand-cobble strata
“中鐵盾構(gòu)”、“國(guó)外盾構(gòu)”在區(qū)間掘進(jìn)工作中,影響生產(chǎn)的故障頻率均在正常范圍內(nèi)。
3.2.3 掘進(jìn)參數(shù)及消耗材料參數(shù)對(duì)比
見(jiàn)表7和表8。
表7 泥巖、粉土地層掘進(jìn)參數(shù)及消耗材料參數(shù)對(duì)比Table 7 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in mudstone and silt strata
表8 全斷面砂卵石地層掘進(jìn)參數(shù)及消耗材料參數(shù)對(duì)比Table 8 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in full-face sandy-cobble strata
在實(shí)際使用上,“中鐵盾構(gòu)”和“國(guó)外盾構(gòu)”主要存在如下區(qū)別。
1)“中鐵盾構(gòu)”的扭矩配置和刀盤(pán)設(shè)計(jì)更適合于帶壓掘進(jìn)。按規(guī)作業(yè)時(shí),掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,地表沉降易于控制。
2)“中鐵盾構(gòu)”對(duì)土壓的敏感性相對(duì)較高,因而對(duì)盾構(gòu)司機(jī)的操作技能要求相對(duì)更高,容錯(cuò)性稍低。
3)“中鐵盾構(gòu)”的渣土改良系統(tǒng)具備一定優(yōu)勢(shì),體現(xiàn)在改良劑的定量、定點(diǎn)注入、堵管預(yù)防、堵管檢測(cè)等方面。總體來(lái)講,實(shí)用效果良好。
4)“中鐵盾構(gòu)”的刀盤(pán)、螺旋輸送機(jī)等關(guān)鍵部件的耐磨設(shè)計(jì)具備一定優(yōu)勢(shì),實(shí)踐效果良好。
5)“中鐵盾構(gòu)”的分布式I/O控制模式,更趨人性化,有利于操作人員實(shí)施組裝、調(diào)試和故障處理等方面的施工作業(yè)。
6)“中鐵盾構(gòu)”配件充足、服務(wù)體系健全,在同等故障頻率情況下延誤時(shí)間遠(yuǎn)低于“國(guó)外盾構(gòu)”。
7)中鐵土壓平衡盾構(gòu)能夠適應(yīng)富水砂卵石地層施工,拓展了土壓平衡盾構(gòu)的使用范圍,提高了盾構(gòu)施工技術(shù)水平。
在成都地鐵施工中,針對(duì)成都復(fù)雜多變的地質(zhì),優(yōu)化設(shè)計(jì)的“中鐵盾構(gòu)”與“國(guó)外盾構(gòu)”相比,在實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在泥巖地段施工中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)管片上浮、錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題,應(yīng)大力推廣雙液漿注入系統(tǒng)的應(yīng)用,使管片在脫出盾尾前受雙液漿凝固作用下被固定住,從而減少或消除管片上浮的幅度。管片上浮問(wèn)題與盾構(gòu)尾盾設(shè)計(jì)和重心布置有關(guān),尚需深入研究、優(yōu)化改進(jìn),進(jìn)一步提高設(shè)備實(shí)用性、可靠性。
同時(shí),在強(qiáng)化和鞏固優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,“中鐵盾構(gòu)”需要進(jìn)一步降低制造成本,增強(qiáng)設(shè)備的工作穩(wěn)定性,提高性?xún)r(jià)比,并進(jìn)一步完善盾構(gòu)技術(shù)、配件、耗材供給等一站式服務(wù)。
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