泥水盾构技术9.1 盾构选型及技术参数

第九章 一、 盾构选型及技术参数 1  日本东京湾道路工程概况与特征 　　日本横越东京湾道路是一条连接神奈川县川崎市和千叶县木更津市的汽车专用道路。在全长约15km道路中，船舶航行繁忙的川崎侧是10km隧 道结构，位于浅海区的船舶航行较少的木更津侧是5km的桥梁结构。并列的两条(设想将来三条)隧道是以川崎人工岛为界，由川崎侧的川崎隧道区间和木更津侧 的中央隧道区间组成。工作井有浮岛、川崎人工岛和木更津人工岛三处，三个工作井在盾构施工期间作为出洞井和作业基地使用，并且在提供使用时收容道路换 气设施。 　　隧道部分位于东京湾的中央部，在川崎人工岛附近，在海水面下约55m、水深约28m的海底下，覆土约为20m。 　　从隧道断面看，在完成时除两条车道外，还有路肩、通风和监视人员通道，管片外径13.9m。此外隧道区间被分为八个工区，用八台泥水加压式 盾构机掘进，川崎侧和木更津侧两条隧道都是在中间部进行水下地中对接。为此一个工区的长度都是超出2km的长距离隧道工程，在海底有四处作地中对接，地中 对接位置见图160。 图160  地中对接位置概况图 　　隧道掘削的地层，川崎侧是以冲积性粘性土层(有乐町层)、洪积粘性土(7号地层)为主体；木更津侧在此基础上还介入洪积砂质土层(成田层)。冲积世的堆积层被称为有乐町土层，主要可分为上部的AC1层和下部的AC2层。洪积世堆积层用D1～D4表示，其中D1、D2是所谓的7号地层的上部和下部，D3相当于成田层下部，D4相当于长沼屏风浦层。在冲积性粘性土层中，AC1层是极其软弱的地层(N=0)，并且位于隧道的上部，部分出现在掘削断面范围内。 　　图161是隧道的平面图和纵断面图。图162是RC管片概况图。图163是川崎隧道北线的地中对接地点的地质断面图，隧道上半部分为AC2土层，下半部分由D1C层和D1S层组成。  图161  横越东京湾道路隧道平面图和纵断面图  　　2盾构选型 　　在海底公路隧道中，历来有许多采用沉埋隧道工法的施工实例。但近年来，城市隧道施工的盾构工法，取得了显著的技术性进步。本次隧道条件中的大直径(双车道断面，管片外径13.9m)、超水深下(6kgf/cm２水压下)、浅覆土(0.7～1.0D)及长距离掘进(从两头推进施工约2500m)，即使在海底进行地中对接，也是能适用的。 　　根据最近的盾构工程，其大直径盾构掘进机施工实例见图164。设计中，直径最大的密闭式盾构掘进机为大阪市平野川河系泥水加压式盾构掘进机，其外径11.0m。此外，海底高水压下的施工有东京都南部污水处理站的联络渠(直径9.0m，施工中泥水压力为4.0kg/cm2)，在海底实施了地中对接。 图162  RC管片概况图 图163  川畸侧隧道北线地中对接点地质断面 图164  水体下施工的盾构隧道实绩   　　为了确保在高水压下及软弱土体条件中的隧道开挖面稳定和止水，借鉴日本已有的盾构掘进机应用实例，从密闭式盾构工法中选定泥水加压式盾构掘进机作为最适机种使用，并制定了掘进计划。   　　3盾构掘进机基本构造及技术参数 　　(1) 盾构掘进机性能要求 　　 在筹划制定盾构掘进机制作基本要素时，详细地探讨了施工条件，设计了具有充分的强度、耐久性、施工性、安全性和经济性的盾构掘进机。 　　本次施工中的盾构的性能要求如下： 　　① 大直径 　　可筑成13.9m的管片外径。 　　② 长距离掘进 　　由于最大掘进长度约3.0km，需要足够的耐久性。 　　③ 土质 　　盾构掘进机能在人工改良土层、冻结土层、软弱粘土层、砾石层及各种土质的土层中掘进。 　　④ 高水压施工 　　由于长期承受约6.0kgf/cm2水压，需要耐水压。 　　⑤ 地中对接 　　在人工岛中间部，进行海底对接。 　　⑥ 缩短工期 　　具有能确保合理的施工速度的能力和性能。 　　⑦ 安全性 　　为了满足上述①～⑥特征，盾构掘进机必须具备充分的安全性和可靠性。 　　(2) 盾构掘进机基本构造形式 　　考虑到盾构掘进机的设计条件，其基本构造形式如下： 　　① 盾构掘进机形式为泥水式盾构，制作八台。 　　② 由于刀头设定在约3000m长距离的掘进距离，考虑到在掘进途中调换，选定了在土仓内能便于拆装的螺栓安装型。其形状是着重于切削性的T形刀，刀头材质相当于耐磨损的E，刀头母材相当于淬火性能好，硬度性能不降低的SKC24，见图165。 　　③ 考虑到长距离掘进以及在高水压下的施工条件，盾尾密封配置了具有耐久性和耐压的密封形状及材质。 　　在盾尾部后端，为了防止地下水及壁后注浆材料流到机内，在盾壳与管片之间，设置了四排盾尾密封和紧急止水装置，见图166。 图165  刀头 图166  盾尾密封   　　盾尾密封是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构，在弹簧钢和钢丝刷上涂氟树脂进行防锈处理。在各盾尾密封之间注入油脂等充填材料来提高止水性能。通过油脂注入泵，进行连续或不连续注入。 　　在掘进途中，为了对付在通过盾尾密封部时可能发生的大量漏水险情及作为调换钢丝刷时的一种技术措施所采取的紧急止水手段，安装了紧急止水装 置，见图166。工作原理是从连接背面(盾壳侧)加液压，使其膨胀，将密封呈入字形挤压在管片的外表面来确保止水性能。  ④ 刀盘支承方式，根据下述条件，采用了中间支承方式。 　　· 外径为14.14m大直径盾构掘进机； 　　· 由于掘削的土层多数是洪积性的粘性土土层，事先采用能防止土砂在土仓内粘附滞留的形式； 　　· 能承受作用在刀盘上的偏心荷重所产生的扭矩； 　　· 地铁复线级以上的泥水盾构都采用中间支承方式，并有大直径盾构用支承方式的实绩； 　　· 刀盘驱动方式采用了在效率上、噪音方面及坑内温度等作业环境上有利的电驱动方式。 　　考虑到上述几点因素，配置了能充分承受外压的结构及材料。 　　 ⑤ 具有地中对接的结构。由于在高水压下，通过冻结土体工法来进行地中对接的施工，紧靠刀盘外周安装了冻结管及辐射状冻结管阀等。为了在对接时让盾构的前端尽可能地接近，采用了可缩性盾构中心刀盘的形式(缩回行程300mm)，见图167。 　　⑥ 千斤顶推力考虑到要处理高水压下的泥水压力，留有充足的千斤顶推力。所需推力可以由土体表面的摩擦力、刀头挤压力(贯入土体的力)、开挖面泥水压力等求 出，千斤顶共装有48根，500t/根，总推力为24000t。该值即使在盾构掘进机经过长时期停机后再次开始推进，所要的推进力也足够。千斤顶行程考虑 到要满足拼装K型管片时的插入需要，定为2550mm。为了控制盾构掘进机方向，千斤顶可任意选择使用，它是一个在运转状态下能自动控制方向、进行处理的 一个系统。 　　⑦ 壁后注浆采用了壁后同步注浆方式。隧道盾构的推进，为了使发生的盾尾空隙得到迅速及时充填，安装了四组壁后同步注浆装置，见图168。 图167  可缩性中心刀盘    图168  壁后同步注浆装置   　　注浆系统是掘进速度、注浆压力及注浆量三者连动作用的一套系统。为了不让地下水及土砂从壁后注浆材料输出口倒流，用液压千斤顶通过往复运动的活塞来止水，并配合注浆作业使其开闭。装备了当掘进结束后能迅速及时地清扫壁后注浆管的水清洗管路。 　　⑧ 大直径管片的拼装作业， 　　采用了自动拼装装置，主要原因如下： 　　· 由于单块管片非常重，为10t，连接螺栓及紧固工具的重量也相当重，人工作业性差； 　　· 紧固M36螺栓需要用15000kgf·cm紧固力矩，此非人力所及； 　　· 由于大直径(管片内径12.6m)，管片拼装时升降移动量大，增加作业人员的疲劳度； 　　· 为了提高作业效率，若增加作业人员，往往因作业人员相互间联络不足，或井上和井下同时作业，将可能增加事故发生率； 　　· 由于大直径，目视确认螺栓孔位置有困难。 　　因此采取了通过自动化或机械化的管片拼装作业，以减少作业人员数量和尽量缩短工期。  　　管片拼装机械人是由管片供给装置和管片拼装机装置组成。 　　采用自动化拼装的管片为RC(钢筋混凝土)管片。 　　为了缩短该工程施工工期，尽可能缩短管片拼装作业时间，安装了可高速运转的设备。将一环管片的拼装时间目标值定为110min，就可缩短所有工区的拼装时间。 　　管片结构的设计，根据“机械操作简单化”的要求，探讨并制定了“管片形状尺寸的统一化”、“使用构件、工种的少量化”、“作业重复化”三项原则。 　　统一了管片制作精度、螺栓盒形状与尺寸等，制定了下述能进行自动拼装的管片规格。具有上述特点的管片构造图见图169。  图169  管片构造图   　　· 埋设用机械手能容易地、在短时间内夹持的吊钟状夹持金属器械； 　　· 设置能防止机械手与管片间错位的方型缺口； 　　· 设置能高精度检测管片位置的遥感槽； 　　· 为了便于机械手处理螺栓盒内的长螺栓，设置了定心装置或防止脱落用器具； 　　· 为了满足测量精度的要求，必须提高管片制作精度(精度从±1.0mm提高到±0.5mm)。 　　(3) 盾构掘进机技术参数 　　横越东京湾道路，在川崎人工岛中出洞时使用的4台盾构掘进机因土质条件、制造厂商等其他条件的不同而在细节和系统上略有差异，技术参数如下，见图170。 图170  泥水式盾构掘进机   　　 ① 盾构掘进机本体 　　盾构掘进机外径：14140mm 　　盾构掘进机机长：13500mm 　　机体前部钢板厚：70mm；材质：SM400A 　　机体中部钢板厚：70mm；材质：SM400A 　　机体后部钢板厚：80mm,48mm；材质：AM49A；分割块数：3 　　②掘进装置 　　盾构千斤顶：500tf×2550×48根 　　盾构总装备推力：24000tf(153kg/cm2) 　　盾构千斤顶全顶速度：4.5cm/min 　　设计掘进速度3.0cm/min 　　③刀盘装置 　　刀盘支承方式：中间支承 　　刀盘力矩：3181tf-m(α=1.13)  　　刀盘转速：0.39rpm 　　开口槽：宽350mm；开口率30% 　　动力：1260kW(90kW×14台) 　　刀头：超硬合金刀(150mm，高100mm) 　　仿形刀：推力42tf 　　行程最大290mm 　　④ 管片供给装置 　　举升：行程650mm；额定推力30tf 　　前后进：行程2250mm；额定推力3tf 　　轴向定位：行程100mm；额定推力4.4tf 　　圆周向定位：行程290mm；额定推力4.4tf 　　⑤ 拼装机装置 　　旋转：行程±190°；额定推力24tf 　　伸缩：行程1350mm；额定推力10tf 　　 滑动：行程2650mm；额定推力10tf 　　倾斜：行程±2°；额定推力12tf-m 　　摆动：行程±1.5°；额定推力40tf-m 　　偏转：行程±2°；额定推力5tf-m  　　⑥ 螺栓连接装置  　　形式：径向每次同时连接3根 　　纵向每次连接1根 　　连接力矩：径向150kgf-m 　　数量：径向1台；纵向2台 　　⑦ 真圆保持装置 　　扩张力：240tf 　　滑动行程：2250 　　校正中心行程：200mm(扩张行程) 　　⑧ 搅拌机 　　叶轮外径：1240mm 　　力矩：850kgf-m 　　转速：50rpm 　　动力：45kW/台 　　数量：5台 　　⑨ 盾尾密封 　　叶片外径：钢丝刷段数：4段 　　材质：不锈钢制 　　充填油脂：自动充填 　　 ⑩送排泥管 　　送泥管：12B×1根 　　送泥备用管：12B×1根 　　排泥管：12B×1根 　　排泥备用管：12B×2根 　　旁通管：12B×1根 　　(注)由于是多台盾构掘进机，在各个结构与规格上会略有不同。 　　考虑到八台泥水加压盾构在各工区对盾构运输、吊装就位时的现场施工具体条件不同，盾构制作时对各工区盾构掘进机主要各部分的分割是不相同的。各工区泥水加压盾构的分割数及最大重量列于表51。   表51 盾构掘进机的分割数与最大重量 工区名称 分割数 最大重量(t) 浮岛工区 川崎人工岛工区 木更津人工岛工区 20 3 3 180 1395 1350