泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)在廣東西江項目的應(yīng)用

寸萬里

摘 要：本文介紹了泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)在廣東西江項目的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：泥水平衡式盾構(gòu)機(jī);穿越西江;應(yīng)用

水電十四局有限公司中標(biāo)廣東省天然氣管網(wǎng)一期管道項目西江盾構(gòu)隧道工程，該工程工期緊并將穿越西江，施工難度大、風(fēng)險高，擬采用一臺泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)及相應(yīng)后配套設(shè)備進(jìn)行施工，結(jié)合工程特點，可以明確該臺泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、能力及運(yùn)行管理將決定該工程的成敗。

一、西江盾構(gòu)隧道工程概況、地質(zhì)條件及設(shè)計概況

1、工程概況

西江盾構(gòu)隧道屬于廣州至肇慶干線，是廣東省天然氣管網(wǎng)一期工程的重大控制性工程之一。穿越位于廣東省肇慶市鼎湖區(qū)沙浦鎮(zhèn)和永安鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)口端屬于永安鎮(zhèn)貝水鄉(xiāng)貝水村，出口端屬于沙浦鎮(zhèn)典水一鄉(xiāng)東江村。

西江隧道穿越等級為河流大型穿越工程，穿越段總長度為2445.6m（其中盾構(gòu)掘進(jìn)段長度2161.4m，南岸與北岸豎井深度分別為26.9m和18.3m，合計2206.3m;連接線路段為239m）。西江隧道屬于水下圓形斷面單管盾構(gòu)隧道;采用泥水加壓盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)，襯砌管片內(nèi)徑為Ф3.08m，外徑Ф3.58m（盾構(gòu)機(jī)刀盤Ф3.86m）。隧道內(nèi)敷設(shè)管徑為Φ914mm材質(zhì)為X70直縫埋弧鋼管，管道設(shè)計壓力為9.2MPa，采用3層PE加強(qiáng)級防腐。西江盾構(gòu)隧道始發(fā)井直徑為12.5m，接收井直徑為10.0m。管道從南岸始發(fā)井開始以3.0%的下向坡度前進(jìn)736.65m到達(dá)水平段，然后經(jīng)過558.73m的水平段后進(jìn)行變坡，沿坡度為3.0%的上向坡前進(jìn)865.99m后到達(dá)盾構(gòu)接收井;盾構(gòu)始發(fā)和接收工作井均采用圓形截面豎井方式。

2、地層巖性

隧址區(qū)第四紀(jì)地層分布廣泛，主要有人工填土、耕植層，第四系全新統(tǒng)殘坡積層、沖積層以及第四系上更新統(tǒng)沖積層。隧址區(qū)及其附近地區(qū)基巖地層主要為第三系莘莊村組（EX）和侏羅系桂頭群J 1-2。

3、特殊性巖土體和放射性礦（氣）體

隧址區(qū)揭露地層中發(fā)育的特殊性巖土為軟土，主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（局部淤泥），由于軟土具含水量高、孔隙比大、壓縮性高、欠固結(jié)、承載力低、易蠕變、觸變等特點，對穿越有影響的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在施工中采取相應(yīng)的處理措施。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)普查資料和相關(guān)室內(nèi)試驗資料，隧道穿越地層無特殊性巖土體，不含放射性礦體和有害礦（氣）體。

4、隧道穿越巖土體

隧道圍巖洞口段為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層及強(qiáng)-中等風(fēng)化泥巖（礫巖）外，隧道洞身穿越的主要巖層為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂（局部為圓礫）及第三系紫紅色泥巖（夾礫巖）。揭露的基巖強(qiáng)風(fēng)化層層底標(biāo)高：-58.35～-13.91m，揭露厚度：2.60～25.10m。中等風(fēng)化層層底標(biāo)高：-64.75～-16.25m;揭露厚度：2.10～17.00m。

5、隧道設(shè)計概況

5.1 設(shè)計主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

5.1.1盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為Ф3.08m;

5.1.2結(jié)構(gòu)按VII度抗震設(shè)防烈度驗算;

5.1.3區(qū)間防水按二級防水標(biāo)準(zhǔn)考慮，盾構(gòu)法裝配式鋼筋砼管片的抗?jié)B等級不小于1.2MPa;

5.1.4結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)：不考慮側(cè)壁摩阻力時≮1.05，考慮側(cè)壁摩阻力時≮1.15。

5.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑：500m

5.3 最大坡度：3%

5.4 盾構(gòu)隧道鋼筋砼管片

5.4.1管片環(huán)設(shè)計為5+1模式，采用鋼筋混凝土管片現(xiàn)場拼裝，分為6塊，一塊封頂塊、2塊相鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。采用C50鋼筋砼預(yù)制，寬度1200mm，厚度250mm。管片間采用螺栓連接，環(huán)向每個接縫有2個螺栓，共12個，縱向共設(shè)16個螺栓。管片環(huán)寬為1.2m。管片環(huán)與環(huán)之間采用錯縫拼裝方式，管片端采用平面式，管片環(huán)縫設(shè)置榫槽，縱縫不設(shè)置榫槽。

5.4.2隧道埋深：最大埋深31m，最小埋深19m，

5.4.3管片整環(huán)拼裝的允許誤差：相鄰環(huán)的環(huán)面間隙：0.6～0.8mm;縱縫相鄰塊間隙：1.5～2.5mm;縱向螺栓孔孔徑、孔位：±1.0mm;襯砌外徑：±3.0mm。

二、泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的選購

現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)集液壓、機(jī)電控制、測控、計算機(jī)、材料等各類技術(shù)于一體，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型種類很多，而目前作為主流技術(shù)的主要有泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)、TMB掘進(jìn)機(jī)和微型盾構(gòu)機(jī)等。泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)由盾體、開挖機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、送排泥漿機(jī)構(gòu)、拼裝機(jī)構(gòu)及附屬裝置組成;是目前各種盾構(gòu)機(jī)中最復(fù)雜、相同開挖尺寸條件下價格較高的一種。它適用范圍較大，主要用于復(fù)雜地質(zhì)條件，多用于含水率高的軟弱土質(zhì)中，是一種低沉降、較安全的施工機(jī)械，對穩(wěn)定的地層優(yōu)點尤為明顯，其工作效率較高，但隨著土砂百分比的增加，會出現(xiàn)泥水分離難度增大。

由于泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)組織系統(tǒng)復(fù)雜，單機(jī)價格昂貴，采購選型工作至關(guān)重要，中國電力建設(shè)股份公司對此極其重視，由股份公司設(shè)備物資采購中心組織進(jìn)行集中采購招標(biāo)，采用邀請招標(biāo)方式。在評標(biāo)過程中采取聘請多名資深專家參與標(biāo)書評審，并進(jìn)行封閉評標(biāo)，四家投標(biāo)廠商中的廣州海瑞克隧道機(jī)械有限公司所提供的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)同比泥漿系統(tǒng)流量最大、配置合理，盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)均為歐洲生產(chǎn)，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性能得以保證;并且該公司在國內(nèi)的業(yè)績豐富，所制造的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)取得過驕人的成績，如已經(jīng)建成的上海長江隧道使用海瑞克公司提供的兩臺直徑為 15.43 米的世界上直徑最大的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，這兩個分別重2300噸和長125米的“巨人”在水下65米深處成功穿越長江;其次南京長江隧道最低點水土壓力高達(dá)0.65兆帕，居世界同類隧道之最，隧道在江底穿越淤泥、粉細(xì)砂、礫砂、卵石和風(fēng)化巖等，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，也是采用兩臺直徑14.93米的海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)完成盾構(gòu)穿越工程?？紤]到廣東地區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，對盾構(gòu)設(shè)備的可靠性和安全性要求較高，評標(biāo)委員會一致推薦選購廣州海瑞克隧道機(jī)械有限公司的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī);通過多輪次采購合同商談，最終水電十四局有限公司以3980萬元價格采購了一臺海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)。

三、所購泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和配置

1、刀盤焊接防磨保護(hù)層，并配備耐磨刀具，刀盤開口率≥25%;具有可靠、靈敏的壓力平衡調(diào)節(jié)能力，穿越復(fù)雜地質(zhì)時，可通過注入膨潤土或其它漿液等手段，控制地表隆陷值不超過±10mm。

2、刀盤主驅(qū)動采用液壓驅(qū)動，裝機(jī)功率：400kw，轉(zhuǎn)速范圍：0 -3.4rpm，最大掘進(jìn)速度不低于80mm/min。

3、刀盤主軸承、大齒圈傳動裝置及減速器和主軸承密封使用壽命滿足在最大推力下不小于10000h，主軸承密封系統(tǒng)最大壓力：6bar。

4、管片安裝機(jī)為中心回轉(zhuǎn)機(jī)械抓取式，符合CEN 標(biāo)準(zhǔn)，具有6個自由度，每環(huán)拼裝時間不大于30min。

5、盾尾配置4排密封刷，布設(shè)4路同步注漿管路。

6、同步注漿系統(tǒng)具有可靠的防堵塞性能和處理措施，具有自動控制注漿壓力和漿液排量的能力。

7、配置有一臺巖石破碎機(jī)，破碎最大粒徑為540mm，最大破碎硬度為160Mpa。

8、泥漿系統(tǒng)最大泥水量：400m3/h，進(jìn)排泥漿管徑：DN200。

9、電器設(shè)備要求防水、防潮、防塵、防震，防護(hù)等級不低于IP55，所有驅(qū)動電機(jī)防護(hù)等級不低于IP55。

10、測量導(dǎo)向系統(tǒng)的精度等級不低于2秒，有效工作距離不小于200m。

四、后配套設(shè)備配置

泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工同時需有相匹配的泥水處理等配套設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，后配套設(shè)備配置有1套ZX-550泥水處理及制漿系統(tǒng)、1臺MG16/5t×20m×6+29m-A5雙主梁門式起重機(jī)、2輛JXK14-7/192電機(jī)車、2輛3m3砂漿車、4輛10t管片車及2臺KGCA100-300V充電機(jī)，總價為401.70萬元。

五、泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)穿越西江施工

穿越河流是當(dāng)今盾構(gòu)施工的高端技術(shù)，如能順勢而為，試機(jī)切入將占領(lǐng)技術(shù)制高點而取得該領(lǐng)域的入場券，有利于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高核心競爭力，拓寬經(jīng)營范圍，對企業(yè)發(fā)展具有重要意義，水電十四局有限公司對此極其重視，采取由下屬設(shè)備租賃中心組建專業(yè)化隊伍負(fù)責(zé)盾構(gòu)施工（泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)安裝、掘進(jìn)、運(yùn)行維護(hù)、拆除）。盾構(gòu)施工部大膽利用他們在天津地鐵取得的“半環(huán)始發(fā)”經(jīng)驗，用現(xiàn)成的兩塊鋼筋混凝土管片作為負(fù)環(huán)管片，利用盾構(gòu)機(jī)自身的千斤頂推動成功實現(xiàn)了始發(fā)，既節(jié)約了成本，又為類似施工積累了經(jīng)驗。

西江江底地層復(fù)雜，刀盤粘附泥土和刀具磨損是影響盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)的兩大難題。在強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層的掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)了刀盤面和土倉內(nèi)壁附著泥餅的情況，而堅硬的泥餅會把刀盤開口堵塞，還加重了刀具負(fù)荷，使掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)變化，大大降低了工作效率。此外，刀盤泥餅與土艙中隔板的長時間摩擦，會導(dǎo)致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉(zhuǎn)中心橡膠密封件性能下降。為解決這些難題，首先采取打開艙門人工清除泥餅的方式來處理，但因艙內(nèi)作業(yè)不僅有很大風(fēng)險，并且作業(yè)極為艱難，通過咨詢和摸索，采用降低泥漿比重并添加工業(yè)洗衣粉，同時在刀盤上安裝泥漿噴嘴的辦法，最終有效地解決了刀盤結(jié)泥餅的問題，提高了掘進(jìn)速度，確保了盾構(gòu)順利通過粘土層。

為防止盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)過程中偏沉，在拖車底部加裝安全定位輪;給電瓶機(jī)車增設(shè)自動剎車系統(tǒng)和視頻監(jiān)控顯示器，使運(yùn)輸行駛更安全;在泥漿管路上安裝安全閥，解決了因盾構(gòu)機(jī)泥漿泵意外停機(jī)所形成高壓沖擊而導(dǎo)致漿管斷裂的難題;給滾刀增加敷焊耐磨層，延長了刀具在復(fù)雜地質(zhì)中的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本;共約五公里多的DN200進(jìn)排泥漿鋼管全部采用凸緣加密封膠圈及抱箍進(jìn)行連接安裝使用，對比用法蘭連接方式，節(jié)約了大量的安裝時間及輔助材料費用，取得良好的經(jīng)濟(jì)使用效果。

在泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)出洞前，根據(jù)接收井的地質(zhì)條件，采用高壓旋噴樁，對接收井外圍沿隧道軸線方向進(jìn)行了16.5米的土體加固，減小了滲水壓力和延長了滲水通道，大大降低了接收風(fēng)險。

在所有施工人員的努力下，取得月掘進(jìn)高峰強(qiáng)度達(dá)到368.4米（307環(huán)）、日掘進(jìn)高峰強(qiáng)度達(dá)到26.4米（22環(huán)）的好成績。過程中該臺海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)機(jī)況一直保持良好，未出現(xiàn)大的故障，最終歷經(jīng)345個日夜，盾構(gòu)機(jī)成功穿越西江從北岸精準(zhǔn)破壁而出，成型隧道軸線最大偏離僅為2.6厘米遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范值，安全順利完成2160.6米長的穿越西江掘進(jìn)任務(wù)。

六、結(jié)束語

本文選取廣東西江項目應(yīng)用泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)成功穿越西江的經(jīng)驗，說明了如何結(jié)合項目的地質(zhì)情況、工程特點來進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的合理選型、確定主要參數(shù)及后配套設(shè)備配置，介紹了泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用中所需的一些技術(shù)措施及方法。同時也為建筑施工企業(yè)在同類型項目施工時，提供一些有益的借鑒和幫助。

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