長距離越江燃氣管道工程盾構(gòu)機設(shè)計及應(yīng)用

田金坤

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構(gòu)法以其施工高效、安全可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)勢[1-2]，而被廣泛應(yīng)用于各種交通隧道、能源輸送、煤礦斜井等隧道工程建設(shè)中。在此期間，很多隧道工程在施工建設(shè)過程中遇到了一些地質(zhì)條件復(fù)雜、規(guī)律預(yù)見性差的地層，尤其是在對施工要求嚴(yán)苛的越江隧道建設(shè)中遇到的問題更甚。面對這些復(fù)雜多變的施工環(huán)境，選配相適應(yīng)的盾構(gòu)機就顯得尤為重要。

本文基于泥水平衡盾構(gòu)機的工作原理，在結(jié)合鐵建重工集團對盾構(gòu)機地層適應(yīng)性設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提供一種適合長距離越江燃氣管道工程施工的盾構(gòu)設(shè)備，旨在保證盾構(gòu)施工安全可靠，提高盾構(gòu)效率，節(jié)約施工成本。

2 工程概況及施工難點分析

岳陽越江隧道工程為潛江～韶關(guān)輸氣管道工程穿越長江的一部分，本工程采用盾構(gòu)法施工(線路位置示意見圖1)，盾構(gòu)段全長約3.48 km。

勘測結(jié)果揭示擬建區(qū)間穿越地層以中微風(fēng)化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖結(jié)構(gòu)為主，單軸極限抗壓強度為24～34 MPa；另外，擬建區(qū)間范圍內(nèi)分布有9處且最大寬度約為70 m的斷層破碎帶，受長江水力補給，地下水量大，約1.83×10-4m/s，根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗[3-5]，擬采用泥水平衡盾構(gòu)機盾構(gòu)施工，盾構(gòu)隧道直徑約φ3.81 m。

由于本工程存在一次性施工距離長、水壓高及斷層多等特點。盾構(gòu)施工難點具體如下:

(1)中～微風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖抗壓強度較高，破巖有一定難度；

(2)有石英巖脈侵入的局部區(qū)域，造成軟硬不均；

(3)板巖中以綠泥石泥質(zhì)板巖為主，巖石破碎后遇水具有粘性；

(4)隧道穿越粉細砂層，砂層富含地下水，地層不穩(wěn)，有涌水涌砂風(fēng)險等。

因此，需要根據(jù)本工程地質(zhì)水文及隧道尺寸要求，對盾構(gòu)機進行針對性選型設(shè)計研究。

3 盾構(gòu)機選型設(shè)計

根據(jù)本工程盾構(gòu)施工重難點，在借鑒大量類似盾構(gòu)施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)機的控制模式、刀盤刀具、破碎模式、環(huán)流系統(tǒng)及姿態(tài)調(diào)整等進行針對性選型設(shè)計，以求達到所選盾構(gòu)機高度匹配本工程施工的目的。

3.1 控制模式選型設(shè)計

泥水平衡盾構(gòu)機掘進時，控制其開挖面壓力平衡的模式主要有直接控制式和間接控制式兩種[6]。綜合考慮本工程地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)尺寸、地面沉降控制要求等因素，本盾構(gòu)優(yōu)先選用帶氣墊艙的間接控制加直排模式，即盾體切口環(huán)采用雙艙設(shè)計、排漿管直接從開挖艙與氣墊艙之間的集渣腔中抽排渣漿，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 切口環(huán)雙艙設(shè)計結(jié)構(gòu)示意

3.2 刀盤刀具選型設(shè)計

由于本盾構(gòu)段巖層中綠泥石泥質(zhì)板巖破碎后遇水具有粘性，為防范刀盤刀具固結(jié)泥餅和很好地平衡開挖面壓力，刀盤采用“以排為主、碎排兼具”的設(shè)計思路[7]，設(shè)計成復(fù)合式刀盤，其主要設(shè)計參數(shù)及其功能如表1所示，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

表1 刀盤主要設(shè)計參數(shù)及其功能

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)示意

3.3 破碎模式選型設(shè)計

目前泥水平衡盾構(gòu)機配備的破碎模式主要有錐式破碎與顎式破碎兩種模式[8]，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，在大直徑泥水平衡盾構(gòu)上，因為空間大，常配置顎式碎石機，直接破碎倉內(nèi)大顆粒巖石。但在小直徑泥水平衡盾構(gòu)上，排漿管直徑相對較小，在卵石含量較高地層，氣墊艙內(nèi)液壓缸驅(qū)動的顎式碎石機無法及時將卵石破碎到渣漿泵的輸送能力以下粒徑，容易導(dǎo)致氣墊艙內(nèi)淤積、泥漿管路堵管、渣漿泵頻繁損壞等故障，進而導(dǎo)致整機掘進速度大大降低，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致地面塌陷。

因此，小直徑泥水平衡盾構(gòu)機更多地選擇與刀盤支腿相配合的錐式破碎模式，其結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，破碎筋板與刀盤支腿間距按一定規(guī)律分布，配合柵格板上的倒錐式柵格孔可將渣塊破碎至80 mm以下。

圖4 錐式破碎結(jié)構(gòu)示意

3.4 環(huán)流系統(tǒng)選型設(shè)計

環(huán)流系統(tǒng)是泥水平衡盾構(gòu)機的關(guān)鍵組成部分，其選型設(shè)計的優(yōu)劣，直接決定了泥水平衡盾構(gòu)機的渣漿輸送、掌子面平衡及泥餅沖刷等性能，因此，需重點對其進行針對性選型設(shè)計。

3.4.1 環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)所研究的擬建隧道地質(zhì)水文及工程情況，輸入的環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計條件如表2所示。

表2 環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計條件

(1)進漿體積濃度計算

環(huán)流系統(tǒng)的進漿體積濃度可由式(1)計算:

將設(shè)計條件值代入式(1)可得進漿體積濃度為CV1:

(2)泥漿極限流速計算

當(dāng)泥漿管道直徑d≤0.2m時，為確保泥漿管道內(nèi)顆粒無沉淀的極限流速一般由Durand公式(2)計算:

式中，VL為臨界沉淀流速(m/s)；K為與泥漿濃度CV相關(guān)的系數(shù)，當(dāng)粒徑超過2 mm時，K=1.34[9]。

將設(shè)計條件值代入式(2)可得管道內(nèi)泥漿極限流速為:

另外，根據(jù)卵石啟動流速研究可得，當(dāng)管道內(nèi)泥漿流速超過1.6 m/s時，能夠攜帶直徑18 cm(大于破碎粒徑8 cm)的少量卵石，因此排漿管內(nèi)不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

(3)進、排漿理論流量計算

由極限流速及設(shè)計條件，可計算出排漿流量Q2:

由容積公式(3)可計算得到進漿流量Q1:

則將設(shè)計條件及計算值代入式(3)，可得進漿流量Q1為:

(4)排漿體積濃度計算

當(dāng)已知進漿體積濃度、進/排漿流速時，可由質(zhì)量公式(4)，計算出排漿體積濃度CV2:

將設(shè)計條件值代入式(4)可得排漿體積濃度CV2為:

(5)排漿比重計算

將計算值代入式(1)，可得排漿比重γ2為:

γ2=(G2-1) ×CV2+1=1.25 t/m3

排漿比重γ2小于1.4 t/m3[10]，設(shè)計合理。

(6)進、排漿實際流量選定

考慮到泥漿逃逸及設(shè)計富余量，最終選取進漿流量為350m3/h，排量流量為400m3/h；同時，可計算得到進漿流速V1=3.10 m/s，排漿速度V2=3.54 m/s。

3.4.2 泥漿泵的選型

(1)進、排泵揚程計算

泥漿在管路中輸送時，其沿程損失可根據(jù)式(5)和式(6)計算:

式中，hf管路沿程損失(m)；L為排漿管道總長度(m)；d為管道直徑(m)；V為泥漿流速(m/s)；λ為沿程阻力系數(shù)；S為泥漿比重；C為管路系數(shù)，此處取值120。

將設(shè)計條件及上述計算值代入式(6)，可得排漿管沿程阻力系數(shù)λ2為:

將λ2值代入式(5)，可得排漿管路沿程損失系數(shù)hf2:

則排漿泵所需要的揚程TH2為:

式中，取開挖面壓力P2=0，預(yù)留富余量δ=10%。

同理，可計算出進漿泵需要的揚程TH1為:

(2)泥漿泵選定

根據(jù)某泥漿泵廠家提供泵的選型手冊，在綜合考慮泵的通用及經(jīng)濟型的前提下，選定的泥漿泵如表3所示。

表3 泥漿泵選型

3.5 姿態(tài)調(diào)整選型設(shè)計

工程實踐表明，盾構(gòu)機掘進時姿態(tài)調(diào)整難易程度與盾構(gòu)靈敏度(主機長度L與盾體直徑DT比值)有著密切的關(guān)系，其經(jīng)驗值如表4所示。當(dāng)靈敏度大于1.5時，盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整困難，通常需設(shè)置鉸接機構(gòu)[11]。本盾構(gòu)靈敏度約2.65，且在曲線段掘進，通過參考大量工程實踐和綜合對比下，本工程盾構(gòu)采用主動鉸接設(shè)計。盾構(gòu)機部分參數(shù)配置及選型設(shè)計如表5所示。

表4 盾構(gòu)機靈敏度經(jīng)驗值

表5 盾構(gòu)機部分參數(shù)配置及選型設(shè)計

3.6 其他選型設(shè)計

盾構(gòu)機掘進過程中，安全性能尤為重要。在57 m水壓頭下，為保證盾構(gòu)安全可靠，密封系統(tǒng)必不可少，其中主驅(qū)動密封采用一道端面聚氨酯密封、一道徑向聚氨酯密封及一道唇形密封，主動鉸接處設(shè)置一道橡膠密封和一道聚氨酯唇形密封，盾尾三道鋼絲刷加一道鋼板束并在密封腔中注入油脂進行密封；同時，在長距離、小斷面隧道掘進時，合理的通風(fēng)條件是作業(yè)人員身心健康的另一保障[12]，因此，對通風(fēng)及除塵系統(tǒng)也進行了針對性選型設(shè)計等。

4 工程應(yīng)用

經(jīng)選型設(shè)計的盾構(gòu)機(如圖5所示)，自始發(fā)以來，運行穩(wěn)定，并創(chuàng)造了最高月進尺達348 m的記錄。其刀盤配合錐式破碎模式對渣塊的破碎效果良好，所選型的環(huán)流系統(tǒng)完全匹配盾構(gòu)排渣功能(出渣現(xiàn)場如圖6所示)，設(shè)備整體運行狀況與設(shè)計初衷吻合，驗證了各個系統(tǒng)的選型與設(shè)計符合工程實際，對本工況項目地質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，滿足擬建隧道的特殊施工設(shè)計需求。

圖6 施工現(xiàn)場出渣

5 結(jié)束語

本文結(jié)合某天然氣輸送項目中岳陽越江隧道工程特點，對盾構(gòu)機選型及設(shè)計進行了針對性研究分析，最終所選盾構(gòu)機及掘進方法已經(jīng)在實際工程中得到很好的應(yīng)用與驗證，具有較好的推廣與應(yīng)用前景，對今后類似盾構(gòu)機選型及工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。