田金坤
(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410100)
盾構(gòu)法以其施工高效、安全可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[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(duì)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(duì)這些復(fù)雜多變的施工環(huán)境,選配相適應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)就顯得尤為重要。
本文基于泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理,在結(jié)合鐵建重工集團(tuán)對(duì)盾構(gòu)機(jī)地層適應(yīng)性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提供一種適合長(zhǎng)距離越江燃?xì)夤艿拦こ淌┕さ亩軜?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。
岳陽(yáng)越江隧道工程為潛江~韶關(guān)輸氣管道工程穿越長(zhǎng)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(zhǎng)約3.48 km。
勘測(cè)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(qiáng)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(zhǎng)江水力補(bǔ)給,地下水量大,約1.83×10-4m/s,根據(jù)國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)[3-5],擬采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)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(zhǎng)、水壓高及斷層多等特點(diǎn)。盾構(gòu)施工難點(diǎn)具體如下:
(1)中~微風(fēng)化泥質(zhì)砂質(zhì)板巖抗壓強(qiáng)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(xì)砂層,砂層富含地下水,地層不穩(wěn),有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)等。
因此,需要根據(jù)本工程地質(zhì)水文及隧道尺寸要求,對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行針對(duì)性選型設(shè)計(jì)研究。
根據(jù)本工程盾構(gòu)施工重難點(diǎn),在借鑒大量類似盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)盾構(gòu)機(jī)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(jìn)行針對(duì)性選型設(shè)計(jì),以求達(dá)到所選盾構(gòu)機(jī)高度匹配本工程施工的目的。
泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),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(jì)、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(jì)結(jié)構(gòu)示意
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(jì)思路[7],設(shè)計(jì)成復(fù)合式刀盤,其主要設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)及其功能
圖3 刀盤結(jié)構(gòu)示意
目前泥水平衡盾構(gòu)機(jī)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(yàn),在大直徑泥水平衡盾構(gòu)上,因?yàn)榭臻g大,常配置顎式碎石機(jī),直接破碎倉(cāng)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(duì)較小,在卵石含量較高地層,氣墊艙內(nèi)液壓缸驅(qū)動(dòng)的顎式碎石機(jī)無(wú)法及時(shí)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(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)掘進(jìn)速度大大降低,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致地面塌陷。
因此,小直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)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
環(huán)流系統(tǒng)是泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵組成部分,其選型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,直接決定了泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的渣漿輸送、掌子面平衡及泥餅沖刷等性能,因此,需重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性選型設(shè)計(jì)。
3.4.1 環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
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(jì)條件如表2所示。
表2 環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件
(1)進(jìn)漿體積濃度計(jì)算
環(huán)流系統(tǒng)的進(jìn)漿體積濃度可由式(1)計(jì)算:
將設(shè)計(jì)條件值代入式(1)可得進(jìn)漿體積濃度為CV1:
(2)泥漿極限流速計(jì)算
當(dāng)泥漿管道直徑d≤0.2m時(shí),為確保泥漿管道內(nèi)顆粒無(wú)沉淀的極限流速一般由Durand公式(2)計(jì)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(shí),K=1.34[9]。
將設(shè)計(jì)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(dòng)流速研究可得,當(dāng)管道內(nèi)泥漿流速超過1.6 m/s時(shí),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(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。
(3)進(jìn)、排漿理論流量計(jì)算
由極限流速及設(shè)計(jì)條件,可計(jì)算出排漿流量Q2:
由容積公式(3)可計(jì)算得到進(jìn)漿流量Q1:
則將設(shè)計(jì)條件及計(jì)算值代入式(3),可得進(jìn)漿流量Q1為:
(4)排漿體積濃度計(jì)算
當(dāng)已知進(jìn)漿體積濃度、進(jìn)/排漿流速時(shí),可由質(zhì)量公式(4),計(jì)算出排漿體積濃度CV2:
將設(shè)計(jì)條件值代入式(4)可得排漿體積濃度CV2為:
(5)排漿比重計(jì)算
將計(jì)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(jì)合理。
(6)進(jìn)、排漿實(shí)際流量選定
考慮到泥漿逃逸及設(shè)計(jì)富余量,最終選取進(jìn)漿流量為350m3/h,排量流量為400m3/h;同時(shí),可計(jì)算得到進(jìn)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(jìn)、排泵揚(yáng)程計(jì)算
泥漿在管路中輸送時(shí),其沿程損失可根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算:
式中,hf管路沿程損失(m);L為排漿管道總長(zhǎng)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(jì)條件及上述計(jì)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(yáng)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(jì)算出進(jìn)漿泵需要的揚(yáng)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(cè),在綜合考慮泵的通用及經(jīng)濟(jì)型的前提下,選定的泥漿泵如表3所示。
表3 泥漿泵選型
工程實(shí)踐表明,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)姿態(tài)調(diào)整難易程度與盾構(gòu)靈敏度(主機(jī)長(zhǎng)度L與盾體直徑DT比值)有著密切的關(guān)系,其經(jīng)驗(yàn)值如表4所示。當(dāng)靈敏度大于1.5時(shí),盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整困難,通常需設(shè)置鉸接機(jī)構(gòu)[11]。本盾構(gòu)靈敏度約2.65,且在曲線段掘進(jìn),通過參考大量工程實(shí)踐和綜合對(duì)比下,本工程盾構(gòu)采用主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)。盾構(gòu)機(jī)部分參數(shù)配置及選型設(shè)計(jì)如表5所示。
表4 盾構(gòu)機(jī)靈敏度經(jīng)驗(yàn)值
表5 盾構(gòu)機(jī)部分參數(shù)配置及選型設(shè)計(jì)
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行密封;同時(shí),在長(zhǎng)距離、小斷面隧道掘進(jìn)時(shí),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(duì)通風(fēng)及除塵系統(tǒng)也進(jìn)行了針對(duì)性選型設(shè)計(jì)等。
經(jīng)選型設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)(如圖5所示),自始發(fā)以來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定,并創(chuàng)造了最高月進(jìn)尺達(dá)348 m的記錄。其刀盤配合錐式破碎模式對(duì)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(chǎng)如圖6所示),設(shè)備整體運(yùn)行狀況與設(shè)計(jì)初衷吻合,驗(yàn)證了各個(gè)系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)符合工程實(shí)際,對(duì)本工況項(xiàng)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(jì)需求。
圖6 施工現(xiàn)場(chǎng)出渣
本文結(jié)合某天然氣輸送項(xiàng)目中岳陽(yáng)越江隧道工程特點(diǎn),對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型及設(shè)計(jì)進(jìn)行了針對(duì)性研究分析,最終所選盾構(gòu)機(jī)及掘進(jìn)方法已經(jīng)在實(shí)際工程中得到很好的應(yīng)用與驗(yàn)證,具有較好的推廣與應(yīng)用前景,對(duì)今后類似盾構(gòu)機(jī)選型及工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。