飽和法盾構(gòu)機開艙作業(yè)新技術(shù)

1、飽和法盾構(gòu)機開艙作業(yè)新技術(shù)前 言近十年來，大直徑盾構(gòu)隧道建設(shè)得到了飛速的發(fā)展。大直徑、高水壓、長距離是大型越江隧道的共同特點。長距離掘進對盾構(gòu)機刀具壽命提出了更高的要求。在刀具無法滿足全程掘進壽命要求的現(xiàn)狀下，不得不尋求中途更換刀具的技術(shù)突破。地質(zhì)復雜性、多變以及工程條件的局限，尤其是深水江河下，很難實現(xiàn)盾構(gòu)機必要區(qū)域的土體加固，使更換刀具十分困難,安全堪憂。盾構(gòu)飽和法開艙換刀技術(shù)以無需地層加固，地質(zhì)適應(yīng)性強，對周邊環(huán)境要求低和影響小等特點，解決了苛刻條件下的換刀難題。帶壓換刀技術(shù)是一項涉及地質(zhì)、泥漿、機械、潛水等多學科的綜合技術(shù)。一、工程背景二、泥水平衡盾構(gòu)機簡介三、泥膜與建膜技術(shù)四、飽和法

2、開艙技術(shù)五、飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例匯報內(nèi)容一、工程背景南京緯三路過江通道工程位于南京長江大橋和緯七路過江通道之間，距離南京長江大橋約5km，連接南京主城區(qū)與浦口規(guī)劃新市區(qū)，是南京市城市快速路系統(tǒng)跨江成網(wǎng)的重要通道之一。南京緯三路過江通道起于浦口區(qū)浦珠路轉(zhuǎn)盤西側(cè)，向東南跨越豐子河路、北岸濱江大道，北線（N線）穿越長江主航道、潛洲及夾江水道后與揚子江大道相接，南線（S線）與揚子江大道交叉并下穿后，止于江東路，和定淮門大街（緯三路）連接。1.工程背景N線隧道工程地質(zhì)縱斷面圖S線隧道工程地質(zhì)縱斷面圖南京緯三路過江通道工程特點435掘進距離長4135m 1開挖直徑15.02m2隧道穿越上軟下硬復合地層施

3、工風險大險長薄高大1.工程背景水壓高石英含量高管片拼裝精度高覆土厚度0.6D淤 泥粉 砂砂 卵 層粉質(zhì)粘土泥 巖角礫巖砂 巖1468m480m670m1517m地質(zhì)復雜：隧道穿越粘土層、粉細砂、中粗砂、卵礫石層以及中風化粉砂巖地層。地質(zhì)特點1.工程背景二、泥水平衡盾構(gòu)機簡介泥漿壓力土壓力地下水壓力泥水加壓式盾構(gòu)施工時，利用泥漿艙中壓力泥漿來維持開挖面的穩(wěn)定。泥水加壓盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定原理氣壓泥漿10通過在開挖面形成一層致密的微透水泥膜形成致密的泥膜，利用該泥膜將泥漿壓力轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，平衡開挖面處的土壓力，所以在開挖面形成優(yōu)質(zhì)泥膜是泥水盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介泥水加壓盾構(gòu)的平衡機

4、構(gòu)調(diào)漿池干土外運沉淀池泥漿及渣土監(jiān)測系統(tǒng)泥漿處理系統(tǒng)掘進系統(tǒng)泥漿泵豎井進漿管排泥管112.泥水平衡盾構(gòu)機簡介刀盤刀具刀盤：采用輻條-面板式開挖直徑：15.02m開口率：25.7%主要材料采用合金結(jié)構(gòu)鋼Q345B，結(jié)構(gòu)表面焊接耐磨板15.02m2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介刀具種類A、先行刀-預松巖土B、主切刀-切削巖土C、刮 刀-鏟土入倉D、滾 刀-挖掘巖層刀盤刀具2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介掘進工況：A、軟土工況- 軟土掘進狀態(tài)砂卵層、巖層掘進狀態(tài)B、硬巖工況- 刀盤刀具2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介盾構(gòu)本體15.98m2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介盾構(gòu)本體：總長度：15.98m，盾尾厚度：120mm，盾尾密封：5道形式

5、加強型鋼絲刷。盾構(gòu)推進系統(tǒng)：推進系統(tǒng)采用58根 （29組） 液壓油缸，分為上(7)、下(8)、左(7)、右(7)四個區(qū)域，油缸最大行程3200mm，通過檢測NO1、NO15、NO29、NO44號油缸來測定該區(qū)油缸的速度和行程。2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介推進系統(tǒng)刀盤主驅(qū)動系統(tǒng)：刀盤轉(zhuǎn)速：0.11.85rpm刀盤裝備扭矩：36232 kNm(100%)54348kNm(150%)驅(qū)動方法：電驅(qū)動刀盤功率：3750KW驅(qū)動裝置2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介管片拼裝機管片拼裝機主要技術(shù)參數(shù)名稱規(guī)格管片抓舉形式真空吸盤速度1.0rpm回轉(zhuǎn)角度200deg滑動行程3450mm垂直行程2200mm最大起重量15.2T管

6、片拼裝機2.泥水平衡盾構(gòu)機簡介三、泥膜與建膜技術(shù)泥膜的形成機理和泥水平衡 壓力泥水通過泥膜對挖掘面土體產(chǎn)生支撐的平衡效果。這種動態(tài)的平衡就叫泥水平衡。 在壓力作用下，泥水中的懸浮顆粒隨著泥水滲入到開挖面土體顆?？障吨?，產(chǎn)生填充孔隙的阻塞和架橋效應(yīng)，形成泥膜。 在盾構(gòu)掘進中，盾構(gòu)刀具不斷地切削開挖面土體的過程，也是泥膜不斷地被破壞和再建立的循環(huán)過程。不同的地質(zhì)其泥漿配置不同，泥膜形成時間也各不相同。3.泥膜與建膜技術(shù)土層級配與建膜關(guān)系泥漿直接從土體中逸散泥漿在開挖面形成穩(wěn)定泥膜土層有級配、泥漿要匹配3.泥膜與建膜技術(shù) 滲透泥膜的建膜速度快，對泥漿指標變化的敏感度低，適用于盾構(gòu)掘進中開挖面的動態(tài)支

7、護。缺點是泥漿濾量大。泥膜類型 根據(jù)泥漿在土體中滲透的深度和密封效果，可分為：泥皮泥膜和滲透泥膜。 泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，對泥漿指標變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于開挖面的靜態(tài)支護。缺點是失水易開裂和剝落。3.泥膜與建膜技術(shù)影響泥膜質(zhì)量的因素：地層細微顆粒含量；泥漿比重；泥漿粘度；泥漿觸變比（靜切力/動切力) ；壓差；濾失量；3.泥膜與建膜技術(shù)泥膜的氣密性研究帶壓作業(yè)泥膜的狀態(tài)模擬壓氣管排水管 要求：氣密性好； 濾失量??； 壽命長；飽和法開艙作業(yè)的泥膜復合泥膜 復合泥膜=滲透泥膜+泥皮泥膜3.泥膜與建膜技術(shù)復合泥膜的關(guān)鍵技術(shù)復合泥膜界面壓差1泥漿顆粒級配地層級配泥皮泥膜滲透泥膜

8、高指標泥漿界面壓差23.泥膜與建膜技術(shù)四、飽和法開艙技術(shù)帶壓開艙技術(shù)壓縮空氣開艙技術(shù)飽和法開艙技術(shù)4.飽和法開艙技術(shù)葡萄牙波爾圖地鐵S線和C線盾構(gòu)區(qū)間施工中，由于刀具磨損嚴重，幾乎每班都需要帶壓開艙對刀盤進行維護操作，其帶壓工作壓力為1.52.0bar。國外德國Weser隧道在4.5bar5bar壓力下開艙維護破碎機和刀盤，此外還雇傭潛水員在5bar壓力下的膨潤土漿液中工作。全線帶壓工作共計1400h，其中600h壓力超過3.6bar，僅有15次報告出現(xiàn)減壓病，且壓力都小于3.6bar。荷蘭“Westerschelde”隧道世界上首次也是唯一一次實現(xiàn)了高壓8.5bar條件下飽和氣體開艙作業(yè)（作

9、業(yè)環(huán)境為潛水作業(yè)）。4.飽和法開艙技術(shù)廣州地鐵四號線小谷圍至新造區(qū)間左線江底盾構(gòu)于2005年6月實施了帶壓換刀操作中鐵隧道集團在武漢長江隧道盾構(gòu)施工中，首次自主實現(xiàn)高水壓帶壓作業(yè)技術(shù)（4.5bar壓力下帶壓作業(yè)）南京長江隧道（緯七路）盾構(gòu)施工中，中鐵十四集團依托德國北海潛水公司實現(xiàn)在6.5bar 壓力下的帶壓開艙作業(yè)國內(nèi)4.飽和法開艙技術(shù)壓縮空氣開艙技術(shù)常壓區(qū)0.610.64MPa壓力區(qū)泥水艙人閘艙氣泡艙4.飽和法開艙技術(shù)壓縮空氣開艙技術(shù)存在的弊端：超過壓縮空氣開艙技術(shù)限于6.0bar的極限；每班次壓氣作業(yè)均須執(zhí)行加壓和減壓至常壓的程序，每班次的有效工作時間僅為2025min，而減壓總時間大于

10、180min，工作效率低下，極大的影響工程進度；工作期間，多次執(zhí)行減壓程序，減壓病發(fā)病率較高，危害進艙人員身體健康；進艙人員呼吸壓縮空氣，呼吸氣體密度增加，呼吸阻力增大，工作能力下降；壓縮空氣中氮氣的麻醉作用，導致進艙人員風險意識和判斷能力嚴重降低，容易出現(xiàn)人身傷害事故。4.飽和法開艙技術(shù)盾構(gòu)飽和法開艙作業(yè)工藝原理當體內(nèi)與外界的中性氣體分壓達到平衡即飽和，人體將不再吸收中性氣體的帶壓作業(yè)方式叫飽和帶壓作業(yè)。穿梭艙與生活艙分離穿梭艙運輸穿梭艙與盾構(gòu)艙對接4.飽和法開艙技術(shù)泥水艙人閘艙氣壓艙地面生活艙0.56PMPa氦氧飽和氣體0.65MPa盾構(gòu)飽和法開艙作業(yè)工藝原理穿梭艙0.56MPa人工配置混

11、合氣體： (5% O2 / 75% He / 20%N2)4.飽和法開艙技術(shù)盾構(gòu)飽和法開艙技術(shù)的優(yōu)點避免了常規(guī)帶壓開艙每次作業(yè)都需要加壓、減壓的問題，使得艙內(nèi)工作時間大大延長。在巖石地層磨損嚴重、維修工作量大、壓氣維修持續(xù)時間較長時，飽和法開艙技術(shù)能大幅度減少停機換刀作業(yè)時間，加快工程進度。作業(yè)人員呼吸專用的壓縮氦氧混合氣體，既降低作業(yè)人員呼吸阻力，又避免了氮麻醉情況的發(fā)生。4.飽和法開艙技術(shù)切口泥水壓力確定氣壓泥漿泥水壓力主動土壓力P2地下水壓力P1氣壓式中： P下、P2分別指接口水壓力下限值、主動土壓力 P1、P3分別指地下水壓力、變動土壓力 Ka為主動土壓力系數(shù) Cu土的粘聚力4.飽和法

12、開艙技術(shù)4.飽和法開艙技術(shù)試驗設(shè)備4.飽和法開艙技術(shù)類型I泥皮型泥膜 類型II泥皮+滲透帶型泥膜 類型III沒有形成泥膜4.飽和法開艙技術(shù)開艙泥膜檢測滿足開艙作業(yè)的泥膜形態(tài)4.飽和法開艙技術(shù)生活艙及生活艙控制室4.飽和法開艙技術(shù)4.飽和法開艙技術(shù)穿梭艙 人閘艙4.飽和法開艙技術(shù)行走軌道鋪設(shè) 穿梭艙運至隧道 起吊穿梭艙 4.飽和法開艙技術(shù) 穿梭艙在軌道上的運行 穿梭艙橫移并與拼裝機吊臂連接4.飽和法開艙技術(shù) 通過拼裝機旋轉(zhuǎn)吊運穿梭艙 穿梭艙與人閘艙對接4.飽和法開艙技術(shù)五、飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例第513環(huán)飽和法開艙換刀實例513環(huán)盾構(gòu)開挖面地層分布圖9m砂卵石層卵礫石層砂層泥漿液面開挖面空氣壓力為0.61MPa暴露在空氣中的泥膜面積高達110.715.飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例0.61MPa壓力狀態(tài)下開挖面泥膜實景沖掉泥皮后的滲透泥膜泥皮泥膜復合泥膜原狀復合泥膜現(xiàn)場檢測開挖面刀盤滾刀泥皮厚度檢測頂部泥膜狀態(tài)5.飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例0.61MPa壓力狀態(tài)下帶壓作業(yè)實景人員進倉新滾刀安裝滾刀磨損檢查舊滾刀拆卸舊滾刀搬運5.飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例拆出的舊滾刀5.飽和法開艙技術(shù)應(yīng)用實例 南京緯三路過江通道工程N線隧道盾構(gòu)段全長約3564m，共計1782環(huán)，粉砂巖段總計505m。S線隧道盾構(gòu)段全長約4135m，共計2070環(huán)，粉砂巖總計