超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)飽和法開(kāi)艙作業(yè)技術(shù)[詳細(xì)]

1、中交隧道工程局,2015年3月,超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī) 飽和法開(kāi)艙作業(yè)技術(shù),匯報(bào)人：姚占虎,匯報(bào)內(nèi)容,二、工程背景,三、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介,四、壓力計(jì)算與建膜技術(shù),五、飽和法開(kāi)艙技術(shù),六、飽和法開(kāi)艙技術(shù)應(yīng)用實(shí)例,匯報(bào)內(nèi)容,一、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,一、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,近十年來(lái)，大直徑、高水壓、長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道建設(shè)得到了飛速的發(fā)展。 在刀具無(wú)法滿足長(zhǎng)距離掘進(jìn)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。 工程條件的局限，尤其是江河湖海下，很難實(shí)現(xiàn)常壓開(kāi)艙，更換刀具困難,安全堪憂。 盾構(gòu)飽和法開(kāi)艙換刀技術(shù)以無(wú)需地層加固，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)周邊環(huán)境要求低和影響小等特點(diǎn)，解決了苛刻條件下的換刀難題。 帶壓換刀技術(shù)

2、是一項(xiàng)涉及地質(zhì)、泥漿、機(jī)械、潛水等多學(xué)科的綜合技術(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(yán)重，幾乎每班都需要帶壓開(kāi)艙對(duì)刀盤進(jìn)行維護(hù)操作，其帶壓工作壓力為1.52.0bar。,國(guó)外盾構(gòu)開(kāi)艙現(xiàn)狀,德國(guó)Weser隧道在4.5bar5bar壓力下開(kāi)艙維護(hù)破碎機(jī)和刀盤，此外還雇傭潛水員在5bar壓力下的膨潤(rùn)土漿液中工作。全線帶壓工作共計(jì)1400h，其中600h壓力超過(guò)3.6bar，僅有15次報(bào)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(shí)現(xiàn)了高壓8.5bar條件下飽和氣體開(kāi)艙作業(yè)（作業(yè)環(huán)境為潛水作業(yè)）。,廣州地鐵四號(hào)線小谷圍至

3、新造區(qū)間左線江底盾構(gòu)于2005年6月實(shí)施了帶壓換刀操作。,南京長(zhǎng)江隧道（緯七路）盾構(gòu)施工中，德國(guó)北海潛水公司在6.5bar 壓力下帶壓開(kāi)艙作業(yè)。,國(guó)內(nèi)盾構(gòu)開(kāi)艙現(xiàn)狀,易北河第四隧道在0.35MPa條件下更換刀具,南京緯三路過(guò)江通道工程在0.65MPa條件下刀具檢測(cè),二、工程背景,南京緯三路過(guò)江通道工程位于南京長(zhǎng)江大橋和緯七路過(guò)江通道之間，距離南京長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)江主航道、潛洲及夾江水道后與揚(yáng)子江大道相接，南線（S線）與揚(yáng)子

4、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。,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(guò)江通道工程特點(diǎn),水壓高 石英含量 高管片 拼裝 精度高,覆土厚度 0.6D,地質(zhì)復(fù)雜：隧道穿越粘土層、粉細(xì)砂、中粗砂、卵礫石層以及中風(fēng)化粉砂巖地層。,地質(zhì)特點(diǎn),三、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介,泥漿壓力,土壓力,地下水壓力,泥水加壓式盾構(gòu)施工時(shí)，利用泥漿艙中壓力泥漿來(lái)維持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。,泥水加壓盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定原理,通過(guò)在開(kāi)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(kāi)挖面處的土壓力，在開(kāi)挖面形成優(yōu)質(zhì)泥膜是泥水盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。,泥水加壓盾

5、構(gòu)的平衡機(jī)構(gòu),調(diào)漿池,沉淀池,泥漿及渣土監(jiān)測(cè)系統(tǒng),泥漿處理系統(tǒng),掘進(jìn)系統(tǒng),泥漿泵,豎井,進(jìn)漿管,排泥管,刀盤刀具,刀盤：采用輻條-面板式 開(kāi)挖直徑：15.02m 開(kāi)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,15.02m,刀具種類,A、先行刀-預(yù)松巖土,B、主切刀-切削巖土,C、刮 刀-鏟土入倉(cāng),D、滾 刀-挖掘巖層,刀盤刀具,刀盤刀具,四、壓力計(jì)算與建膜技術(shù),切口泥水壓力確定,泥水壓力,主動(dòng)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(dòng)土壓力 P1、P3分別指地下水壓力、變動(dòng)土壓力 Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù) Cu土的粘聚力,泥膜的形成

6、機(jī)理和泥水平衡,壓力泥水通過(guò)泥膜對(duì)挖掘面土體產(chǎn)生支撐的平衡效果。這種動(dòng)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(kāi)挖面土體顆?？障吨校a(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(jìn)中，盾構(gòu)刀具不斷地切削開(kāi)挖面土體的過(guò)程，也是泥膜不斷地被破壞和再建立的循環(huán)過(guò)程。不同的地質(zhì)其泥漿配置不同，泥膜形成時(shí)間也各不相同。,土層級(jí)配與建膜關(guān)系,泥漿直接從土體中逸散,泥漿在開(kāi)挖面形成穩(wěn)定泥膜,土層有級(jí)配、泥漿要匹配,類型I泥皮型泥膜 類型II泥皮+滲透帶型泥膜 類型III沒(méi)有形成泥膜,滲透泥膜的建膜速度快，對(duì)泥漿指標(biāo)變化的敏感度低，適用于盾構(gòu)掘進(jìn)中開(kāi)挖面的動(dòng)態(tài)支護(hù)。缺點(diǎn)是泥漿濾

7、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(duì)泥漿指標(biāo)變化的敏感度高，泥漿濾失量小，一般用于開(kāi)挖面的靜態(tài)支護(hù)。缺點(diǎn)是失水易開(kāi)裂和剝落。,泥膜的氣密性研究,要求：氣密性好； 濾失量?。?壽命長(zhǎng)；,飽和法開(kāi)艙作業(yè)的泥膜復(fù)合泥膜,復(fù)合泥膜=滲透泥膜+泥皮泥膜,影響泥膜質(zhì)量的因素：,地層細(xì)微顆粒含量； 泥漿比重； 泥漿粘度； 泥漿觸變比（靜切力/動(dòng)切力) ； 壓差； 濾失量；,復(fù)合泥膜的關(guān)鍵技術(shù),泥皮泥膜,滲透泥膜,滿足開(kāi)艙作業(yè)的泥膜形態(tài),五、飽和法開(kāi)艙技術(shù),壓縮空氣開(kāi)艙技術(shù),常壓區(qū),0.610.64MPa 壓力區(qū),泥水艙,人閘

8、艙,氣泡艙,壓縮空氣開(kāi)艙技術(shù)存在的弊端： 超過(guò)壓縮空氣開(kāi)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(shí)間僅為2025min，而減壓總時(shí)間大于180min，工作效率低下，極大的影響工程進(jìn)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(jìn)艙人員身體健康； 進(jìn)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?dú)獾穆樽碜饔?，?dǎo)致進(jìn)艙人員風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)和判斷能力嚴(yán)重降低，容易出現(xiàn)人身傷害事故。,盾構(gòu)飽和法開(kāi)艙作業(yè)工藝原理,當(dāng)體內(nèi)與外界的中性氣體分壓達(dá)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

9、生活艙分離,穿梭艙運(yùn)輸,穿梭艙與盾構(gòu)艙對(duì)接,泥水艙,人閘艙,氣壓艙,地面生活艙 氦氧飽和氣體,0.65MPa,盾構(gòu)飽和法開(kāi)艙作業(yè)工藝原理,穿梭艙 0.56MPa,人工配置混合氣體： (5% O2 / 75% He / 20%N2),盾構(gòu)飽和法開(kāi)艙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),生活艙及生活艙控制室,穿梭艙 人閘艙,穿梭艙運(yùn)至隧道 起吊穿梭艙,行走軌道鋪設(shè),穿梭艙在軌道上的運(yùn)行 穿梭艙橫移并與拼裝機(jī)吊臂連接,通過(guò)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)吊運(yùn)穿梭艙 穿梭艙與人閘艙對(duì)接,六、飽和法開(kāi)艙技術(shù)應(yīng)用實(shí)例,第513環(huán)飽和法開(kāi)艙換刀實(shí)例,0.61MPa壓力狀態(tài)下開(kāi)挖面泥膜實(shí)景,復(fù)合泥膜原狀,復(fù)合泥膜現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),泥皮厚度檢測(cè),頂部泥膜狀態(tài),0.61MPa壓力狀態(tài)下帶壓作業(yè)實(shí)景,人員進(jìn)倉(cāng),新滾刀安裝,滾刀磨損檢查,舊滾刀拆卸,舊滾刀搬運(yùn),拆出的舊滾刀,南京緯三路過(guò)江通道工程N(yùn)線隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)約3564m，共計(jì)1782環(huán)，粉砂巖段總計(jì)505m。S線隧道盾構(gòu)段全長(zhǎng)約4135m，共計(jì)2070環(huán)，粉砂巖段總計(jì)560m。截止目前兩條隧道共計(jì)采用飽和法開(kāi)艙