S259号泥水平衡盾构机改造
陈 建,张宁川,吕建乐
(中铁隧道股份有限公司,河南 新乡
453000)
摘要:介绍中铁隧道股份有限公司曾用于重庆主城过江排水隧道掘进的德国海瑞克公司生产的S259号泥水平衡盾构机,改造为用于成都地铁Ⅰ号线一期工程4标试验段隧道工程的同类型盾构机的实例,改造工作仍由海瑞克公司完成。该例盾构改造的性质为同类机型的直径缩小改造。
关键词:泥水平衡盾构机;改造;直径缩小;盾构机参数中图分类号:U455.3+9
文献标识码:B
RefurbishmentofS259SlurryBalancedShieldMachine
CHENJian,ZHANGNing-chuan,LVJian-le
(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Xinxiang453000,Henan,China)
Abstract:S259slurrybalancedshieldmachine,manufacturedbyHerrenknechtAGofGermany,wasusedtoboreatunnelcrossingtheYangtzeriverinChongqing,China.Aftertheconstructionofthetunnelwascompleted,theslurrybalancedshieldmachinewasrefurbishedsoastobeusedforthetrialtunnelofNo.4bidsectionofphase1projectofline1ofChengduMetro.Byreducingthediameter,theshieldmachinewasrebuiltintoashieldmachineofthesametype.Inthepaper,therefurbishmentoftheslurryshieldmachineispresented.
Keywords:slurrybalancedshieldmachine;refurbishing;diameterreducing;shieldparameters
0 前言
由于掘进机采用的通用工业产品的部件一般都会拥有行业或国家标准规定的寿命,而掘进机的结构和非通用产品的部件也必须拥有足够的刚度强度才能保证使用的可靠性,其使用寿命也不可能很短。因此,按照某一隧道工程参数设计制造的掘进机在完成该工程掘进后,有时候还剩余相当长的使用寿命。另外,为了适应地质的不确定性或设计边界条件估算的误差,掘进机的主机部件和主要性能参数均有一定的能力储备系数。为了实现掘进机的标准化,在设计时各级别的一组参数会对应一组隧道直径参数和地质参数范围。因此,在没有同直径隧道工程作为后续时,为了充分利用社会资源和降低成本,常常进行掘进机在允许范围内的直径变动改造,国内外均有这样的改造实例。
盾构机。1.2
使用的地质条件
改造前:用于重庆主城过江排水隧道。隧道穿越地层为砂岩和泥岩互层,局部地段为粉砂岩。砂岩无侧限抗压强度最大为69.4MPa,实际砂岩最大抗压强度达到80MPa,石英含量达到63%。隧道洞身上断面处于中等透水带,下断面处于弱-微透水带。
改造后:用于成都地铁Ⅰ号线一期工程4标试验段隧道。隧道穿越地层为富水砂卵石地层,卵砾石含量大,可达70%～80%,土的含量极少。卵石粒径200mm以下居多,最大粒径可达670mm,有极少的大漂石。卵石的单轴抗压强度为65.5～184MPa,平均值102.2MPa,单体极值达到206MPa。地下水位高,地层最大渗透系数可达10m/s。1.31.4
改造的实施单位
海瑞克公司南沙合资工厂。
盾构机改造前后主要参数比较(见表1)
-6
1
1.1
盾构机改造前和改造后的状况
盾构机类型或机型
改造前为泥水平衡盾构机,改造后仍为泥水平衡
收稿日期:2007-10-26;修回日期:2007-11-15
作者简介:陈建(1961-),男,湖南人,1982年毕业于长沙铁道学院机械专业,学士学位,教授级高级工程师,从事隧道及地下工程施工机械管理,现任中铁隧道股份有限公司总经理,隧道掘进机专业委员会主任委员。
表1盾构机改造前后主要参数比较表
1.5改造前后主机外形尺寸(见图1、图2)
Table1 Comparisonofmajorparametersofshieldmachinebefore
andafterrefurbishment
比较项目盾构曲线半径/m管片外径 /mm管片内径 /mm管片宽度/mm
开挖直径 /mm前盾直径 /mm驱动扭矩/(kN·m)托困扭矩/(kN·m)最大推力//kN推进缸数量/个破碎机最大破碎粒径/mm
3
进浆流量/(m/h)隔栅的栅格尺寸/mm破碎机通过粒径/mm
原259号机
(用于重庆)
[***********]065703050/73500/737000
[1**********]×140
180
改造后新编号367
备注
号机(用于成都)
[**************]
[1**********]0/73500/726000
[1**********]×140
180
不变改变改变不变
改变改变不变不变改变改变改变不变不变不变
2改造的分析评估与设计
259号机的改造涉及到新的隧道工程的安全、进
度、质量问题。改造前,中隧股份公司与该机原生产商海瑞克公司共同对该机关于成都地铁4标的隧道工程和地质条件进行了详细的分析评估。分析和评估包括了盾构对地质的适应性及风险、改造的技术可靠性、改造的经济成本比较等。2.1经济性及基本风险评估
由于该机为泥水平衡盾构,改造后仍为泥水平衡盾构,为同类型改造,主要部件功能不变,主要参数不需作大的改动,总体布置基本可维持原状,改造的基本技术风险也可降低。改造可继续利用的部件比例较大,改造的成本应较低。可继续利用的部件达到总价值的80%左右。如果改为土压平衡盾构,则需作较大的变动,改造成本和技术风险会增大
。
图1改造前外形图
Fig.1 Generalsketchofshieldmachinebeforerefurbishmen
t
2.2.1 剩余使用寿命评估
该机在重庆主城过江排水隧道掘进仅900m左右,根据掘进记录纯掘进时间为1100h左右,该机主要部件的设计使用寿命为10000h,故该机主要部件的
剩余使用寿命,按照每掘进小时1m计算,尚可掘进7～8km,满足成都4标单线区间隧道掘进长度2500m的要求。2.2.2
主要性能参数评估(1)刀盘驱动扭矩与转速
原机标准盾体直径由 6570mm减小为 6250mm,经图纸分析,主驱动装置主轴承、减速机构、液压
图2
Fig.2
改造后外形图
马达均可继续使用,驱动扭矩、刀盘转速可维持原参数值,相对于成都4标段,新的较小的直径可获得相对较大的扭矩能力储备,有利于适应成都的地质条件。
Generalsketchofshieldmachineafterrefurbishment
2.2可靠性及技术风险评估
(2)推力与推进速度
原机共设置28个 260mm推进油缸,因直径改小,并根据成都地铁的管片分块,改造后布置20个原机油缸。原机最大推力3700t,其中计算水压6bar,水压力为2158t,余下切削与摩擦推力1542t。改造后盾体横截面减少14.8%,按原切削摩擦比推力计算,改造后应为1314t,成都4标水压3bar,水压力为920t,实际需求为2234t。20个原机油缸可提供2600t>2234t,满足掘进要求。增加的比推力有利于适应新的成都卵石地质条件。由于推进液压系统不变,推进油缸减少,可获得更大的推进速度。
(3)密封承受压力评估
由于承受的水压由6bar减小为3bar,主轴承密封形式、铰接密封形式不变,密封的可靠性增加,盾尾刷则由4道改为3道,以利于调向。
(4)泥水输送能力评估
由于原机在重庆主城过江排水隧道埋深为70m左右,现用于成都4标段隧道埋深不超过30m,改造后原泥水输送能力不变,故满足要求。
(5)其余参数评估
由于直径改小,其余性能参数大多相对增加。
因此,改造后主要性能参数的储备系数增大,有利于增大对成都地质的适应能力。
2.3盾构关于成都地质适应性改造及针对性设计2.3.1 成都地铁4标段的地质特点
根据资料与现场踏勘,成都地层卵石砾石含量高达70%～80%,其余为粉细砂、土及强风化岩。卵石粒径大多为200mm以下,其中又以120mm以下居多,400～670mm少量存在,大漂石存在,但极少。地层密实度较好。卵、砾石的形状见图3、图4
。
可有效保持泥水仓压力。而欧洲机型的泥水平衡盾构机,在排浆口前设有破碎机和隔栅,能够有效防止发生大粒径卵石进入排浆管而杜绝堵管的风险,特别适合
成都的这种卵石地层。欧洲机型设有气垫仓,理论上能够实现±0.05bar的压力波动控制精度,有利于保持泥水仓压力稳定,防止地表沉降。泥浆对刀具有冷却润滑作用,对刀盘和盾体有减摩作用
。
图4Fig.4
卵石地层cobbleground
2.3.3 刀盘及卵石破碎
成都地层卵石的强度最大可达165MPa,卵石开挖破碎在目前的技术条件下只能依靠滚刀,由于成都
地层密实度较好,参照国外同类地质工程实例,卵石在地层里有一定的支持力时,卵石被滚刀滚压2～3次后可以破碎,当地层支持力不足时,卵石在刀盘前面形成“石墙”后也可被破碎。考虑到砂卵地层给滚刀提供的启动扭矩可能不足,因此,重新改造的刀盘,配置了17″双刃滚刀,以获得足够的反扭矩。由于地层中大部分卵石在200mm以下,滚刀的作用主要是撕裂开挖面,为刮刀提供好的开挖条件。2.3.4
刀盘和气垫仓破碎机工作量的比例
进入泥水仓后的卵石由气垫仓内的破碎机破碎,经过隔栅再进入排浆口,因此存在滚刀和破碎机两者工作量比例的问题,以求滚刀和破碎机有各自合适的工作寿命。为此新刀盘设计为面板结构,刀盘开口宽度设定为400mm,并在开口中设隔断板,限制长形卵石进入。小于400mm的卵石不经过滚刀破碎即进入泥水仓,由破碎机破碎后进入排浆口,大于400mm的卵石在刀盘前面由滚刀破碎。由于地层中120mm粒径的卵石居大多数,而隔栅的尺寸为140mm×140mm,进入泥水仓的卵石大部分可不经破碎机破碎通过隔栅进入排浆口,破碎机的工作量适中。地层中大于400mm的卵石也不多,滚刀也有较长的换刀间隔周期。2.3.5
破碎机的能力
原259号机的破碎机最大破碎粒径为400mm,根据上述的关于滚刀与破碎机各自工作量比例的选择,
图3
Fig.3
基坑开挖的卵石堆
Cobblepileencounteredinfoundationpitexcavation
2.3.2 欧洲泥水平衡盾构机型对成都地质的适应性
由于成都地质大粒径卵石含量大,细颗粒含量少。地下水丰富,地层最大渗透系数可达10m/s,因此泥水平衡机型适用于成都地质条件。膨润土泥浆在开挖
面形成的泥膜与泥浆压力在细颗粒少、富水的地层里
-6
新配置了一台最大破碎粒径为450mm的破碎机,以便使刀盘开口尺寸达400mm,进入泥水仓卵石粒径达400mm时,破碎机仍有富余的能力并有较长的使用寿命。2.3.6
泥水仓隔板上的前舱门
原259号机未设前舱门,由于成都地层卵石强度最大可达165MPa,进入泥水仓并大于140mm(隔栅尺寸)的卵石数量可能较多,破碎机工作量还是较大,发生故障的几率也会增多,为了能够在常压下处理破碎机系统可能发生的故障,增设了液压操作开闭的可密封的前舱门装置。2.3.7
大漂石的处理
滚刀完好时,大漂石可由滚刀破碎。滚刀已经磨损而又遇到大漂石时,只能加固地层、降水,人工带压进仓处理。盾构配置了超前注浆钻机和盾体预留孔。除此之外目前尚无更简便的方法。2.3.8主机的主要尺寸
根据地质条件,确定适合的开挖直径和盾体各直径之间合适的开挖间隙,防止盾体被卡并使边滚刀有允许的磨损量,确定盾体的锥形、铰接结构以利于调向。
合同工期:签订合同至盾构设备出厂共6个月。实际改造共花费了8个月的时间,原因主要是国内钢
结构加工件的延误。4.2
继续利用的部件及检测修理
该机改造继续利用的部件包括:主驱动装置、推进及铰接油缸、管片拼装机、管片喂片机、联接桥、管片吊机、拖车及拖车上的所有设备(主控室、液压系统、强弱电系统、注浆、油脂、压缩空气、冷却供排水等系统、电缆水管卷筒、二次通风、所有的钢管线、及泥水输送全套设备)。海瑞克公司负责对上述设备进行总成或部件解体、测试检查、更换零配件或部件、修理。结构件除锈除漆重新上漆。其中拖车行走轮总成进行了局部结构变动,使后配套设备横截面尺寸与成都管片内径吻合。继续利用的设备部件价值约占整机价值的80%左右。4.3 重新制作和系统更换的部件
海瑞克公司负责该机重新制作的部件包括:新的刀盘、前中尾盾体、人员仓、靴板及连接件、破碎机、管片拼装机及吊机的抓取装置(原为真空吸盘)、主机内部的泥浆管路等。更换整机全套机械密封、部分液压软管、全套的控制线路。4.4 整机工厂组装调试、拆机包装
海瑞克公司负责整机工厂组装调试、拆机包装。4.5 工地现场组装调试及试掘进的技术服务海瑞克公司负责工地现场组装调试及试掘进的技术服务。4.6 改造费用
由海瑞克公司负责的上述所有工作内容的总费用,约占该机新机价格的1/3左右(含税)。
3盾构改造的质量与工期保证
为了保证259号机改造的质量和工期,中铁隧道
股份公司委托该机的原设计生产商海瑞克公司进行地
质适应性和性能参数尺寸的改造设计,并在广州海瑞克南沙合资工厂实施改造,以保障该机对成都地质的适应性和工业改造的质量,从根本上保证该机在4标试验段掘进的可靠性。由于海瑞克公司存有该机的原始设计资料,改造的设计周期可以缩短,也有利于改造工期的保障。
5 实际使用和评估
该机完成改造后于2006年初在成都地铁4标现场组装始发掘进,整机设备状况基本良好,掘进基本正常,基本上适应成都的地质条件。但还是存在如下一些问题影响了掘进进度。5.1
维修问题
VMT导向系统在海瑞克公司南沙厂维修过程中不彻底,始发后不久即失效,激光靶不得不送到国外修理,黄盒子的联接也有问题,再修理的过程耗费了2个月的时间,期间人工测量导向,平均每环耗费20～30min,影响了掘进进度。5.2设计问题
①海瑞克公司配置的前舱门设计不合理,关舱门时舱门下部堆积的卵石需要人工带压进仓清除,舱门落下后,需要人工上紧附加螺栓,气囊充气后,气垫仓才能放气至常压。开门时,也需要带压进仓取出附加螺栓。而FFM公司设计的前舱门操作时不需要附加
4盾构改造的实施过程及内容
4.1 改造的过程与工期
在共同确定地质适应性、针对性改造方案后,海瑞克公司针对成都4标段隧道工程的参数进行了设备改造。海瑞克公司总部负责该机的成都地质条件及线路条件的适应性设计、改造技术设计、提供所有易损件配件,结构制造在国内寻找合格的重型机器厂加工,未改造部分的清洗检测维修及整机的组装调试在南沙工厂完成。中隧股份公司负责该机从重庆—广州,广州—成都的整机运输和现场组装调试。
与新机采购一样,为保证盾构的质量,双方根据签订的合同,共进行了2次改造设计联络,双方根据各自的经验对设计图纸和参数进行审核确认。中铁隧道股份公司根据有关法规委派了监造人员,在海瑞克南沙合资工厂全程监造,双方在工厂进行出厂前调试验收。
螺栓,海瑞克公司的这种设计使得操作的难度很大。
②该机配置的泥浆泵最大通过粒径180mm,在同类同尺寸机型中是最大的,隔栅的栅格尺寸虽然小于泵的通过粒径尺寸,但长条形卵石有时还是会在泥浆泵的叶轮间卡住,造成泥浆泵前的管路堵塞,这种堵塞的频率还比较高,严重时每班会堵塞1～2次。但如再减小栅格的尺寸,是否会造成隔栅前更严重的堵塞目前还不能评估,该问题还在摸索中。5.3
地质问题
①过去的建筑物在地层中留下的金属物,如降水井留下的铁圈,破碎机不能破碎,在隔栅前面停留造成泥水系统堵塞。
②成都卵石地层对盾构机的影响正如事先估计的那样非常严重,明显表现在泥水输送和磨损方面:泥水输送系统可以送出 140mm×200mm的高密度卵石块,但卵石堆块在系统内的流动速度降低、悬浮的卵石质量撞破破碎机的钢油管并导致液压系统进砂污染,刀盘平均200m需要更换一次刀具、掘进400m左右破碎机的颚齿几乎磨平,隔栅耐磨层磨光,泥水管路和泵轮的磨损也很快、泵轮已经有了被完全击碎的记录。
(上接65页)
损耗件的更换成本和频率比在国内其他城市地铁施工呈几倍的增加。更换配件和维护修理所占用的时间也影响了掘进进度。
6结束语
改造后的259号泥水盾构机在成都地铁4标段实
际掘进数据表明该机的改造是成功的,为以后类似的事例提供了参考。但似乎海瑞克公司的盾构技术也不
能非常成功的应对成都高含量的大卵石地层,或者,在目前的盾构技术条件下,盾构在成都地层中的掘进只能是这种状态。解决问题的方法和盾构进一步的改进还在摸索中。成都地质将迫使盾构技术进一步的发展,但目前施工单位的掘进工作却非常艰难。
参考文献[1][2][3]
海瑞克公司.259#泥水平衡盾构技术说明.
伊旅超,朱振宏,李玉珍,等.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.
[日]土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.
切削的FFU为粉末状,而混凝土为块状,两者重度差别大,混凝土块始终位于下部,切削体不均匀,对于泥水盾构而言,容易造成堵管,施工时应做好应急措施。
5
5.1
施工注意事项
FFU壁与原围护结构的连接
如图9所示,FFU壁制作时,在端头预留了与围护结构钢筋的接头,类似于钢筋接驳器,其孔径是根据围护结构钢筋直径确定的,施工时做好连接是保证FFU壁和连续墙或排桩整体性的关键所在,以防止在吊装过程中发生脱落现象。
5.2FFU壁的吊装 FFU材料密度较钢筋稍小,但由于它是块体,就整体重量而言相对于一般钢筋笼较大,因此吊装时必须采用大吨位的吊装机械才能满足施工要求;由于FFU壁面积一般都较大,吊装时还需注意固定其方向,比如设置拉索等,确保准确就位
。
6结束语
FFU材料在国外,特别是日本,应用范围很广泛,
在国内使用得很少,就目前而言,在广州地铁五号线大坦沙南—中山八站区间左线盾构始发井围护结构中作了试点,根据现场反应,盾构掘进切削效果很好,因此,该材料以及SEW工法可以在国内大力推广,从而可以达到安全、经济和环保的目的。
参考文献:[1]
日本积水化学工业株式会社.广州地铁5号线大坦沙南—中山八站区间盾构始发端SEW施工方法用FFU壁的设计[Z].2005.[2]
中铁隧道勘测设计院有限公司.广州地铁五号线大坦沙南—中山八站—西场站区间施工图设计[Z].洛阳:中铁隧道勘测设计院有限公司,2005.
图9Fig.9
FFU壁接头ConnectionofFFUwalls
[3][4]
张凤祥.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.
[日]土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.
5.3盾构掘进
用FFU壁代替盾构切削范围基坑围护结构,由于
S259号泥水平衡盾构机改造
陈 建,张宁川,吕建乐
(中铁隧道股份有限公司,河南 新乡
453000)
摘要:介绍中铁隧道股份有限公司曾用于重庆主城过江排水隧道掘进的德国海瑞克公司生产的S259号泥水平衡盾构机,改造为用于成都地铁Ⅰ号线一期工程4标试验段隧道工程的同类型盾构机的实例,改造工作仍由海瑞克公司完成。该例盾构改造的性质为同类机型的直径缩小改造。
关键词:泥水平衡盾构机;改造;直径缩小;盾构机参数中图分类号:U455.3+9
文献标识码:B
RefurbishmentofS259SlurryBalancedShieldMachine
CHENJian,ZHANGNing-chuan,LVJian-le
(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Xinxiang453000,Henan,China)
Abstract:S259slurrybalancedshieldmachine,manufacturedbyHerrenknechtAGofGermany,wasusedtoboreatunnelcrossingtheYangtzeriverinChongqing,China.Aftertheconstructionofthetunnelwascompleted,theslurrybalancedshieldmachinewasrefurbishedsoastobeusedforthetrialtunnelofNo.4bidsectionofphase1projectofline1ofChengduMetro.Byreducingthediameter,theshieldmachinewasrebuiltintoashieldmachineofthesametype.Inthepaper,therefurbishmentoftheslurryshieldmachineispresented.
Keywords:slurrybalancedshieldmachine;refurbishing;diameterreducing;shieldparameters
0 前言
由于掘进机采用的通用工业产品的部件一般都会拥有行业或国家标准规定的寿命,而掘进机的结构和非通用产品的部件也必须拥有足够的刚度强度才能保证使用的可靠性,其使用寿命也不可能很短。因此,按照某一隧道工程参数设计制造的掘进机在完成该工程掘进后,有时候还剩余相当长的使用寿命。另外,为了适应地质的不确定性或设计边界条件估算的误差,掘进机的主机部件和主要性能参数均有一定的能力储备系数。为了实现掘进机的标准化,在设计时各级别的一组参数会对应一组隧道直径参数和地质参数范围。因此,在没有同直径隧道工程作为后续时,为了充分利用社会资源和降低成本,常常进行掘进机在允许范围内的直径变动改造,国内外均有这样的改造实例。
盾构机。1.2
使用的地质条件
改造前:用于重庆主城过江排水隧道。隧道穿越地层为砂岩和泥岩互层,局部地段为粉砂岩。砂岩无侧限抗压强度最大为69.4MPa,实际砂岩最大抗压强度达到80MPa,石英含量达到63%。隧道洞身上断面处于中等透水带,下断面处于弱-微透水带。
改造后:用于成都地铁Ⅰ号线一期工程4标试验段隧道。隧道穿越地层为富水砂卵石地层,卵砾石含量大,可达70%～80%,土的含量极少。卵石粒径200mm以下居多,最大粒径可达670mm,有极少的大漂石。卵石的单轴抗压强度为65.5～184MPa,平均值102.2MPa,单体极值达到206MPa。地下水位高,地层最大渗透系数可达10m/s。1.31.4
改造的实施单位
海瑞克公司南沙合资工厂。
盾构机改造前后主要参数比较(见表1)
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1.1
盾构机改造前和改造后的状况
盾构机类型或机型
改造前为泥水平衡盾构机,改造后仍为泥水平衡
收稿日期:2007-10-26;修回日期:2007-11-15
作者简介:陈建(1961-),男,湖南人,1982年毕业于长沙铁道学院机械专业,学士学位,教授级高级工程师,从事隧道及地下工程施工机械管理,现任中铁隧道股份有限公司总经理,隧道掘进机专业委员会主任委员。
表1盾构机改造前后主要参数比较表
1.5改造前后主机外形尺寸(见图1、图2)
Table1 Comparisonofmajorparametersofshieldmachinebefore
andafterrefurbishment
比较项目盾构曲线半径/m管片外径 /mm管片内径 /mm管片宽度/mm
开挖直径 /mm前盾直径 /mm驱动扭矩/(kN·m)托困扭矩/(kN·m)最大推力//kN推进缸数量/个破碎机最大破碎粒径/mm
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进浆流量/(m/h)隔栅的栅格尺寸/mm破碎机通过粒径/mm
原259号机
(用于重庆)
[***********]065703050/73500/737000
[1**********]×140
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改造后新编号367
备注
号机(用于成都)
[**************]
[1**********]0/73500/726000
[1**********]×140
180
不变改变改变不变
改变改变不变不变改变改变改变不变不变不变
2改造的分析评估与设计
259号机的改造涉及到新的隧道工程的安全、进
度、质量问题。改造前,中隧股份公司与该机原生产商海瑞克公司共同对该机关于成都地铁4标的隧道工程和地质条件进行了详细的分析评估。分析和评估包括了盾构对地质的适应性及风险、改造的技术可靠性、改造的经济成本比较等。2.1经济性及基本风险评估
由于该机为泥水平衡盾构,改造后仍为泥水平衡盾构,为同类型改造,主要部件功能不变,主要参数不需作大的改动,总体布置基本可维持原状,改造的基本技术风险也可降低。改造可继续利用的部件比例较大,改造的成本应较低。可继续利用的部件达到总价值的80%左右。如果改为土压平衡盾构,则需作较大的变动,改造成本和技术风险会增大
。
图1改造前外形图
Fig.1 Generalsketchofshieldmachinebeforerefurbishmen
t
2.2.1 剩余使用寿命评估
该机在重庆主城过江排水隧道掘进仅900m左右,根据掘进记录纯掘进时间为1100h左右,该机主要部件的设计使用寿命为10000h,故该机主要部件的
剩余使用寿命,按照每掘进小时1m计算,尚可掘进7～8km,满足成都4标单线区间隧道掘进长度2500m的要求。2.2.2
主要性能参数评估(1)刀盘驱动扭矩与转速
原机标准盾体直径由 6570mm减小为 6250mm,经图纸分析,主驱动装置主轴承、减速机构、液压
图2
Fig.2
改造后外形图
马达均可继续使用,驱动扭矩、刀盘转速可维持原参数值,相对于成都4标段,新的较小的直径可获得相对较大的扭矩能力储备,有利于适应成都的地质条件。
Generalsketchofshieldmachineafterrefurbishment
2.2可靠性及技术风险评估
(2)推力与推进速度
原机共设置28个 260mm推进油缸,因直径改小,并根据成都地铁的管片分块,改造后布置20个原机油缸。原机最大推力3700t,其中计算水压6bar,水压力为2158t,余下切削与摩擦推力1542t。改造后盾体横截面减少14.8%,按原切削摩擦比推力计算,改造后应为1314t,成都4标水压3bar,水压力为920t,实际需求为2234t。20个原机油缸可提供2600t>2234t,满足掘进要求。增加的比推力有利于适应新的成都卵石地质条件。由于推进液压系统不变,推进油缸减少,可获得更大的推进速度。
(3)密封承受压力评估
由于承受的水压由6bar减小为3bar,主轴承密封形式、铰接密封形式不变,密封的可靠性增加,盾尾刷则由4道改为3道,以利于调向。
(4)泥水输送能力评估
由于原机在重庆主城过江排水隧道埋深为70m左右,现用于成都4标段隧道埋深不超过30m,改造后原泥水输送能力不变,故满足要求。
(5)其余参数评估
由于直径改小,其余性能参数大多相对增加。
因此,改造后主要性能参数的储备系数增大,有利于增大对成都地质的适应能力。
2.3盾构关于成都地质适应性改造及针对性设计2.3.1 成都地铁4标段的地质特点
根据资料与现场踏勘,成都地层卵石砾石含量高达70%～80%,其余为粉细砂、土及强风化岩。卵石粒径大多为200mm以下,其中又以120mm以下居多,400～670mm少量存在,大漂石存在,但极少。地层密实度较好。卵、砾石的形状见图3、图4
。
可有效保持泥水仓压力。而欧洲机型的泥水平衡盾构机,在排浆口前设有破碎机和隔栅,能够有效防止发生大粒径卵石进入排浆管而杜绝堵管的风险,特别适合
成都的这种卵石地层。欧洲机型设有气垫仓,理论上能够实现±0.05bar的压力波动控制精度,有利于保持泥水仓压力稳定,防止地表沉降。泥浆对刀具有冷却润滑作用,对刀盘和盾体有减摩作用
。
图4Fig.4
卵石地层cobbleground
2.3.3 刀盘及卵石破碎
成都地层卵石的强度最大可达165MPa,卵石开挖破碎在目前的技术条件下只能依靠滚刀,由于成都
地层密实度较好,参照国外同类地质工程实例,卵石在地层里有一定的支持力时,卵石被滚刀滚压2～3次后可以破碎,当地层支持力不足时,卵石在刀盘前面形成“石墙”后也可被破碎。考虑到砂卵地层给滚刀提供的启动扭矩可能不足,因此,重新改造的刀盘,配置了17″双刃滚刀,以获得足够的反扭矩。由于地层中大部分卵石在200mm以下,滚刀的作用主要是撕裂开挖面,为刮刀提供好的开挖条件。2.3.4
刀盘和气垫仓破碎机工作量的比例
进入泥水仓后的卵石由气垫仓内的破碎机破碎,经过隔栅再进入排浆口,因此存在滚刀和破碎机两者工作量比例的问题,以求滚刀和破碎机有各自合适的工作寿命。为此新刀盘设计为面板结构,刀盘开口宽度设定为400mm,并在开口中设隔断板,限制长形卵石进入。小于400mm的卵石不经过滚刀破碎即进入泥水仓,由破碎机破碎后进入排浆口,大于400mm的卵石在刀盘前面由滚刀破碎。由于地层中120mm粒径的卵石居大多数,而隔栅的尺寸为140mm×140mm,进入泥水仓的卵石大部分可不经破碎机破碎通过隔栅进入排浆口,破碎机的工作量适中。地层中大于400mm的卵石也不多,滚刀也有较长的换刀间隔周期。2.3.5
破碎机的能力
原259号机的破碎机最大破碎粒径为400mm,根据上述的关于滚刀与破碎机各自工作量比例的选择,
图3
Fig.3
基坑开挖的卵石堆
Cobblepileencounteredinfoundationpitexcavation
2.3.2 欧洲泥水平衡盾构机型对成都地质的适应性
由于成都地质大粒径卵石含量大,细颗粒含量少。地下水丰富,地层最大渗透系数可达10m/s,因此泥水平衡机型适用于成都地质条件。膨润土泥浆在开挖
面形成的泥膜与泥浆压力在细颗粒少、富水的地层里
-6
新配置了一台最大破碎粒径为450mm的破碎机,以便使刀盘开口尺寸达400mm,进入泥水仓卵石粒径达400mm时,破碎机仍有富余的能力并有较长的使用寿命。2.3.6
泥水仓隔板上的前舱门
原259号机未设前舱门,由于成都地层卵石强度最大可达165MPa,进入泥水仓并大于140mm(隔栅尺寸)的卵石数量可能较多,破碎机工作量还是较大,发生故障的几率也会增多,为了能够在常压下处理破碎机系统可能发生的故障,增设了液压操作开闭的可密封的前舱门装置。2.3.7
大漂石的处理
滚刀完好时,大漂石可由滚刀破碎。滚刀已经磨损而又遇到大漂石时,只能加固地层、降水,人工带压进仓处理。盾构配置了超前注浆钻机和盾体预留孔。除此之外目前尚无更简便的方法。2.3.8主机的主要尺寸
根据地质条件,确定适合的开挖直径和盾体各直径之间合适的开挖间隙,防止盾体被卡并使边滚刀有允许的磨损量,确定盾体的锥形、铰接结构以利于调向。
合同工期:签订合同至盾构设备出厂共6个月。实际改造共花费了8个月的时间,原因主要是国内钢
结构加工件的延误。4.2
继续利用的部件及检测修理
该机改造继续利用的部件包括:主驱动装置、推进及铰接油缸、管片拼装机、管片喂片机、联接桥、管片吊机、拖车及拖车上的所有设备(主控室、液压系统、强弱电系统、注浆、油脂、压缩空气、冷却供排水等系统、电缆水管卷筒、二次通风、所有的钢管线、及泥水输送全套设备)。海瑞克公司负责对上述设备进行总成或部件解体、测试检查、更换零配件或部件、修理。结构件除锈除漆重新上漆。其中拖车行走轮总成进行了局部结构变动,使后配套设备横截面尺寸与成都管片内径吻合。继续利用的设备部件价值约占整机价值的80%左右。4.3 重新制作和系统更换的部件
海瑞克公司负责该机重新制作的部件包括:新的刀盘、前中尾盾体、人员仓、靴板及连接件、破碎机、管片拼装机及吊机的抓取装置(原为真空吸盘)、主机内部的泥浆管路等。更换整机全套机械密封、部分液压软管、全套的控制线路。4.4 整机工厂组装调试、拆机包装
海瑞克公司负责整机工厂组装调试、拆机包装。4.5 工地现场组装调试及试掘进的技术服务海瑞克公司负责工地现场组装调试及试掘进的技术服务。4.6 改造费用
由海瑞克公司负责的上述所有工作内容的总费用,约占该机新机价格的1/3左右(含税)。
3盾构改造的质量与工期保证
为了保证259号机改造的质量和工期,中铁隧道
股份公司委托该机的原设计生产商海瑞克公司进行地
质适应性和性能参数尺寸的改造设计,并在广州海瑞克南沙合资工厂实施改造,以保障该机对成都地质的适应性和工业改造的质量,从根本上保证该机在4标试验段掘进的可靠性。由于海瑞克公司存有该机的原始设计资料,改造的设计周期可以缩短,也有利于改造工期的保障。
5 实际使用和评估
该机完成改造后于2006年初在成都地铁4标现场组装始发掘进,整机设备状况基本良好,掘进基本正常,基本上适应成都的地质条件。但还是存在如下一些问题影响了掘进进度。5.1
维修问题
VMT导向系统在海瑞克公司南沙厂维修过程中不彻底,始发后不久即失效,激光靶不得不送到国外修理,黄盒子的联接也有问题,再修理的过程耗费了2个月的时间,期间人工测量导向,平均每环耗费20～30min,影响了掘进进度。5.2设计问题
①海瑞克公司配置的前舱门设计不合理,关舱门时舱门下部堆积的卵石需要人工带压进仓清除,舱门落下后,需要人工上紧附加螺栓,气囊充气后,气垫仓才能放气至常压。开门时,也需要带压进仓取出附加螺栓。而FFM公司设计的前舱门操作时不需要附加
4盾构改造的实施过程及内容
4.1 改造的过程与工期
在共同确定地质适应性、针对性改造方案后,海瑞克公司针对成都4标段隧道工程的参数进行了设备改造。海瑞克公司总部负责该机的成都地质条件及线路条件的适应性设计、改造技术设计、提供所有易损件配件,结构制造在国内寻找合格的重型机器厂加工,未改造部分的清洗检测维修及整机的组装调试在南沙工厂完成。中隧股份公司负责该机从重庆—广州,广州—成都的整机运输和现场组装调试。
与新机采购一样,为保证盾构的质量,双方根据签订的合同,共进行了2次改造设计联络,双方根据各自的经验对设计图纸和参数进行审核确认。中铁隧道股份公司根据有关法规委派了监造人员,在海瑞克南沙合资工厂全程监造,双方在工厂进行出厂前调试验收。
螺栓,海瑞克公司的这种设计使得操作的难度很大。
②该机配置的泥浆泵最大通过粒径180mm,在同类同尺寸机型中是最大的,隔栅的栅格尺寸虽然小于泵的通过粒径尺寸,但长条形卵石有时还是会在泥浆泵的叶轮间卡住,造成泥浆泵前的管路堵塞,这种堵塞的频率还比较高,严重时每班会堵塞1～2次。但如再减小栅格的尺寸,是否会造成隔栅前更严重的堵塞目前还不能评估,该问题还在摸索中。5.3
地质问题
①过去的建筑物在地层中留下的金属物,如降水井留下的铁圈,破碎机不能破碎,在隔栅前面停留造成泥水系统堵塞。
②成都卵石地层对盾构机的影响正如事先估计的那样非常严重,明显表现在泥水输送和磨损方面:泥水输送系统可以送出 140mm×200mm的高密度卵石块,但卵石堆块在系统内的流动速度降低、悬浮的卵石质量撞破破碎机的钢油管并导致液压系统进砂污染,刀盘平均200m需要更换一次刀具、掘进400m左右破碎机的颚齿几乎磨平,隔栅耐磨层磨光,泥水管路和泵轮的磨损也很快、泵轮已经有了被完全击碎的记录。
(上接65页)
损耗件的更换成本和频率比在国内其他城市地铁施工呈几倍的增加。更换配件和维护修理所占用的时间也影响了掘进进度。
6结束语
改造后的259号泥水盾构机在成都地铁4标段实
际掘进数据表明该机的改造是成功的,为以后类似的事例提供了参考。但似乎海瑞克公司的盾构技术也不
能非常成功的应对成都高含量的大卵石地层,或者,在目前的盾构技术条件下,盾构在成都地层中的掘进只能是这种状态。解决问题的方法和盾构进一步的改进还在摸索中。成都地质将迫使盾构技术进一步的发展,但目前施工单位的掘进工作却非常艰难。
参考文献[1][2][3]
海瑞克公司.259#泥水平衡盾构技术说明.
伊旅超,朱振宏,李玉珍,等.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.
[日]土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.
切削的FFU为粉末状,而混凝土为块状,两者重度差别大,混凝土块始终位于下部,切削体不均匀,对于泥水盾构而言,容易造成堵管,施工时应做好应急措施。
5
5.1
施工注意事项
FFU壁与原围护结构的连接
如图9所示,FFU壁制作时,在端头预留了与围护结构钢筋的接头,类似于钢筋接驳器,其孔径是根据围护结构钢筋直径确定的,施工时做好连接是保证FFU壁和连续墙或排桩整体性的关键所在,以防止在吊装过程中发生脱落现象。
5.2FFU壁的吊装 FFU材料密度较钢筋稍小,但由于它是块体,就整体重量而言相对于一般钢筋笼较大,因此吊装时必须采用大吨位的吊装机械才能满足施工要求;由于FFU壁面积一般都较大,吊装时还需注意固定其方向,比如设置拉索等,确保准确就位
。
6结束语
FFU材料在国外,特别是日本,应用范围很广泛,
在国内使用得很少,就目前而言,在广州地铁五号线大坦沙南—中山八站区间左线盾构始发井围护结构中作了试点,根据现场反应,盾构掘进切削效果很好,因此,该材料以及SEW工法可以在国内大力推广,从而可以达到安全、经济和环保的目的。
参考文献:[1]
日本积水化学工业株式会社.广州地铁5号线大坦沙南—中山八站区间盾构始发端SEW施工方法用FFU壁的设计[Z].2005.[2]
中铁隧道勘测设计院有限公司.广州地铁五号线大坦沙南—中山八站—西场站区间施工图设计[Z].洛阳:中铁隧道勘测设计院有限公司,2005.
图9Fig.9
FFU壁接头ConnectionofFFUwalls
[3][4]
张凤祥.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.
[日]土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.
5.3盾构掘进
用FFU壁代替盾构切削范围基坑围护结构,由于