广州地铁一号线和二号线盾构机适应性研究与探讨

1 引 言
广州地铁一号线和二号线盾构法隧道施工先后 共使用了 9 台盾构机 (表 1) 。
这 9 台盾构机都完成了各自的施工任务 ,但在
施工过程中又都曾不同程度地出现过对开挖地层不 适应的问题 。对此 ,作者进行了长期的现场跟踪和 分析研究 ,提出了类似地质条件下盾构施工经验和 教训对于盾构机选型具有重要参考价值的基本看 法。
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现代隧道技术
旋输送机出土口涌水 。 造成这些现象的原因 ,主要与盾构机的设计有
关 ,概括如下 : (1) 各种刀具的高差太小 ,层次不清 ,因此破岩
效果不好 ,岩石不能顺利地破裂并刮入土仓 ,而被研 磨成粉 ,在盾构机推进力的作用下形成坚硬泥饼 。
(2) 在软岩地区 (单轴拉压强度小于 10 MPa) , 用滚刀破岩的效果不好 。
广州地铁一号线和二号线盾构法隧道埋深一般 在 10～20 m ,隧道断面的地层主要分三部分 :
上部 :第四纪软土层 ,主要由杂填土 、流塑 —软 塑的淤泥层和富含水的砂层组成 。
中部 :第四纪残积层 ,该层是由白垩系地层风化 后的残积物形成 ,呈可塑 、硬塑 —半固结状态的砂质 和砾质粘性土 。
下部 :大部分地区是由不同风化程度的白垩系 砾岩 、砂岩 、粉砂岩 、泥岩及少量的泥灰岩组成 ;少部 分是由不同风化程度的花岗岩或花岗片麻岩组成 。
投标人
日本 前田
英国 BB 法国斯波
日本地崎和 东部联合体
德国霍克蒂夫
源自文库日本青木
机型
刀盘转速/ (r/ min)
扭
正常/ kNm
矩
最大/ kNm
EPB 0～1. 0 4 800 5 700
EPB 1～5 1 520 7 640
EPB 0. 6～1. 5
2 760 6 950
EPB 0. 64～0. 94
balanced shield (right) for line No. 1
广州地铁一号线和二号线盾构机适应性研究与探讨
(2) 在陈家祠 —西门口区间 ,泥水盾构机在通 过中 、微风化砂岩 (单轴抗压强度 20～44 MPa) 时 ,推 进速度非常缓慢 ,不得不停机更换刀具 ,发现 58 % 的滚刀和 51 %的刮刀磨损严重 ,说明本机刀盘上刀 具的配置对硬岩的适应能力较差 。
图 4 改造后的刀盘 Fig. 4 Cutter disc after renovation
4. 2 越 - 三区间和赤 - 鹭区间的 4 台盾构机 这 4 台盾构机都产自德国海瑞克公司 ,其主要
技术参数为 : 最大扭矩 :4 360 kNm ; 刀盘转速 :0～6 r/ min ; 开口率 :28 %。 刀盘 (图 5) 配 41 把滚刀 ,高出盘面 175 mm ,配
袁敏正 鞠世健 竺维彬
(广州地铁总公司 ,广州 510030)
摘 要 通过对广州地铁一 、二号线盾构机适应性有关的刀盘扭矩等主要技术参数和刀具布置型式的分析和 研究 ,对其合理性进行了评价 ;强调了类似地层条件下的盾构施工经验对于盾构机刀盘设计的重要意义 。
关键词 盾构机 刀盘 扭矩 刀具布置 技术参数 中图分类号 :U455. 43 ;U455. 3 文献标识码 :A
4. 1 海珠广场 —江南西区间的 2 台旧盾构机
这 2 台盾构机原是根据日本川崎的设计 ,由日 本住友制造的泥水加压式盾构机 ,后经上海隧道股 份有限公司机械厂改造 ,由日本三菱提供刀盘 、主轴 承 、螺旋输送机等关键部件 。其基本参数如下 :
总推力 :33 000 kN ; 最大扭矩 :3 500 kNm ; 刀盘开口率 :30 %。 刀盘上布置了 41 把单刃滚刀 ,采用钝角刮刀 , 滚刀和刮刀高度差为 20 mm。 盾构始发的地层是白垩系的泥岩 ,呈中风化状 , 单轴拉压强度为 5～15 MPa ,始发的推进速度非常慢 , 从 2000 年 2 月 21 日始发 (右线) 至 4 月 6 日的 45 天 里 ,累计掘进 19 环 ,推进速度在 0～2 mm/ min 。问题 主要表现在 : (1) 机器始终处于重负状态 , 液压 油 温 高 于 70 ℃,出土温度高于 40 ℃; (2) 刀盘内及土仓内形成十分坚硬的泥饼 。 (3) 往往由于刀盘扭矩得到限定值而出现自动 停机 ,按操作设定 ,要等待一段时间才能起动 ,造成 进出土循环无法连续 ,加之较大的地下水压 ,导致螺
表 2 一号线盾构工程投标人所选机器的转速和扭矩
Table 2 Cutter disc rotation speed and torque of the machines selected
by the tenderer of the shield tunneling project of line No.1
(3) 3 500 kNm 的扭矩太小 ,特别是在土压平衡 状态下 ,土质软且有强粘性的情况下 ,几乎无法推进。
在这种情况下 ,承包商对刀盘进行了第一次改 造 (改造后的刀盘如图 4) ,将其中 21 把滚刀拆除 , 换成多刃先行刀 。此后其推进速度仍没有明显的改 善 ,仅达到 2～4 mm / min 。之后 ,承包商对刀盘进行 了第二次改造 ,即拆除了全部滚刀 ,并全部换上了一 号线使用过的锐角刮刀 ,使推进速度达到了 10～20 mm/ min 。
3. 1 刀盘扭矩和转速
盾构机的扭矩取多大合适 ,一直是合同各方技 术人员关心和研究的重点 。对于同一个项目 ,不同
的制造商或土建承包商设计的盾构机主要参数 ,如 刀盘转速和相应的扭矩相差甚远 ,这一点可以从当 时一号线盾构工程投标人所选的盾构机参数中看出 来 (表 2) ,表明不同的制造商对同一地区的地质条 件的理解和认识明显不同 。事实上 ,依据于地质特 征的盾构机参数计算模式的局限性是显然的 ,人们 目前还无法用一个或几个数学模型来准确模拟开挖 介质 ,无论其有多么复杂 ,都难以模拟千变万化的地 质特征 。
根据施工实践 ,对盾构机掘进有不利影响的典 型的工程地质和水文地质为 :
(1) 残积的粘土以及泥岩类岩石经研磨后形成 的粉粒状矿物质 ,在受压条件下会在刀盘表面或土 仓内形成泥饼 。
(2) 软硬地层突变处及花岗岩地区的球状风化 体 ,会使刀盘工作条件突变并恶化 。
(3) 富水的断裂带和岩石破碎带等地区会导致 螺旋输送机出土口涌水 、涌砂 ,造成施工困难 。
图 2 滚刀破岩示意 Fig. 2 Schematic view of rock breaking by a roller cutter
图 3 泥饼和滚刀 (已拆除) 结合面 Fig. 3 Interface between the roller cutter
(removed) and the earth lump
3 440 5 020
EPB 0～2. 5
5 200 —
EPB 0～1. 0 3 890 5 830
泥水 0～1. 0 2 500 3 700
经过对不同盾构机制造商的扭矩计算方法的研 究 ,我们发现对盾构机扭矩的计算方法大同小异 ,但 是由于理解的不同 ,不同制造商根据相同的地质条 件计算得出的结论大相径庭 。据了解 ,盾构制造商 在确定盾构机扭矩时 ,实际上主要是采用地质条件 类比的办法 。所以盾构机选型的成败 ,在某种意义 上讲 ,取决于承包商或制造商的经验 。
土压平衡
土压平衡 土压平衡
数量 2台 1台
2台
2台 2台
区间 黄沙 —公园前 烈士陵园 —公园前
海珠广场 —江南西
三元里 —越秀公园 赤岗 —鹭江
制造商 日本住友 日本川崎 上海 隧 道 公 司 和 日 本三菱联合改造 德国海瑞克 德国海瑞克
备注
原机 是 一 号 线 使 用 的 2 台泥水盾构机
2 广州地区的主要地质特征
(3) 在施工过程中 ,多次发现在刀盘前和土仓 内形成泥饼 ,造成盾构机进出土系统无法正常工作 , 严重影响推进速度 ,甚至导致了盾构机上方地面的 塌陷事故 。
出现上述问题的原因 ,主要有以下两点 : (1) 滚刀和刮刀的层次不明显 ,滚刀高出面板 90 mm ,刮刀高出 70 mm ,两者高差仅 20 mm。从破 岩的角度来看 ,滚刀需要压入到岩石中一定深度 (贯 入量) 才能造成岩石破裂 (图 2) ,达到破岩的目的 。 当滚刀的贯入量不足以使裂缝交叉或贯穿时 ,刮刀 已顶到了岩面上 ,其侧向力难以将尚未破碎的岩石 刮落 。这样一来 ,刀盘就象一个“大磨盘”,只能把岩 石磨成粉末 ,加之高压之下形成泥饼 。图 3 是滚刀 拆除后所见到的滚刀和前方泥饼的结合面 ,可以看 出泥饼具有相当的强度和硬度 。
3 对一号线盾构机的刀盘主要技术 参数和刀具布置的分析与思考
修改稿返回日期 :2004 - 03 - 30 作者简介 :袁敏正 ,男 ,工学硕士 ,工程师.
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现代隧道技术
广州地铁一号线使用的盾构机虽然在整个施工 过程中总体表现良好 ,并保持了平均 6～8 m/ d 的推 进速度 ,但是其对某些地层的不适应性也是明显的 , 主要表现在有些地层的掘进速度低 、刀具磨损严重 、 姿态控制困难等等 ,集中反映出刀盘扭矩 、转速及其 刀具的布局方面的问题 ,具体分析如下 。
(2) 滚刀布置数量不够 。在岩石地层中 ,配置 滚刀数量的经验公式为 :
N =7D 式中 N ———滚刀的数量 ;
D ———盾构机的直径 。 根据以上公式 ,直径为 6 m 的盾构机 ,应配置 42 把滚刀 。而一号线盾构机配置的双刃滚刀无法覆盖 整个断面 ,当遇到全断面中 、微风化岩层时 ,在没有 布置滚刀的位置上 ,刮刀由于其切削岩石的能力十 分有限 ,不堪重负 ,不仅自身磨损严重 ,也直接导致 了刀盘工作扭矩很大 ,但推进速度却很低 ,严重时掘 进速度仅 1～2 mm/ min 。
4 对二号线盾构机的主要技术参数 和刀具布置的分析与思考
二号线共三个盾构标段 ,使用了 6 台盾构机 。 其中海珠广场 —江南西区间使用的是改造的一号线 2 台旧泥水盾构机 ,重新设计了刀盘 、大轴承 、螺旋 输送机等 ,并由原泥水加压式改成了土压平衡式盾 构机 。另外 4 台土压平衡盾构机是由德国海瑞克公 司制造 ,并且每台的刀盘型式和主要设计参数基本 相同 ,分别用于三元里 —越秀公园和赤岗 —鹭江区 间的施工 。
盾构机施工过程中发现如下问题 : (1) 黄沙 —长寿路区间有 690 m 的砂层 ,泥水 盾构机穿过后有 66 %的滚刀偏磨 ,说明滚刀在这种 地层中并没有象设计的那样在切削面岩土上滚动 。
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图 1 一号线泥水加压 (左) 和土压平衡 (右) 盾构刀盘示意 Fig. 1 Layout of cutter discs of slurry pressured shield (left) and earth pressure
第 41 卷第 2004 年 6
3期 月
现代隧道技术
Modern Tunnelling Technology
Vol. 41 J un.
No 2004
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文章编号 :1009 - 6582 (2004) 03 - 0031 - 04
广州地铁一号线和二号线盾构机适应性研究与探讨
刀盘的扭矩在进行盾构机总体设计时 ,与刀盘 的转速之间没有必然的联系 。从一号线的 3 台盾构 机掘进的情况来看 ,较低的刀盘转速 (最大转速仅 1. 0 r/ min) 影响了在硬岩地层中滚刀的破岩效果 ,造
成刀具的磨损严重 ,并严重影响了推进速度 。
3. 2 刀具布置
刀具的布置见图 1 ,以刮刀 (宽度 100 mm ,泥水 盾构 : 132 把 ; EPB : 112 把) 为主 , 辅助以双刃滚刀 ( <300 mm ,泥水 :12 把 ; EPB :8 把) ,同时 ,还配有单 刃或多刃先行刀 ; 刀盘开口率分别为 17 % (泥水盾 构) 和 25 %( EPB) 。
表 1 广州地铁一 、二号线使用的盾构机基本情况 Table 1 General information about the shield machines used in Guangzhou metro line No.1 and line No. 2
地铁线路 一号线
二号线
盾构机型 泥水加压 土压平衡