宁高城际轨道交通二期剩余段土建施工NGTA01标盾构选型方案.docx
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宁高城际轨道交通二期剩余段土建施工NGTA01标盾构选型方案
目录
第一章工程概况1
1.1工程概况1
1.2隧道区间地质概况2
1.3盾构区间地质情况2
1.4盾构区间水文情况3
1.5工期要求4
第二章本工程重点难点分析4
第三章选型依据及主要参数5
3.1本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求5
3.2针对施工难点设备的针对性设计5
3.3盾构机参数6
3.4盾构机简图7
3.5拟选盾构情况7
3.6盾构机后配套简图8
第四章盾构机适应性分析10
4.1盾构机组成10
4.2刀盘和刀具10
4.3驱动系统13
4.4推进系统14
4.5螺旋输送机15
4.6渣土改良系统15
4.7耐磨措施16
4.8双室人闸系统18
4.9皮带输送机19
4.10管片运输设备20
4.11拼装机20
4.12土压控制系统21
4.13注浆系统21
4.14盾尾密封系统23
4.15数据采集系统23
4.16盾构机适应性分析24
4.17盾构机掘进速度计算25
第五章类似工程盾构机选型成功案例25
第六章结论26
第七章附件26
第一章工程概况
1.1工程概况
宁高城际轨道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01标段盾构区间起讫里程为DK4+350～DK6+450，盾构隧道长度为2100m（双线延米）。
区间隧道采用盾构施工法。
隧道轴线间距离13.5m。
管片外径6200mm，管片内径5500mm,管片厚度350mm，环宽1200mm。
表1隧道相关参数表
盾构区间
上行线长度m
下行线长度m
最小曲线半径
最小埋深
最大埋深
最大纵坡
区间
2100
2100
1000m
6m
16m
26‰
工程区域附近市政道路有将军大道、徒盖东路，进出场道路采用临时混凝土便道。
盾构区间沿线穿越范围内地面建（构）筑物主要为徒盖东路、农田、荒地和河塘。
平面图见图1
图1隧道区间平面图.
1.2隧道区间地质概况
本标段区间隧道穿越地层主要以J3l-2强风化安山岩、J3l-3中风化安山岩为主，其余部分穿越地层为粉质粘土、含卵砾石粉细砂（卵砾石含量为5%-15%），少量残积土。
沿线下伏全~中风化安山岩，天然状态下强度高，平均值66.8Mpa。
隧道区间地质概况见图2。
图2隧道区间地址概况图
里程
地层类型
长度（米）
最大强度MPa
CK4+350~CK4+497
复合地层
147
40.9
CK4+497~CK5+230
岩层
733
120
CK5+230~CK5+490
复合地层
260
59
CK5+490~CK5+580
岩层
90
27.8
CK5+580~CK5+920
复合地层
340
97.1
CK5+920~CK6+450
岩层
530
109
1.3盾构区间地质情况
表2盾构区间主要穿越地层一览表
时代成因
层号
地层名称
颜色
状态
特征描述
J3l
J3l-1
安山岩
紫色
全风化
风化强烈，岩芯呈砂土状，夹少量硬块状，结构基本破坏。
岩体基本质量等级为Ⅴ类。
J3l-2
安山岩
紫色~青灰
强风化
风化强烈呈砂土状，夹少量中风化硬块，遇水易软化。
岩体基本质量等级为Ⅴ类。
J3l-3
安山岩
紫色~青灰
中风化
节理裂隙较发育，岩体较完整，局部岩体较破碎，属较硬岩~坚硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ~Ⅳ类。
J3l-3p
安山岩
紫色~青灰
中风化
节理裂隙发育，岩体破碎，属较软岩~较硬岩，局部为软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ~Ⅴ类。
J3l-3r
安山岩
紫色
中风化
节理裂隙发育，岩体较破碎，属软岩~较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ~Ⅴ类。
1.4盾构区间水文情况
地表水、地下水一般不发育，上层粘性土富水性和渗水性较差，下部基岩层全-强风化一般富水性和渗水性中等，中风化层一般富水性和渗水性较差。
根据勘察揭示的地层结构和地下水的赋存条件，本段地下水类型主要为松散地层中的孔隙水，其次为基岩裂隙水。
不具备喷涌和流砂条件。
表3地层渗透系数及透水性评价
层号
岩土层名称
渗透系数（经验值）（×10-6cm/s）
透水性评价
水平kh
垂直kV
②-2d3-4
松散~稍密细砂~中砂
2000
中等透水
②-3b2-3
软~可塑粉质粘土
38
40
弱透水
③-1a+b1-2
可~硬塑粉质粘土、粘土
1
2
微~不透水
③-2b2-3
软~可塑粉质粘土
2
6
微透水
③-2a+b3-4
流塑粉质粘土、粘土
3
30
弱透水
③-3a+b1-2
可~硬塑粉质粘土、粘土
1
4
微~不透水
③-4e
中密~密实含卵砾石粉细砂
3000
中等透水
④
可~硬塑残积土
5
10
微透水
J3l-1
全风化安山岩
20
弱透水
J3l-2
强风化安山岩
20
弱透水
J3l-3
中风化安山岩
10
微透水
J3l-3p
中风化安山岩
650
弱透水
J3l-3r
中风化安山岩
50
弱透水
1.5工期要求
左线盾构到达时间：
2015年1月5日
右线盾构到达时间：
2015年2月1日
计划工期8个月。
平均日掘进9环，其中考虑每台盾构机换刀三次，每次换刀15天，每台盾构机从始发到贯通需240天。
第二章本工程重点难点分析
盾构区间主要风险点：
1、下穿徒盖西路，徒盖西路两侧埋设有天然气管道、供水管道、通讯光缆、电线管道。
2、机场一期既有线和机场跑道尽台距离隧道区间70—108m,根据经验计算本区间隧道对地面的影响范围为隧道轴线附近25.2米。
工程特点：
1、隧道区间存在有软土地层，软硬不均地层和硬岩地层三种地层；
2、盾构区间较长，单线单区间2100米；
工程主要难点：
1、区间约有1Km为全断面岩层，地层硬，掘进难度大。
2、工期紧张，完成2100米复杂地层盾构掘进只有8个月，平均日进需达到9环即10.8米。
第三章选型依据及主要参数
3.1本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求
1、良好的土层切削能力；（刀盘及主驱动系统，推进系统）
2、准确、稳定的土压平衡控制能力；（土压控制系统）
3、良好的地层填充能力；（注浆系统及后方台车二次注浆台）
4、良好的止浆能力；（盾尾密封系统）
5、良好的土壤改良能力；（泡沫系统）
6、精准的盾构掘进导向能力；（导向系统）
7、可靠的安全装置保护换刀操作人员安全。
（人闸系统）
3.2针对施工难点设备的针对性设计
考虑本工程地层硬，掘进难，工期紧的情况，盾构机进行的针对性技术要求：
1、优化刀盘设计，采用合理的开口率及耐磨保护，提高在硬岩地层的适应能力。
2、增加刀具数量配置，加强刀箱和刀具的耐磨保护。
3、土壤改良系统配置有6个泡沫管路，采用的是单管单泵设计。
4、螺旋机与一般配置相比，在外护筒内表面及螺杆部位都进行通体的耐磨保护措施。
根据投标文件和本标段地质水文及地面建筑情况，综合考虑区间风险源的控制和重难点施工的需要，我公司拟选用2台全新德国海瑞克复合式土压平衡盾构机用于本标段盾构施工。
3.3盾构机参数
项目
内容
技术参数
项目
内容
技术参数
工程条件
适应地层
中风化安山岩、强风化安山岩
铰接液压缸
数量
14
最小曲率半径
250m
推力
715kN/单个
最大纵坡
±40‰
盾尾密封
钢丝刷密封
3道（宽刷型）
最大覆土厚度
30m
螺旋输送机
最大输送量
385m3/h
管片尺寸
外径×内径×环宽
6.2×5.5×1.2m
螺旋机外径
D=800mm
盾构尺寸
切口环直径
Φ6450mm
转速
0～22.1r/min
盾尾直径
Φ6430mm
功率
200kW
本体长度
8610mm
皮带输送机
输送距离
65m
刀盘
刀盘直径
Φ6480mm
宽度
800mm
最大扭矩
7476KN-m
功率
30kW
额定扭矩
6219KN-m
最大输送量
450m3/h
转速（正反转）
0～3.5rpm
管片拼装机
轴向行程
2000mm
开口率
36%
回转速度
0～1.0rpm
功率
945kW
回转角度
+/-200
推进液压缸
最大推进速度
80mm/min
导向系统
全站仪和棱镜之间的角度精确性
2S
最大总推力
42575KN
激光靶角度测量精度
±1mm/m
数量
16对
变压器
容量
2000KVA
行程
2200mm
盾构总长
包括车架
79m
同步注浆系统
注浆机型号
SKP-12
泡沫系统
泡沫管路数量
6
泡沫喷口数量
17
储浆罐容量
7m3
最大流量
20m3/h
水泵流量
18m3/h
泡沫泵流量
300l/h
最大压力
30bar
3.4盾构机简图
盾体简图
3.5拟选盾构情况
盾构机型号
海瑞克土压平衡盾构机EPB-6450
使用地段
宁高城际轨道交通二期NG-TA01标盾构区间
生产完成时间
2014年4月
设计寿命
10000m
已推进里程
0
设备状态
全新设备
备注
出厂前进行验收
3.6盾构机后配套简图
一号台车右侧图
一号台车左侧图
二号台车右侧图
二号台车左侧图
第四章盾构机适应性分析
4.1盾构机组成
土压平衡式盾构机施工体系主要由刀盘系统、推进系统、出土系统、管片拼装系统、同步注浆系统、泡沫注入系统、数据采集系统、测量系统及后配套台车等系统组成。
盾构机在掘进时，16组双缸千斤顶伸出，顶在后方管片上向前行走。
同时，刀盘转动切削前方土体，土体在刀盘后土仓内建立一定土压力与外部土压力平衡，即在前方建立了临时支护面。
螺旋输送机不断的把前方多余土方通过皮带输送机输送到后方土箱车内。
与此同时，盾尾处进行同步注浆，填充开挖后形成的空隙量。
整个掘进系统由PLC电路采集信号，达到采集、处理、诊断的回路模式。
测量系统由前方三个棱镜组、全站仪、后视棱镜组成，进行同步测量监控，指导施工。
4.2刀盘和刀具
针对难点：
复合地层和全断面岩层施工，对刀盘和刀具进行了优化设计。
刀盘采用4辐条+4面板的设计形式，开口率为36%。
在保证刀盘刚度、强度和刀具数量基本不变的前提下，保证了开口的均匀布置，并加大了刀盘中心开口率（约40%）；刀盘不仅有助于隧道开挖面的刚性支护，也能保证渣土的流畅排除。
根据海瑞克的经验和预料的地质状况，采用安装了滚刀和铲刀的刀盘。
在刀盘设计中，硬岩刀具（滚刀）可以根据地质情况换成软土刀具（齿刀）。
刀盘简图
刀具布置图纸
刀间距示意图
刀具
中心双刃滚刀
单刃滚刀
刮刀
边缘弧形刮刀
边缘保径刀
面板贝壳刀
数量
4把
37把
56把
8把
4把
8把
滚刀：
滚刀带有高度耐磨的合金齿切削环，刀圈直径17寸。
刀箱焊接Hardox耐磨保护块。
刮刀：
软土刀具有高耐磨的钢刀体和高质量的硬质合金刀刃。
刮刀两侧采用耐磨焊丝保护。
铲刀：
铲刀的前刀面硬质堆焊刀刃，同时刀具后端由硬质合金球齿保护。
所选盾构共配置117把刀具和2套液压式刀具磨损检测装置。
滚刀与刮刀、铲刀高度差为35mm。
考虑到本工程地质有35%左右的长度为全断面岩层、石英含量高的特点，正面单刃滚刀的刀间距110mm调整为90mm,并且在每个面板增加两把贝壳刀，增加滚刀刀具数量，提高了刀盘在硬岩地层的破岩效率。
所有的滚刀，刮刀和铲刀都可以从刀盘后部更换。
4.3驱动系统
扭矩计算：
拌和扭矩扭矩M1=136.22KNm,刀盘支撑臂扭矩M2=72.3KNm,软土刀具扭矩M3=136.74KNm,滚刀扭矩M4=118.91KNm,土仓填充物扭矩M5=2428.7KNm
计算时，假设在有4bar压力的地层中掘进并进行土壤改良的状况下，刀盘转速0.8转/分
所需总扭矩M=1.2×（M1+M2+M3+M4+M5）
=3470KNm
针对难点：
复合地层和全断面岩层施工，对驱动系统进行了优化设计。
●采用直径3m的主轴承替换常用的2.6m的主轴承。
功率945kW、9个液压马达驱动，刀盘额定扭矩6219KNm，脱困扭矩达到7476KNm。
●理论需要的刀盘扭矩为3470kN-m,满足本工程需要。
转速：
0～3.5r.p.m，使用寿命：
10000小时以上
驱动系统简图
4.4推进系统
取最不利施工截面计算水土压力：
压力计算图示：
水土压力数值表
刀盘的中心土压Pd
90.5kN/m2
盾构机外面水平上部土压P2
61.4kN/m2
削切面水压（中心部）Pw
250.0kN/m2
盾构机外面水平垂直下部土压P3
92.1kN/m2
盾构机外面垂直上部土压P0
122.8kN/m2
盾构机外面垂直下部土压P0'
173.4kN/m2
经海瑞克计算（详见附件一），盾构机可运用的总推力须大于38688KN,盾构机驱动系统额定扭矩须大于3470KN。
推进系统
拟选盾构的推进系统共有千斤顶16组，单组油缸最大推力2660KN，行程均为2200mm，能够满足F块在任何位置的拼装需求。
总推力42575kN，理论需要推力38689kN，能满足本工程需要。
推进千斤顶压力控制分上、下、左、右可分别进行独立控制的分区，能够满足隧道掘进纠偏要求，配备4套千斤顶内置式行程及速度传感器，行程显示可逆并能准确、直观地显示隧道掘进机千斤顶伸缩值和速度。
推进速度0~80mm/min可调。
4.5螺旋输送机
螺旋输送机
在本标段施工中，以较快的8cm/min速度掘进，单位出土量为190m3/h。
盾构机配置的可伸缩轴式螺旋机，理论出土能力为385m3/h，能够满足施工需求。
螺旋输送机可方便地对外护筒、螺旋叶片进行维修。
螺旋输送机螺旋叶片和外护筒的内表面通长焊有合金耐磨块；设有断电紧急关闭装置,密封可靠。
在断电情况下排土门可全程开闭1.5（闭→开→闭）次；配置单闸门系统，若出现喷涌险情时，可及时快速关闭闸门。
4.6渣土改良系统
针对难点：
复合地层和硬岩地层施工，对泡沫系统进行了优化设计
盾构机一般只配置4个泡沫发生器，所选盾构配置了6个泡沫发生器，且实现了单管单泵设计，提高了渣土改良效果，降低了泡沫管路的堵塞问题。
在刀盘、土仓仓壁及螺旋输送机等部位均设有添加剂注入管路和注入口，可以向相应部位注入土体改良材料，改良土层性质。
泡沫系统能自动和手动控制流量,两套系统相互独立。
通过液压油可以方便地对所有的添加剂管路及注入口进行清洗。
在盾壳前部圆周设计有8个超前钻孔，土仓隔板上设有4个超前钻孔，在地层不稳定的地方可在管片拼装机上安装超前钻机，对盾构机前方的底层进行钻孔和注浆作业，进行地层的加固和渣土的改良，确保盾构机安全可靠地通过不良地质段。
最大超前钻探距离为30m.渣土改良系统能够满足本盾构区间地层的推进要求。
泡沫系统图
泡沫注射口统计表
注射口的位置
数量
刀盘
5
压力仓
4
螺旋输送机
2×4
4.7耐磨措施
针对难点：
磨损严重的问题，加强了刀盘、螺旋机、和刀具的耐磨保护。
刀盘后部和刮刀的两侧采用耐磨焊丝进行耐磨保护，泡沫喷嘴和刀箱焊接Hardox耐磨保护块，以减少使用中的磨损。
刀盘面板耐磨保护
•正面区域带耐磨钢板保护
•周边区域带堆焊耐磨保护
如下图所示：
螺旋轴上的耐磨保护
•全螺旋轴上耐磨堆焊
螺旋叶片上的耐磨保护
•在前3个螺旋叶片上焊接Vaudit
耐磨块,其余焊接Hardox耐磨块
螺旋机筒内部的耐磨保护
•在通长焊接Hardox耐磨条
在铲刀的后侧焊接Hardox耐磨保护块，以减少铲刀后部的二次磨损
4.8双室人闸系统
双室人闸仓的连接法兰安装在前盾上。
连接法兰的结构与盾体和刀盘驱动装置的半径相对应。
通过连接法兰能使人穿过舱壁密封门进入土仓。
双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开。
右边的人仓用作进出土仓的正常通道，左边的人仓在紧急情况下使用。
双室人闸仓整体部件为德国原装进口，人闸仓的安装符合DIN标准（关于有气压条件下工作的标准），无论是在常压还是带压条件下，都可以保证操作人员安全顺利的进行刀具检查和刀具更换作业，保证换刀作业安全高效进行。
双室人闸仓有以下装置：
通过人闸的压力闸门、阻尼器、压力计、计时仪、温度计、绝缘椅子、照明，包括紧急照明、压力纪录仪、供热设备。
人闸
4.9皮带输送机
皮带输送机机架
皮带机参数表
表 述
数 据
配备数量
1台
皮带宽度
800mm
输送能力
450m3/h
皮带速度
2.5m/s
电机功率
30kW
皮带机用于将螺旋机送来的渣土转运到后方渣土车上，至少应能满足190m3/h的运送能力。
其理论输送能力为450m3/h，能够满足本工程需要。
皮带输送机上设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，可以起到保护维修、测量人员安全的作用。
4.10管片运输设备
双梁吊机
盾构机管片运输设备采用的是双梁吊机和喂片机结合的方式。
管片通过电瓶车运至盾构机后，先由双梁吊机将管片吊至喂片机上，然后喂片机将管片运送至拼装机抓取头位置，等待拼装作业。
管片运输机采用双梁行走机构，两侧各有电机驱动并设有限位和防撞装置以防止行走小车脱落轨道。
项目
类型
规格
数量
管片运输设备
双梁吊机
3t×2台
1套
4.11拼装机
管片拼装机的各种操作都可以单独进行。
管片拼装过程中，通过线控或遥控两种控制方式可以对管片拼装机和推进千斤顶进行控制。
管片拼装机设置快、慢档。
能满足外径6200mm、宽1200mm、厚350mm的管片拼装。
拼装机简图
拼装机参数表
表 述
数 据
平移行程
2000mm
提升行程
500mm
提升能力
21.6t
旋转
双方向
旋转速度
0～1.05rpm
旋转角度
±200°
4.12土压控制系统
盾构区间覆土较浅，对地面沉降控制要求较高。
拟选盾构机的土压平衡的控制有以下三种控制方式，可以根据开挖面的情况选择合适的控制方式：
●土压控制
在土仓壁板设有5个土压计，可以保证测得的正面土压力测量精度达到0.005MPa。
同时该土压计具有足够的自身保护能力。
一旦出现故障时，能够极其安全的直接从舱壁后部进行土压计的维修和更换。
通过土压计测得的土压与设定的土压比较，可以调节控制螺旋输送机的转速。
●排土量（体积）控制
螺旋输送机的转速自动与盾构机的掘进速度相匹配，进行排土量的控制。
●手动控制
可以根据需要手动设定螺旋输送机的转速。
4.13注浆系统
同步注浆系统在盾构机外壳的上、下半部各设有两处注入口，同时可实现分路注浆，能满足及时均匀填充盾尾间隙的要求。
同步注浆系统具有自动和手动调节两种控制方式。
注浆压力、流量计量通过注浆压力传感器能在注浆控制面板和操作室面板上实时显示。
通过传感器的数据反馈，可实现注浆量与盾构掘进速度的同步优化设置。
为防止注浆管路堵塞,同步注浆系统设置了注浆管路清洗装置。
注浆完成后该装置可以直接对注浆管路进行清洗。
即使万一注浆管路发生堵塞，还设置了供维修的检查口。
除此之外，在盾构机最后一节台车上，外加安装有一台气动二次注浆机，连接盾构机空压机可快速进行壁后二次注浆作业。
本区间穿越地表主要为农田、荒地和河塘，盾构所配置的注浆设备能满足地面沉降控制的要求。
注浆系统参数表
项目
规格
型式
单液用同步注浆装置
注入压力
3MPa
清洗回路
装备
装备回路
常用4个+备用4个
单液注浆泵
SCHWING泵×2台
注浆泵注浆泵系统
盾尾注浆口
拟选盾构机开挖直径与管片直径的差值，每环的理论空隙为3.34m3，理论填充率选取150%，需注入浆液为5m3，以较快的8cm/min的掘进速度掘进，注浆流量需满足20m3/h（333L/min）。
目前盾构机注浆系统配置2台SCHWING活塞泵，设计流量20m3/h，最大注浆压力3Mpa，功率30kw。
同步注浆系统能够满足施工中厚浆注入的要求。
4.14盾尾密封系统
为了保证盾尾壳体与管片之间有良好的密封性能，在盾尾上装备有三道钢丝刷（宽刷型）式盾尾密封，前2道盾尾刷长度300mm，最外道长度320mm。
为了提高盾尾密封的止水性和寿命，盾尾刷间的仓室共配备8个盾尾密封油脂的注入管路。
宽刷型盾尾刷和更多盾尾油脂注入点位的设计，能够极大提高盾尾密封系统的密封效果。
盾尾刷构造图
4.15数据采集系统
导向系统采用VMT自动定位隧道导向系统，由PC机、隧道掘进软件、莱卡全站仪、激光靶、控制盒、调制解调器、激光发射器、电缆等组成，有足够的掘进方向监测能力，包括对盾构机里程位置、水平和垂直偏差、仰俯角、滚动角等进行的监测、运算和显示能力，必要时采取报警和连锁的方式，提示操作人员，及时对盾构机进行姿态的调整，确保隧道掘进轴线精确性的要求。
数据采集管理系统能连续采集隧道掘进机、加泥量、出土量等数据，并具有数据分析、处理、打印、存储（每环生成一个MicrosoftExcel格式的文件，并以时间和环号为文件名）及检索等功能，同时可在隧道掘进机控制室以终端形式实时显示，并在地面中央监控室内的计算机上提供数据通信的软、硬件接口（增加一路RS-485通信模块，能通过该端口采集到系统运行设备和施工的所有信息，提供PLC全部I/O地址信息，以便实现业主远程信息管理需求）。
采集的数据以图形的形式显示（以行程或时间为坐标，计测比例能根据实际的需要任意调整）。
显示的内容包括隧道掘进机的实时姿态、隧道掘进机与已拼装管片之间的间隙、实际轴线与设计轴线的偏差、开挖面的实时压力及波动范围等。
显示的内容能够满足隧道轴线控制的要求，并为隧道掘进机按准确方向推进提供依据。
在工作交接班以及日、周、月末自动形成打印报告。
隧道掘进机控制室与地面监控室之间的数据传递使用光纤完成。
4.16盾构机适应性分析
1）所选盾构机除具有软土开挖功能外，还具有中等硬度岩石的破碎功能，并且硬岩掘进能实现每天完成10.8米的能力，该种盾构机的推力和扭矩以及刀盘配置都满足需求。
2）盾构机刀盘装有硬质合金刀具，并且采用了17寸刀圈的滚刀，在该地层条件下可实现高效的掘进，同时延长刀具使用时间，减少刀具的更换次数。
3）装备有可靠的人闸系统，保证在气压状态下安全的进行刀具更换等各种施工作业,提高了换刀效率。
4）盾构机刀盘设计有合理的开口率，具有良好的防泥饼设计和完备的碴土改良装置，既满足大粒径卵石排出，又有效
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