成都地铁4号线一期工程土建2标罗宾斯盾构机改造方案Word文档下载推荐.docx
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卵石土:
褐灰色、青灰色,稍湿~饱和,松散~密实夹少量角砾,卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。
以亚圆形为主,少量圆形,分选性差,卵石含量50~85%,粒径20~80mm为主,部分粒径大于100mm,最大粒径180mm,充填物为中砂,局部夹漂石,顶面埋深1.10~6.80m。
根据N120超重型动力触探成果及卵石含量,将该层卵石土分为松散卵石土<
2-8-1>
、稍密卵石土<
2-8-2>
、中密卵石土<
2-8-3>
和密实卵石土<
2-8-4>
,共4个亚层。
4.2隧道穿越地层的统计分析
图4.2-1隧道穿越各地层比例图
表4.2-1罗宾斯盾构机施工隧道穿越地层统计表
区间名称
线路
里程
围岩
分类
长度
(m)
顶板埋深
隧道通过的岩土层
文家站~公平站
左线盾构段
ZDK14+626.605
~ZDK14+649
Ⅱ
22
7~7.5
洞顶:
洞身:
洞底:
<
ZDK14+649~
ZDK14+739
90
7.5~9.5
洞顶、洞身:
ZDK14+739~
ZDK14+799
60
9.5~11
洞身、洞底:
ZDK14+799~
ZDK14+862
63
11~12.5
ZDK14+862~
ZDK14+902
40
12.5~13
ZDK14+902~
ZDK15+113
211
13~18
ZDK15+113~
ZDK15+374
261
14.5~19
ZDK15+374~
ZDK15+562
188
14~14.5
全断面通过<
层
ZDK15+562~
ZDK15+605
43
14
ZDK15+605~
ZDK15+646.179
41
13.5~14
GPK0+417.888~
GPK0+445
27
GPK0+445~
GPK0+511
66
7.5~9
GPK0+511~
GPK0+529
18
9~9.5
GPK0+529~
GPK0+585
56
GPK0+585~
GPK0+649
64
11~11.5
GPK0+649~
GPK0+728
79
10~11
GPK0+728~
GPK0+964
236
9.5~10
GPK0+964~
GPK1+060
93
8~9.5
ZDK16+521.8
~ZDK16+642
120
8.5~10
ZDK16+642~
ZDK16+786
144
10~13
左出入段线盾构段
ZDK16+786~
ZDK16+945
159
13~13.5
ZDK16+945~
ZDK17+068
123
ZDK17+068~
ZDK17+116.055
(中间风井)
48
ZDK17+132.655(中间风井)
~ZDK17+266
134
14.5~15
ZDK17+266~
ZDK17+381
115
15~15.5
ZDK17+381~
ZDK17+474
15.5~16
ZDK17+474~
ZDK17+664
190
ZDK17+664~
ZDK17+783
97
15.5~16.5
5.水文地质
5.1地表水
在本标段沿线范围内,地表水主要为一些人工排水沟渠,主要有:
光华大道过街倒虹管、苏坡支渠(七里河)、苏坡五斗渠。
5.2地下水类型及富水性
场地地下水主要为赋存在第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水。
场地位于成都市区岷江上游,详堪期间测得地下水位为5.30~7.90m。
区间地下水位低于正常水位,根据调查分析,主要原因是场地附近进行大规模工程建设,许多建筑基坑在进行施工降水,造成场区地下水位大幅下降。
第四系孔隙水主要赋存于全新统(Q4)的卵石土中,卵石土层结构比较松散,含水丰富,含水层厚度大于30m,卵石土层渗透系数k=20m/d,为强透水层。
本区段基本位于卵石土层中,受地下水影响较大。
5.3地下水动态特征及其水、土腐蚀性
(1)地下水的动态特征
场地内地下水埋藏深,季节性变化明显,受降水影响大,水位西北高东南低。
根据区域水文地质资料,潜水位一般从4、5月开始上升,直至8月下旬。
水位最高峰出现在7、8月份,最低谷则在1~3月、12月中交替出现,动态曲线上峰谷起伏,动态变化明显。
在天然状态下,区内枯水期地下水位埋深2~4m;
洪水期地下水埋深1~3m。
根据区内地下水位动态长期观测资料,在天然状态下,水位年变化幅度一般在1~2m之间。
勘测测量,初见水位与静止水位基本一致,场地内的地下水不具有承压性。
(2)地下水的水、土腐蚀性
场地内水的腐蚀性评价为Ⅱ类环境。
经判定,地下水对混凝土、钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性;
不考虑化学侵蚀环境和氯盐环境对混凝土结构的影响。
6.原盾构机配置参数及刀盘与螺旋输送机
6.1技术参数表
序号
位置
项目名称
参数
1
适应工作条件
地层土质种类
复合地层
最小转弯曲线半径
250m
最大坡度
3.50%
2
盾构整体
总长
12.3m
总重
约500T
开挖直径(滚刀)
6300mm
前盾外径
6260mm
中盾外径
尾盾外径
前盾盾壳厚度
45mm
中盾盾壳厚度
45mm+100mm
尾盾盾壳厚度
100mm
盾尾间隙
30mm
装备总功率
1500KW
最大掘进速度
80mm/min
最大回缩速度
300cm/min
最大推力
36,000kN
盾尾密封
3道、282pieces
土压传感器
7个(土仓5个、螺旋输送机2个)
液压传感器
6个(刀盘、推进系统、泡沫系统等)
主轴承寿命
>
10000h
最大工作压力(bar)
4.0bar
最大设计压力(bar)
包括后配套总长
约80m
3
刀盘
型式
面板,幅条复合型
驱动形式
变频电驱动,电气防护等级IP55
开挖直径(mm)
6300mm(滚刀),6280mm(软土刀)
最大转速
3.0rpm
扭矩(额定)
5628kNm
脱困扭矩(最大工作扭矩)
7316kNm
扭矩系数
26.4
驱动功率
900KW(输入电压380V额定功率)
刀盘开口率
33%
超挖刀型式
液压式(预留液压系统)
刀盘对复合地层的适应性
适应
刀间距的布置
参见刀盘图纸
中心刀的类型
双刃滚刀(用户有权根据地质情况要求罗宾斯公司提供新方案)
滚刀的数量及轴向转动力矩
23把单刃滚刀、8把双刃滚刀
各种刀具高差设置
参见刀盘图纸和技术描述部分
4
铰接装置
主动型
最大行程
190mm
最大转角水平、垂直
水平1.5度,上下0.5度
数量
16个
5
砂浆搅拌器
叶片外径
800mm
转速
20rpm
搅拌容量
7.5m3
6
润滑系统
供脂距离
25m
油脂泵
供脂流量
38cm3/分
供脂压力
18MPa
7
管片安装机
类型
齿圈类型
自由度
6个
0.2~1.5rpm
提升能力
42kN
径向行程
700mm
轴向行程
500(2000)mm
旋转角度
±
220°
8
推进油缸
推力(t.f)
行程(mm)
1950mm
数量(台)
24
工作压力(kgf/cm2)
35MPa(最大)
9
铰接油缸
回缩力
20800kN(最大)
行程
16个
压力
10
人闸
容纳人数
2+2
直径/规格
1600mmx1200mm
工作压力
3bar
11
螺旋输送机
正反转
直径
800mm(内径)
出渣量
280m3/h(最大)
功率
225KW
最大扭矩(工作设定扭矩)
94kNm
16rpm
双层闸门配置
是
12
皮带输送机
运输量
450m3/h(最大)
运送速度
1.42m/s
皮带
900mm
驱动型式
电驱动
13
变压器
(2x1000)=2000KVA油浸型
冷却系统
40m3/h,DN100
15
同步注浆系统
0.2m3/min
16
泡沫系统
4路
17
膨润土注入系统
6个孔
盾尾油脂系统
前后各6个孔
19
数据采集系统
按照罗宾斯公司标准配备
20
激光导向系统
PPS,测量精度2秒,有效工作距离200m
21
超前注浆系统(备选)
20个超前注浆孔
二次通风系统
600m3/min,600mm
23
通讯系统
供电系统
按照罗宾斯公司标准配备(防护等级IP55)
25
压缩空气系统(可吸空气供应系统)
10m3/min(1台压缩机)
26
后续台车
变频电机驱动
10个变频器
6.2刀盘图
6.3螺旋输送机图
7.盾构机改造
此盾构机在设计联络时已经考虑使用在成都砂卵石地质条件下的盾构施工,盾构机相关配置参数(如主轴承等)基本能够适应砂卵石下盾构掘进。
但由于当时是在泥岩下盾构施工,对于刀盘和螺旋输送机的耐磨性考虑不足,因此需要对此盾构机的刀盘、螺旋输送机和刀具的配置重新进行改进,以适应成都地铁4号线一期工程土建2标砂卵石地层下的盾构施工。
7.1改进为双层盾尾止浆板
为防止盾尾注入浆液向前流入盾体范围及土仓,盾构机盾尾设计安装有盾尾止浆板,止浆板为弹簧钢制作,原设计为单层,现更改设计为双层弹簧板制作,制作双层盾尾止浆板。
同时,外圈的盾尾刷将前保护板(弹簧板)改为2层1.0mm钢板,后弹簧板改为三层1.0mm钢板,并且将后保护板的最内层加长,增加一个弧度,当盾构机和管片形成的圆环同心时,使后保护板能够和管片能够接触,刷丝可以100%的和管片接触;
当盾构机出现偏心时,前后保护板之间的刷丝能保证不低于70%的接触面。
这样,可以最大限度的避免砂浆进入尾刷,以免形成板结,损坏尾刷的密封。
同时,还增强了弹力(弹力可增加50%-70%)和耐磨性。
改进增强盾尾止浆效果,控制注浆压力及注浆量,保证注浆效果。
尤其在本标段大坡度时保证好注浆效果十分的必要,能起到盾尾止水,保证成型隧道的质量。
图7.1-1改进型盾尾密封刷
7.2刀盘改造
1、耐磨防护
(1)刀盘正表面和周边部分用Φ1.2mm卡斯特林耐磨焊丝堆焊成5mm高的3CM×
3CM菱形的耐磨网格以适应成都地铁砂卵石的地层。
(2)土仓内8根搅拌棒同样用Φ1.2mm卡斯特林耐磨焊丝堆焊成5mm高3CM×
3CM菱形的网格以减少渣土对搅拌棒的磨损。
(3)前盾切口环位置用Φ1.2mm卡斯特林耐磨焊丝堆焊5mm高耐磨焊丝,长度为50mm,径向焊接5mm高耐磨焊丝,前盾切口环内部斜坡处焊接5mm高耐磨焊丝;
(4)刀盘外圆处轴向方向上上车床加工车掉10CM,径向上加工车掉4CM,间断焊接镶嵌有硬质合金的刀盘耐磨环,增加刀盘外圆的耐磨性。
2、开口处增加强度
刀盘开口处共计12个位置,由于迎土时只有一块钢板,考虑到强度低,且容易造成刀盘的扭矩大,所以焊接封板,既增加了强度,又降低了刀盘的扭矩。
如下图所示,封板采用30mm钢板。
图7.2-1刀盘开口处
3、中间开口处加格栅
刀盘中心有4个比较大的开口,可以通过直径700mm的卵石,为了保证刀盘通过卵石粒径与螺旋输送机通过卵石粒径相适应,需要在此处增加格栅,格栅采用60mm厚的直角梯形钢板,使开口处不大于300mm。
如下图所示,与刀盘焊接连接。
图7.2-2刀盘中间开口
4、刀盘背面
罗宾斯盾构机刀盘背面多为“凹”槽式结构,且很多“凹”槽多为无用槽,这样的设计会使渣土存于槽内,不利于渣土流动的同时也增加了刀盘的扭矩。
所以将这些“凹”槽焊接30mm厚的钢板变成箱式结构,增加结构强度的同时避免存渣。
如下图。
图7.2-3刀盘背部
7.3刀具配置及改进
1、滚刀
所有单、双刃滚刀都更换为加强新式滚刀,中心配置中心双刃滚刀,正面为单刃滚刀,边缘位置为双刃滚刀。
根据成都地铁1号线、2号线、2号线西延线刀具的使用情况,对比现用刀具及罗宾斯盾构刀具,为使刀具能够适应成都地铁砂卵石复杂地质,对刀具的改造如下:
1、尺寸改进
图7.3-1罗宾斯滚刀图
罗宾斯刀箱为514mm,刀刃边缘到刀箱的距离为514mm-432mm/2=41mm,所以可以使用现用加厚刀圈Φ448mm(掘进距离为600m)。
2、安装方式改进
由图7.3-1可知,罗宾斯盾构机滚刀的安装形式比较弱,为适应大推力、大扭矩,所以改进其安装方式。
具体为将刀具挡块加厚、刀箱下部分连接挡块的位置同尺寸加厚,厚度应为90mm,螺栓连接改为M30的10.9级螺栓。
2、刮刀
此盾构机刮刀配备68把小刮刀,计划采用带硬质合金块的刮刀。
边刮刀配备12组36把,计划采用带硬质合金块的刮刀。
图7.3-2罗宾斯刮刀图
图7.3-3罗宾斯盾构机边刮刀安装尺寸图
3、导流刀
刀盘正面焊接6把导流刀,导流刀位置见下图红色方框位置,焊接方式为沿刀盘圆周方向一正一反布置。
采用二氧化碳气体保护焊焊接。
图7.3-4导流刀位置
7.4螺旋输送机改造
图7.4-1罗宾斯盾构机螺旋输送机
1、筒体改造
参照海瑞克螺旋输送机筒体
图7.4-2海瑞克螺旋输送机筒体
海瑞克螺旋输送机筒体参数:
筒壁厚35mm,内径745mm,螺旋轴+叶片+耐磨块700mm,筒壁耐磨BL15A-EN10029-HADROX400/3.18B=50mmT=15mm,中间空隙为(745mm-700mm-15mm×
2)/2=7.5mm。
罗宾斯盾构机参数:
筒壁厚45mm,内径800mm,螺旋轴加叶片790mm,无耐磨防护,中间空隙为(800mm-790mm)/2=5mm。
如下图所示。
图7.4-3罗宾斯盾构机螺旋输送机
根据成都地铁砂卵石地层的特殊条件,罗宾斯螺旋输送机筒体改造方案为:
筒壁加耐磨防护,焊接耐磨材料为BL15A-EN10029-HADROX400/3.18B=50mmT=15mm,此耐磨条长度根据单段筒体长度和筒体内的条件(如观察口、螺栓等)再定。
布置为24条×
15°
。
参照下图。
图7.4-4海瑞克螺旋输送机前端筒体
2、螺旋轴改造
根据成都地铁砂卵石的地址条件,螺旋轴需要增加耐磨防护,同样采用螺旋轴+叶片+耐磨块的方案。
图7.4-5海瑞克螺旋机轴+叶片+耐磨块
罗宾斯盾构机螺旋输送机轴的直径为244.5mm,叶片间距640mm。
由于筒体加耐磨防护后,筒体距离螺旋轴+叶片+耐磨块还要留有至少5mm的间隙,800mm-(15mm×
2)-(5mm×
2)=760mm,所以螺旋轴+叶片+耐磨块的直径就缩短到760mm以内。
(1)耐磨块
图7.4-6海瑞克耐磨块
全段螺旋输送机采用海瑞克结构模式,更改罗宾斯盾构机螺旋输送机叶片的厚度为70mm,叶片间距630mm,叶片高度为(760mm-244mm)/2-80mm=278mm,焊接进口耐磨块。
(2)螺旋轴与叶片加长
罗宾斯盾构机的螺旋输送机的设计为土压平衡式设计,为适应成都地铁砂卵石地质,应适当加长螺旋轴与叶片,根据下图所示,螺旋轴加长375mm,增加叶片即长度490mm,同时将搅拌棒截到370mm,这样不影响搅拌棒。
图7.4-7罗宾斯盾构机改造后的螺旋轴与叶片
以上采用二氧化碳气体保护焊焊接。
7.5改装搅拌棒
盾构机刀盘和土仓隔板上根据具体位置适当加装渣土搅拌棒,以保证土仓内渣土的充分搅拌,防止结泥饼。
图7.5-1搅拌棒改装方式
8.罗宾斯盾构机维修改造评论
此盾构机通过此次改造,基本参数如主轴承系统、液压系统、同步注浆系统、泡沫系统等多个系统能够满足成都砂卵石地质条件下的盾构施工。
对于刀盘、螺旋输送机和刀具进行了根本性的改造。
刀盘的耐磨性大大加强,部分位置由板式结构改造为箱结构,提高了刀盘整体的强度,同时也降低掘进过程中刀盘的扭矩。
刀盘中间开口率较大,利于中间部位砂卵石的进入,降低盾构掘进过程中的推力,同时也减小了中间部位刀具的磨损,降低了土仓内结泥饼的机率。
刀盘周边单位置开口相比其它盾构机而言较小,降低了盾体上方砂卵石进入土仓内的机率,在掘进过程中可以有效控制多出渣现象。
中间部位加装有搅拌棒,大大降低了土仓中心结泥饼的机率。
螺旋输送机轴整体进行更新,提高了螺旋输送机的整体耐磨性,能够适应砂卵石地质下的盾构施工。
刀具重新进行设计与制造,提高滚刀、小刮刀和边刮刀的耐磨性,可以提高刀具的掘进距离。
此盾构机的改造,结合了海瑞克盾构机和罗宾斯盾构机的优点,同时在盾构掘进过程中做好渣土改良、掘进控制等因素,可以满足在成都地铁4号线一期工程土建2标高富水砂卵石复杂地质条件下的盾构施工。
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