盾构机选型方案

南昌轨道交通2号线一期工程土建七标盾构机选型方案2015年7月南昌轨道交通2号线一期工程土建七标项目经理部南昌地铁2号线7标盾构选型方案评审过程说明•1、2015年5月31日本盾构选型方案经过专家评审，评审结论为：盾构机选型合理，盾构机主要功能配置较齐全，盾构动力配置强劲，盾构总推力、刀盘扭矩等主要性能参数合理，经检查、勘验、维修恢复原有设计功能后，能满足本工程的地质条件要求。•2、2015年6月15日根据专家组评审意见对《盾构选型方案》进行修改完善。•3、2015年6月27日业主组织专家到我司盾构维修基地对盾构进行考察并形成专业的考察报告。•4、本次会议对完善后的盾构选型方案再次进行评审。目录•工程概况•盾构机适应性分析•盾构机相关配置•刀盘刀具优化方案一、工程概况•【南昌火车站～洪都中大道站盾构区间】右线长度为506.960m，左线长度为504.408m。隧道埋深7.6m～10.3m。区间平面位置主要位于铁路八村住宅小区，下穿及侧穿房屋18栋。•火车站~洪都中站区间主要穿行于3-2细沙层、3-6圆砾层，隧道上部主要为3-1粉质粘土层，粘土层厚度4~6米。•【洪都中大道站～辛家庵站盾构区间】右线长度为1177.868m，左线长度为1201.361m。设联络通道及泵房一座，长度为13.5m。隧道埋深9.5m～18.4m。•洪辛区间平面位置前800m主要位于顺外路下，而后300m半径右转至上海路。线路下穿城市道路、房屋、桥梁、河涌。•区间隧道主要穿越地层为：3-5砾砂层、3-6圆砾层、5-1-1强风化泥质粉砂岩、5-1-2中风化泥质粉砂岩，隧道上部主要为3-5砾砂层，3-1粘土层（厚度为2~3米）。一、工程概况一、工程概况一、工程概况根据本标段工程的工程条件、地质特点、工期及施工要求，结合类似工程盾构的选型经验和南昌、广州、深圳地铁既有盾构工程的盾构类型，以及我公司多年的地铁施工及盾构应用经验，我们认为在本工程适宜采用德国海瑞克复合型盾构机。该盾构机须具备超前注浆系统、聚合物注入系统，人仓保压系统、主动铰接系统，加泥加泡沫等渣土改良系统、超挖装置等辅助工能。二、盾构选型及适应性分析•埋深的适应性根据海瑞克公司提供的盾构参数初步计算可知盾构有足够的复合承载能力和推进力、刀盘扭矩储备比理论值都大许多，土仓有足够的土压承受能力及土压调节能力；主轴承密封（最大可承受5.0bar土压力）和盾尾密封的特殊设计完全可以满足本区间隧道施工的需要。二、盾构选型及适应性分析•硬岩的适应性刀盘上可布局超硬耐磨滚刀和齿刀将会较大的提高刀具的破岩能力，有效的提高盾构机的工作效率，并能显著的降低刀盘、刀具的磨损，减少换刀次数。本标段工程内的岩石强度为7.20～9.40Mpa属于软岩，海瑞克盾构机破岩能力为200Mpa，S457、S458完全能满足本区间破岩要求。二、盾构选型及适应性分析•软岩、软土的适应性盾构在土仓压力隔板的不同高度位置安装了五个土压传感器，可以对土仓内不同位置的土压随时进行监控；螺旋输送机的出土速度可以0～22rpm无级调速，容易精确控制出土量。盾构在土压平衡模式下掘进时有严格的土仓压力管理规定，通过控制系统可以对土仓压力、掘进速度、螺旋输送机出碴速度、泡沫等添加材料的注入量等参数进行灵活控制，确保在掘进过程能够达到良好的动态压力平衡效果。二、盾构选型及适应性分析•对地层软硬不均、变化频繁等特殊地段的适应性当盾构在软硬不均地段掘进时，盾构由于前面刀盘的受力不均而发生姿态不易控制的现象。为此盾构推进系统的油缸在圆周方向分为四组，每组可以单独调整其推力和流量从而改变盾构前行的姿态趋势；盾构的中体和前盾为分组控制主动铰接连接，可以通过分区调整主动铰接油缸行程差来进行姿态的动态调整；盾构采用VMT公司SLS-T激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，从而可以对盾构的姿态随时进行灵活的调整，保证盾构在软硬不均地段掘进保持良好的盾构姿态。二、盾构选型及适应性分析•对曲线段施工的适应性本标段工程的工程最小曲线半径为300m，盾构机的设计最小转弯半径为采用1.5m管片时250m，同时我司采用1.5m宽的管片顺利通过广州地铁四号线盾构区间最小曲线半径300m段，隧道质量符合施工规范要求,而本标段管片为1.2米宽，因此本盾构机完全能满足本工程最小曲线半径的要求。二、盾构选型及适应性分析•盾尾间隙的验算：•如下图假设极端情况下，安装完管片后弯外侧管片前部管片间隙为0，管片拼装为标准直线性,管片长度为1.5m，推进千斤顶行程2m。dmax（极限状态盾尾间隙）=0.075m*2；L（管片切入量）=2.325M；Rminmax盾构机长管片切入量LLdm8.12515.0325.2117.8Rmin在上面假设的情况下盾构机的盾尾间隙能满足最小半径为125.8米的拐弯半径。反推之，根据本标段最小拐弯半径300m，盾构拼装管片长度为1.2m（按不利情况推进千斤顶行程为1.7米，即管片切入盾体长度按1.5米计算）。此时拼装完成的管片弯内侧有间隙62.9mm，弯外侧有间隙150-62.9=87.1mm，由以上推算过程可以看出本标段拟用两台盾构机完全能满足足本标段转弯半径为300m时的盾尾间隙。m0629.0300325.2117.8maxd•盾构机刀盘切削轨迹过弯能力验算：Smax为铰接油缸的行程差。根据出厂设置铰接油缸两边行程差最大时Smax=130mm（140mm-10mm），在CAD中绘制出模型后通过1、2、3号点做同时通过三点的圆，量取圆半径为R=189.665m。此时线路的半径R=189.665+6.250/2=192.8m，计算过程中把刀盘、前、中、后体的外径都考虑为6.250，而实际情况是刀盘直径为6280、前体直径6250、中体6240、后体6230，盾构机具有更大的开挖截面和更小的中后体，所以盾构机在不开启超挖刀的情况完全能通过本标段300转弯半径的弯道，而且开启超挖刀的情况下很容易造成超挖，加剧地面沉降。•刀盘、刀具配置刀盘包括焊接结构件和刀架。刀盘表面焊接有耐磨网纹。通过刀盘旋转，挖出的碴土从刀盘的8个开口导入土仓。刀盘的后部开口设计向内倾斜，有利于导入碴土。焊接的8条搅拌臂可以使碴土改良添加剂和挖出的碴土在刀盘后面进行充分的搅拌。通过9个液压马达驱动。刀盘设计为双向旋转，转速范围为0～4.5rpm无级调节。中心旋转体设置有通往刀盘面板的管路5条，可以单独灵活设置为水、泡沫剂、膨润土的输送管注入。三、盾构机相关配置刀盘开挖直径6280mm刀盘开口率不低于33%刀盘驱动形式液压驱动刀盘转速0-4.5rpm刀盘驱动马达数量*功率9*105KW刀盘驱动额定扭矩5980KNm刀盘驱动脱困扭矩7800KNm刀盘主要参数刀盘、刀具配置•刀盘和刀具本标段两台盾构机采用的都是重型刀盘，为了适应不同地质的开挖要求，在刀盘上可以安装滚刀、刮刀和齿刀。根据南昌一号线9标段相同地质条件下盾构掘进的实际经验，刀盘正面全部布置刮刀和齿刀，边缘部分滚刀合理设置为镶合金硬质刀圈滚刀，保证砂层刀盘磨损最大的边缘位置的抗磨性。在其他原有配置滚刀位置设置羊角刀，刀盘四周倒角斜坡位置合理增设保径刀及耐磨加焊层适当加厚，从而增加刀盘的整体耐磨性。三、盾构机相关配置•盾体盾体包括三个主要组件：前体、中体和盾尾。前体又称切口环，它里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压，以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反馈和调节。中体又称支撑环，主要安装伸出平台、主推千斤顶及铰接千斤顶，后部链接盾尾前体和中体通过12个主动铰接油缸连接。铰接密封为海瑞克传统的密封形式，由气囊橡胶挤压式密封组成。盾尾安装了三道密封钢丝刷及二套油脂入管道。另外盾尾布置有4组每组2根内置的同步注浆管道。三、盾构机相关配置•主驱动系统主驱动机构包括主轴承、9个液压马达、9个减速器和安装在后配套拖车上的3个主驱动液压泵。主驱动液压泵总功率为3×315KW，主轴承驱动马达总功率为9×105KW。刀盘最大工作扭矩为5980knm，脱困扭矩7800knm。三、盾构机相关配置主驱动结构示意图•推进系统盾构机推进系统包括20个推进油缸和推进液压泵站。推进油缸在圆周上的区域分为四组。通过调整每组油缸的不同压力和流量，控制推进速度来对盾构进行姿态调整。推进油缸最大总推力3200t，最大推进速度80mm/min，油缸最大行程2000mm。三、盾构机相关配置推进系统油缸分布图•螺旋输送机配置螺旋输送机由一个液压马达驱动，在0~22rpm范围内无级调速，正反转运行，可以很好的控制出土量。螺旋输送机功率200KW、直径d=900mm、长度L=12m,额定出土量400m3/h。在土仓壁与螺旋机连接处设有前闸门，螺旋机后端设有出土闸门。出土闸门设有闸门紧急关闭系统。在螺旋机的不同位置截面设有注入孔，可以向螺旋输送机圆周的孔注入膨润土或泡沫。三、盾构机相关配置螺旋输送机图•渣土改良系统盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统、高分子材料注入系统。两者都有单独的管路输送至土仓内，可以根据需要分别在刀盘面板、土仓隔板及螺旋机注入渣土改了材料。泡沫系统：盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量计、泡沫发生器、压力传感器、管路组成。高分子材料注入系统：盾构机配备两套高分子材料注入系统，通过输送泵将高分子材料注入土仓，进行渣土改良。注入材料均可进行单独控制。三、盾构机相关配置泡沫改良示意图`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱•同步注浆系统•盾尾同步注浆系统配有2台液压驱动的注浆泵，每台注浆泵有2根注浆管进行同步注浆，盾尾共有4组注浆管，每组两根，一根备用。•注浆过程可以全程自动控制注浆和人工手动调整，设计最大注浆压力16bar。三、盾构机相关配置注浆系统示意图•SLS-T激光导向系统•盾构机配备一套VMT公司的SLS-TAPD导向系统。本系统能够对盾构在掘进中的各种姿态、以及盾构的线路和位置关系进行精确的测量和显示。操作人员可以及时的根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，保证盾构掘进方向的正确。三、盾构机相关配置激光导向系统示意图四、刀盘刀具针对性方案1.刀盘主要对其周边进行优化，正面堆焊高强度耐磨网纹；2.在与周边滚刀轨迹同一高度位置增加6把保径刀。四、刀盘刀具针对性方案螺旋机防磨损措施螺旋叶片偏磨部分补焊NM400A耐磨块，上层用耐磨焊丝堆焊网纹套筒内侧敷焊钨合金耐磨层螺旋机防磨损处理•外置土仓喷射枪南昌轨道交通2号线土建七标盾构机主要参数表盾构机类型及型号6280复合式土压平衡盾构机序号部件名称参数序号部件名称参数1主机长度7500mm13掘进速度Vmax80mm/min2最小转弯半径250m14螺旋输送机功率、直径、长度200KW,400m3/h，d=900mm,L=12m3最大爬坡能力4.2%15推进系统油缸数量20个单缸4最大设计水压力5bar16推进系统油缸行程2000mm5刀盘开挖直径17人舱舱室数量双舱6刀盘开口率不低于33%18电力系统初次电压10KV±10%7刀盘驱动形式液压驱动19电力系统二次电压400V8刀盘转速0-4.5rpm20电力系统变压器规格型号及数量2000KVA/1台9刀盘驱动马达数量*功率9*105KW21电力系统变压器IP5510刀盘驱动额定扭矩5980KNm22电气系统防护等级IP5511刀盘驱动脱困扭矩7800KNm23总功率1659KW12推进系统最大总推力3200t24盾构机生产厂家广州海瑞克隧道机械有限公司备注广东水电二局股份有限公司南昌轨道交通2号线一期工程土建七标项目经理部盾构机维修情况：两台盾构机于3月底运抵公司丹水坑维修基地，维修保养时间从4月初开始，预计S457盾构机8月20号完成维修保养工作，S458盾构机9月5号完成维修保养工作。结论：综上所述S457、S458盾构机经全面