超大直径泥水平衡盾构设备选型及应用.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）１０００９３０４・装备与制造・超大直径泥水平衡盾构设备选型及应用张帅坤（中国铁建重工集团有限公司湖南长沙４１０１００）摘要：本文针对豫机城际铁路工程线路设计、工程及水文地质特点，全面分析了盾构设备选型情况，重点介绍了超大直径泥水平衡盾构泥水压力控制模式、刀盘刀具、物料运输系统、泥浆环流系统、耐磨性等针对性选型设计，最后介绍了在豫机城际铁路工程的应用，为具有类似工程的盾构机选型设计提供参考依据。关键词：泥水压力控制刀盘刀具泥浆环流设备选型中图分类号：Ｕ４５５．３文献标识码：ＡＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１７．１０．０２２∞ＳｅｌｔｉｏｎｏｆＳｕｐｅｒ－ｌａｒｇｅＤｉａｍｅｔｅｒＳｌ盯ｒｙＰｒｅｓｓ眦ｅ∞ＢａｌａｎＳｌｌｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＺｈａｎｇＳｈｕａｉｋｕｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｍｃｔｉｏｎＨｅａｖｙＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈ蛐ｇｓｈａＨｕｎ柚４ｌＯｌｏｏ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓ劬ｃｔ：０ｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍｕｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎ，ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｈｙｄｍ－ｇｅｏｌｏ画ｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔ｝ＩｅＨｅｎ舳ａｉｒｐｏｒｔｉｎｔｅｒｃ畸ｒａｉｌｗａｙｐｍｊｅｃｔ，ｔｌｌｉｓａｎｉｃｌｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ龃ａｌｙｚｅｓｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｈｉｅｌｄｍａｃｌｌｉｎｅｔｙｐｅ，ｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｔｈｅｄｅｓｉ印ｏｆⅡｓｌｕｙｐｒｅｓｓｕｒｅｅｏｎｔｍｌｍｏｄｅ，ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｕｔｔｅｒｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｌｏ西ｓｔｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｓｌｕ玎了ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｅｔｃ．ＦｉｎａＵｙ，ｔｂｅａｎｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｇｅｎｅｒａｌ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄ眦ｃｈｉｎｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｍＶｉｄｅａｒｅｆ－ｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｌｌｅｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎ山ｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｎ了ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｍｌ；ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｕｔｔｅｒ；ｓｌｕｒｒｙｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ１引言豫机城际铁路工程位于河南省郑州市航空港区，连接新郑国际机场与郑州枢纽第三客运站郑州南站。对完善全省铁路网，改善航空港区交通条件，提升郑州综合交通枢纽地位，促进区域和城乡协调发展具有重要意义，工程建成后将成为河南省境内米字型高铁枢纽的重要组成部分。豫机城际铁路工程从新郑机场站引出，向东穿越南水北调工程后，向南引入郑州南站，全长１１．１ｋｍ。其中盾构隧道全长３８００ｍ，管片内径１１．３ｍ，外径１２．４ｍ，为单洞双线铁路隧道，设计时速２００ｋｍ，依次下穿南水北调中线干线总干渠工程、草场村、三收稿日期：２０１７一０８一０２基金项目：国家８６３科技计划项目（２０１２ＡＡ０４１８０２）；湖南省重大科技专项（２０１４ＦＪｌ００２）作者简介：张帅坤（１９８４一），男，工程师，主要从事掘进机研发设计工作。官庙镇。线路平面最小转弯半径１１００ｍ，纵向最大坡度‰２３．４，拱顶最大埋深３７ｍ，最小埋深９．５ｍ。盾构机穿越段主要为复合地层，含有粉砂、粉土、粉质黏土、细砂。地下水类型属于第四系松散岩类孑Ｌ隙水，主要含水层为粉砂、细砂和粉土层，局部具有承压性。—勘察期间地下水位高程为１１０．９１４０．７ｍ，地面高程介于１２０．９～１４３．７ｍ之间，水位变幅约３０ｍ。２设备选型设计难点本工程拟选用超大直径泥水平衡盾构机施工。设备选型设计主要存在以下难点：隧道下穿南水北调中线干线总干渠工程、草场村段、三官庙镇段，超…浅覆土施工（小于一倍洞径），地面沉降要求高；大断面、长距离掘进，盾构隧道开挖直径１２．８１ｍ，连续掘进长３８００ｍ，设备可靠性要求高；富水高压铁道建筑技术ＲＡｌ峭ＡＹｃｏＮｓ了ＲＵＣＴＩｏＮＴＥｃＨＮｏＬｏＧＹ”２０１１０）９３万方数据・装备与制造・地层中掘进，设备密封性要求高；粉土地层中掘进，粘粒含量高，易出现堵管、堵泵、糊刀盘现象旧。；粉砂地层中掘进，石英含量高，且存在钙质胶结，对刀盘、刀具、泥浆管路和泵的磨损严重；粉土、粉砂层渗透系数较大，结构松散、松软，易变形，掌子面易超挖、失稳，易引起地面沉降¨。。３设备选型设计针对存在的难点，本文在泥水压力控制模式、刀盘刀具、物料运输系统、泥浆环流系统、耐磨性进行了针对性的选型设计。３．１泥水压力控制模式泥水平衡盾构机压力控制模式有直接控制式和间接控制式。由控制原理可知，直接控制式开挖面的压力波动较大（一般±—Ｏ．０５０．１ＭＰａ），且易受外界影响；间接控制模式由于采用气液自动控制原理及压缩空气本身的特点，开挖面压力波动较小（±０．００５ＭＰａ）ＨＪ。本工程掌子面结构松软、超浅覆土施工，且下穿建构筑物，地面沉降控制要求高，故采用了带气垫的间接泥水压力控制模式。３．２刀盘刀具根据本工程的地质条件可知，刀盘、刀具的选择应以适应软土地层为主。在超大直径泥水平衡盾构机领域，由常压刀盘、普通刀盘两种设计方案可选，两种刀盘优缺点见表１。表１常压刀盘与普通刀盘之比较序项目常压刀盘普通刀盘号①可更换刀具外形尺寸大，刀①设计轻便，刀盘结构设盘结构设计、刀具布置受限。②计、刀具布置灵活。刀结构②刀盘开口率小，中心无开盘开口率大，中心可设计ｌ③大开口。刀盘体厚度特点③口。刀盘体厚度１．５ｍ以④上，需求扭矩大。结构复ｌｍ以内，重量轻，需求扭④矩小。结构相对简单，杂，制作、组装困难制作、组装熟练适应砂层、卵砾石地层，地层细颗通过更换不同的刀具广泛２粒含量少，地层适应范围性适用于各种地层受限经济造价高，价格为普通刀盘的３造价经济型３倍以上人员不需要带压作业，常压稳定地层中可常压开仓换安全下即可完成刀具的更换，一刀；在地层不稳定时需要４性般应用在穿江过海的富水高带压进仓进行换刀作业，压地层，安全性高存在一定的安全风险铁道建筑技术结合本工程施工特点，由以上常压刀盘和普通刀盘的比较得出：粉土、黏土地层中掘进距离较长，刀盘容易结泥饼，需要刀盘开口率尤其是中心开口率较大；在粉土、粉砂地层中掘进时，刀盘、刀具磨耗小，合理设计刀具可以避免换刀；在钙质胶结地层中掘进时，掌子面自稳性好，可以在常压或欠压条件下进行刀具检查更换。目前国内３ｂａｒ左右带压换刀技术成熟＂Ｊ，安全风险在可控范围之内。在软土、复合地层中交替施工，需要软土、复合刀具交替使用。因此，优选采用普通刀盘，在保证了安全性、可靠性、适应性的同时，满足经济陛的要求，见图１。３．３物料运输系统物料运输系统是超大直径盾构机的关键技术之一，目前超大断面盾构隧道路面施工主要分为箱涵同步拼装和后期浇筑两种施工组织方式，本工程为后者。该工程连续掘进距离达３．８ｋｍ，平均月进尺要图１刀盘、刀具设计选型求２２０ｍ以上，每环管片分９块，单块管片重量达１２ｔ，因此对物料运输系统提出了较高的要求，设计是否合理、安全、可靠，直接制约施工进度。该工程超大直径泥水平衡盾构物料运输系统设计采用卸载器＋管片吊机＋喂片机的方式。卸载器设计与管片运输车相匹配，在管片运输车到达后，可一次卸载整环９块管片，管片车可迅速撤离，不耽误后续工序的进行。管片吊机采用齿轮齿条式驱动、真空吸盘抓取方式，行走平稳，安全可靠，抓取速度快；喂片机采用短型重载设计，在满足设备布置的前提下，减少管片的输送距离，提高喂片效率。以上物料运输方式，满足了管片卸载、存储、运输的快速施工需求。物料运输流程见图２。３．４泥浆环流系统泥浆环流系统是泥水平衡盾构的关键组成部分，承担着泥水平衡盾构的渣土运输、掌子面平衡功能，因此泥浆环流系Ｉ管片运输车辆到达●Ｊ卸载器提升、卸载管片●ｌ管片吊机吊运卸载Ｉ器上管片至喂片机＋ｌ喂片机输送管片至ｌ拼装机抓取位置统的设计性能是衡量泥水平衡图２物料运输流程ＲＡｌＬ＼～ＡＹｃＯＮＳＴＲＵＣＴｔＯＮＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ”２０１７０）万方数据・装备与制造・盾构性能的重要指标。３．４．１‘泥浆环流系统参数的选择卜８１３．４．１．１泥浆环流系统设计条件设计条件见表２。表２泥水环流系统设计条件推进速度开挖直径Ｄ／ｍ１２．８ｌ３．６“‘魄／（ｍ１）进浆土粒比重排浆土粒比重Ｇ。Ｉ／（ｔ・ｍ一３）２．６２．６Ｇ吐／（ｔ・ｍ一３）进浆比重排浆比重’Ｓｌ／（ｔ－ｍ３）１．１５１．３Ｓ２／（ｔ・ｍ一３）进浆中值粒径ｄ品／斗ｍ７５出浆中值粒径ｄ釜／斗ｍ３００进浆管径ｄｌ／ｍＯ．４５排浆管径如／ｍＯ．４５∥掘进距离ｍ３８００竖井深度月／ｍ３０竖井至泥水开挖面水压“处理厂距离Ｌｌ／１２００一Ｏ．４５控制范围Ｐ／ＭＰ８泥水分离设备高度＾／ｍ１２叮ｒ３．１４３．４．１．２进、出浆流量计算（１）进浆体积浓度ｃ。：娑×１００％：９．３７５％ｃｖｌ２否ｊ刈００％卅・３７５％（２）出浆体积浓度≥ｃ、。：ｊ二｛×１００％：１８．７５％ｃｖ２“２否ｊ刈００％８＿５％（３）出浆临界流速ｙ比计算当泥浆管道直径ｄ＞２００ｍｍ时，临界流速由凯夫公式计算：Ｋ＝１．０４×ｄ０＋３×—（Ｇｓ１）ｏ・７５דｌｎ（鲁）ｌｎ（黝０１３式中，ｄ为管径（ｍ）；Ｇ。为土粒比重（Ｌ／ｍ３）；如为中值粒径（斗ｍ）；Ｃ。为体积浓度（％）。可得：％＝３．４８ｍ／ｓ‘根据卵石起动流速９３的研究，大粒径的卵石可以被带动，因此排泥管内不会出现堵塞现象。（４）出浆流量出浆临界流量Ｑ。＋｛×Ｄ２×Ｋ＝Ｑ：ＱＩ＝１５２７ｍ３／ｈ（６）考虑到地层的渗漏及设计富余量，最终取进浆流量为ｌ９００ｍ３／ｈ，出浆流量２１００ｍ３／ｈ。３．４．１．３泥浆泵的选型管路压力损失计算公式：９８．５１．≯小×丽娜ｖ：Ａ×｛×芝式中，Ａ为管路摩擦损失系数；ｃ为管路系数，此处取１２０；ｄ为泥浆管直径（ｍ）；ｙ为泥浆流速（Ｉｎ／ｓ）；５为泥浆比重；矽为管路扬程损失系数；ｇ为重力加速度。（１）进、出浆泵的所需扬程计算出浆管路扬程损失：Ｋ：２１００÷ｆ生坠掣１÷３６００：３．６７ｍ／ｓ‘、４，Ａ，：里喜×—Ｔ上一×１．３：ｏ．０１７Ａ２２驴×”ｉ丁丽则・ｕ叭７蚬－０．０１７×志×焉＿ｏ．０２６厶阮＝（３８００＋１２０＋１２＋３０）ｍｘ瞧疋＝１０３ｍ出浆泵需要的扬程：ｒＨ２＝［五次＋日＋九一Ｐ２／（ｓ２・ｇ）］×１．１５＝１６７ｍ式中，Ｐ：取开挖面压力最小值０，泵扬程预留了１５％的富余量。同理可计算进浆泵需要的扬程：ｚ日ｌ＝［＾玩＋Ｐｌ／（｜ｓ１・ｇ）一＾］×１．１５＝９９ｍ（２）根据某泥浆泵厂家的选型手册，以及考虑到通用性，对泥浆泵进行选型，见表３。表３泥浆泵选型流量／电机功型号扬程／ｍ数量“（ｍ３一１）率／ｋＷ进浆泵３００ＳＨＧ１９００６５１１００２排浆泵３００ＳＨＧ２１００６５ｌｌｏｏ３Ｑ也：％×詈×《：－９９・ｍ３／ｈ３＿。三芸黧巢草雾謦篱前嚣翼蓑囊统的工作模（５）进浆流量式主要有掘进模式、旁通模式、周末模式、开挖仓保铁道建筑技术ＲＡｆＬＷＡｙｃ０ＮＳ丁ＲＵＣ丁ｆＯＮ丁￡－ＣＨＮＯＬＯＧｙ２０仃ｆＴＯＪ９５万方数据压模式四种，为了更好的适应本工程对设备的特殊需求，本设备又增加了逆洗模式¨¨１１］、Ｐ０．１增强冲洗模式、Ｐｏ．２增强冲洗模式、开挖仓直排模式四种工作模式。逆洗模式。进、出浆管相互调换，出浆管作为进浆管使用，此模式主要应用于气垫仓底部积渣严重，排浆不畅的情况，利用进浆的冲刷对渣土进行疏通。Ｐ０．１增强冲洗模式。设计一台１６０ｋＷ的Ｐｏ．１增压冲洗泵，用于对刀盘中心及面板加强冲刷，防止刀盘部位结泥饼，同时Ｐ０．１还可以实现对每根进浆管路实现疏通。Ｐ０．２增强冲洗模式。设计一台１６０ｋｗ的Ｐ０．２增压冲洗泵，实现对刀盘背部全轨迹冲刷、气垫仓底部加强冲刷、加强开挖仓内泥浆循环、增加排浆口流速四个功能。开挖仓直排模式。设计一根备用出浆管直接从开挖仓出浆，此模式应用于黏土地层中，因黏土块过大、途经气垫仓吸程延长而出现滞排现象时使用。３．４．３泥水环流系统辅助处理措施的选择除了合理选择环流系统参数、设计多种工作模式，还增设了搅拌器、采石箱¨２｜。针对软土地层，将搅拌器安装于出浆口附近，对刀盘开挖下来的渣土进行搅拌、切削，使之快速排出仓外。并且预留了碎石机的安装位置，便于后续工程的适应性。由于出浆泵的通过粒径受限，利用采石箱对较大颗粒进行过滤，避免出现堵泵现象。搅拌器及采石箱见图３、图４。图３搅拌器图４采石箱３．５．１刀盘耐磨设计选型刀盘磨损主要表现在面板和周边上。为此，刀盘面板焊接复合钢板，刀盘周边焊接镶嵌合金的耐磨环ｍ］，并采用连续式磨损检测装置，用于实时检测刀盘及刀具的磨损。见图５～图７。图５面板复合钢板图６周边镶嵌合金的耐磨环３．５．２环流系统耐磨设计选型环流系统耐磨设计除了在泥浆泵、橡胶软管（含软连接）、阀的选型上要注意之外，重点是钢管的设计选型。采用特殊加厚无缝钢管，泥浆管路内部采用自动焊机进行堆焊，出浆管易磨损部位（如弯头）采用双金属复合管¨４【。见图８、图９。一图７连续式厝损检测装置图８自动焊机堆焊４工程应用盾构机自始发以来，已累计掘进近ｌ０００ｍ，创造了最高日进尺２０ｍ的记录，设备整体运行状况良好。结合工程应用情况，验证了设备各系统的选型与设计是合理的，对项目工程地质有良好的适应性，满足了设计施工的特殊需求。出渣现场见图１０。臣习贾Ｐｊｉ：．，‘≥。ｒｑ“卜。＇．～一ｂ蕊３・５耐磨性设计选型图９双金属复合管图１０出渣现场泥水平衡盾构机耐磨性设计主要体现在刀盘、泥浆环流系统的设计上。９６（下转第１０１页）钐｝道建筑技术只弭『ＬＷＡｙＣＤＮＳ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁Ｅ－ＣＨ～Ｏ￡．０Ｇｙ２０７７ｒＴＯＪ万方数据・装备与制造・蔽线，同时必须单独使用屏蔽绞线和单独使用公共返回线。低压数字信号线最好使用双屏蔽电缆线，也可以使用单屏蔽的多对双绞线。电压较高的开关量以及其他继电器信号用双绞线连接，并单独走电缆管或电缆槽。模拟信号和数字信号应分开使用屏蔽电缆。７结论５０００ｍ３绞吸式挖泥船通过优化电力系统设计，选用高效节能的西门子电力推进系统，达到了提高效率，降低能耗的要求。自建成投产两年来，船舶通过各种工况的施工检验，船舶电力系统达到了设计的各项技术指标要求，完全满足现场施工的各种工况需要。参考文献［１］中国疏浚协会．国内外疏浚设备技术性能手册：港航疏浚与吹填设备分册［ｚ］北京：中国疏浚协会，２０１３．［２］阮初忠．船舶电气设备维修技术［Ｍ］．北京：机械工业（上接第９６页）—出版社，２０１２：２０２２０４．［３］—向晓汉，林伟．西门子ｓ７３００／４００ＰＬｃ完全精通教程—［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１６：２３２２３４．［４］高安邦，智淑亚，董泽斯．新编电气控制与ＰＬＣ应用技—术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１３：９２９５．［５］蔡杏山．图解ＰＬＣ、变频器与触摸屏技术完全自学手册—［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２叭５：２８８２９１．［６］马明建，周长城．数据采集与处理技术［Ｍ］．西安：西—安交通大学出版社，１９９８：１７６１７８．［７］王仁祥，王小曼．通用变频器选型、应用与维修［Ｍ］．—北京：人民邮电出版社，２００５：１２４１２６．［８］郑安洪．船舶电力推进系统特点及应用分析［Ｊ］．珠江水运，２０１４（１９）：６ｌ一６３．［９］周鹤屯电气工程师手册［Ｍ］．北京：中国电力出版—社，２００８：１２８１３０．［１０］仲明振．电气传动自动化技术手册（第３版）［Ｍ］．北—京：机械工业出版社，２０１３：９４２９４５．［１１］陈家斌．接地技术与接地装置［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００３：１５６一１５９．［１２］胡其秀．电力电缆线路手册［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００５：１６８一１７０．———————————－＋一＋＋一＋一＋一＋一卜卜一卜一－＋＿－・卜一＋一＋－＋－＋一＋＊卜－－卜一・卜一・卜５展望作为国产首台铁路双线超大直径泥水平衡盾构机，它的成功研制打破了国外厂家在超大直径盾构机领域的垄断地位，体现了我国掘进装备研制技术的又一突破。该台设备的核心技术填补了国内多项空白，部分技术达到国际先进水平，这充分提升了国家先进装备制造水平，对完善我国掘进装备产品系列、培养更多高端技术人才、打造高端装备技术产业链具有重要战略意义。参考文献［１］张公社．超大直径泥水平衡式盾构机始发技术［Ｊ］．铁—道建筑技术，２００９（８）：５７６１．［２］陈建福．硬质膨胀性黏土地质泥水盾构掘进施工技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：６２６４．［３］杨保升．软土地层盾构施工地面沉降控制对策［Ｊ］．铁—道建筑技术，２００５（４）：５２５４．［４］韩亚丽，吕传田，张宁川．北京铁路地下直径线盾构选铁道建筑技术ＲＡ『ＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁尺ＵＣ丁『０～丁Ｅ鼢Ｈ￣０ＬＯＧｙ—型及功能设计［Ｊ］．中国工程科学，２叭０（１２）：２９３４．［５］程明亮，何峰，吕传田．大埋深富水砂卵石地层泥水盾构带压换刀及动火焊接技术［Ｊ］．中国工程科学，２０１０—（１２）：４６５０．［６］汪东，许振良，孟庆华．浆体管道输送临界流速的影响—因素及计算分析［Ｊ］．管道技术与设备，２００４（６）：１２．［７］苏志学，蒲晓波，贺开伟，等．泥水平衡盾构泥浆泵选—型设计研究［Ｊ］．装备制造技术，２０１５（３）：８７８９．［８］曾垂刚．泥水盾构泥浆循环技术的探讨［Ｊ］．隧道建—设，２００９，２９（２）：１６２１６５．［９］郑钧，孙砚方，王兴奎，等．都江堰卵石推移质输沙规—律研究［Ｊ］．水力发电学报，２００６，２５（３）：２１２６．［１０］邵业勤．两种泥水平衡盾构在设备配置及使用上的区—别［Ｊ］．建筑机械化，２０１４（５）：８２８４．［１１］孙华，钟志全．泥水盾构过破碎岩带施工技术［Ｊ］．建—筑机械化，２０１２（４）：７３７５．［１２］张社军，夏毅敏．盾构机卵石处理装置的设计及应用—［Ｊ］．装备制造技术，２０１６（１０）：５９６２．［１３］张家年，胡玉娟．成都富水砂卵石地层盾构刀盘设计—及应用［Ｊ］．隧道建设，２０１４，３４（１２）：１２０２１２０６．［１４］董伯让．泥水盾构泥浆管路磨损与减振处理技术［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（１１）：１３８５一１３８８．’２Ｄ７ｆ了０Ｊ１０ｌ万方数据