成都地铁土压平衡盾构换刀模式比选报告.doc

成都地铁土压平衡盾构换刀模式比选报告 2008-6-20　15:54 　　前言 　　1.盾构施工以其安全、快速、高效在城市基础设施——城市地铁、市政公用管路、输油地下管道等各类地下工程建设中得到越来越广泛的应用。 　　但是盾构机上承担掘进功能的刀具是损耗件，尤其在成都砂卵石地层中进行掘进，刀具磨损尤为严重，因此，在施工中需经常检查、维修保养和更换刀具。 　　2005年9月9日～11日国家发改委委托北京城建设计研究总院有限责任公司对《成都地铁1号线一期工程可行性研究报告》进行专家评审，根据土建组专家评审查结果之一。2.3条：“报告针对不同区段的具体情况，对区间隧道的施工方法进行了分析和比较，其总体方案基本可行。报告推荐的在城区内采用盾构法施工、在高新区内采用明挖法施工是合理的。但本线地质条件复杂，盾构施工法存在技术、工期和投资上有一定的风险，必须引起足够的重视，建议尽快展开盾构法的工程试验”的评审意见及2006年2月14日～17日中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会对成都地铁1号线一期工程初步设计评审意见（土建组），成都地铁1号线一期工程盾构区间最终共投入盾构机8台，分为4个标段进行施工。综合审查时国内权威专家对成都富水沙卵石地层特殊地质条件的分析以及成都地区首次采用盾构工法进行城市地下暗挖隧道修建的实际情况，我们充分考虑了盾构工法在成都地层中施工存在的风险，并将这些情况及时与承包商和盾构机设备制造商进行了充分的沟通。通过广泛的研讨、论证，最终采用了目前小开口、滚刀为主配以部分齿刀、刮刀的辐条面板结构型式的海瑞克盾构机，从目前已推进的区间的情况来看，这样的盾构机配置型式有利于保持开挖面的稳定，有利于破碎大粒径的砂卵石，有利于防止掘进过程中喷涌的发生，掘进的总体进度也基本在我们筹划的范围内。然而，由于地层中沙卵石含量确实太多，导致了配置的各类型刀具在掘进过程中产生了极大的磨损，据我们统计，140米左右就要对刀具进行更换，否则无法继续掘进。目前国内外采用的刀具更换手段主要有常压开仓换刀和带压换刀两种方法： 　　土压平衡式盾构机主要通过利用土舱内的碴土来维持工作面上的土压平衡。但在检查、更换刀具的时候，必须清理出土仓内的碴土以提供工作空间，原有的土压平衡被打破。因此维持更换刀具时的土压平衡，保持掌子面土体稳定成为亟需解决的问题。 　　为维持掌子面土体稳定，常有的方法有降水加固法、注浆加固法、围护桩（如人工挖孔桩）加固法、带压加固法。由于各种加固方法具有有各自的优缺点，因此，需要根据不同的施工条件选用合理的换刀模式。 　　2.国内常用换刀模式国内上海、广州、北京等地均有大量的盾构隧道施工工程，根据各地不同的地质条件，采用不同的换刀模式。 　　上海地区为软土地层，土体强度低，对盾构刀具磨损较小，通常不需要更换刀具。广州地质条件较为复杂，号称地质博物馆，既有自稳定性高的花岗岩层，又有自稳定性低的泥质粉砂岩层，因此更换刀具的模式也变化不一，有直接开仓、地基加固、带压、开挖竖井等多种换刀模式。 　　直接开仓换刀，就是在地基承载力较高、掌子面稳定性比较好的条件下，不采取任何加固方法，直接排空土仓内土体，进入土仓更换刀具。这种方法适用于掌子面稳定性较好的情况。 　　降水加固，就是从地面施做降水井，通过降水实现土体固结，从而提高掌子面土体稳定性。 　　地表注浆加固，就是从地表向地基注入水泥浆液（或其它加固浆液）加固土体，提高掌子面土体稳定性。 　　围护桩加固，就是在掌子面周围施做围护桩，直接保证掌子面稳定。 　　带压加固，就是通过向土仓注入压缩空气，以气压平衡代替土压平衡来稳定掌子面。 　　3.带压换刀原理及国内外应用 　　3.1带压工作原理带压进仓检查、维修保养和更换刀具和刀盘的工作原理是：在盾构机内对刀盘前方地层改良或加固处理后，在保证刀盘前方周围地层和土舱满足气密性要求的条件下，利用空气压缩机将空气加压，并注入土仓，以气压代替土压，通过在土舱内建立合理的气压来平衡刀盘前方水、土压力，达到稳定掌子面和防止地下水渗入。作业人员在气压条件下进入土舱，进行检查、维修保养和刀具更换等过程作业。 　　压气对开挖面的稳定作用，可大致分为下述三种： 　　1）可阻止来自开挖面的涌水，防止开挖面坍塌； 　　2）由于气压作用于掌子面，能够直接加强掌子面的稳定； 　　3）由于压气对围岩缝隙起到排挤水的作用，增加了粉砂、粘土层或含有粉砂粘土成分的砂质土的强度。 　　由于气压换刀全部在洞内实施，不会对地表交通造成干扰。 　　3.2国内外类似工程纵观盾构施工发展历史，全敞开式盾构适于切削能自立的地层，挤压盾构易引起地层隆起或沉降仅适用于软土地层，而封闭式盾构，即泥水平衡盾构和土压平衡盾构，能克服上述弊病从而越来越多地被选用。 　　1）就我国国内而言，目前多采用泥