由于超大直径盾构涉及的问题和难点较多,包括盾构机的选型设计、盾构始发、掘进和接收等方方面面,这里仅针对超大直径盾构刀盘的选型进行研讨。
超大直径盾构的刀盘设计
在超大直径盾构项目中,刀盘的选型设计是关键和重点,刀盘的选型是否合理甚至决定着项目的成败。
为了满足不同地层施工需要,刀盘的开口率不同,刀盘的开口率一般为30-60%,在粉细砂地层,刀盘的开口率偏大,一般达40-60%;在岩石或粘土地层,刀盘的开口率较小,一般为30-40%,在硬岩地层,刀盘的开口率更小。
可常压更换刀具刀盘的设计
由于大多数超大直径盾构项目面临水文地质条件复杂、掘进距离长和开挖仓的压力较高等难题,需要频繁更换开挖刀具。
如果刀盘不具备常压更换刀具的功能,需要聘请潜水员带压进仓检查和更换刀具,一方面费用较高,一次停机更换刀具时间较长,同时,潜水员带压进仓安全风险较高。
如果刀盘具备常压更换刀具的功能,基本不需要带压进仓作业,工人经必要的培训就可以完成常压刀具的检查和更换,工作效率高、安全性好、作业费用低。因此,目前绝大多数超大直径盾构机的刀盘具备常压更换刀具的功能。
从南京长江隧道开始,到武汉地铁8号线过江隧道、武汉地铁7号线三阳路隧道,直至目前正在施工的汕头苏埃隧道等,常压换刀刀盘技术在国内超大直径盾构项目上已广泛使用。
常压换刀刀盘的优缺点
优点可以在常压下检查、更换部分开挖刀具(一般刀盘的中心和正面每个轨迹一把滚刀、两把刮刀),避免频繁带压进仓检查和更换开挖刀具,节约更换刀具的费用,缩短更换刀具的时间,降低更换刀具的安全风险。
缺点① 刀盘的开口率偏低,开口率仅有25-35%;同时,为了在刀盘中心能够布置开挖刀具,刀盘中心一定范围内无开口,开挖仓和气泡舱内渣土的流动性差,刀盘、刀具易结泥饼,容易出现渣土滞排等问题。
② 受结构限制,一般情况下,一个轨迹只能安装一把滚刀或两把刮刀(顺时针和逆时针各一把),刀盘上布置的刀具数量比常规刀盘偏少。
③ 刀盘的体积庞大、重量较重、动辄400-500吨,结构复杂,采购费用高
如何解决常压更换刀具刀盘的问题
目前,国内绝大部分超大直径项目,使用常压换刀刀盘,虽然,常压换刀刀盘基本解决了开挖刀具更换的难题,但是,这种刀盘存在开口率偏小、刀盘中部易结泥饼等问题,如何解决常压更换刀具刀盘所存在的问题,确保盾构施工安全、顺利进行,已成为盾构机制造商和施工单位必须面对和解决的问题。
针对常压更换刀具的刀盘所存在的问题,建议采取以下措施:
◇ 合理设计刀盘结构和刀具配置,尽量提高刀盘的开口率,同时,尽量减少刀盘中心区域无开口部位的半径
◇ 针对泥水盾构,可以提高开挖仓和气泡舱内泥浆的流动性,确保及时排出刀盘开挖下来的渣土,具体如下:
① 根据实际情况,泥浆环流系统配置大排量、高扬程的泥浆泵,加大进入盾构机开挖仓内泥浆(进浆泵)和从盾构机内排除泥浆(排浆泵)的流量
② 刀盘正面、开挖仓和气泡舱等重要部位采取泥浆多层次、大流量冲刷方案。例如,在刀盘中心部位,从四周向刀盘中心泵送泥浆;在刀盘相邻的两个主臂开口位置设置喷嘴,沿半径方向向外侧泵送泥浆等
③ 因刀盘中心部位无开口,所以该部位渣土易堆积、结泥饼。提高刀盘中心冲刷泥浆泵(P0.1泵)的流量和扬程,提高刀盘正面冲刷泥浆的流速,防止渣土在刀盘中心堆积、结泥饼;
同时,合理设计环流系统的泥浆管路,例如:刀盘中心冲刷泵(P0.1泵)的进浆管既可从主进浆管道进泥浆,也可以从气泡舱进浆,以改善开挖仓和气泡舱内的泥浆循环,提高外排泥浆的卸渣、排渣效果。
④ 在盾构机范围内安装小循环系统,提高排渣效率。例如:在排浆泵(P2.1泵)的吸浆口处安装分流箱,安装小流量的泥浆泵,从分流箱吸泥浆,将泥浆分别泵入开挖仓或气泡舱内,增加进、排浆流量,改善泥浆循环效果,提高排渣的效率
总之,通过优化盾构机的环流系统设计,加大内循环的泥浆流量,有利于开挖仓和气泡舱内渣土被及时排出,防止渣土堆积,解决泥浆滞排和刀盘中心结泥饼等问题,提高盾构机的掘进速度,可以弥补因刀盘开口率不足而带来的盾构掘进效率偏低和刀盘结泥饼等问题。
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超大直径盾构机刀盘的选型
关键词: 超大 直径 盾构机 刀盘
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