长距离越江燃气管道工程盾构机设计及应用

2021-07-10田金坤

铁道建筑技术 2021年5期

田金坤

(中国铁建重工集团股份有限公司湖南长沙 410100)

1 引言

盾构法以其施工高效、安全可靠、绿色环保等优势[1-2]，而被广泛应用于各种交通隧道、能源输送、煤矿斜井等隧道工程建设中。在此期间，很多隧道工程在施工建设过程中遇到了一些地质条件复杂、规律预见性差的地层，尤其是在对施工要求严苛的越江隧道建设中遇到的问题更甚。面对这些复杂多变的施工环境，选配相适应的盾构机就显得尤为重要。

本文基于泥水平衡盾构机的工作原理，在结合铁建重工集团对盾构机地层适应性设计经验的基础上，提供一种适合长距离越江燃气管道工程施工的盾构设备，旨在保证盾构施工安全可靠，提高盾构效率，节约施工成本。

2 工程概况及施工难点分析

岳阳越江隧道工程为潜江～韶关输气管道工程穿越长江的一部分，本工程采用盾构法施工(线路位置示意见图1)，盾构段全长约3.48 km。

勘测结果揭示拟建区间穿越地层以中微风化泥质、砂质板岩结构为主，单轴极限抗压强度为24～34 MPa；另外，拟建区间范围内分布有9处且最大宽度约为70 m的断层破碎带，受长江水力补给，地下水量大，约1.83×10-4m/s，根据国内外施工经验[3-5]，拟采用泥水平衡盾构机盾构施工，盾构隧道直径约φ3.81 m。

由于本工程存在一次性施工距离长、水压高及断层多等特点。盾构施工难点具体如下:

(1)中～微风化泥质砂质板岩抗压强度较高，破岩有一定难度；

(2)有石英岩脉侵入的局部区域，造成软硬不均；

(3)板岩中以绿泥石泥质板岩为主，岩石破碎后遇水具有粘性；

(4)隧道穿越粉细砂层，砂层富含地下水，地层不稳，有涌水涌砂风险等。

因此，需要根据本工程地质水文及隧道尺寸要求，对盾构机进行针对性选型设计研究。

3 盾构机选型设计

根据本工程盾构施工重难点，在借鉴大量类似盾构施工经验的基础上，对盾构机的控制模式、刀盘刀具、破碎模式、环流系统及姿态调整等进行针对性选型设计，以求达到所选盾构机高度匹配本工程施工的目的。

3.1 控制模式选型设计

泥水平衡盾构机掘进时，控制其开挖面压力平衡的模式主要有直接控制式和间接控制式两种[6]。综合考虑本工程地质条件、隧道结构尺寸、地面沉降控制要求等因素，本盾构优先选用带气垫舱的间接控制加直排模式，即盾体切口环采用双舱设计、排浆管直接从开挖舱与气垫舱之间的集渣腔中抽排渣浆，其结构示意如图2所示。

图2 切口环双舱设计结构示意

3.2 刀盘刀具选型设计

由于本盾构段岩层中绿泥石泥质板岩破碎后遇水具有粘性，为防范刀盘刀具固结泥饼和很好地平衡开挖面压力，刀盘采用“以排为主、碎排兼具”的设计思路[7]，设计成复合式刀盘，其主要设计参数及其功能如表1所示，其结构示意如图3所示。

表1 刀盘主要设计参数及其功能

图3 刀盘结构示意

3.3 破碎模式选型设计

目前泥水平衡盾构机配备的破碎模式主要有锥式破碎与颚式破碎两种模式[8]，根据以往工程经验，在大直径泥水平衡盾构上，因为空间大，常配置颚式碎石机，直接破碎仓内大颗粒岩石。但在小直径泥水平衡盾构上，排浆管直径相对较小，在卵石含量较高地层，气垫舱内液压缸驱动的颚式碎石机无法及时将卵石破碎到渣浆泵的输送能力以下粒径，容易导致气垫舱内淤积、泥浆管路堵管、渣浆泵频繁损坏等故障，进而导致整机掘进速度大大降低，严重时甚至会导致地面塌陷。

因此，小直径泥水平衡盾构机更多地选择与刀盘支腿相配合的锥式破碎模式，其结构示意如图4所示，破碎筋板与刀盘支腿间距按一定规律分布，配合栅格板上的倒锥式栅格孔可将渣块破碎至80 mm以下。

图4 锥式破碎结构示意

3.4 环流系统选型设计

环流系统是泥水平衡盾构机的关键组成部分，其选型设计的优劣，直接决定了泥水平衡盾构机的渣浆输送、掌子面平衡及泥饼冲刷等性能，因此，需重点对其进行针对性选型设计。

3.4.1 环流系统参数设计

根据所研究的拟建隧道地质水文及工程情况，输入的环流系统设计条件如表2所示。

表2 环流系统设计条件

(1)进浆体积浓度计算

环流系统的进浆体积浓度可由式(1)计算:

将设计条件值代入式(1)可得进浆体积浓度为CV1:

(2)泥浆极限流速计算

当泥浆管道直径d≤0.2m时，为确保泥浆管道内颗粒无沉淀的极限流速一般由Durand公式(2)计算:

式中，VL为临界沉淀流速(m/s)；K为与泥浆浓度CV相关的系数，当粒径超过2 mm时，K=1.34[9]。

将设计条件值代入式(2)可得管道内泥浆极限流速为:

另外，根据卵石启动流速研究可得，当管道内泥浆流速超过1.6 m/s时，能够携带直径18 cm(大于破碎粒径8 cm)的少量卵石，因此排浆管内不会出现堵塞现象。

(3)进、排浆理论流量计算

由极限流速及设计条件，可计算出排浆流量Q2:

由容积公式(3)可计算得到进浆流量Q1:

则将设计条件及计算值代入式(3)，可得进浆流量Q1为:

(4)排浆体积浓度计算

当已知进浆体积浓度、进/排浆流速时，可由质量公式(4)，计算出排浆体积浓度CV2:

将设计条件值代入式(4)可得排浆体积浓度CV2为:

(5)排浆比重计算

将计算值代入式(1)，可得排浆比重γ2为:

γ2=(G2-1) ×CV2+1=1.25 t/m3

排浆比重γ2小于1.4 t/m3[10]，设计合理。

(6)进、排浆实际流量选定

考虑到泥浆逃逸及设计富余量，最终选取进浆流量为350m3/h，排量流量为400m3/h；同时，可计算得到进浆流速V1=3.10 m/s，排浆速度V2=3.54 m/s。

3.4.2 泥浆泵的选型

(1)进、排泵扬程计算

泥浆在管路中输送时，其沿程损失可根据式(5)和式(6)计算:

式中，hf管路沿程损失(m)；L为排浆管道总长度(m)；d为管道直径(m)；V为泥浆流速(m/s)；λ为沿程阻力系数；S为泥浆比重；C为管路系数，此处取值120。

将设计条件及上述计算值代入式(6)，可得排浆管沿程阻力系数λ2为:

将λ2值代入式(5)，可得排浆管路沿程损失系数hf2:

则排浆泵所需要的扬程TH2为:

式中，取开挖面压力P2=0，预留富余量δ=10%。

同理，可计算出进浆泵需要的扬程TH1为:

(2)泥浆泵选定

根据某泥浆泵厂家提供泵的选型手册，在综合考虑泵的通用及经济型的前提下，选定的泥浆泵如表3所示。

表3 泥浆泵选型

3.5 姿态调整选型设计

工程实践表明，盾构机掘进时姿态调整难易程度与盾构灵敏度(主机长度L与盾体直径DT比值)有着密切的关系，其经验值如表4所示。当灵敏度大于1.5时，盾构姿态调整困难，通常需设置铰接机构[11]。本盾构灵敏度约2.65，且在曲线段掘进，通过参考大量工程实践和综合对比下，本工程盾构采用主动铰接设计。盾构机部分参数配置及选型设计如表5所示。

表4 盾构机灵敏度经验值

表5 盾构机部分参数配置及选型设计

3.6 其他选型设计

盾构机掘进过程中，安全性能尤为重要。在57 m水压头下，为保证盾构安全可靠，密封系统必不可少，其中主驱动密封采用一道端面聚氨酯密封、一道径向聚氨酯密封及一道唇形密封，主动铰接处设置一道橡胶密封和一道聚氨酯唇形密封，盾尾三道钢丝刷加一道钢板束并在密封腔中注入油脂进行密封；同时，在长距离、小断面隧道掘进时，合理的通风条件是作业人员身心健康的另一保障[12]，因此，对通风及除尘系统也进行了针对性选型设计等。

4 工程应用

经选型设计的盾构机(如图5所示)，自始发以来，运行稳定，并创造了最高月进尺达348 m的记录。其刀盘配合锥式破碎模式对渣块的破碎效果良好，所选型的环流系统完全匹配盾构排渣功能(出渣现场如图6所示)，设备整体运行状况与设计初衷吻合，验证了各个系统的选型与设计符合工程实际，对本工况项目地质具有良好的适应性，满足拟建隧道的特殊施工设计需求。