天津地铁标段土压盾构掘进参数控制研究_康健.pdf

施工技术Construction Technologies2 0 2 3 4天津地铁标段土压盾构掘进参数控制研究康健，陈炫州中交天和机械设备制造有限公司摘要依托天津地铁 11 号线一期工程，对盾构始发与标准段的土舱压力、出渣量、掘进速度等掘进参数控制进行探讨。对整个掘进区间的掘进参数进行分析，结果表明，总推力在 7 80031 000 kN 之间，刀盘转矩在 600 3 150 kN m 之间，推进速度在 35 55 m m/m i n 之间，每环注水量为 0.5 1.2 m3，各参数稳定在合理区间，验证了掘进参数控制合理性。关键词：土压盾构；掘进参数；黏土地层作者简介：康健（1986），男，天津人，工程师，学士，研究方向：盾构设备技术管理。在盾构施工中，掘进参数的合理控制很大程度上会影响掘进安全性与掘进效率，因此国内外学者做了许多对盾构掘进参数控制研究。于云龙1等对盾构原始掘进参数进行转换，建立了推力与转矩的对应关系。汪俊2统计分析了富水圆砾地层下的各项掘进参数的分布情况，得出该地层下的推荐掘进参数设置范围。陈桥3等在固定范围掘进机总推力的情况下对分区的压力与推力进行研究，得到其变化规律。蒋昌盛4对富水砂层下的盾构刀盘形式、盾构土压控制、出渣速度控制以及地面沉降控制等依据其地质特性进行改良。龚学栋5等基于相关性分析对盾构的推力、刀盘转矩与转速和掘进速度进行比对，研究掘进参数的演化规律。罗宇勤6等通过数理统计方法分析盾构关键掘进参数之间的相关性与埋深对盾构掘进参数的影响。王亚萍7等对盾构掘进参数、渣土改良、同步注浆配比进行研究，减少了盾构施工发生喷涌、土舱失稳的几率。可以看出，当前针对盾构掘进参数的控制研究主要研究掘进参数在相应地层下的相关性，但缺少针对黏土地层的全施工过程的掘进参数研究。1工程概况1.1项目概况天津地铁 11 号线一期工程第 7 标段，招远路站外环辅道站区间线路，自外环辅道站起，最终到达招远路站，见图 1。左线全长 1 374.231 m，右线全长 1 370.802 m，区间线路平曲线最大转弯半径 R=800 m，纵曲线最大坡度为 26。1.2水文地质盾构试掘进段穿越地层为淤泥质土、粉质黏土、粉砂和黏质粉土层，隧道顶部埋深 10.212.8 m，上部覆土层为杂填土、黏土、粉质黏土和淤泥质粉质黏土层。1122 0 2 3 4第卷总第期5459第期442掘进参数控制2.1盾构始发参数设定盾构始发时掘进参数的设定是整个盾构施工过程掘进参数控制的一个关键节点，始发掘进参数的设置会为后续掘进参数的控制提供当前地层下的掘进经验值。图 2为盾构始发流程图。（1）土压力。盾构始发时，土压应保持较低水平，直至盾构刀盘离开土体加固区间，土压设定为 0.050.08MPa，在盾构刀盘离开加固区时，需要保持土舱压在较高水平并维持稳定，以控制始发区间的地表沉降在一定水平以下，土舱压设定的同时要依据实际情况小范围调整。（2）掘进推力。盾构始发的掘进推力设定基于盾壳外层与土体之间的摩擦阻力、盾构刀盘受到的正面阻力、管片与盾尾刷接触摩擦阻力，以及盾构与始发轨道之间的摩擦阻力。盾构始发掘进推力在加固区段不超过 8 000kN，出加固体前土压力需增加到设计值，随之推进也逐步提高。（3）刀盘转矩。盾构刀盘转矩大小主要表现在开挖土体带来的剪切阻力大小，结合以往穿行粉质黏土及淤泥质粉质黏土施工经验，刀盘转矩初始值控制在 1 000 kN m 以内，局部含黏土层段控制在 1 0002 000 kN m。（4）盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速。盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速受到盾构性能影响，并且与盾构施工段的地质与水文情况息息相关。盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速需要在设计时通过公式计算得到理论值，然后通过试掘进的盾构掘进表现进行分析，划定盾构千斤顶推进速度与刀盘转速的合理设定范围。本工程始发区间的地层包含粉质黏土和淤泥质粉质黏土，根据地层的各项物理特性，最终将推进速度初始设定为 1015mm/min，初始设定刀盘转速小于 1.0 r/min。（5）出渣量。在掘进过程中，控制每环的出渣量是保障掘进安全的关键。根据盾构管片的尺寸，外径 6 200mm，环宽 1 500 mm 以及盾构刀盘开挖直径 6 450 mm，计算每环出渣量为 58.8 m3。当超挖较多时，会使出渣量骤增，盾构在掘进施工过程中的超挖量可以通过每环出渣图 1区间线路走向示意图图 2盾构始发流程图113施工技术Construction Technologies2 0 2 3 4量进行计算。（6）盾尾注浆材料压力。盾尾注浆材料的压力计算主要依靠地层的水土情况，因此注浆材料压力设计必须要能够保证填满管片和开挖地层的间隙。注浆压力的测量依据相关国家标准，需要在施工过程中通过测量和试验小范围控制注浆压力。该项目经过市政管线，而且泥浆及其灌注后的作用也会直接影响到地表沉降，所以对注浆材料和灌注工艺压力都有很高的要求。因此，基于该标段道路埋深的地质条件，将最初始的盾尾注浆材料压力设定在 0.250.3 MPa。2.2掘进参数控制（1）掘进速度。掘进速度的合理控制利于土舱压力稳定和同步注浆的质量。选定掘进模式后，要根据盾构螺旋输送机转速设定盾构的掘进速度，并同时兼顾注浆，以确保浆液对管片壁后孔隙充分填充。在整个掘进施工过程中，掘进速度需要可控，并同时保持快速和均匀，速度保持在 4050 mm/min。（2）土舱压力。盾构在掘进过程中平衡压力的设定值，需要在掘进过程中根据盾构埋深、地质特征及掘进机监测数据进行调整。土舱压力的设定值按照埋深米数乘以 0.14 MPa（1.4 bar）设定。（3）出渣量。为避免出渣量过大或土舱堵塞现象的发生，出渣量需要根据土舱压力设置与掘进机监测数据进行设定，以确保施工段的土压平衡掘进，掘进过程中可通过控制掘进速度和螺旋输送机的转速来调整出渣量。（4）盾构姿态。盾构掘进中应严格控制中线平面和高程，将其允许偏差控制在50 mm 以内。掘进过程中需要根据掌子面地层的变化及时调整掘进参数，以保证盾构姿态稳定，同时，当调整掘进方向接近纠偏警戒值30mm 时进行纠偏操作。蛇行修正必须平滑缓慢进行，以防更严重的蛇形情况发生。直线推进时应以盾构与目的地之间的直线为基准线，以该线进行掘进姿态的线形管理。在曲线推进的前提下，要求盾构管当前所处的近点与远方点之间的连线同设计轨迹方向相切。合理的设计选择，能够保证盾构的质量和准确度，并确保管片端部方向尽可能地与预定的掘进走向相同。（5）同步注浆压力。如果注浆压力过大，会发生跑浆现象，同时会造成后期地层沉降及隧道本身沉降。如果注浆压力过小，由于注浆速度慢，不足以达到所需注浆量，严重时会造成地表变形。对同步注浆压力的控制要保证大于静止水压及土压力之和，保证砂浆填充饱满且地层不变形，同步注浆压力通常控制在 0.35 MPa（3.5 bar）内。（6）同步注浆量。同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙量，但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质情况有关）和注浆中的固结收缩等方面的影响。依据该标段的地质条件和线路现状，实际注浆材料用量一般是理论注浆材料用量的 1.52.0 倍，即 56 m3。3掘进过程分析3.1盾构使用情况盾构自 2020 年 9 月 29 日于天津地铁 11 号线 7 标段外环辅道站始发，2021 年 1 月 28 日在天津地铁 11 号线 7标段招远路站接收，共历时 4 个月，掘进完成 916 环，共计 1 474.231 m。盾构掘进各月产量如图 3 所示。从图 3 可以看到，盾构始发后第 1 个月产量偏低仅为137 环，主要原因为盾构司机、管片拼装手、注浆手、施工班组人员与盾构设备处于磨合期，盾构施工效率相对偏低且拆负环期间盾构不掘进。从第 2 个月开始，随着各方面人员配合逐渐默契，以后各月平均产量在 260 环左右，施工产量较好，未发生长时间故障停机影响施工的情况，盾构使用情况良好。在掘进期间的施工工效如图 4 所示。从图 4 可以看出，盾构在整个掘进期间，除去因外部因素影响导致停机以外，平均每日掘进环数为 8.5 环，施工工效较快。3.2掘进参数分析掘进区间地质以粉质黏土为主，间杂黏质粉土、粉图 3盾构掘进各月产量柱形图1142 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 4盾构施工工效图砂、黏土，施工工况较为单一。（1）总推力。如图 5 所示，在整个掘进过程中总推力在 7 80031 000 kN 之间，额定推力占比在 18.75%74.52%之间，在保证盾构可靠的情况下掘进效率良好。图 5盾构总推力变化图图 6盾构刀盘转矩变化图（2）刀盘转矩。如图 6 所示，在整个掘进过程中刀盘转矩在 6003 150 kN m 之间，额定刀盘转矩占比在7.04%36.98%之间，总体呈现前低后高的形式，与掘进效率表现一致。（3）掘进速度。如图 7 所示，在整个掘进过程中推进速度在 3555 mm/min 之间。根据施工方案及天津地铁11 号线项目公司要求，为了更好控制隧道质量及地面沉降，盾构掘进速度应不大于 60 mm/min。由此可以判断，在整个掘进期间盾构施工调速性能良好，掘进速度控制平稳。（4）渣土改良。在掘进过程中根据实际出渣效果，平均每环的泡沫用量为 1.26 m3、注水总量为 0.51.2 m3，远低于盾构设计额定流量。渣土改良效果理想，螺旋机出渣顺畅，皮带机输渣快速。3.3设备故障情况盾构在掘进期间共发生故障 13 次，其中人为故障 4次，自身故障 9 次，人为故障共影响掘进时间为 342 min，自身故障共影响掘进时间为 744 min。在掘进期间的故障率如图 8 所示。从图 8 可以看出，整个项目盾构施工期间自身故障115施工技术Construction Technologies2 0 2 3 4率仅为 0.431%，故障率极低，表明盾构掘进施工过程总体掘进效率高。4结束语以天津地铁 11 号线一期工程第 7 标段盾构区间为背景，通过合理设定盾构始发掘进参数，控制掘进段掘进参数，确保了盾构施工的安全性与效率，并通过验证全段掘进参数，盾构施工总体掘进效率高。参考文献1 于云龙，管晓明，王旭春，等.砂黏复合地层盾构掘进参数变化规律及掘进速率预测研究 J.隧道建设（中英文），2019，39（7）：1 125-1 131.2 汪俊.富水强渗透圆砾地层土压平衡盾构掘进参数分析预测J.铁道建筑技术，2020（10）：66-69.3 陈桥，孙振川，张兵，等.超大直径盾构在海域软土地层掘进推进系统参数控制方法研究以汕头海湾隧道工程为例J.隧道建设（中英文），2020，40（1）：126-133.4 蒋昌盛.某地铁标段富水砂层盾构推进参数控制技术J.交通世界，2021（8）：15-16.5 龚学栋，胡宇琛，蒋亚龙，等.复合地层泥水盾构掘进参数相关性研究J.山西建筑，2021，47（7）：150-152.6 罗宇勤，赵焕，郭丹烽，等.杭州典型黏土地层盾构掘进参数及地层变形分析J.华南地震，2022，42（1）：133-139.7 王亚萍，樊普，周东方，等.土压平衡盾构机穿越沣河掘进参数研究J.西北水电，2022（4）：1-5.通信地址：江苏省常熟市义虞路 123 号中交天和机械设备制造有限公司（215500）（收稿日期：2023-01-18）图 8盾构故障率饼形图图 7盾构掘进速度变化图116英文摘要ABSTRACTS IN ENGLISHVol.54Serial No.594No.4Publishing on Apr.10,2023with the unfavorable geology during the actual construction wereanalyzed,which provides a reference for similar unfavora-ble geological projects.Keywords:Fault fracture zone;Tunnel boring machine;Construction technologyResearch on Control of Excavation Parameters of Earth Pressure Shield in Tianjin Metro SectionBased on the first phase project of Tian-jin Metro Line 11,the control of excava-tion parameters such as soil chamber pressure,slag discharge volume and excavation speed of shield launching and standard section is discussed.The exca-vation parameters of the entireexcavation section are analyzed.The results show that the total thrust force ranges from 7 800 to 31 000 kN,the cutter head torque ranges from 600 to 3 150 kNm,the thrust speed ranges from 35 to 55 mm/min,the water injection volume is 0.5 to 1.2 m3,and the parameters are stable within a reasonable range,which verifies the reasonableness of the control of the excavation parameters.Keywords:Earth pressure shield;Exca-vation parameters;Clay strataResearch on Construction Technology and Control Strategy of Shield in Upper Soft and Lower Hard Composite StrataFor the key difficulties of shield con-struction in the upper soft and lower hard strata,the shield tunnel project of a section of the Heyan Road Crossing Pas-sage is studied.Firstly,the stratigraphic distribution of the upper soft and lower hard strata in this section is introduced,and the main difficulties of shield con-struction technology are explored.Then,the fluctuations of the main excavation parameters before and after the cutter changing are analyzed through the ex-cavation parameters recorded during the construction,and based on the changes of the average thrust speed,cutter head torque,total thrust force and segment floating,the way of controlling the exca-vation parameters during the excavation process is studied.Finally,corresponding control strategies for the key problems in the construction of upper soft and lower hard composite strata are given,which can provide suggestions for similar shield construction projects.Keywords:Upper soft and lower hard strata;Shield construction;Excava-tion parameter control;Construction strategyResearch on Application of Rotational Molded Hydraulic Oil Tank in Construc-tion MachineryBy comparing the differences between rotational molded hydraulic oil tanks and metal welded hydraulic oil tanks in terms of weight,shape,corrosion resistance,sealing,economy,technology and oil tank accessory installation,the consid-erations for the application of rotational molded hydraulic oil tanks in construc-tion machinery are proposed,including installation,oil tank shape,heat dissipa-tion of hydraulic system and torque con-trol of oil tank inserts,which can provide experience and reference for the applica-tion of rotational molded hydraulic oil tanks in construction machinery.Keywords:Construction machinery;Hydraulic oil tank;Rotational molding materialAnalysis and Improvement of Commu-nication Crosstalk on Electric LoaderTaking an electric loader as the research object,it repeatedly has the problems of