电力隧道施工盾构机选型分析

关键词： 隧道 高压 电缆 线路

截止到2008年6月底, 北京地区共有220千伏电缆线路64路、164.1公里, 110千伏电缆线路565路、647.4公里, 电缆隧道495公里, 97.6%的高压电缆都敷设在电缆隧道内, 北京电力公司的高压电缆及电力隧道长度在国内大城市中居于前列。随着北京城市化进程的不断加深, 电力隧道施工中盾构机的应用也逐渐增多。盾构机选型合理与否直接影响盾构推进的成败, 也关系到盾构设备费用投入。盾构选型首先要适应工程水文地质条件, 确定盾构直径还要综合考虑其它选型条件, 如顶进线性 (顶进曲率半径) 、断面尺寸、地面沉降的控制、扭矩系数及工程所处的周边环境与工期要求, 合理的选择盾构机, 对保证施工质量, 保护地面与地下建筑物安全和加快施工进度是至关重要的。

1 盾构机选型基本原则

(1) 盾构机技术水平先进可靠, 并适当超前。

(2) 盾构机应满足北京市电力隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要。

(3) 能够满足浅埋或超浅埋电力隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要, 即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。

(4) 盾构机能够适应北京市地下构筑物众多的特点, 必要时可实现隧道 (盾构机) 内清除或撤换障碍物的施工。

(5) 盾构机在设计方面应考虑北京市电力隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。

2 盾构机选型的控制条件

2.1 工程地质条件

(1) 粘性土及粉土层。

盾构机在此地层中施工时, 一般较容易控制, 但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞, 因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。

(2) 砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。

砂性土一般摩擦阻力大, 渗透性好, 在盾构机推进挤压下水分很快排出, 土体强度提高, 故不仅盾构机推进摩擦阻力大, 而且开挖面土压力也较大, 常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外, 盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体, 特别是在无水砂性土层中施工, 有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要, 操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有, 北京地区砂性土中石英含量较大, 刀具磨损较严重, 并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时, 应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率, 以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。

(3) 砂卵石地层。

北京地区的砂卵石地层一般级配良好, 含砂率在25%~40%之间.盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难:首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难, 甚至盾构机实现不了土压平衡的功能;其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难, 而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难;再次是刀盘 (刀具) 和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重, 而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时, 必须从如何解决上述三个问题出发, 对刀盘支撑方式、刀盘形式, 刀具形状及布置方式, 加泥加泡沫系统等方面认真研究, 保证所选机型适应砂卵石地层的施工。

(4) 粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层。

对于此类地层, 盾构机施工比较容易, 有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。

(5) 中砂、粉质粘土、砂卵石互层。

对于此类地层, 盾构机施工比砂性土层困难, 而远比砂卵石层容易, 所需注重问题与前三项类似, 但因为几类地质交互的原因, 情况有较大变化。

2.2 工程水文条件

对于采用密闭式盾构机技术施工, 除工作井施工需要考虑降水外, 区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可 (对于密封0.6MPa以下的水压力, 就目前盾构机技术水平已很容易) 。对于城市特殊水, 因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变, 不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大, 如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等, 给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。

2.3 地下构筑物条件

北京是一个拥有一千多万人口的特大城市, 地下修建了大量的构筑物, 如上下水管道、煤气、热力、通讯、人防工程等。北京又是一个古老的城市, 除地下可能有大量文物外, 旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。而由于历史的原因, 北京市城市建设档案管理相对滞后, 很难弄清地下各种构筑物的分布状况。工程勘测时, 因钻孔距离的局限, 隧道沿线总存在勘测的空当, 实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑, 不能实施勘测。因此盾构法施工过程中, 会遇到各种障碍物或异物, 并且往往不具备从地面进行处理的条件, 给盾构掘进施工带来意想不到的困难。盾构机选型时, 应考虑北京地下构筑物众多的现实, 提出相应的解决办法。

3 盾构机机型选择

盾构机型有土压平衡式、泥水加压式、手掘式、半机械式、机械式等几种形式, 盾构机的选型应根据工程水文地质、施工范围内地上地下构筑物、管线埋深等要求, 经技术经济比较后确定, 盾构机的选型应满足以下要求。

3.1 盾构机必须满足施工范围内各种土层的掘进

3.2 盾构机必须满足施工过程需要的安全保障要求

3.3 盾构机强度与刚度应符合设计要求

3.4 盾构机的推进力、液压油缸推进速度、

输土能力、刀盘切削的切削扭矩等应匹配, 密封系统应严密符合设计要求

用当今技术水平最高的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机, 均能满足北京电力隧道的施工, 泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水 (浆) 来平衡开挖面的水、土压力, 其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好, 盾构机内部空间较大, 特别是大直径隧道施工具有一定技术优势, 但施工弃土需进行泥水分离处理。该设备系统庞大, 占地面积多, 且价格昂贵。加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料, 与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌, 形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体, 同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配, 经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力, 实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件, 设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂 (如泡沫等) , 极大地拓宽了该类机型的施工领域, 特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。

故根据北京地区的地质特点和电力隧道的要求, 一般情况下多采用土压平衡盾构机进行电力隧道的施工。

摘要：结合北京地区地质情况, 分析北京电力隧道施工中盾构机的选择控制条件, 盾构机选型的原则及适用环境, 并且得出一般施工条件下的选型结论。

关键词：电力隧道,盾构机,选型