超浅埋大直径管幕下穿特级火车站顶管掘进机选型研究

DOI:10.7672/sgjs2020010057

2020年1月上

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY

施　工　技　术

　57

超浅埋大直径管幕下穿特级火车站顶管掘

∗

进机选型研究

郭　勇

(中铁十四局集团第二工程有限公司,山东　泰安　271000)

[摘要]太原市迎泽大街下穿火车站通道工程采用新管幕法施工,根据工艺要求首先顶进20根ϕ2.0m钢管下穿太原火车站,形成管幕,为国内首例大直径管幕下穿火车站的工程。工程地质及周边环境复杂,在不影响火车正常运营的条件下进行管幕施工,顶管掘进机的选型是工程成败的关键。以该工程为背景,满足顶管精度、处理障碍物能力、控制地表变形、具备在浅覆土地质中顶进能力、多台机组间通用性好等要求,对顶管掘进机的选型分析进行了研究和探讨,确定合适的顶管掘进机,经过实践证明设备选型合理。[关键词]地下工程;管幕;顶管掘进机;选型[中图分类号]TU753

[文献标识码]A

[文章编号]1002-8498(2020)01-0057-04

StudyonTypeSelectionofPipeJackingMachineforSuperShallow

BuriedLargeDiameterTublarRoofUnder

SpecialTrainStation

(ChinaRailway14thBureauGroupSecondEngineeringCo.,Ltd.,Taian,Shandong　271000,China)

GUOYong

Abstract:ConstructionofrailwaystationtunnelunderYingzestreetinTaiyuancityisconstructedbynew

tublarroofmethod.Accordingtothetechnologicalrequirements,20ϕ2.0msteelpipesarejackedundertheTaiyuanRailwayStationtoformapipecurtain.ItisthefirstprojectoflargediameterpipecurtainpassingthroughrailwaystationinChina.Theengineeringgeologyandsurroundingenvironmentarecomplex.Pipecurtainconstructioniscarriedoutwithoutaffectingthenormaloperationofthetrain.Thethebackground,itmeetstherequirementsofpipejackingaccuracy,obstaclehandlingability,surfacedeformationcontrol,jackingabilityinshallowoverlyingsoilgeologyandgoodversatilityamongmultipleunits.Theselectionandanalysisofpipejackingroadheaderarestudiedanddiscussed,andthesuitablepipejackingroadheaderisdetermined.Practicehasprovedthattheselectionofequipmentisreasonable.Keywords:undergroundengineering;pipecurtain;pipejackingmachine;typeselection0　引言

顶管工程在我国已处于蓬勃发展阶段。不同类型的顶管掘进机对不同地质及周边环境情况具有不同的适用性,同时不同类型的顶管掘进机施工过程中地层变形、施工效率、精度控制等也不完全相同,因此顶管施工能否顺利进行,顶管掘进设备

∗国家重点研发计划:城市地下大空间安全施工关键技术研究(2018YFC0808700);2016年山东省第二批科技创新项目(201621901107)

[作者简介]郭　勇,高级工程师,E-mail:1003556893@qq.com[收稿日期]2019-10-21

selectionofpipejackingtunnelingmachineisthekeytothesuccessoftheproject.Takingthisprojectas

的选型是一项重要因素。而顶管掘进机的选型必须要有详实的地质水文、周边环境以及风险控制指标(如地层沉降指标、建筑变形指标)等相关资料,并结合其自身特性来进行[1-3]。国内外很多学者对顶管掘进机选型研究主要针对地质、水文、周边环境、顶管掘进机参数等方面,侧重于对地层的适用性进行分析。本研究结合太原市迎泽大街下穿火车站通道工程实践,对工程地质、水文、周边环境、地下障碍物、风险控制指标、顶管掘进机参数等进行分析,确定顶管掘进机的类型,为工程顺利完成

　58施工技术第49卷

1　工程概述

奠定了基础。

1.1　工程概况

太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程是太原市向东拓展的控制性工程,是太原市向东拓展的主通道之一。根据规划,迎泽大街在太原站西广场分为上下行,分别从车站南北两端雨棚柱间下穿。主要工程为2座车行通道;通道采用新管幕法[4]施工,管幕段总长207.5m,其中北侧通道管幕段长102.5m,南侧通道管幕段长105m。南、北侧通10条,管幕顶距离钢轨顶最小距离3.5m。棚基础最小为1.35m。

1)太原火车站站内有站台4座,正线、到发线2)管幕从两雨棚柱基础之间穿过,管幕距离雨3)南通道需下穿既有行包地道出入口敞开段,4)通道下穿4座站台,竖向最小净距约1.8m。5)通道下穿股道间列车上水给水管及排水管,6)管幕结构距离接触网柱较近,平面最小净

竖向最小净距约1.2m。

竖向最小净距为1.5m。道管幕段根据工艺需要各顶进20根直径2.0m钢管,形成管幕,钢管间距16cm,覆土深2.7m。管幕钢管布置如图1所示。

图1　管幕钢管布置

1.2　工程地质与水文条件

根据地质勘察报告及现场地质资料调查,拟建工程处的地层从上至下依次为:①1杂填土　松散~稍密,主要由建筑垃圾、黄土及少量碎石组成,表层可见20cm混凝土块。②1新黄土　软塑,主要成分为粉粒,土质均匀,偶见白色菌丝,微含姜石。②新黄土　硬塑,主要成分为粉粒,土质均匀,偶见白

2色菌丝,微含姜石。

勘察区域内地下水主要赋存于新黄土、填土13.中,801.6m,主要接受大气降水补给平均值9.98m,水;位稳定水位埋深为高程为795.9906.2~~化。050m,根据管幕位置水位变化受大气降水的影响有升降变,管幕下排钢管位于地下水位以下。

新黄土渗透性等级为弱透水,杂填土及素填土渗透性等级为中等透水。通道地质及水文状况具体如图2所示。

图2　通道地质及水文剖面

1.3　周边建(构)筑物

距1.93m。

1.4　地下障碍物

因车站为百年老站,经过多次站改,地下可能存在大量废旧构筑物、管线以及铁路设备等障碍物。为进一步明确障碍物位置和类型,并对管幕经过范围采取了地质雷达等方法进行综合探测。根据探测报告,管幕通过区域地下存在大量异常范围,结合工程资料调查,站内地下可能存在以下障

碍物。

钢筋混凝土雨棚1)在太原站采用无柱雨棚前,雨棚柱桩基采用,ϕ在站台上设置了

1.2m挖孔灌注桩。桩深为10.0~13.8m,桩间距为10.2m,具体位置不能确定2)下穿范围内可能存在旧接触网基础,但管幕范围内必定存在。混凝土基础,基础埋深约3~4m。

,为钢筋旧混凝土枕3)站改时可能部分物料埋入地下、旧钢轨、废旧混凝土块、浆砌片石块等,如旧木枕、

。

1.5　风险控制指标

根据相关规范并结合设备运营管理单位要求,本工程风险控制指标为:地表沉降(隆起)<10mm;管1线及周边建筑沉降2　/1<10mm;周边建筑倾斜<顶管掘进机分类

000。

目前顶管掘进机按其维持开挖面稳定的性能分为敞开式和平衡式两大类。敞开式顶管掘进机工作面上及其后没有压力封闭区,操作人员可以直接接近开挖面。平衡式顶管掘进机在工作面与盾体之间设置1道封闭的压力仓,通过压力仓建立压力来平衡水土压力,防止开挖面变形、坍塌。根据建立平衡压力的介质不同,平衡式顶管掘进机分为土压平衡顶管掘进机、泥水平衡顶管掘进机及气压平衡顶管掘进机3种。

当在地下水位以上,并且挖掘面能够自立的土

质,可采用敞开式顶管掘进机,当增加其他辅助措施后(如地层降水、顶管掘进机增设网格等),就能增加土质适应范围。这种顶管掘进机施工后地面沉降相

2020No.1郭　勇:超浅埋大直径管幕下穿特级火车站顶管掘进机选型研究　59

对较大,但其最大特点是在地下障碍物较多且加大的情况下,排除障碍的可能性最大,条件最好[5]。

当在地下水位以下或所穿越的土层是不稳定

中,强大的动力及坚固的刀盘在通过障碍物时必然造成障碍物及顶管掘进机振动甚至移动,这样很难预测和控制由于障碍物及顶管掘进机振动和移动导致的路基沉降,同时顶进精度难以控制,因此,从项目沉降、精度要求考虑不能选择该设备。

小直径土压平衡顶管掘进机可以配备舱门,人员可以进入开挖舱。但由于舱门尺寸小,开挖舱内空间狭小,刀盘支持开挖面,进入舱内移除障碍物特别困难。移除一部分障碍物后掘进机需要继续土层时,顶管掘进机的仓内压力与开挖掘进面水土压力相等时,才能保持开挖掘进面稳定,故在这种地层中的顶管掘进机采用平衡式顶管掘进机。平衡式顶管掘进机一般地面沉降相对较小,但难以处3　顶管掘进机选型分析

顶管掘进机选型包括前期准备、中期论证、论理较大石块或障碍物。

证结论三部分。前期通过地质条件及周边环境条件总结归纳设计要求,中期从工程适应性论证,确定可选择的顶管掘进机,最后从经济性、安全性、工期等方面进行综合评价。依据本工程地质和水文、周边建筑物、地下障碍物、风险控制指标、工期、安全等情况,参照国内外相关工程实例、规范,按照可靠性、通用性、经济性、先进性相统一的原则,对顶管掘进机进行设计选型。本工程对顶管掘进机有如下要求会造成后续钢管无法顶进1)顶进精度要求高。

　。

钢管间距16cm,偏差过大量障碍物2)具备处理障碍物的能力,顶进时需要穿越障碍物　。

站内地下存在大营,必须达到相关规范及设备管理单位要求的风险3)可有效控制地表变形　为保证车站正常运控制指标4)具备在浅覆土。

内地质为杂填土,覆土深度为、杂填土地质中顶进能力2.7m。

　站件、配套5)多台机组间通用性好　发生刀具、机组零部6)综合经济性要好。

设施损坏时可调换使用,大大降低设备风险[6]的顶进功能外,经济方面也应在可接受范围内　顶管掘进机除具备良好。

针对本工程地质水文情况及周边复杂环境等因素,对不同的地层区域选择不同的顶管掘进机。3.1　上部杂填土中存在障碍物区域顶管掘进机

选型

目前关于盾构越障的研究主要集中在大中型施工方面,其越障方法不一定完全适用于工作空间小、破障能力有限的微型盾构(顶管掘进机)[7]由于地层上部为杂填土,可能存在桩基。

等障碍物,将所有障碍物从地面开挖清除或采用回转钻机拔除(如废旧桩基),因影响车站正常运营而无法实施。用主驱动强大和坚固的刀盘可能是一个直接穿过地下障碍物的解决方案,但是这样最大的风险是:由于坚硬的障碍物存在于杂填土

向前掘进,这样才能接着移除剩下的障碍物并对开挖面提供更好的支撑,这只有在开挖舱内没有人作业时才可以进行,因此整个移除障碍物的过程是困难和缓慢的。

既然该管幕上部没有地下水且地层较为稳定,采用敞开式顶管掘进机是解决地质为杂填土且存在障碍物的最佳方案。

敞开式适用于含极少量或不含地下水的均质和几乎稳定的地层。由于设计特别简单,可以很容易地对这种掘进技术加以改装,以适应地质条件变化,既可用于疏松土壤,也可用于坚硬岩石。对于松散的土壤可以使用铲斗。根据具体的地质条件,多功能挖掘铲臂可装配挖掘铲、齿形铲斗等挖掘工具。铣挖臂则适用于较为坚硬的岩石地层,即单轴抗压强度高达80MPa的岩石。不论采用哪种挖掘臂技术,挖掘工具磨损后都可快捷简便地更换。渣土经皮带输送机运至后部的输送系统。敞开式顶管掘进机优势是操作员的工作位置离敞开的开挖面仅有几米距离,这样就可以精确地控制挖掘操作,对地层变化做出快速反应并采取必要的措施。譬如说,遇到漂石或其他障碍时,无须开挖另外的竖井,只需对障碍物周边土体进行注浆加固后即可人工破除障碍物。由于可以直接目视地质状况,方向掌控也更加容易。同时敞开式顶管掘进机配有与泥水和土压平衡顶管掘进机一样的主动铰接、导向、纠偏系统,这将使钢管顶进精度更准确。

为保证顶进安全,同时敞开式顶管掘进机采取其他安全措施1)。

在无地下水的地层条件中加长盾体

,敞开式顶管掘进机

依靠的是土壤的静止角这一物理特性。通常,这种直径的掘进机前盾部分长度约为1.5m。针对本项目,将前盾增长约50cm,并对挖掘头的位置进行了调整,2)将静止角增加到约使用盾体封闭支撑架分台阶开挖

35°。

　60施工技术第49卷

在地层更松散的情况下,可在前盾部分加装盾体封闭支撑架,支撑架将开挖面分为上下2个台阶进行开挖。

3)封闭开挖面

　　2)主驱动采用中心电动马达驱动,驱动功率为2×30kW变频驱动,额定扭矩150kN·m,最大扭矩190kN·m;主轴承密封型式为3道唇形密封,工作承压能力为0.3MPa,设计承压能力0.45MPa。

3)土舱内配置土压传感器,并能够将土舱内的

当遇到地下水、开挖面涌泥及其他紧急情况

时,可以在盾体封闭支撑架上安装钢板封闭开挖面,同时钢板上设孔洞,通过孔洞对开挖面进行超3.2　下部原状土区域顶管掘进机选型

前注浆加固土体。

土压力传送到操作台的显示屏上,并且能自动的与设定土压力进行比较,土压过高或过低都会报警,可很好地控制土压平衡,减少地面变形。4)刀盘结构为四辐条式软土刀盘,开挖直径为下部原状土区域因位于地下水位以下,不适合采用敞开式顶管掘进机。泥水平衡顶管掘进机、土压平衡顶管掘进机均适用的土质范围广,从软黏土到砂砾土都能适用,能保持挖掘面稳定,地面变形极小,对地面建筑物、构造物、埋设物影响较小。土压平衡顶管掘进机其设备成本低、质量轻、结构简单,弃土运输处理方便,作业环境好。小直径土压平衡顶管掘进机可以在大约水压为0.1~0.2MPa的地层工作,也可以在覆土很浅的情况下工作,而泥水平衡顶管掘进机设备成本相对较高,施工覆土太浅时,易冒顶和漏浆,同时在黏粒太多的土层中工作,泥水分离困难,成本高,因此针对本项目特点,选用土压平衡顶管掘进机(EPB)较泥水平衡顶管掘进机更适合。

土压平衡式掘进机的特点是将开挖出的渣土直接用作支护介质。装有刀具的旋转刀盘抵住开挖面削挖土体。渣土通过刀盘上的开口进入开挖舱,与开挖舱内已有膏状渣土混合。安装于刀盘和土舱压力舱板的搅拌臂对渣土进行搅拌,使其达到所需要的质地。压力舱板将推进油缸的推力传给开挖舱内的膏状土体,当开挖舱内的土体压力与周围土壤和地下水的压力相等时,就实现了必要的土压平衡。

螺旋输送机将开挖舱底部的渣土转送到皮带输送机上,通过螺旋输送机速度与土压平衡式掘进机前进速度的平衡,确保精确控制膏状渣土的支护压力。开挖舱内的平衡由土压传感器持续监控。因此,土压平衡式掘进机操作员即使在地质条件不断变化的情况下,也能够微调所有的掘进参数,从而取得较高的掘进速度,并使地表隆起或沉降的风险降到最低。

本工程所采用的土压平衡顶管掘进机具有如下技术特点上设边长1)盾体直径为。

450mm的正方形舱门2026mm,盾体厚度,采用4卡锁耐用铰25mm,舱板链开关系统。

2045mm,个注浆孔5)刀盘上有开口率为,并在土舱舱板上设2个注浆孔66%。

,210个搅拌棒上各设有个不同的备用注浆1

孔,可注泡沫改良开挖面的土体并处理掘进过程中存在的问题。

140mm,6)纠缸具有优良的纠偏功能行程偏油60mm,缸布最大推力置在45度,保证了顶进精度4×方770kN,4向上,油[8]组纠偏油缸缸径2。每组照个纠偏油缸“勤测量7)螺旋输送机采用液压动力驱动,多微调,并且油路串联”的原则控制上下左右纠偏,纠偏时调整油缸[9],按,带轴叶片型。式,叶片直径液压元件质量稳定400mm,渣土最大通过粒径,防水性能好136mm。迅捷,8)能适应管道内特殊环境电器、。

,响应4　应用效果

管最大偏差1)顶进精度≤50mm,　通过分析所有顶管轴线偏差说明设备具有优良的纠偏能,单11力,号能够满足本工程顶进精度要求3根钢管轴线偏差如图3所示,。

随机选取3,9,

图3　顶管轴线偏差

碍物能力2)在浅覆土　敞开式顶管掘进机在上排超浅埋顶管、杂填土地质中顶进能力及处理障

施工过程中多次遇到废旧钢筋混凝土桩基,通过注浆加固周边土体,凿除障碍物,按照设计顶进轨迹顺利完成边建筑监测3)对周边环境的影响。

,单根钢管地表　、通过对站内轨道及周

管线及周边建筑沉降最大值2mm,周边建筑倾斜为0,表明管幕施工对周边建筑及地层的扰动较小,在允许范围内(下转第。

78页)

　78施工技术第49卷

3.4　分散剂的使用

分散剂是指含有快T,焦磷酸钠等材料配制成的强制分散性液体,添加比例一般是5%,技术指标如表2所示。

表2　分散剂技术指标

项目

外观固体含量%

密度(20℃)/(g·cm-3)≤10

指标

淡黄色或透明液体≥1.15泥水盾构施工对周边环境影响小、安全快捷,此措施可为后续相似地层泥水盾构施工提供参考,增加泥水盾构的应用和推广。

参考文献:

[1]　竺维彬,鞠世健.盾构施工泥饼(次生岩块)的成因及对策[2]　李志军,翟志国,赵康林.泥水盾构刀盘结泥饼形成原因及防

治技术[J].地下空间与工程学报,2014,10(S2):1866-1871.[3]　王助锋,冯欢欢.泥质粉砂岩地层泥水盾构防止刀盘结泥饼[J].地下工程与隧道,2003(2):25-29,48.

pH渗透力值(1%(1%溶液水溶液))/s

≤5

5.5~6

盾构掘进中,通过对不同比例分散剂浆液浸泡黏土块进行了试验,试验所用黏土块均取自开挖面掘进携带出的黏土块,切割成6cm×5cm×4.5cm的块体。选用与掘进泥浆指标相同的泥浆(即黏度为17~19s、密度为1.08~1.12g/cm3得出,分散剂与浆液体积比例为)对黏土块浸泡1∶35时反应时间快。通过试验,

反应更充分。同时考虑分散剂对掌子面黏土地层的2h,影响根据掘进参数每环进行,防止浸泡时掌子面不稳定2次浸泡,每次浸泡时间为盘结泥饼。分散剂浸泡试验如图8所示,有利于控制刀。

图8　分散剂浸泡试验

4　结语

结合王府井站—前门站区间盾构左线在含有粉质黏土地层中掘进施工,从3个方面对泥水盾构在黏土地层施工中防止泥饼形成的研究得出如下结论。4.1　优化盾构掘进参数

泥水盾构在黏土地层中掘进时,通过控制盾构机的掘进参数,提高刀盘转速,增大进排浆流量,延长掘进完成后洗仓时间能够防治刀盘结泥饼。4.2　合理选择泥浆指标

泥水盾构在黏土地层中掘进时,控制好泥浆指标是预防泥水盾构刀盘结泥饼的重要环节,本区间在含有黏土地层掘进时泥浆的指标控制黏度17~19s、密度1.08~1.12g/cm3的范围内,有利于盾构推力及刀盘扭矩的控制,能够有效防治盾构机刀盘结泥饼。4.3　优选分散剂与浆液配合比

选用的分散剂与浆液比例为1∶35配合比合理,泡仓时间2h能保证掌子面的稳定,同时能够有效分散泥饼。保证盾构连续掘进施工,避免盾构带压开仓,降低施工风险,同时能够有效控制地面沉降。

针对性改进[J].现代隧道技术,2017,54(6):217-222.[4]　建筑技术赵国栋,姚印彬,2017(3):69-72.

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市政技术,2015,33(6):165-169.[6]　究于勇[J].,傅鹤林施工技术,史越,2019,48(5):105-109.

,等.泥水盾构江底掘进泥饼形成机理研

(上接第4)顶进速度及施工进度60页)

掘进机正常顶进速度为80~100mm　本工程敞开式顶管

/min,土压平衡顶管掘进机正常顶进速度为60~80mm/min。敞开式顶管掘进机正常施工进度为8d/根,土压平衡顶管掘进机正常施工进度为10d/根。

5　结语

本文对顶管掘进机的重要性及分类进行了阐述,并以复杂环境下超浅埋大直径管幕下穿特级火车站工程为研究背景,对顶管掘进机的选型、技术特点、技术参数等进行了研究与探讨,选择了适合的顶管掘进机类型,通过现场实践证明,该工程顶管顶进精度、地面变形、障碍物处理能力等均满足现场需要,说明该工程顶管掘进机选型合理,为该工程顺利实施提供了设备保障,并为今后类似工程提供借鉴。

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