关于切桥群桩盾构机适应性改造的研究分析

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dawancha2010
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  摘要:本文主要通过对盾构机的刀盘刀具、螺旋输送机、外包管、增加人舱系统以及刀具的改进等几个方面对盾构机在切桥桩时的适应性改造进行了分析。
  关键词:盾构机适应性切桩刀具改造
  中图分类号: TG71 文献标识码: A
  本工程采用1台Φ6340型土压平衡式盾构机进行(苏州地铁2号线)三医院站~石路站区间施工,区间经过广济桥群桩切桩盾构机编号为58号 “富工号”盾构机,58号盾构机由日本小松生产,型号为小松TM634PMX,盾壳外径6340mm,主要推进油缸行程2150mm。
  1 盾构机改造前主要技术参数及性能改进要求
  1.1 技术参数
  盾构机改造前主要技术参数见下表所示:
  表1主要技术参数表
  
  
  
  1.2 性能改进要求
  本次盾构机的选择,既要求在一般的软土地层中具有一定的适应性,更为重要的是要具有切削或磨削钢筋混凝土桩的能力。特别是将要求盾构机连续切削或磨削7排钢筋混凝土桩,甚至单次要切削或磨削两根桩,这对盾构机的配置提出了更高的要求。因此在对盾构机进行改造时就采取了有针对性的措施,主要有以下几个方面:
  1.2.1 满足富水粉砂层下的盾构正常掘进
  由于盾构机穿越广济桥段上方土层为④-2粉砂,并且该区段随着推进的深入砂层断面比例逐渐由50%增加到全断面,因此要求盾构机在切桩的同时,保证盾构前方防喷防涌、盾尾密封的可靠性。
  1.2.2 满足低慢速条件下切磨桩的掘进条件
  (1)刀盘刀具具备磨碎桩体混凝土、切断钢筋的能力;
  (2)足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力,防止刀盘在切削钢筋时被卡的情况发生;
  (3)由于是穿越群桩施工,单线均须切削7根桩,因此刀盘及刀具必须具有高耐磨性,尽可能使刀具在切削施工过程中不出现问题;
  (4)根据隧道和桩位的位置关系,各桩体并不是都处于推进轴线上,因此刀盘采用能承受大偏心力矩的主轴承设计,并且慢速切磨时,刀盘转数必然成倍增加,所以与此同时还要具有高的主轴承设计寿命;
  (5)具备优良的渣土改良系统,能使桩体混凝土碎渣和渣土混合排出;
  (6)螺旋输送机具备高水压下防喷涌能力的同时,还要有排出切断钢筋的能力。
  1.2.3 精确的方向控制
  右线施工时,虽然单次只切削一根桩体,但是周边邻近的桩体最近的距离区间隧道只有9cm,考虑到钻孔灌注桩施工的垂直度问题,盾构机向前掘进的过程很有可能触碰到邻近桩体,使盾构姿态发生偏移。因此,盾构机必须具有高精度的导向系统,确保线路方向的正确性,盾构方向的控制包括两个方面:一是盾构机本身能够进行纠偏;二是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。
  2 刀盘刀具改造
  2.1 原刀盘刀具参数分析
  结合以往土压平衡盾构机掘进的施工经验和技术成果,本工程中刀盘结构为辐条加面板型,刀盘具有一般的土压平衡特点,并适合于在粉质粘土、粉砂等软土中进行开挖。在各辐条及面板上设置了切削刀具及先行刀,可以顺时针或逆时针回转对开挖面进行掘削的构造。在刀盘中心安有先行刀,四周布设周边刀。刀盘基本参数见表2。
  表2 刀盘基本参数表
  形式 面板式×中间支撑×变频电动机驱动
  转速 0.25 rpm 0.5 rpm 0.8 rpm 1.0rpm 1.3 rpm
  力矩 100% 5151 kN-m {525 tf-m} α=20.2 5151 kN-m {525 tf-m} α=20.2 5151kN-m {525 tf-m} α=20.2 4293 kN-m {438 tf-m} α=16.8 3220 kN-m {329 tf-m} α=12.6
   120% 6181 kN-m {630 tf-m} α=24.3 6181 kN-m {630 tf-m} α=24.3 6181 kN-m {630 tf-m} α=24.3 5151 kN-m {525 tf-m} α=20.2 3864 kN-m {395 tf-m} α=15.2
  刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性,因此,在刀盘上配置了先行刀、在刀盘外周磨损距离较多的部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金,厚度3~4mm,如刀盘面板外周、搅拌棒、刀盘边缘板和滚刀刀座等处。安装有刀盘外周保护刀具,大大提高了刀盘的耐磨性能,延长其使用寿命。
  2.2 刀盘刀具及螺旋输送机改造分析研究
  一般地讲,决定盾构刀盘刀具改进设计的因素主要有地质条件、隧道条件、环境条件以及桩体的情况,应在全面分析的基础上,确定刀具的选择与合理配置。根据向国外相关盾构领域专家咨询的结果,现有的盾构机还没有切割桩基所用的专门刀具,盾构切削桩基的技术也包括螺旋输送机改造
  在富水软弱地层,一般使用有轴式螺旋输送机。但根据前期调研的结果,这种螺旋输送机排出盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块的能力较差,钢筋条和碎桩块很有可能卡住螺旋输送机,使螺旋输送机无法正常运转排除渣土,从而无法正常掘进施工。为了使盾构切桩产生的钢筋条和碎桩块能较为顺畅地排出,应采用无轴式螺旋输送机,即带式螺旋输送机,
  即使是使用该种螺旋输送机,也有可能发生钢筋及混凝土块无法排除的可能。因此,需要在可能的范围内加大螺旋输送机的直径,以增加排出不规则形状钢筋以及混凝土块的能力;由于螺旋输送机将要排出的不规则形状钢筋以及混凝土块与以往的土砂不同,需要加大螺旋输送机的功率;另外,为了解决排出不规则形状钢筋以及混凝土块困难问题,还应在螺旋输送机外壳、螺旋機前端靠近胸板处追加注泥浆孔及注浆管路,必要时也可用于加固土体,防止喷涌现象的发生。再者,为了及时观察和处理不规则的钢筋以及可能发生的排土不畅等情况,应在螺旋输送机上多设几处施工、观测孔(50cm×50cm),可做临时紧急处理卡住的钢筋,即用人工切割刀具将钢筋或混凝土块切成小块排除。对土舱内的螺旋输送机头部应进行加强处理,以应对可能遇到的断桩及钢筋。
  螺旋输送机的最终改造方案如下:
  (1)螺旋输送机传输轴更换为带式(无轴式)输送轴。
  (2)增加1台液压马达,从3台变成4台,扭矩可提高33%。
  (3)在螺旋机外壳再追加4个检查孔。
  (4)在螺旋输送机外壳、螺旋机前端靠近胸板处追加改良及加固土体用的注浆管路(带球阀),共10个注入口。
  (5)筒体内壁下方增强耐磨性。
  (6)由于对现有螺旋输送机改动量较大,应重新做一个具有伸缩功能的带式螺旋输送机,可与原有更替使用。
  3 外包管的保护改造
  本次穿越广济桥所用盾构机的壁后注浆管和油脂注入管原是外置式的,即在盾构机壳的外部有局部突起。该突起部分在盾构切桩时可能碰到桩体而损坏,因此,有必要对其进行适当的保护和改造。外包管的最终改造方案如下。
  (1)首先降低外部注浆配管的突起高度,由原来12cm降到8cm。
  (2)在外壳板上追加配置减轻阻力用的先行刀。破除洞门掘进时,为防止洞口密封破损,此先行刀先用布和木材覆盖。
  (3)根据隧道与桩基的相对位置关系分析,原上、下部位两路的注脂外包管遇到桩的次数较多,因此,去掉上、下部位的油脂外包管,原处用钢板焊住。
  4 增加人舱系统
  由于刀具可能受到损伤脱落等原因,有可能需要进舱换刀。苏州富水软弱地层,无压下开舱还是有很大的风险,需要人员带压进舱换刀,这就需要加压舱,也就是常说的人行舱。日系盾构机前盾部分空间较小,要增加一个较大的人舱(直径约1500mm,长度约3500mm)在空间上有一定难度。当然,盾构土舱内也要预先安装工作人员气压条件下进入土舱进行刀盘刀具检查更换作业的必要的安全设施,如在土舱内盾构胸板位置安装上下攀登用的扶梯与横向的工作平台,设置换气、给排水、照明和电力设备以及气体探测装置等。另外,在盾构土舱合理部位设置观察孔,以便在穿越桥桩时能充分掌握土舱中的情况,为气压法检查刀具刀盘情况进行必要的准备。具体改造如下:
  (1)增加人舱系统,做气密性等相关检验,确保其性能完好,保证能够带压进舱换刀。
  (2)为实际便于进入人舱进行有效的压气作业,追加以下附件:
  ①2个送气空气流量计;②8个消声器;③3个对讲机;④2个耐压防爆型日光灯;⑤1个压气室内用加热器;⑥1个送气空气冷却器。
  5 刀具损伤分析及改进
  5.1 试验中刀具损伤情况
  切桩试验过程中,共有19把贝壳刀出现21块合金崩落、崩裂情况,其中15块合金为自身脆性断裂,3块合金从焊缝面整体崩落,另外3块合金先沿着焊缝面裂开然后再是合金自身脆性断裂。刀具损伤情况分类统计见下表。
  表3 刀具合金崩裂崩落情况分类统计
  分类方法 统计结果
  按刀具种类 1把中心小贝壳刀、15把中间部大贝壳刀、3把最外周部大贝壳刀,共有19把刀具有合金崩裂。
  按崩裂合金位置 工况5:6块合金位于刀具右侧,2块合金位于刀具左侧;
  工况6:3块合金位于刀具右侧,2块合金位于刀具左侧;
  工况7:6块合金位于刀具左侧,2块合金位于刀具右侧;
  按崩裂崩落形式 15个合金:合金自身脆性断裂;
  3个合金:整体从焊缝面崩落;
  3个合金:焊缝面和合金自身;
  5.2 推进参数的改进优化
  实际工程切桩时,为减小刀具合金受到的冲击力和剪切力,减少合金崩落崩裂情况发生,建议:①刀盘转速采用中慢档,不宜采用1.0rpm和1.3rpm转速;②千斤顶瞬时推速应控制较稳,不宜波动过大;③设置千斤顶推速和刀盘转速时,应使贯入度较小;④尽量减少刀盘转向改变次数,以利于刀具合金的保护。
  6 改造结论及建议
  本工程通过对盾构机全断面切削穿越广济桥14根钢筋混凝土群桩的施工进行研究分析,提出以下结论:
  (1)本工程在充分考虑盾构穿越后能够保证桥梁和隧道安全的前提下,有针对性地对盾构机进行适应性改造后再进行穿越群桩的施工。其中刀盘刀具的改造保证了盾构机能够切削和磨碎桥桩的钢筋混凝土,螺旋输送机的改造为排出钢筋和混凝土碎块提供了条件,低速推进泵的引用保证了在切桩过程中低速状态下推速、土压、出土量三者间的相对稳定,提高了盾构机的操作稳定性,同时慢速推进也给盾构姿态的纠偏提供了良好的条件,对切桩成功起到了关键性的作用。
  (2)根据盾构切桩掘進参数实测数据分析,在切桩推进时采用推速V=1mm/min、n=0.8rpm的施工参数是相对稳妥可行的,切桩过程中保证桥梁稳定及安全的重点是对刀盘前方土压力的控制以及对出土量的控制,由于④2粉砂层的存在,因此在切桩过程中采用了手动出土模式,有效地保证了土压力在规定的范围内,并采取了有效措施严格控制土仓的出土量,保证了前方土体的稳定和地表的沉降控制。
  本工程中通过采取以上施工措施,盾构机成功切削穿越了广济桥的14根钻孔桩,施工取得了良好的效果。其中桥面沉降控制变化量集中在0mm~6.0mm范围内,墩台沉降量最大为-5.82mm。所有控制点在切桩过程中集中于-2.0mm~1.0mm以内,墩台位横向位移最大位移量为-2.42mm,纵向位移量控制在-2.0mm~2.0mm以内。最终沉降量基本都在控制范围内,满足安全要求。
  (3)通过对12排共14根钻孔桩切削施工参数的分析和研究,可以得出以下结论:在低速模式切桩过程中,盾构总推力保持在10000~15000kN的范围,盾构推进土压在±0.02之间波动,低速泵推进模式下推进速度可以稳定在1mm/min,刀盘扭矩值控制在2500kN·m以下比较正常,若超过此控制值必须采取加注水或泡沫剂以及改变刀盘转向的方法来加以调整。
  (4)在切桩施工中刀盘刀具存在磨损严重和局部崩碎断角的情况,因此刀盘刀具配置还需要进一步完善,对刀具进行进一步改良,调整好刀具间的间距,确保刀具具备更好的切削能力。从机器排出钢筋的切痕、长度来看,本工程的刀具的改进是成功的,切桩过程推力、扭矩两大掘进参数均在控制范围内。因此,刀具的改进是切桩顺利的重要因素之一。
  结束语:综上所述,在对盾构机的适应性进行改造后,可以大大提高盾构机的使用性能和效率,这样不仅提高了工作的效率,同时也相应的提高了其经济效益。
  参考文献:
  [1] 李洪波 盾构刀盘变形修复技术及理念 隧道建设 2013(01)
  [2] 吴艳华 刘德全 盛少琴 盾构机刀具选型及布置 广东造船 2013(01)
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