混合式盾构机

非均质地层中的安全隧道掘进技术

地质状况 非均质地层
非均质地层(砂、砾石、高透水性和高水压)
直径
3.7–19米

混合式盾构机作业中

海瑞克开发的混合式盾构机技术是对传统泥水平衡式技术的一大改进。开挖仓内的支撑压力由自动控制的气垫进行精确调控。这意味着即使开挖直径很大,非均质地质条件和超过15巴的高水压仍可得到安全控制。

 

高安全性源于气压调节

混合式盾构机的典型特征是开挖仓被一个所谓的沉浸墙分成两个区域。掘进时,开挖仓前部的盾体区域充满悬浮液,以完全支撑隧道掌子面。沉浸墙与压力仓板之间的区域(工作仓)内,悬浮液的液位刚过机器中轴线。隧道掌子面所需要的反压由上部的压缩气垫提供。开挖仓与工作仓之间通过沉浸墙在盾体下方的开口实现连通。

通过密封应对高水压

混合式盾构机由于设有封闭的液压泥水环路,所以即使水压超过15巴也可以安全使用。但是,这需要在设备与拟开挖面之间有一个密封层。这就是混合式盾构机配备多重密封系统的原因。主驱动装置的密封被设计成为多个独立的装有带压密封介质的密封仓组成的系统。在机器的后部,尾盾内缘与管片衬砌外缘之间的环面间隙则用多重密封刷密封,将泥土和地下水阻挡在外。

功能原理

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刀盘

刮刀和滚刀负责从掌子面切削土壤。

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气垫

自动控制气垫在开挖仓内对掌子面支撑压力进行准确调控。

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压缩空气人闸

使受过专业培训的人员能够进入加压的开挖仓。

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压力仓板

将处于常压环境的机器内部与开挖仓的加压区域隔离开。

5
尾盾

用盾尾密封刷密封尾盾内壁和隧道衬砌管片外缘之间的空隙。

6
回填

用砂浆连续充填隧道壁开挖面与隧道衬砌管片外缘之间的环形空隙。

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沉浸墙

将开挖仓分隔成一个工作仓和一个压力仓——由沉浸墙开口将两个仓连通。

8
颚式碎石机

安装在进口格栅之前;以机械方式将石块或漂石破碎至可以输送的大小。

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推进油缸

液压油缸沿盾体环形布置,顶住先前安装的衬砌管环,利用反作用力将盾体向前推进。

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泥水环路

将用于支护掌子面的悬浮液运送到开挖仓,并将渣土和悬浮液的混合物运回泥水分离站。

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管片拼装机

远程控制的移动式真空机械手,在管片拼装时,用于将管片放置到位。

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刮刀和滚刀负责从掌子面切削土壤。

自动控制气垫在开挖仓内对掌子面支撑压力进行准确调控。

使受过专业培训的人员能够进入加压的开挖仓。

将处于常压环境的机器内部与开挖仓的加压区域隔离开。

用盾尾密封刷密封尾盾内壁和隧道衬砌管片外缘之间的空隙。

用砂浆连续充填隧道壁开挖面与隧道衬砌管片外缘之间的环形空隙。

将开挖仓分隔成一个工作仓和一个压力仓——由沉浸墙开口将两个仓连通。

安装在进口格栅之前;以机械方式将石块或漂石破碎至可以输送的大小。

液压油缸沿盾体环形布置,顶住先前安装的衬砌管环,利用反作用力将盾体向前推进。

将用于支护掌子面的悬浮液运送到开挖仓,并将渣土和悬浮液的混合物运回泥水分离站。

远程控制的移动式真空机械手,在管片拼装时,用于将管片放置到位。

输送渣土“有度量”

在典型的混合式盾构机掘进作业过程中,在低粘性非均质土层中往往会有大块石头或障碍物。这种漂石需要破碎到适合运送的大小,以便能以流体输送的方式顺利清运。混合式盾构机常常利用装在前端进口格栅处的颚式碎石机进行破碎。可破碎石块的大小因碎石机的设计和盾体直径的不同而不同。另外,在泥水管路进口前端安装入口格栅,以防大块物料进入管道引起故障。入口格栅将漂石挡住,直至其被粉碎。如果隧道路线中有颗粒细小的粘土,作为替代方案,可以选择鼓式碎石机。在破碎过程中,鼓式碎石机兼入口格栅的功能。安装在两侧的搅拌器可以提高隧道底部排渣的流动性。

功能设计

用刮刀和滚刀切削土壤

通过自动控制的压力气垫,利用泥浆悬浮液提供流体支撑

通过封闭的泥水环路,以流体方式输送渣土

盾体内的液压推进油缸推动机器前进

管片衬砌

解决阻塞的措施

刀盘和开挖仓内发生阻塞会导致磨损增加,并减低掘进速度。

  • 刀盘上设置相对较为开阔的中心区,使渣土流动达到最佳状态。
  • 通过优化进浆和排浆方案,增大在易堵塞区域悬浮液的流动速度
  • 独立的泥浆系统,在刀盘幅臂、沉浸墙、沉浸墙开口处、碎石机和入口格栅处都有可调节式喷嘴。

开挖仓的设计也充分考虑到排渣需要的流动性。平滑的盾体边缘和沉浸墙表面、盾体内锥形破碎器部件的涂层、缩小沉浸墙开口或可选用的后部铲斗等特征,在实际应用中都证明了其价值。

粘性土层中渣土流动的改善

隔离式仰拱是专为粘性土层开发的一种解决方法。利用封闭板将仰拱区与工作仓的其它部分隔开,从而使渣土能够从开挖仓经沉浸墙开口流向泥浆回路的进口。泥浆流带走渣土,避免在仰拱区形成堆集或堵塞。这样可以减少开挖仓内的清理作业次数,也可大幅度避免因设备停顿而引起的隧道掌子面压力波动。在此,通过两条压力平衡管路或连通管(而非通过沉浸墙上的开口),实现工作仓和开挖仓之间的压力传导。

优化刀具维护

在混合式盾构机掘进过程中,在土层和膨润土悬浮液之间的界面会形成一个滤饼。这种不透水的隔膜可帮助形成所需支护压力,同时使隧道掌子面与流动的地下水隔离。在掘进过程中,刀盘、刀具和一些其它组件需要加以控制、维修或清洁,而且障碍物必须移走。为此,通过加入压缩空气将工作仓和开挖仓内的悬浮液降低到一定程度。通过关闭沉浸墙下部开口,工作仓内的悬浮液可降至最小量,这样即可在盾构底部作业。维护人员经过压缩空气人闸进入压力仓。仓内压力超过3.6巴时,压缩空气环境下的作业最好由专业潜水员实施。海瑞克与专业公司密切合作,预先在工厂提供针对性专业培训,尽可能缩短隧道内的工作时间。

专业的解决方案更便于刀具更换

采用海瑞克的新研发成果,可以避免为维护大直径隧道掘进机挖掘刀具而在高压环境下长时间作业。刀盘幅臂可以在常压下进入作业。在不降低悬浮液液面的情况下,即可在刀盘内更换磨损的刀具,避免对隧道掘进造成长时间的影响。

安全灵活、物有所值

海瑞克的混合式盾构机专长于在复杂地质条件下,尤其是在高水压和超大直径条件下的隧道掘进。由于隧道掌子面是由自动控制的气垫支撑,可以准确平衡压力和体积的突然波动,即便是在要求极其苛刻的项目,也可以在最大程度上保证隧道掘进安全。另外,地面的隆起和沉降风险也得以大大降低。

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Gerhard Goisser COO Herrenknecht Tunnelling Systems USA, Inc.
Jack Brockway Geschäftsführer Herrenknecht Tunnelling Systems USA Inc.

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