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“打着石头过河”——卵石层施工“世界级”难题案例分析!

2019-05-10来源:环球注册送彩金38不限id

   河南省洛阳市地铁2号线文博广场站至九都西路站工程自施工以来,因创下多个第一,一直备受关注,它在河南省市政建设领域首次应用泥水平衡盾构机,也是洛阳市首个下穿洛河的市政交通工程。

泥浆沉淀池
 
  盾构机在2000多米长的掘进区间,不仅要在全断面卵石层中前行,还要下穿近600米宽的洛河底部,地质结构的复杂程度及面临的一系列施工难题可谓“世界级”。
 
  今天,走进施工现场,带您了解盾构机如何下穿洛河“潜水游”,并为您解答相关疑惑。
 
盾构机主控室

  01 “牡丹19号”持续掘进“牡丹20号”整装待发
 
  地铁2号线文博广场站至九都西路站盾构区间为东西双洞双线,西线长2017米,东线长2031米,其中约600米为下穿洛河段,是洛阳市首个下穿洛河的市政交通工程。
 
  今年3月16日,“牡丹19号”盾构机始发,按东线施工方案,先由地铁2号线文博广场站掘进至牡丹桥南区间风井;在风井进行下穿洛河前的维修和保养后,再下穿洛河进入春园西路;最后抵达地铁2号线九都西路站。随后始发的“牡丹20号”盾构机将承担西线工程掘进任务。
 
  在施工现场,伴随着被抽出的地下卵石撞击泥水循环管内壁的刺耳响声,“牡丹19号”在安全掘进数十米后继续向前,在其内部工作的十余名技术人员各司其职,密切关注电脑屏幕上的各项数据。
 
  负责盾构施工的中铁隧道集团项目总工程师王云峰说,为保证工程安全、高效推进,技术人员两班倒,24小时不间断施工,由专人送餐到岗。前期掘进已积累了大量实操经验,目前东线盾构机掘进效率稳步提升,西线盾构机整装待发。
 
  02 施工地层全是卵石盾构机还要“打着石头过河”
 
  “河底泥土松软,盾构机掘进速度应该比在其他地方快吧?”如果您这么想,那就错了,因为洛河下并非泥土层,而是富水卵石层,盾构机穿行其中,困难重重。
 
  王云峰说,从前期地质调查结果来看,地铁2号线文博广场站至九都西路站盾构区间地层为卵石层、黄土状粉质黏土、淤泥、杂填土地层。盾构机在2000多米长的掘进区间,不仅要在全断面卵石层中前行,还要下穿近600米宽的洛河底部。
 
  “下穿洛河施工区域卵石含量高,最大粒径可达70厘米。同时,下穿洛河的双隧道顶部距河床底面最小距离为13.1米,最大距离为16.4米。”王云峰说,这意味着盾构机要始终穿行于高水压、大粒径、高硬度、高含量的卵石层中,不仅掘进速度比在泥土层中慢得多,施工难度也大得多。
 
工人在“牡丹19号”内部工作
 
  03 多重不利因素叠加下穿洛河难度“世界级”
 
  2016年5月9日,国内首个地铁隧道下穿黄河工程——兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道贯通。这条700多米长、修了两年半的穿黄隧道,因地质结构复杂、开凿过程艰辛,其成功贯通被中国工程院院士钱七虎称为攻克“世界级施工难题”。洛河与黄河兰州段的地质结构相似,都是全断面卵石层,因此洛阳地铁2号线下穿洛河段施工复杂程度与兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道高度相似,施工难度不在其下。
 
  “单从大粒径卵石含量、卵石层渗透系数两方面对比,难度就可见一二。”王云峰说,下穿洛河施工层中粒径大于60毫米的卵石含量比兰州轨道交通1号线穿黄盾构隧道的大粒径卵石含量高出14.99%。卵石层渗透系数为140米/天,是兰州工程的2.5倍多,打个不恰当的比方,就是把一桶水倒进卵石层,一天能往下渗140米。渗透系数越大,卵石层的透水性越强,盾构机穿行其中,难度又增加了一重。这些不利因素叠加,不仅加大了施工难度,而且容易引发难以预知的难题,如盾构机漏浆失压、击穿河床、河水倒灌、刀盘卡死等。
 
  04 首次应用泥水平衡盾构机开我省市政建设领域先河
 
  针对洛河及两岸特殊的地质水文情况,中铁隧道集团专门打造了2台泥水平衡盾构机——“牡丹19号”“牡丹20号”,这在河南省市政建设领域尚属首次应用。
 
  与洛阳市地铁建设此前使用的土压平衡盾构机不同,泥水平衡盾构机是通过加压泥浆来稳定作业面的。盾构机刀盘后有一个密封隔板,将盾构机前体分为两个舱室即泥水舱和气垫舱。特制的泥浆经管道压入泥水舱,待泥浆充满整个泥水舱后,通过气垫舱内保压系统对泥水舱内的泥浆进行加压,形成泥水压力室。被刀盘切削打碎的土砂石料与泥浆混合,通过管道输送到地面的分离设备,泥浆可重复利用。
 
  “泥水平衡盾构机适用于地下水压大、土体渗透系数大的地质状况,可以精确控制作业面的压力,减小地层沉降。”王云峰介绍,“牡丹19号”和“牡丹20号”均全长103米,每台重达500吨,开挖直径为6.5米。
 
  05 掘进面临三大难题攻坚克难逐一破解
 
  由于洛河水量丰富,卵石层渗透系数大,河床以下地层几乎全是卵石,这给施工带来许多技术难题,主要体现在三个方面,这也是大家疑问的集中点。
 
  1. 穿越卵石层盾构机会被“噎”住吗?盾构机在卵石层中掘进,能应付得了数不尽的卵石吗?会不会被大个儿卵石“噎”住,动弹不得?
 
  “会,不过我们有应对方案。”技术人员指着工地上一堆西瓜大小的卵石说,这些都是盾构机在掘进中,卡在刀盘和泥水舱泥浆门处的石头。因掘进地层中存在很多大粒径卵石,一旦发生瞬时堵塞,可能导致盾构机气垫舱内格栅处堆积大量卵石,进而造成盾构机刀盘被卡、卵石滞排等问题。
 
  为解决该问题,技术人员可没少想办法:对刀盘进行加宽、加入耐磨合金,让大粒径卵石在刀盘处就尽可能地被切削;给盾构机配置破碎机,对大粒径卵石进行破碎;在刀盘后设置搅拌棒,缓解泥浆门堵塞情况;增加多个采石箱,进一步过滤进入排浆管内的卵石。
 
  2. 盾构机用的泥浆有啥不一样?
 
  下穿洛河期间,“牡丹19号”“牡丹20号”将在河床以下十几米深的富水卵石层中前行约600米,掘进中一旦出现泥浆“逃逸”、泥膜难形成等问题,可能导致地层坍塌、刀盘和盾构机被卡等后果。
 
  什么是泥膜?技术人员解释,泥膜是盾构机与作业面之间形成的泥浆包裹层,作用在于维持作业面稳定,防止作业面坍塌。泥膜能否形成,是盾构机能否顺利掘进的关键,而泥浆配比,是泥膜能否形成的关键,也是决定泥浆携砂能力的关键。
 
  为保证泥膜顺利形成,技术人员不仅要保证作业面压力平衡,还在盾构泥水处理场设置了专用制浆设备,采用黏土、膨润土及其他添加剂,研制出符合洛河卵石层特性的泥浆。
 
  3. 盾构机“牙口”咋样?
 
  “牡丹19号”“牡丹20号”下穿洛河期间,还要面临一个难题,那就是刀盘磨损后,不具备进舱更换的条件。
 
  为减轻盾构机在卵石层掘进中刀盘磨损,技术人员通过取样分析,详细掌握了卵石层的特性及卵石分布规律,用加宽、加入合金等方法,增强了刀盘的耐磨度;安装磨损检测装置,可对面板磨损、刮刀磨损进行监测;在刀具配置上,以滚刀为主,降低刀具在切削过程中与卵石碰撞导致的崩齿、掉刀风险;在盾构机上增设碎石机,随时对出浆口进行疏通,防止卵石堵塞出浆口……相当于给盾构机装上了“铁齿铜牙”。

责任编辑:王子祺
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