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1、中交隧道工程局2015年3月超大直径泥水平衡超大直径泥水平衡盾构盾构机机饱和法开舱作业饱和法开舱作业技术技术 汇报人：姚占虎汇报内容二、工程背景三、泥水平衡盾构机简介四、压力计算与建膜技术五、饱和法开舱技术六、饱和法开舱技术应用实例汇报内容一、国内外现状一、国内外现状近十年来，大直径、高水压、长距离盾构隧道建设得到了飞速的发展。在刀具无法满足长距离掘进寿命要求的现状下，不得不寻求中途更换刀具的技术突破。工程条件的局限，尤其是江河湖海下，很难实现常压开舱，更换刀具困难,安全堪忧。盾构饱和法开舱换刀技术以无需地层加固，地质适应性强，对周边环境要求低和影响小等特点，解决了苛刻条件下的换刀难题。带压换
2、刀技术是一项涉及地质、泥浆、机械、潜水等多学科的综合技术。l 葡萄牙波尔图地铁S线和C线盾构区间施工中，由于刀具磨损严重，几乎每班都需要带压开舱对刀盘进行维护操作，其带压工作压力为1.52.0bar。国外盾构开舱现状l 德国Weser隧道在4.5bar5bar压力下开舱维护破碎机和刀盘，此外还雇佣潜水员在5bar压力下的膨润土浆液中工作。全线带压工作共计1400h，其中600h压力超过3.6bar，仅有15次报告出现减压病，且压力都小于3.6bar。l 荷兰“Westerschelde”隧道世界上首次也是唯一一次实现了高压8.5bar条件下饱和气体开舱作业（作业环境为潜水作业）。l 广州地铁四
3、号线小谷围至新造区间左线江底盾构于2005年6月实施了带压换刀操作。l 中铁隧道集团在武汉长江隧道盾构施工中，首次自主实现高水压带压作业技术（4.5bar压力下带压作业）。l 南京长江隧道（纬七路）盾构施工中，德国北海潜水公司在6.5bar 压力下带压开舱作业。国内盾构开舱现状 易北河第四隧道在0.35MPa条件下更换刀具 南京纬三路过江通道工程在0.65MPa条件下刀具检测二、工程背景南京纬三路过江通道工程位于南京长江大桥和纬七路过江通道之间，距离南京长江大桥约5km，连接南京主城区与浦口规划新市区，是南京市城市快速路系统跨江成网的重要通道之一。南京纬三路过江通道起于浦口区浦珠路转盘西侧，向
4、东南跨越丰子河路、北岸滨江大道，北线（N线）穿越长江主航道、潜洲及夹江水道后与扬子江大道相接，南线（S线）与扬子江大道交叉并下穿后，止于江东路，和定淮门大街（纬三路）连接。N线隧道工程地质纵断面图S线隧道工程地质纵断面图南京纬三路过江通道工程特点435掘进距离长4135m 1开挖直径15.02m2隧道穿越上软下硬复合地层施工风险大险长薄高大水压高石英含量高管片拼装精度高覆土厚度0.6D淤淤 泥泥粉粉 砂砂砂砂 卵卵 层层粉粉质质粘粘土土泥泥 岩岩角角砾砾岩岩砂砂 岩岩1468m480m670m1517m地质复杂：隧道穿越粘土层、粉细砂、中粗砂、卵砾石层以及中风化粉砂岩地层。地质特点地质特点三、
5、泥水平衡盾构机简介泥浆压力泥浆压力土压力土压力地下水压力地下水压力泥水加压式盾构施工时，利用泥浆舱中压力泥浆来维持开挖面的稳定。泥水加压盾构隧道开挖面稳定原理气压泥浆通过在开挖面形成一层致密的微透水泥膜形成致密的泥膜，利用该泥膜将泥浆压力转换为有效应力，平衡开挖面处的土压力，在开挖面形成优质泥膜是泥水盾构施工的关键。泥水加压盾构的平衡机构调浆池干土外运沉淀池泥浆及渣土监测系统泥浆处理系统掘进系统泥浆泵竖井进浆管排泥管刀盘刀具刀盘刀具 刀盘：采用辐条-面板式 开挖直径：15.02m 开口率：25.7% 主要材料采用合金结构钢Q345B，结构表面焊接耐磨板刀具种类A、先行刀-预松岩土B、主切刀-切
6、削岩土C、刮 刀-铲土入仓D、滚 刀-挖掘岩层刀盘刀具刀盘刀具掘进工况：A、软土工况- 软土掘进状态砂卵层、岩层掘进状态B、硬岩工况- 刀盘刀具刀盘刀具四、压力计算与建膜技术带压开舱技术压缩空气开舱技术饱和法开舱技术压力计算建立泥膜开舱作业医疗保障切口泥水压力确定气压泥浆泥水压力泥水压力主动土压力主动土压力P P2 2地下水压力地下水压力P P1 1气压式中： P下、P2分别指接口水压力下限值、主动土压力 P1、P3分别指地下水压力、变动土压力 Ka为主动土压力系数 Cu土的粘聚力泥泥膜的形成机理和泥水平衡膜的形成机理和泥水平衡 压力泥水通过泥膜对挖掘面土体产生支撑的平衡效果。这种动态的平衡就
7、叫泥水平衡。 在压力作用下，泥水中的悬浮颗粒随着泥水渗入到开挖面土体颗粒空隙中，产生填充孔隙的阻塞和架桥效应，形成泥膜。 在盾构掘进中，盾构刀具不断地切削开挖面土体的过程，也是泥膜不断地被破坏和再建立的循环过程。不同的地质其泥浆配置不同，泥膜形成时间也各不相同。土层级配与建膜关系土层级配与建膜关系泥浆直接从土体中逸散泥浆直接从土体中逸散泥浆在开挖面形成稳定泥膜泥浆在开挖面形成稳定泥膜土层有级配、泥浆要匹配土层有级配、泥浆要匹配类型类型I泥皮型泥泥皮型泥膜膜 类型类型II泥皮泥皮+渗透带型泥膜渗透带型泥膜 类型类型III没有形成泥膜没有形成泥膜 渗透泥膜的建膜速度快，对泥浆指标渗透泥膜的建膜速度
8、快，对泥浆指标变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖面的动态支护。缺点是泥浆滤量大。面的动态支护。缺点是泥浆滤量大。 根据泥浆在土体中渗透的深度和密封效果，可分为：泥皮泥膜根据泥浆在土体中渗透的深度和密封效果，可分为：泥皮泥膜和渗透泥膜。和渗透泥膜。 泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失量小，一般用于开挖面的静态支护。缺量小，一般用于开挖面的静态支护。缺点是失水易开裂和剥落。点是失水易开裂和剥落。泥膜的气密性研究带压作业泥膜的状态模拟u地层细微颗粒含量；u泥浆比重；
9、u泥浆粘度；u泥浆触变比（静切力/动切力) ；u压差；u滤失量；复合泥膜界面压差1泥浆颗粒泥浆颗粒级配级配地层级配泥皮泥膜渗透泥膜高指标泥浆界面压差2满足开舱作业的泥膜形态五、饱和法开舱技术压缩空气开舱技术常压区0.610.610.640.64MPaMPa压力区压力区泥泥水水舱舱人闸舱人闸舱气泡舱气泡舱压缩空气开舱技术存在的弊端：超过压缩空气开舱技术限于6.0bar的极限；每班次压气作业均须执行加压和减压至常压的程序，每班次的有效工作时间仅为2025min，而减压总时间大于180min，工作效率低下，极大的影响工程进度；工作期间，多次执行减压程序，减压病发病率较高，危害进舱人员身体健康；进舱人
10、员呼吸压缩空气，呼吸气体密度增加，呼吸阻力增大，工作能力下降；压缩空气中氮气的麻醉作用，导致进舱人员风险意识和判断能力严重降低，容易出现人身伤害事故。盾构饱和法开舱作业工艺原理盾构饱和法开舱作业工艺原理当体内与外界的中性气体分压达当体内与外界的中性气体分压达到平衡即饱和，人体将不再吸收到平衡即饱和，人体将不再吸收中性气体的带压作业方式叫饱和中性气体的带压作业方式叫饱和带压作业。带压作业。穿梭舱与生活舱分离穿梭舱与生活舱分离穿梭舱运输穿梭舱运输穿梭舱与盾构舱对接穿梭舱与盾构舱对接泥泥水水舱舱人闸舱人闸舱气压舱气压舱地面生活舱地面生活舱氦氦氧饱和气体氧饱和气体0.65MPa0.65MPa盾构饱和法
11、开舱作业工艺原理穿梭舱穿梭舱0.56MPa0.56MPa人工配置混合气体： (5% O2 / 75% He / 20%N2)盾构饱和法开舱技术的优点避免了常规带压开舱每次作业都需要加压、减压的问题，使得舱内工作时间大大延长。在岩石地层磨损严重、维修工作量大、压气维修持续时间较长时，饱和法开舱技术能大幅度减少停机换刀作业时间，加快工程进度。作业人员呼吸专用的压缩氦氧混合气体，既降低作业人员呼吸阻力，又避免了氮麻醉情况的发生。生活舱及生活舱控制室穿梭舱 人闸舱 穿梭舱运至隧道 起吊穿梭舱 行走轨道铺设 穿梭舱在轨道上的运行 穿梭舱横移并与拼装机吊臂连接 通过拼装机旋转吊运穿梭舱 穿梭舱与人闸舱对接
12、六、饱和法开舱技术应用实例第513环饱和法开舱换刀实例513环盾构开挖面地层分布图9m9m砂卵石层卵砾石层砂层泥浆液面开挖面空气压力为开挖面空气压力为0.61MPa0.61MPa暴露在空气中的泥膜面积高达110.710.61MPa压力状态下开挖面泥膜实景冲掉泥皮后冲掉泥皮后的渗透泥膜的渗透泥膜泥皮泥膜泥皮泥膜复合泥膜原状复合泥膜原状复合泥膜现场检测复合泥膜现场检测开挖面开挖面刀盘刀盘滚刀滚刀泥皮厚度泥皮厚度检测检测顶部泥膜状态顶部泥膜状态0.61MPa压力状态下带压作业实景人员进仓新滚刀安装滚刀磨损检查旧滚刀拆卸旧滚刀搬运拆出的旧滚刀 南京纬三路过江通道工程N线隧道盾构段全长约3564m，共计1782环，粉砂岩段总计505m。S线隧道盾构段全长约4135m，共计2070环，粉砂岩段总计560m。截止目前两条隧道共计采用饱和法开舱约300次，约2000h，如果采用压缩空气开舱估计需要上万小时，开舱费用将增加20倍，在该工程中采用饱和法盾构开舱技术对该工程顺利贯通起到了难以替代的作用。隧道安全、顺利贯通！ 我们仍在进一步探索，希望能在不懈的努力中有更多我们仍在进一步探索，希望能在不懈的努力中有更多的收获，和您一起，实现我们同一个目标的收获，和您一起，实现我们同一个目标-谢谢各位！谢谢各位！请各位领导多提建议！