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盾构机的改革思路

已有 735 次阅读 2019-8-14 22:52 |个人分类:农林科技|系统分类:科研笔记| 掘进机, 隧洞, 技术, 高效

盾构机的改革思路

目前流行的盾构机是压力平衡式盾构机,包括土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。那么为什么盾构机要强调压力平衡呢?压力平衡对于盾构机的性能有什么影响呢?盾构机一般有几百吨重,而且一般有八个以上的液压千斤顶,千斤顶加上自重产生的压力非常大,这个压力和盾构机前面的土体形成一对作用力和反作用力,所以盾构机给于土体的压力非常大,这种压力有两个作用,一个是挤压土体和土体中的泥水,让它向着隧洞边缘流动,这样隧洞护壁更加紧密,土体更加稳定,不会变形。第二个作用就是相当于给于隧洞以支护,使得隧洞结实规则,不容易发生垮塌、泄流等灾害,也不会产生大的变形。所以,盾构机都是压力平衡式盾构机。

但是,为了压力平衡牺牲了开凿效率,这一点非常重要。首先,只有含有泥水的地层才需要压力平衡,硬岩石,干土地层不需要压力平衡。硬岩石和干土不会侧向移动,正向压力大无法施加到侧向,而且岩石和干土的自身稳定性能良好,所以压力平衡式盾构机并不合适。只有土壤含有水分的情况下,土壤变为泥水,泥具有塑性,正向压力可以迫使它向侧向移动,这时候压力平衡式盾构机的强大正向压力才起到作用。第二,压力平衡的目的是洞壁结实稳定,但是目前已经有多项替代技术可以保证洞壁稳定,例如渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统、管片安装系统等等。所以,把隧洞开凿和洞壁防护分开考虑,分别采取措施已经是大势所趋。第三,压力平衡盾构导致盾构机的结构不够高效。例如,在压力平衡盾构机中,刀盘必须是平面的,否则压力就不会平衡,但是人们都知道子弹头是抛物线形状,火车机头是抛物线形状,现实中许多向前运动的东西的前端都是抛物线形状,这种形状效率高,摩擦阻力小。对于盾构机来说出渣容易,但是压力平衡式盾构机无法采用。又例如,压力太大盾构机和土体切得紧密,只能在盾构机上安装小尺寸刮刀、滚刀、切刀,无法安装劈刀、分裂棒等等。第四压力平衡式盾构机浪费了巨大的电力。它把岩石彻底粉碎以后从排渣孔排出渣土,严重影响了开凿速度,大量功率用来粉碎和研磨岩石,用了大量时间研磨岩石严重影响了开凿速度。盾构机的自重很大,在每一次前进中都需要巨大的电力,而且不够灵活,对于安装、拆卸、运输都是严重的挑战。第五,压力平衡式盾构机的排渣很困难,大量泥沙和碎石在盾构机的刀盘上要旋转很长时间才能够排出,而这种研磨是没有任何必要的,排渣不及时严重地推迟了盾构机的掘进速度。第六,压力平衡式盾构机的刀具磨损非常严重,而且更换刀具非常困难,不便于人员操作,前端空间很小。第七,压力平衡式盾构机只能前进,不能倒退,这个严重影响了工作,对于维修和支护和应急处理都不利。第八,由于盾构机都是集成模块系统,安装拆卸运输都不方便,包括根据新的情况改装也不方便。也导致其价格非常昂贵。

由于以上缺点压力,平衡式盾构机很难制造直径超过15米的大口径隧洞,所以很难应用于水工隧洞的建设。由于目前的支护技术已经非常先进,压力平衡已经没有必然性,所以我们应该发展研究“压力非平衡组合式盾构机”。

压力非平衡组合式盾构机是针对压力平衡式盾构机的缺点而设计,容纳了其优点的一种新型盾构机。在继承目前盾构机的技术的基础上加以改进。主要的改进之处介绍如下:

第一:机头和刀盘根据岩土特性分类设计。例如硬岩、泥水、干土、流沙、膨胀土等特性不同,那么采取的技术措施就不同,对应的设备就不同。尤其是刀盘、支撑和动力不同。刀盘上刮刀、滚刀、切刀、搅拌棒等的数量和排布也不一样,也可以增加分裂帮、劈裂器、液压钻、水刀等。根据自身特点量身定做。例如硬岩,岩石很硬,洞壁很稳定,岩石可以切割成大块,所以可以做压力非平衡掘进机,刀盘可以做成抛物线形,中间向前突出,方便出渣,刀盘上的刮刀减少,滚刀增加等。又例如泥水平衡式盾构机,可以保持目前的第三代设计,但是刀盘可以适当改进。干土掘进机的刀盘可以多用刮刀,少用滚刀,刀盘可以前突。流沙掘进机则应该优先使用固沙设施,首先喷灌凝固剂,然后掘进。

第二,支护系统前移,提前支护,智能支护。可以强化侧壁边界的支护,用滚筒式掘进器提前切入泥土中,和操作面隔断,不影响操作面。在滚筒式掘进器的侧壁上安装若干感应器,对侧面岩土的稳定性不断监测。同时在滚筒式掘进器的侧壁上安装渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统,提前对洞壁硬化、固化、支护。措施由智能系统决定。

第三,增加滚筒式掘进器或者滚筒式环切刀。滚筒式掘进器安装在刀盘的侧面,让其承受洞壁的侧压力,同时可以比刀盘提前掘进,让滚筒壁支护掌子面。这个设施的使用可以防止非平衡盾构产生的危险,也可以开辟临空面,让掘进更加容易。滚筒式掘进器实际上在1960年已经被英国应用于实际。只是我们设计的滚筒式掘进器可以和刀盘式掘进器结合起来使用,相互是单独的动力,掘进设施和粉碎输送设施分离,滚筒式掘进器主要负责前进掘进,而刀盘主要负责粉碎。

第四,刀盘改革为中心前突的抛物线形状。改为抛物线形状以后盾构机的刀盘是向前突出的。这样的好处是出渣容易,渣土在重力作用下可以自动掉落到出渣螺旋输送机上。另外前突设计可以制造中间临空面,使得周围的掘进更加容易。当然如果是不旋转的刀盘则不需要。

第五,增加盾构机机头的后退装置。第三代压力平衡式盾构机只能前进,无法后退,因为自重很大。但是如果把盾构机的机头设计为可以适当后退,后退距离在1——3米完全可以,这样方便人员进去维修,更换刀具,处理应急事情。可以用千斤顶顶在掌子面上后退。这要求盾构机的前端机头是铆接式连接,可以拆卸。

第六,在大部分隧洞中,隧洞大,进出口小,而且施工空间狭窄,这就要求盾构机可以在隧洞内进行拆卸和组装。因此应该发展灵活拆卸式盾构机,分节分段安装,这就要求各个节段之间有良好的连接设施,尤其要对连接点的安全措施做好。

根据以上改进意见,我们也设计了一种新型的“硬岩滚筒式掘进机”:

1,掘进设施:掘进设施主要是滚筒式掘进器,滚筒式掘进器实际上就是一个圆柱形钢管,钢管的直径可以很大,从10米到30米都可以,在钢管的前端管缘上安装水刀,水刀的作用相当于凿岩先锋,直径15米的钢管的直径是47米,可以安装2331个水刀,水刀的喷水方向可以是正前方、也可以倾斜10——30度,倾斜的水刀可以把开凿的岩石缝隙扩大。水刀的后面、钢管的内壁安装超硬度的滚刀,滚刀的方向和普通的盾构机的方向不同,其切割方向是隧洞方向垂直的,和滚筒式掘进器的旋转方向一致,其目的是把水刀切割的狭窄的缝隙扩大。直径15米的钢管内侧,从前端向后可以依次安装切割直径为1厘米,2厘米,3厘米,4厘米,6厘米,8厘米的滚刀各2331个,滚刀的中间可以安装若干刮刀,目的是把滚刀切破的岩石从大岩石上分离。滚筒式掘进器的长度大约56米,滚刀安装在前端0.1——4米,后边的2米可以安装搅拌器。由于滚筒式掘进器是隧洞的最外围,所以实际上这个滚筒式掘进器是一个安全装置,可以防止岩爆、防止落石,防止涌水危害。它和其它设备基本不接触,可以单独使用动力,而且它只会旋转,所以旋转的动力传动装置可以简单化,不使用法兰,而是使用齿轮来传动,由于是钢管形式,消除了不必要的扭矩,钢管自身的形状和尺寸消除了横向扭矩,所以在钢管尾部加力,整个钢管都会旋转,因此把齿轮安装在滚筒式掘进器的尾部,可以使用4个异步调速电动机带动。这种传动安装简单,维护方便,动力强大,节省电力。滚筒式掘进器的前进可以使用传统的千斤顶向前顶压。滚筒式掘进器有一个巨大的优点就是可以持续不间断地旋转掘进,因为它是一个独立系统。

2,碎岩设施:滚筒式掘进器只能把岩石切割成为一个具有宽度大约为610厘米的圆环型临空面,临空面里面的岩石实际上还是一块整体岩石。如何把岩石按照要求粉碎,达到运输的理想尺寸呢?我们抛弃了传统的旋转刀盘和滚刀设施。而是让刀盘不旋转,并且和滚筒式掘进器之间保留缝隙,互不链接,在刀盘上不再安装滚刀和刮刀,而是以同心圆阵列形式排布液压钻机和分裂棒,利用岩石的脆性特点粉碎岩石。由于分裂棒的瞬时压力在60——80兆帕,而岩石的硬度往往超过250兆帕,所以分裂棒只能劈裂较薄的岩石,为此我们设计一个“层层剥皮式”劈裂法。分裂棒在存在临空面的时候劈裂效果最好,我们用滚筒式掘进器开凿的间距为610厘米的圆环型临空面在外围,因此首先劈裂外围岩石,因此同心圆阵列钻头位置排布如下:以钢管圆心为引出点,在半径为1米,2米,3米,3.6米,4.2米,4.7米,5.2米,5.66.2米,6.77.1米(可以利用实验数据排布)的同心圆上、间隔1.5米排布钻头,钻头的数量分别为4个,8个,12个,15个,17个,20个,22个,23个,26个,28个,30个,总共205个钻头,最外面的同心圆的间距为0.4米,中间的同心圆间距为0.6米,最里面的同心圆间距为1米,同样的,在每一个钻孔傍边安装对应的分裂棒,同样是205个。在劈裂的时候分层劈裂,最外面的30个钻孔距离临空面很近,首先劈裂最外层,最外层的30个分裂棒开启使用,其它175个不启动。劈裂的结果是最外面0.4米内的岩石分裂成为碎石。这时候由于滚筒式掘进器在旋转,在旋转和自身重力作用下,碎石会掉落下去,一部分进入出渣孔,一部分掉落到了低处。在刀盘的低处,利用钻头和分裂棒的间隙,安装螺旋输送机,把渣土输送出去。这样一来外围的临空面的间距改变为50厘米,临空面更大,劈裂更加容易。然后启动临近一圈28个分裂棒,让临空面增大到90厘米,依次地临空面会增加到140厘米,200厘米,240厘米,290厘米,340厘米,400厘米,460厘米,560厘米和660厘米。随着临空面的增加,岩石运动的空间增加,岩石在运动的时候互相之间的碰撞机会增加,因此没有粉碎的岩石就容易开裂粉碎。如果每次劈裂的时间是2分钟,那么每间隔22分钟就可以把全部岩石劈裂完成。可以确保推进2米。从上面可以看出,掘进设施和碎岩设施是两个不同的系统,互不干涉,粉碎的过程中不需要掘进设施停机等待,这个就能够大大加快掘进速度。而且钻机分次分批的钻探,震动也能够起到劈裂作用。

3,出渣设施。在刀盘上虽然安装了205个钻头和205个分裂棒,但是由于刀盘的面积高达176平米,所以还有大面积的区间可以开孔,利用开孔可以出渣。最大的开孔空间是1*1米,可以出1米以下的碎石,可以有10个开孔。由于碎石在重力作用下下落到了隧洞底部,所以在刀盘的底部可以少安装一个钻头,腾出80厘米的空间宽度,空间的长度达到1.5米,利用这个开孔安装1个螺旋输送机,从掌子面出渣。这样,出渣孔可以达到11个。输送带可以安装3——6个,出渣效率很高。由于刀盘不旋转,而滚筒式掘进器在不停地旋转,所以碎石会随着滚筒式掘进器而旋转,在旋转的时候互相破碎,也就有机会排出出渣口,所以滚筒式掘进器也是一个出渣设施。有了它,可以不需要更多的搅拌器,也不需要刮刀。如果30分钟能够前进1.52米,那么每小时可以前进3——4米,每天可以掘进7296米,每个月可以掘进2160——2880米,每年可以掘进25.9——34.5公里。掘进的效率非常高。

第三代盾构机在开凿和粉碎上是一体化的,这个严重影响了开凿速度和出渣速度。这里设计的掘进机把开凿和粉碎分别由两套互不干涉的设施承担,开凿可以持续不断,而粉碎则从外向里面一层一层粉碎,粉碎之后的出渣利用了重力,刀盘并不直接接触掌子面,在刀盘和开凿面之间还有一定的间隙。为了利用重力,刀盘可以设计为向前突出的抛物线形状,让落石直接落入出渣口。刀盘的作用不再是掘进,也不再是粉碎设备,而是安装和固定钻机,排布分裂棒的固定器,而且刀盘也有防护作用,让粉碎在刀盘和掌子面之间进行,避免机器和人员损伤,也可以防止坍塌流石等突发事件。有了空间,人员可以自由进出,方便维护和应急。

传统的第三代盾构机只能开凿直径在15米以下的隧洞,但是新型的“硬岩滚筒式掘进机”由于实现了开凿和粉碎的分离,所以原则上可以开凿任意直径的隧洞,例如15米以上到30米直径的水工隧洞,可以满足任何需求。

刀盘上的钻头可以一次钻探,分次劈裂,劈裂采取的是分层剥皮式劈裂,这样可以避免一次开动所有分裂棒造成的瞬时高电压高电流损伤,也可以保证分裂的碎石的尺寸不超过一米,确保出渣没有阻碍。分层剥皮式劈裂可以保证分裂的碎石大小均匀,尺寸合适,出渣有序,避免拥堵。所以,分层剥皮式劈裂是一个很重要的开凿工艺。

滚筒式掘进器前端的水刀需要大量的水,而这些水在完成劈裂任务以后可以减少粉尘,也可以冲刷碎石,让碎石之间的摩擦减少,增加出渣效率。几十个水刀和上百个大小不同的滚刀刮刀环形切割,可以保证切割高效和快速,也可以降低刀具温度,避免金属疲劳,提高工作效率。

由于这种机头开凿效率高、速度块,所以对于隧洞的防护和安全提出了更高的要求。在掘进机的后部应该家装更多的支护设施,其中一个就是钢管式护壁,另外可以安装更多的泡沫系统、注浆系统和混凝土速凝系统。此外,刀盘上几百个钻头和分裂棒也对电机系统有了更高的要求。

总体来说,新型的“硬岩滚筒式掘进机”采取了以下设计:掘进采用钢管式滚筒掘进器,其旋转和前进分别使用不同的动力传输系统,旋转采用传统的齿轮式,前进采取千斤顶顶压式。采用抛物线前突式刀盘,刀盘不再是粉碎设备而是防护固定设备,刀盘加装了上百个液压钻头和分裂棒。粉碎岩石使用分裂棒,采取了分层剥皮式劈裂;出渣采取螺旋式输送机和皮带传输相结合。掘进机头和掘进机的其它设施采取组装可拆卸式。所以,这种掘进机和传统盾构机,或者TBM完全不同。

 

 




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