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1993年 英法海峽隧道:隧道盾構掘進機(三)

作者:阿樓編譯   阿樓博客裡  2003/5/29 23:55:00   来源:阿樓翻译
 從隧道施工考慮,英法海峽隧道施工劃分為12個區段。
  英國一側有6個區段,從莎士比亞峭壁隧道工地開始掘進。法國一側有6個區段,從桑加特隧道工地開始掘進。工程施工包括兩個三條各自通至兩個岸邊終點的陸地隧道掘進和兩個三條在英法海峽水下對接的海底隧道掘進,所有12個區段隧道都是採用盾構掘進機施工。
  為加速長距離海底6個區間段隧道的施工,這些盾構掘進機是根據連續施工開挖和襯砌獨立拼裝的要求進行設計的。所有盾構掘進機都配置ZED型鐳射測量導向儀。ZED型鐳射測量導向儀為盾構操作者連續提供有關盾構位置和軸線的資料資訊,以便及時調整控制。
  共有11台盾構掘進機進行英法海峽隧道工程12個區間段的隧道掘進,其中4台盾構掘進機在海底施工。
  每台盾構掘進機長度為200m,造價大約為950萬英磅。
 
  (一)英國一側後構掘進機
  1.盾構掘進機分佈
  英國一側的隧道工程由6個區間段部分組成。使用6台盾構掘進機進行施工。其中兩台由蘇格蘭詹姆斯·家登公司製造(11號區間段南面陸地鐵路隧道的盾構掘進機和12號區間段北面陸地鐵路隧道的盾構掘進機)。
  英國一側的隧道工程開始在藍色白堊地層中掘進(平均抗壓強度在5~9MPa之間)。實際上英國一側隧道工程和整個長度,都在該藍色白堊地層中施工。1974~1975年進行的英法海峽試驗隧道工程,長度為350m。根據該試驗隧道所獲得的施工經驗和鑽孔勘測調查,詹姆斯·家登公司設計製造的盾構掘進機,為開啟式刀盤切削頭形式。刀盤上裝有滾刀和切削刀頭。根據設計原理,盾構掘進機的切削刀盤轉速是固定的,電動馬達能在順轉或逆轉方向上均有兩種切削速度可供選擇。
  英國一側的盾構掘進機都是通用型的。開啟式盾構機械前部設置全斷面切削刀盤。服務隧道的兩台盾構掘進機(直徑分別為5.38m和5.66m)和兩台直徑8.76m的陸地區間鐵路隧道的盾構掘進機,均由英國豪登公司提供。兩台直徑8.36m海底鐵路區間隧道的盾構掘進機,由羅賓斯/馬卡海姆合資公司提供。盾構掘進機在英國馬卡海姆公司所屬的切斯費爾德工廠製造。
  兩台直徑8.76m海底鐵路區間隧道盾構掘進機所具備的一個顯著特點,是配置了20只1260kN的液壓幹斤頂。每只千斤頂對角傾斜於鄰座千斤頂,不需要使用另外的方向幹斤頂,就能控制盾構方問和旋轉。海底隧道三台盾構掘講機的另一個特點,是推講時即使遇上開裂地段或舊時鑽孔,螺旋輸送機亦可從盾構工作面撤回。以便關閉液壓制動閘門,將湧入的水流同後面的隧道隔開以防水淹。盾構掘進機環形間隙的周邊密封也將封閉。海峽隧道施工時所有的盾構掘進機運行正常。由於海底盾構掘進機在塊狀結構地層中施工,需要對盾構工作面周圍進行注漿加固,所以盾構掘進機需要在某些方面進行改進。
  2.防淹裝置
  英國一側的盾構掘進機在施工時,開挖工作面沒有機械支撐,出上直接通過皮帶運輸機運出。為預防不可預見的水流湧入隧道,對盾構多處組合細節進行了改進。皮帶運輸機可在幾秒鐘內縮回,隔艙的開口部分能自動關閉。英國一側的陸地隧道盾構掘進機,沒有自動縮回關閉作業裝置,因為陸地隧道遭遇水淹的風險極微小。
  羅賓斯/馬卡海姆公司的盾構掘進機,在海底遭遇水流施工時,一種寬200mm的鋼板制扇形葉片從切削頭後面呈輻射狀伸出,將盾構操作區四周封鎖起來。但是來自暴露區地層中的水流仍然會在盾構撐腳密封處和最後一環襯砌之間的空隙通入。為防止這種情況發生,可將鋼板制的防護葉片從盾尾處合上,構成這個空檔的臨時密封護殼。除了採取這些措施以外,主撐腳上的自動保險裝置會產生足夠的壓力,崩破岩壁,將盾構掘進機楔進隧洞內。
  同時也需在盾構掘進機和襯砌空檔之間的指狀支撐上,設置一個罩蓋,以防楔形岩塊下墜落入隧道。但是"指狀"支撐在初始實施時,因漲開式襯砌而受到限制和陷落。為緩解這個難題,在指狀支撐之間,設置薄型不銹鋼葉片覆蓋,這樣盾構掘進機在這種惡劣地層中向前掘進500m後,進入較好的地層。
  3.盾構液壓撐腳
  英國一側的盾構掘進機使用液壓將撐腳裝置伸出,支撐在地層上。盾構切削頭的撐杆也後靠在撐腳裝置上。這樣,盾構掘進機就能協調地向前掘進,隧道襯砌也因而向前延伸。只是在軟土地層中,撐腳裝置和切削頭之間的推力轉換受到限制,需要通過輔助液壓千斤頂來轉換推力。
  寬1.5m的鋼筋混凝土管片,設計成不串螺栓的栓接襯砌。在管片接縫處,設置海露羅苔特膨脹密封帶。襯砌管片在盾尾後面進行拼裝,在楔形封頂塊拼上時,管片背部就緊貼岩壁。
  詹姆斯·豪登公司製造的盾構掘進機,用於7號、10號、11號和12號區間段隧道施工。這些盾構軀身分為兩節,套筒接合,盾構前面一節可由旋臂把手操縱控制。羅賓斯/馬卡海姆公司的兩台海底隧道盾構掘進機,由切削頭後面的推進千斤頂操縱。沿盾構掘進機周邊成對排列的於斤頂,由雙聯式液壓泵送系統操縱控制,每對千斤頂呈"V"型對著盾構掘進機的後面。
  11號和12號區間段陸地隧道的豪登公司盾構掘進機切削頭,配置8條切削扭臂,上面裝有236個滾刀。滾刀裝配在一個直徑為5m的羅特·艾達整體旋轉式軸承上。
  兩台羅賓斯/馬卡海姆公司的盾構掘進機,用於英國一側8號和9號區間段海底鐵路隧道的施工。每台掘進機都是由長15m的雙節式盾構組成。盾構切削頭的支撐部件,包括一個回轉環主軸承,盾構切削頭就安裝在這個主軸承上。這個切削頭支撐部件是固定在前部盾構上,前部盾構裝有主要千斤頂和10對角度千斤頂。這些千斤頂的行程跨越前部盾構和後部盾構之間的空檔,並操縱控制盾構掘進機向前推進。
  兩套撐腳墊塊具備三點撐腳作用,以密切配合盾構掘進機保持在設計軸線高程。根據設計,這個三點撐腳的中間點正好處在仰拱之間。這樣設計的三腳撐就更加穩固,而且在盾構掘進機推進前方空間位置不太大的情況下,讓液壓杠杆裝置發揮作用。
  4.出土輸送
 出土由門式移動吊車作業範圍的系列運輸機送出,裝入姆霍瑟側面傾卸車。出上傾卸運輸是朝反方向的,所以只有一半車輛裝滿,然後重複反向出上傾卸運輸,再讓剩餘出土裝車。
  為滿足大部分出土運輸的服務需求,在盾尾車架後面的吊機架下,留出足夠的空間,鋪設雙線軌道,以便同時讓一輛運土列車進行裝土,另一輛運土列車進行運輸或在莎士比亞峭壁地下廢土倉進行傾卸。
  5.襯砌拼裝
  由於英國一側使用兩種不同類型的盾構掘進機,其管片的提升用銷釘位置也不同。詹姆斯·豪登公司的盾構掘進機,使用兩只有角度的銷釘,串入管片的一對孔內。羅賓斯/馬卡海姆公司的盾構掘進機的管片則設置單只銷釘。
  詹姆斯·豪登公司的陸地隧道盾構掘進機,使用瑞士羅瓦設計的拼裝系統。該拼裝系統主要依靠2輛沿15m長的三角形框架兩側運輸的有軌運輸車,將所有管片貯存在隧道底的仰拱部位,管片在此提起。雙頭拼裝機的工作運轉範圍為200°,但其中的一個拼裝頭工作時,其運轉範圍可增至380°。
  每環襯砌由8塊管片組成。其中1塊重7.7t,5塊重5.st,2塊重1.8t,封頂塊管片重1.8t。4對組合千斤頂將未拼好圓環襯砌的上部管片,保持在適當的位置,直至封頂塊管片拼裝到位。拼裝機除設有專用的動力裝置外,還安置拼裝防撞裝置。
 兩台羅賓斯/馬卡海姆公司的盾構掘進機,使用4台獨立工作的管片拼裝機。管片是從上部管片運輸線或從下部管片輸送線運送到位。2台仰拱拼裝機從下部輸送線集合3塊管片,提取就位,並提抓封頂塊管片準備拼裝就位。完成後,上部輸送線運送剩餘的5塊管片。由另外2台拼裝機進行集合和就位拼裝。襯砌管片以交錯排列的形式進行拼裝,仰拱管片就位比上部管片就位至少提前一環。
  6.盾構對接
  1990年10月30日,英法海峽服務隧道經過近兩年的連續掘進,英國一側豪登公司盾構和法國一側羅賓斯公司盾構,在海底離對接相距100m時停止了推進。在兩台盾構之間,用直徑60mm的探頭進行鑽進。這個鑽孔距英國莎士比亞峭壁隧道工地22319m,距法國桑加特隧道工地15618m。鑽孔的鑿通,標誌著英國和法國之間自冰期年代以來這兩塊土地首次連在一起。
  隨後,英國一側豪登公司的盾構掘進機偏離施工軌線,進入隧道旁側,報廢埋入混凝土裏。法國一側羅賓斯公司的盾構掘進機再推進60m後,進行拆卸整修,並運回地面。最後的對接施工,由坑道挖掘機和人工風鑽來完成。
  (二)法國一側盾構掘進機
  法國一側的隧道工程開始是在含水的白色的灰色白堊地層裏施工,然後進入完全不滲透的藍色白堊地層。這個地層被認為是隧道工程施工理想的中間地層,因而法國一側的盾構掘進機採用土壓平衡式設計方案。盾構施工作業面,無需任何的支撐措施。
  法國一側使用了土壓平衡盾構掘進機,施工中要對付的地下水壓力高達0.95MPa,由於隧道要經過多處自然斷裂地層,採用這種盾構掘進機是合乎實際的。法國一側的海底服務隧道盾構掘進機的一個顯著特點,是配置了一個套筒式能伸縮的切削刀盤。這種能伸縮的切削刀盤可在盾構前面掘進。在這種難以施工的地層裏,盾構掘進機只能採用閉胸式施工。盾構掘進機的尾部周邊密封裝置是使用4道塗上油育的鋼絲刷。
  法國一側的土壓平衡盾構掘進機。在最初6000m海底服務隧道施工中,經歷了極其困難的階段。在這6000m裏,1號區間段海底服務隧道處於含水軟土地層時遭遇的最大地下水壓力達0.92MPa。
  1.盾構掘進機分佈
  法國一側隧道工程共有6個區間段,使用5台盾構掘進機。其中1號區間段海底服務隧道使用一台美國羅賓斯公司的盾構掘進機;2號區間段北面海底鐵路隧道和3號區間段南面海底鐵路隧道使用兩台羅賓斯/川崎公司的盾構掘進機;4號區間段陸地服務隧道使用一台日本三菱公司的盾構掘進機;5號區間段北面陸地鐵路隧道使用一台三菱公司的盾構掘進機,掘進結束後,再進行南面陸地鐵路隧道的掘進,見圖6。
  2號和3號區間段海底鐵路隧道,使用羅賓斯/川崎公司的盾構掘進機。盾構掘進機設置側向撐腳錨壁系統,能用於較硬的藍色白堊地層中施工。
  1號、2號和3號區間段隧道的盾構掘進機,都有一個鉸接,鉸接的盾構前部直徑小於盾構後部,以便液壓千斤頂操縱控制工作。4號和5號區間段隧道的三菱公司盾構掘進機,也同樣利用千斤頂控制盾構方向,顯示出高度的機動性。
  2.盾構形式
  法國一側1號區間段隧道的羅賓斯公司盾構和2號、3號區間段隧道的兩台羅賓斯/川崎公司盾構,設計為一種既能應付堅硬岩層又能適應軟弱地層的混合式盾構掘進機。能進行開啟式和闊胸式掘進施工。開啟式施工時,盾構掘進機如同岩石鑽進機一樣,使用帶有圓盤式滾刀和靠後30mm裝有刀頭的切削頭。切削頭向前掘進時,盾構軀身保持錨固不動,出土通過螺旋輸送機傳送到鏈動輸送機上,再送至軌道裝土車,最後送到桑加特工作井底的泥漿處理裝置裏。真空管片拼裝機在盾尾延伸範圍之間進行圓隧道混凝土襯砌拼裝。在襯砌拼裝同時,盾構掘進機在施工人員的操縱下,可不受干擾地連續向前掘進施工。
  閉胸式施工時,1號區間段隧道的盾構掘進機切削頭縮回,螺旋輸送機末端的釋放閘門關閉,將工作面同盾構掘進機的其餘部分隔絕。盾尾和隧道襯砌之間設置5道充滿油脂的鋼絲刷,主要起密封作用,可防止水流從盾構掘進機後面湧入隧道。為確保密封防水,注漿料在有效壓力下通過灌漿泵注入襯砌和盾構之間的環帶,油脂也在壓力下擠入密封層內.切削頭向前掘進時,盾構掘進機緊隨其後,通過20只液壓千斤頂推離後面隧道襯砌向前推進。
  兩台活塞排泥泵將出土從高壓艙內向外送到常壓區段。每一環掘進行程完成後,進行隧道襯砌的拼裝,然後根據施工組織設計計畫書的要求,對1000m後的隧道襯砌進行壓漿。1號區間段隧道的最後5000m襯砌拼裝時間,每環需用13min。月度最高推進速度為1032m(1990年5月)。
  羅賓斯/川崎公司的2號和3號區間段隧道掘進機,為鉸接盾構,各自長14m,盾構切削頭配置49個單頭圓盤滾刀和232把刮齒.這兩台盾構按設計要求在開始掘進階段的軟土地層中進行氣壓施工,能承受1.5MPa的壓力.待盾構掘進機一旦通過承壓含水地層,就可轉換成開啟式無氣壓施工。開挖出土是通過兩節長15m、直徑分別為1.4m和1.Zm的阿基米德式螺旋輸送機運出。兩節螺旋輸送機的運轉方向相反,因此通過其中一節的變速,將出土壓縮進入一個變動的土塞區段.改變螺旋輸送機的速度,還可使出土的含水量保持正常不變,而可不管土的原來的狀態如何,見圖7。海峽隧道掘進機分佈和性能情況見表1。
  3.土壓平衡盾構出土
  從盾構切削排出的土,通過螺旋輸送機進到活塞卸上裝置,活塞卸土裝置能使所出的土保持在較低的壓力。因為從切削頭排出的土,其壓力可能高達1.IMPa.而皮帶運輸機都處於大氣壓條件下。
  在陸地隧道施工中,盾構掘進機一直處在含水地層中。自由端頭螺杆使粘稠泥土在開挖艙底部聚集.有兩個特殊裝置裝在兩節螺杆上,使得壓力下降。一個是套管旋轉器,部分靠近套管旋轉器的螺杆在旋轉時可使壓力降低值增加,另一個是對螺旋輸送機後面的排放閘門進行控制,用以控制排放到皮帶運輸機上的出土量。服務隧道的盾構螺旋輸送機,設置第二節螺旋輸送機,與第一節螺旋輸送機配套使用。
  海底一側,隧道的較大部分都位於乾燥地層中。開挖出土都是由安裝在切削刀盤邊緣的鏟頭挖集,然後倒入盾構掘進機中心軸下面的螺杆進口槽筒。安裝兩個分隔裝置,進行降壓。
  服務隧道盾構掘進機,兩個活塞進出裝置安裝在螺旋輸送機出口,各自形成一個上艙。螺旋輸送機的交替排放,形成一個半連續性的送上狀態.隨著活塞汽缸的退縮和出口閘門的關閉,螺旋輸送機出土借助其重力排落.
  鐵路區間隧道日本川崎公司的盾構掘進機,也安裝了兩節串聯螺旋輸送機。第二節螺旋輸送機的旋轉減速及其相對於第一節螺旋輸送機的退縮,使在第一節螺旋輸送機和第二節螺旋輸送機之間產生土塞。土塞形成後,第二節螺旋輸送機繼續轉動,出土臨近土塞時,轉速增快,使出土順利排出。出土從第二節螺旋輸送機的出口排落在皮帶運輸機上。開挖艙內壓力甚小或沒有壓力時,第一節螺旋輸送機將直接進行排土。然後,出土通過皮帶運輸機,送入盾構掘進機後面的軌運裝泥車裏。
  盾構掘進機開啟式掘進施工時,出土不經過兩節螺旋輸送機路線,幾乎直接落在主要皮帶運輸機上,然後再傾卸在輔助運輸機上。開啟式和閉胸式兩種施工法的出土途徑相同。出土跟隨輸送機排入裝土翻斗車內,然後再送至桑加特料坑.在此,將出土倒入大桶,再製成泥漿,用泥泵送到位於方德彼得諾的棄土堰.
  2號和3號區間段海底鐵路隧道的盾構掘進機,距前面的1號區間段服務隧道盾構掘進機約有2000m。保持這樣的距離有利於對1號區間段海底服務隧道盾構所遭遇的水流湧入地段,通過襯砌實施壓密注漿.
  2號和3號區間段隧道的盾構掘進機在開啟式掘進施工中,使用盾構軀身前部的6只液壓撐腳和軀身後面的4只液壓撐腳.撐腳張開錨固時,16只推進行程為1.65m的千斤頂開始工作,使用可延伸的切削頭向前推進。盾構將撐腳收回後,依靠盾尾襯砌的反力,使盾構自身向前移動。
  4號和5號區間段陸地隧道掘進機是泥水盾構,由日本三菱公司製造。當採用閉胸式施工時,盾構除了設有兩節阿基米德式的螺旋輸送機外,還使用了套管旋轉器,主要用作減壓系統。
  4.襯砌拼裝
  法國一側的隧道襯砌是採用預製混凝土管片構成,用螺栓聯接。襯砌管片均在盾尾內進行拼裝,這是與英國一側不相同的,英國一側襯砌直接背靠在白堊地層岩壁上。
  海底鐵路區間隧道,每環襯砌由5塊8t重的管片和1塊封頂塊管片組成。6塊管片由載運列車運送到鐵軌端頭,然後由高架管片運輸機提起,送到拼裝位置。真空舉重臂再將管片遞送給兩台獨立工作真空拼裝機的其中一台,真空拼裝機將管片拼裝就位。
 
阿樓編譯自《國際隧道與隧道工程》
 
 
 

点数:23288 发布:順頌 编辑:阿樓翻译 联系:louruyue@sina.com
 
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