青島膠州灣第二海底隧道工程連接青島西海岸新區淮河東(dong) 路,向東(dong) 沿劉公島路下方敷設,穿越膠州灣, 至青島港附近登陸,在海泊河口銜接青島東(dong) 岸城區,采 用雙向6車道主隧道加中間服務隧道的布置方式。 工程主線全長17.5km,其中,隧道長14.36km(海域9.95km+陸域段4. 41km),隧道最大埋深距海平麵112m(盾構隧道約94m)。采用米兰国际在线娱乐工法,對於(yu) 優(you) 化城市空間結構、促進兩(liang) 岸同城同質化發展、緩解跨灣通道交通壓力等具有重要的戰略意義(yi) 。
為(wei) 緩解海底隧道盾構段施工中存在的關(guan) 鍵問題,以青島膠州灣第二海底隧道TJ-06標段為(wei) 實際工程背景,針對“深藍號”超大直徑泥水平衡式盾構長距離、高水壓穿越上軟下硬土岩複合地層、全斷麵凝灰岩、斷層破碎帶、全斷麵花崗岩時的刀盤刀具磨損、刀具破岩能力不足、泥水艙滯排、刀盤泥餅堵塞和盾尾密封失效與(yu) 主驅動密封失效等關(guan) 鍵問題與(yu) 難點進行針對性設計與(yu) 研究,采取減小刀間距、優(you) 化刀具布置與(yu) 形式、采用大直徑短螺旋後接顎式破碎機排渣模式、加強並優(you) 化刀盤與(yu) 泥水艙的衝(chong) 刷等設計方案,實 現了降低能耗、減少刀具損壞、緩解泥水艙滯排、提高施工效率,並極大地確保了施工安全的實施效果。
地下空間的大規模開發對於(yu) 加速城市化建設和可持續經濟的發展至關(guan) 重要。隨著科學技術的進步與(yu) 發展,以及基礎建設需求的提高,越江跨海的水下泥 水盾構隧道逐漸麵臨(lin) 長距離、高水壓、大埋深、大直徑、地質複雜等挑戰,大直徑泥水盾構長距離掘進條件下的刀盤刀具磨損、常壓刀盤破岩能力不足、泥水艙滯 排、刀盤泥餅堵塞和盾尾密封失效等關(guan) 鍵問題,仍嚴(yan) 重影響盾構施工的安全性與(yu) 掘進效率。複雜多變的地質情況與(yu) 水文條件也給超大直徑泥水盾構的設備選 型與(yu) 適應性帶來了嚴(yan) 峻挑戰。目前,超大直徑泥水盾構在堅硬岩石地層中的掘 進備受盾構隧道行業(ye) 的關(guan) 注,同時也是盾構隧道建設的一大難點。其中,提升刀具破岩能力和減少刀具磨 損問題是實現超大直徑泥水盾構在岩石地層中安全高 效掘進的必要前提。此外,當環流係統的排放能力不足或渣石具有大的顆粒尺寸和高的含量時,挖掘的岩屑容易沉積在開挖艙的底部,隨著時間的推移,開 挖艙極有可能會(hui) 堵塞,即會(hui) 發生滯排問題,嚴(yan) 重降低盾構的掘進效率。當盾構在土岩複合地層中掘進時,刀盤結泥餅與(yu) 刀筒堵塞也給盾構刀盤刀具的衝(chong) 刷係統帶來了新的挑戰。為(wei) 從(cong) 根本上緩解超大直徑泥水盾構施工過程中的 多種難題,優(you) 化超大直徑泥水盾構結構選型,提出盾構針對性設計方案具有十分重要的工程意義(yi) 。
工程概況
青島膠州灣第二海底隧道地理位置示意圖
1.項目整體(ti) 工程采用鑽爆法+盾構法組合施工工法
主線隧道采用1台直徑為(wei) 15.63m的超大直徑泥水平衡式盾構施工,從(cong) 青島端始發,向海中掘進,在海 底與(yu) 鑽爆法隧道對接,並拆解硐室完成接收。盾構隧道全長3258.032m,隧道外徑為(wei) 15.0m,內(nei) 徑為(wei) 13.7m,始發坡度為(wei) 4%下坡,水平夾角為(wei) 1.615°。
主線隧道上層為(wei) 行車空間,下方廊道空間為(wei) 4m×3.5m,除中間箱涵、兩(liang) 側(ce) 車道板(疊合板下層結構)、上部排煙道板采用預製法 施工外,其餘(yu) 均采用現澆法施工,主要包括牛腿、兩(liang) 側(ce) 邊箱涵車道板(疊合板上層結構)、防撞側(ce) 石以及疏散 樓梯等內(nei) 容。管片結構環寬2.1m,采用“7+2+1”分 塊模式,為(wei) 雙麵楔形通用環,采用錯縫拚裝。
2.水文地質情況
盾構隧道掘進範圍內(nei) 地層岩性主要分為(wei) 3大類型,分別為(wei) 土岩複合 (上軟下硬)地層(542 m,見圖3(a))、凝灰岩地層 (2 645 m,見圖3(b))、花崗岩地層(72 m,見圖 3(c)),其中粉質黏土的自然含水率約為(wei) 26.4%,密度 約為(wei) 1.89 g/cm3,黏聚力約為(wei) 25 kPa。凝灰岩的石英 含量占比約為(wei) 25%,花崗岩的石英含量占比約為(wei) 45%。此外,盾構段較大斷層有2處,第1處位於(yu) 全斷 麵凝灰岩地層中間位置,上覆土主要為(wei) 凝灰岩地層,未 與(yu) 海水聯通;第2處為(wei) 全斷麵凝灰岩與(yu) 全斷麵花崗岩 交界處,上覆土主要為(wei) 凝灰岩地層,未與(yu) 海水聯通。拱 頂覆土埋深為(wei) 12.82~69.63 m,承受最高約0.96 MPa 的高水壓,圍岩以V級為(wei) 主,部分為(wei) Ⅳ級和Ⅵ級,主要 是凝灰岩與(yu) 流紋岩,岩質軟硬不均,強度差異較大。地 層岩石強度特性如表2所示。此外,根據鑽探結果可 知,盾構隧道穿越多處斷層破碎帶,斷裂帶及其影響範 圍的圍岩穩定性差,節理裂隙多、含水量大,且受主斷 裂影響,次生斷裂帶較為(wei) 發育,具體(ti) 表現為(wei) 岩內(nei) 局部岩 體(ti) 破碎—極破碎,且分布規律性較差,各破碎帶之間連 續性不強,在平麵位置上線、帶狀分布特征不明顯,主 要影響帶寬度推測可達300 m左右。
盾構隧道斷麵圖
表 主線隧道管片技術指標
盾構隧道地質剖麵圖
表 地層岩石強度特性
盾構施工麵臨(lin) 的主要難題
膠州灣第二海底隧道TJ-06標段所麵臨(lin) 的主要難題是長距離穿越多種不同性狀的堅硬岩石地層,這 無疑給盾構的刀盤刀具切削性能以及環流係統的排渣 性能帶來了嚴(yan) 峻挑戰;同時,在穿越上軟下硬的土岩複 合地層時,需防止刀盤結泥餅與(yu) 刀筒堵塞,這也給刀盤的衝(chong) 刷係統帶來了新的挑戰。此外,盾構在最高水壓 0.96 MPa的情況下,還會(hui) 存在盾尾密封失效等安全問 題。基於(yu) 此,本項目針對上述典型問題進行針對性的設計與(yu) 改進。
1.滾刀破岩效率與(yu) 磨損問題
膠州灣第二海底隧道項目盾構段要求刀盤刀具的破岩效率高。然而,長距離硬岩地層中掘進麵臨(lin) 主要問題是刀間距及刀具承載問題,以及上軟下硬地層刀 具的非正常損壞(如圖4所示)、刀盤刀具過量磨損或 偏磨而導致的盾構被迫停機換刀。綜上,穿越不同性狀的土層、岩層對盾構刀盤刀具的選型設計提出了較 高的要求。
滾刀刀具斷裂與(yu) 偏磨示意圖
2.大粒徑岩渣泥水艙滯排問題
當排渣係統的排放能力不足或當盾構穿越破碎帶時,岩屑具有大的顆粒尺寸和較高的含量,挖掘的岩屑 容易沉積在開挖艙的底部,開挖艙極有可能會(hui) 發生滯排問題。為(wei) 了從(cong) 根本上緩解開挖艙堵塞的問題,提出一種有針對性的新型設計來提高超大直徑泥水盾構的排渣性能是至關(guan) 重要的。
環流係統堵管卡泵示意圖
3.刀盤中心堵塞與(yu) 結泥餅問題 由於(yu) 隧道直徑較大,受邊緣刀盤線速度限製,刀盤 中心轉速往往不足,加之常壓刀盤中心很大範圍內(nei) 無 開口,導致穿越黏性土層時刀盤堵塞情況時有發生。當堵塞發生時,由於(yu) 刀盤刀具表麵被渣土黏附,使得刀盤切削開挖麵土體(ti) 的效率降低,從(cong) 而嚴(yan) 重影響盾構施工效率。
4.高水壓盾構盾尾與(yu) 主驅動密封失效問題 盾尾密封係統(見圖7)與(yu) 主驅動密封是保障盾構 在工作時不發生密封失效進而導致工程事故的關(guan) 鍵係 統之一,對盾尾密封裝置在麵對長距離、高水壓水下掘 進時的耐久性、實用性、密封性提出了更高的要求。
超大直徑泥水盾構關(guan) 鍵部件針對性設計
1.刀盤、刀具針對性設計
盾構隧道需要穿越全斷麵硬岩地層與(yu) 上軟下硬土 岩複合地層,盾構刀盤刀具應具備較強的破岩能力與(yu) 掘土性能,且要考慮高水壓環境下盾構的帶壓換刀問 題。本工程采用開挖直徑為(wei) 15.63m滾齒互換常壓複合式刀 盤,由刀盤中心塊、6條主臂、6條輔臂組成。除焊接型刮刀與(yu) 周邊刮刀外,其餘(yu) 刀具全部配備為(wei) 常壓可更換 滾刀與(yu) 常壓可更換刮刀(覆蓋刀盤全斷麵),便於(yu) 刀具的更換與(yu) 檢修。 此外,刀盤開口率約為(wei) 30%,開口分布較為(wei) 均勻,可以保證渣土順利地進入開挖艙內(nei) 。
盾構刀盤堵塞示例
盾尾密封結構示意圖
與(yu) 常規刀盤相比,常壓刀盤的空間結構布置限製 更多,所能裝配的破岩刀具數量也有所降低。在借鑒 南京和燕路超大直徑泥水盾構工程的刀盤結構布置經 驗與(yu) 問題後,本工程減小了滾刀的刀間距,最小刀間距 為(wei) 80mm,並增加了滾刀的裝配數量,總滾刀數量高達 90 把,其中包括正麵滾刀76把,邊緣滾刀14把(包含 2 把超挖滾刀,正常掘進時超挖刀處於(yu) 縮回狀態,超挖 時開挖直徑為(wei) 15670mm,超挖量單邊20mm)。在借鑒了蕪湖長江隧道工程的刀盤結構布置經驗後,本工 程將95%以上的單刃滾刀替換為(wei) 雙軸雙單刃滾刀,包 括12把17英寸(43.18cm)的中心雙軸雙單刃滾刀, 76 把19 英寸(48.26cm)的邊緣雙軸雙單刃滾刀,另配置2把19英寸(48.26cm)單刃邊緣滾刀,在有限的 空間內(nei) 保證了刀間距,提升了盾構在全斷麵岩層中的 掘進效率。
2.盾尾密封針對性設計
針對高水壓條件下的盾尾密封問題,本工程盾尾 密封係統采用4道鋼絲(si) 密封刷(前2道為(wei) 螺栓安裝,後 2 道為(wei) 焊接式)加1道鋼板束密封刷的組合進行盾尾 密封,盾尾間隙為(wei) 45mm,油脂腔高度為(wei) 100mm,盾尾 刷間距為(wei) 49cm。 同時,盾尾密封係統配備了4台油 脂泵與(yu) 4×22條油脂管道對鋼絲(si) 密封刷之間的間隙進 行密封,並布置了5個(ge) SLUM盾尾間隙自動測量係統 安裝點。 此外,盾尾密封係統預留了凍結冷凍管,便於(yu) 在盾構掘進過程中利用凍結法對盾尾刷進行更換與(yu) 維修。 盾尾密封係統示意如圖15所示。
盾尾密封係統示意圖
3.主驅動與(yu) 推進油缸係統針對性設計 主驅動與(yu) 推進油缸係統示意如圖16所示。 主驅 動係統采用伸縮式主驅動,中心重型主軸承直徑為(wei) 7600mm,額定轉矩為(wei) 39391kN·m,最大轉矩為(wei) 59086kN·m,脫困轉矩為(wei) 63025kN·m,配備安裝4道外密封、4 道內(nei) 密封,密封靜態最大壓力高達 1. 2MPa,同時主驅動可以提供荷載監測保護主驅動和刀盤的過載,並配置了密封壓力自動補償(chang) 係統,最大密封壓力為(wei) 1.2MPa。
主驅動與(yu) 推進油缸係統示意圖
結論
1.針對刀具破岩能力不足的問題,本工程縮短了滾刀的刀間距,並增加了滾刀的裝配數量,將95%以上的單刃滾刀替換為(wei) 雙軸雙單刃滾刀。另配置19英 寸(48. 26cm)單刃邊緣滾刀,增強了刀盤刀具的破岩能力,提升了盾構在全斷麵岩層中的掘進效率。
2.針對泥水艙滯排問題,本工程采用大直徑短螺 旋輸送機主動排渣,將岩渣“抽”出來,並利用後置式顎式破碎機進行處理,從(cong) 根本上緩解泥水艙滯排問題。 此外,螺旋輸送機出渣係統配置了多個(ge) 具備保壓能力的閘門,可以實現在常壓環境下維修保護螺旋輸送機 與(yu) 顎式破碎機。
3.針對刀盤結泥餅問題,本工程在刀盤中心位置配置3部分衝(chong) 刷功能,包含中心雙刃滾刀刀筒衝(chong) 刷、刀盤中心正麵衝(chong) 刷、主臂間溜渣槽內(nei) 衝(chong) 刷,盡可能防止刀筒內(nei) 部堵塞引起滾刀不能自轉的問題,盡可能避免由 於(yu) 中心區域線速度低且開口小引起的刀盤中心結泥餅 問題,盡可能防止主臂間溜渣槽位置發生堵塞的問題。
4.針對高水壓條件下的盾尾與(yu) 主驅動密封失效問題,本工程盾尾密封係統采用“4+1”的組合以及 4×22 條油脂管道進行盾尾密封並布置了5個(ge) SLUM 盾尾間隙自動測量係統安裝點,盾尾刷間距為(wei) 49cm。此外,盾尾密封係統預留了凍結冷凍管,可利用凍結法 對盾尾刷進行更換與(yu) 維修。
5.主驅動係統采用伸縮式主驅動,中心重型主軸 承直徑為(wei) 7600mm,配備安裝4 道外密封、4道內(nei) 密封,密封靜態最大壓力高達1.2MPa,同時主驅動可以提供荷載監測保護主驅動和刀盤的過載,並配置了密封壓力自動補償(chang) 係統,最大密封壓力為(wei) 1.2MPa。
目前,膠州灣第二海底隧道盾構段項目通過改進刀盤設計與(yu) 排渣模式,提高了刀盤破岩效率和掘進速度,並緩解了泥水艙滯排問題,取得了一定的成效。但是,還沒有徹底解決(jue) 刀盤刀具磨損、刀具破岩能力不足、泥水艙滯排等工程難題。針對大直徑泥水盾構的針對性設計與(yu) 改進,在未來的研究與(yu) 實踐中有待更深入的探索和持續改進。
膠州灣二隧是青島市“七橫九縱”高快速路網的第二橫，也是橫跨膠州灣的第四條機動車通道。受不同岩層條件和斷裂帶的影響，工程采用了“鑽爆+盾構”的組合工法，是目前世界上長度最長、規模最大、施工領域綜合難度最高的海底道路隧道。
目前，項目統籌各類資源，積極掛圖作戰。“堅持安全第一”是首要原則，項目嚴(yan) 格落實安全生產(chan) 規章製度，規範施工作業(ye) ，確保工程安全和質量，為(wei) 隧道全麵貫通打好基礎。在施工組織協調方麵，不斷提升施工標準化管理水平，配優(you) 配強資源，全力推進項目建設。由於(yu) 膠州灣二隧工程穿海作業(ye) 地質複雜，斷裂破碎帶多，各參建單位不斷提升風險預判應急能力，有序進行穿海作業(ye) 。 截至目前，膠州灣二隧工程黃島端陸域鑽爆段隧道已全線洞通，土建工程整體(ti) 進度過半。此外，黃島端海域鑽爆段和青島端盾構段均按照時序進度有序推進。
根據隧道建設、青島日報、中國新聞綜合整理