《盾構(gòu)掘進(jìn)施工土壓平衡控制》教學(xué)講義主講教師:張永輝學(xué)校:上海建峰職業(yè)技術(shù)學(xué)院日期:二○一一年七月序言隧道盾構(gòu)法施工是城市地下空間開發(fā),特別是城市地鐵建設(shè)和地下通道施工的主要手段,目前上海已建成地鐵400多公里,還將規(guī)劃建設(shè)400多公里,實現(xiàn)2020年建成800多公里的目標(biāo),平均每年需要采用隧道盾構(gòu)法施工掘進(jìn)40多公里。目前,我國10個城市已擁有地鐵。按現(xiàn)有規(guī)劃,至2010年底,我國將建成地鐵480公里。全國有33個城市正在規(guī)劃建設(shè)地鐵,已有28個城市獲得國家批復(fù)。2010至2015年,我國的地鐵建設(shè)投資規(guī)劃額達(dá)11568億元,2020年將建成的總里程達(dá)6100公里。上海市地下空間開發(fā)的高峰期,有100多臺盾構(gòu)機(jī)同時在地下施工掘進(jìn),該項新技術(shù)已在工程中得到廣泛應(yīng)用。全國從事地下空間開發(fā)的施工企業(yè)需要培養(yǎng)大量的地鐵遂道盾構(gòu)機(jī)駕駛員。目前,在我國的職業(yè)大典中尚未設(shè)置該特殊工種。在上海市教育委員會的領(lǐng)導(dǎo)和市財政的支持下,我院與上海建工集團(tuán)股份有限公司、上海市機(jī)械施工有限公司開展歷時兩年的深度合作,聯(lián)合開發(fā)建設(shè)地下空間施工技術(shù)計算機(jī)仿真教學(xué)與實訓(xùn)操作系統(tǒng),合作編寫適合高等職業(yè)教育要求的相關(guān)教材。已初步具有盾構(gòu)機(jī)操作員的教學(xué)與培訓(xùn)條件,為籌辦本職業(yè)崗位培訓(xùn)與鑒定站,已奠定良好的基礎(chǔ)條件。【課程】地下空間施工技術(shù)【課題】盾構(gòu)掘進(jìn)施工土壓平衡控制【本節(jié)教學(xué)目標(biāo)】【本節(jié)教學(xué)過程】活動一:盾構(gòu)機(jī)主要工作部件與基本運行操作本課程教學(xué)通過DKSJ-1仿真盾構(gòu)教練機(jī)和計算機(jī)仿真操作系統(tǒng),使學(xué)員在與隧道施工實際工況基本一致的情景下,進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的專項技能操作訓(xùn)練,能獨立進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工中土壓平衡控制的操作。認(rèn)知目標(biāo):能識別盾構(gòu)機(jī)基本構(gòu)成部件,能描述土壓平衡的狀態(tài)和土壓平衡的建立,領(lǐng)會穩(wěn)定開挖面在盾構(gòu)法施工中的重要性,領(lǐng)會土壓平衡對施工質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)的重要作用。能力目標(biāo):能通過改變螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、改變推進(jìn)千斤頂速度等操作,將土壓控制在設(shè)定值的允許偏差范圍內(nèi)。情感目標(biāo):體現(xiàn)和諧為本、追求卓越的企業(yè)精神,培養(yǎng)學(xué)生愛崗敬業(yè)、誠實守信的職業(yè)道德,一絲不茍、善于合作、勇于實踐、銳意進(jìn)取與創(chuàng)新的職業(yè)素養(yǎng)。在學(xué)習(xí)土艙內(nèi)土壓控制的操作之前,通過對盾構(gòu)機(jī)基本構(gòu)造的回顧和主要工作部件的運行操作,檢驗前導(dǎo)課程的教學(xué)效果。【知識1】刀盤、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)千斤頂、管片拼裝機(jī)、盾殼、后繼臺車等基本構(gòu)成部件的識別。管片拼裝機(jī)螺旋輸送機(jī)推進(jìn)千斤頂盾殼推進(jìn)千斤頂管片拼裝機(jī)隔板土艙刀盤盾殼襯砌管片皮帶輸送機(jī)刀盤盾構(gòu)皮帶機(jī)牽引梁后續(xù)臺車待拼管片襯砌好的管片圖2:盾構(gòu)機(jī)的基本構(gòu)成部件3187【技能1】盾構(gòu)機(jī)主要工作部件的運行操作。1.啟動刀盤:能獨立進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)刀盤啟動運行并換檔操作;2.開啟螺旋輸送機(jī):能正確開啟螺旋輸送機(jī)并作轉(zhuǎn)速調(diào)整(空載;3.推進(jìn)千斤頂:能正常啟動液壓系統(tǒng),獨立進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)運行。仿真盾構(gòu)教練機(jī)操作界面相應(yīng)功能鍵的操作步驟:【態(tài)度1】集中精力,專注指令,謹(jǐn)慎操作?！緦嵱?xùn)1】根據(jù)教師的指令,獨立操作盾構(gòu)機(jī)操作界面的控制鍵,使盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)主要工作部件運行正常。活動二:土艙內(nèi)的土壓控制在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中,如果開挖面的土體不能自立而塌落,會造成地面沉陷,必須采用特定的支撐方法來穩(wěn)定開挖面,確保施工安全?，F(xiàn)場工程師依據(jù)各種變化因素發(fā)布操作指令,通過操作員對螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,調(diào)整土艙內(nèi)的土壓力,實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)土艙內(nèi)外的土壓平衡,達(dá)到穩(wěn)定開挖面土體的目的。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土艙位置,見圖3。管螺旋輸送機(jī)推進(jìn)千斤頂盾殼推進(jìn)千斤頂管片拼裝機(jī)隔板土艙盾殼襯砌管片皮刀盤圖3:土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土艙示意圖盾構(gòu)機(jī)操作員如何控制土艙內(nèi)的土壓力呢?【知識2】螺旋機(jī)單控模式的控制方法根據(jù)測得的土艙內(nèi)土壓值,通過盾構(gòu)機(jī)操作員手工調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)土艙內(nèi)土壓的控制。仿真盾構(gòu)教練機(jī)操作界面的功能鍵分布位置,如圖4所示。圖4:盾構(gòu)機(jī)操作界面示意圖自動調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式采用閉環(huán),將測得的土艙內(nèi)土壓值與設(shè)定的土壓值進(jìn)行比較后自動調(diào)節(jié)螺旋312輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速?！炯寄?】能獨立進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)操作界面上螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能鍵的運行操作。以仿真盾構(gòu)教練機(jī)操作界面為載體,在螺旋輸送機(jī)模式下控制盾構(gòu)機(jī)土艙土壓的操作步驟:一、準(zhǔn)備階段1.〈模式轉(zhuǎn)換〉旋鈕處于[掘進(jìn)];2.選擇刀盤轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速;3.按指令設(shè)定土壓設(shè)定值;4.啟動千斤頂油泵;5.選擇千斤頂;6.螺旋機(jī)輸送閘門打開;7.螺旋輸送機(jī)〈旋轉(zhuǎn)速度〉旋鈕處于低速。二、啟動階段:1.轉(zhuǎn)動〈皮帶輸送機(jī)啟動〉旋扭至[順轉(zhuǎn)]——啟動皮帶輸送機(jī);2.轉(zhuǎn)動〈刀盤〉旋扭至[運轉(zhuǎn)]——啟動刀盤;3.按下〈推進(jìn)千斤頂〉的[伸出]按鈕——啟動推進(jìn)千斤頂;4.轉(zhuǎn)動〈螺旋輸送機(jī)〉旋扭至[運轉(zhuǎn)]——啟動螺旋輸送機(jī)。三、調(diào)整土壓階段:比對土壓現(xiàn)在值和設(shè)定值,慢慢轉(zhuǎn)動螺旋輸送機(jī)〈旋轉(zhuǎn)速度〉旋鈕,調(diào)節(jié)其速度。【實訓(xùn)2】根據(jù)教師指令,獨立操作仿真盾構(gòu)機(jī)操作界面上螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能鍵,使螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定值。項目工程師(主講教師給出盾構(gòu)機(jī)工況參數(shù)如下:【態(tài)度2】一絲不茍、善于合作、勇于實踐、銳意進(jìn)取與創(chuàng)新?！局R3】土壓平衡的建立盾構(gòu)機(jī)在隧道中掘削推進(jìn)開挖面土體時,充滿渣土的土艙在推進(jìn)油缸的推力作用下,使渣土具有一定壓力。當(dāng)土艙土壓力與開挖面的水壓及靜止土壓力之和的大小相等、方向相反,即處于平衡狀態(tài),開挖面土體得到支撐,就不會塌落,可能引起的地面沉降將被控制在最小允許范圍。土壓平衡狀態(tài)如圖5所示。開圖5:開挖面土壓平衡示意圖盾構(gòu)機(jī)操作員根據(jù)現(xiàn)場工程師的指令,隨時對土艙內(nèi)的土壓進(jìn)行調(diào)整,使土壓維持在設(shè)定值附近,確保平衡的建立。力值確定的,并通過指令下達(dá)給盾構(gòu)機(jī)操作員。一般采用地下靜止土壓力作為土壓力的設(shè)定值,其計算公式為:式中:P——側(cè)向靜止土壓力(單位:kPa0k——側(cè)向靜止土的土壓系數(shù)其中:砂性土=0k0.25~0.33粘性土=0k0.33~0.70γ——土的容重(單位:kN/m3一般=γ18.0~19.0kN/m3h——地面到盾構(gòu)中心的深度單位:m如圖6所示。圖6:地面到盾構(gòu)中心的深度如何進(jìn)行計算單位的換算?【知識4】盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速與土艙內(nèi)土壓的關(guān)系為什么改變盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)整土艙內(nèi)的土壓呢?盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)排出土艙內(nèi)渣土的速度與其轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速高,排出的土量多,土艙內(nèi)的土壓就會下降;反之,降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速,渣土排出量少,土艙內(nèi)的土壓就會上升。1Pa=12/mN1MPa=103kPa=106Pa=12/mmN圖7:盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)排土示意圖如何控制水池的水位?當(dāng)水位處于一定的高度時,調(diào)節(jié)閥門的開度,水位就會發(fā)生變化。我們先使進(jìn)水速度一定,當(dāng)開大出水閥時,池內(nèi)水位就下降;而關(guān)小出水閥時,池內(nèi)水位就上升。同理,當(dāng)出水速度一定,調(diào)節(jié)進(jìn)水閥的開度,水位也會發(fā)生升降。我們運用控制水池水位的原理,來控制盾構(gòu)機(jī)土艙內(nèi)的土壓?！局R5】影響土壓平衡的動態(tài)因素和控制模式在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中,影響土壓平衡的動態(tài)因素是:螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)千斤頂?shù)乃俣?。因?控制盾構(gòu)機(jī)土艙內(nèi)的土壓有三種模式,即:螺旋輸送機(jī)單控模式、推進(jìn)千斤頂單控模式、兩者結(jié)合的雙控模式。推進(jìn)千斤頂在推動盾構(gòu)前進(jìn)的同時,既控制盾構(gòu)前進(jìn)方向,又能對土艙內(nèi)的渣土形成擠壓,維持土體壓力,并能輔助管片拼裝。推進(jìn)速度越快,形成的土壓力就越大,反之則土壓力會相應(yīng)減小。手工調(diào)節(jié)推進(jìn)千斤頂是項目工程師依據(jù)開挖現(xiàn)場即時測得的土艙內(nèi)土壓值所下達(dá)的指令,通過操作員用手工調(diào)節(jié)的方式控制推進(jìn)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度。并可有效控制土壓平衡。上海建峰職業(yè)技術(shù)學(xué)院《盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工土壓平衡控制》教學(xué)講義小貼士盾構(gòu)機(jī)施工的關(guān)鍵技術(shù)盾構(gòu)機(jī)施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)是：盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制和土壓平衡控制。盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制決定掘進(jìn)精確度和施工質(zhì)量，土壓平衡控制決定施工安全和環(huán)境保護(hù)。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)操作員應(yīng)能遵照項目工程師的指令，通過即時、正確的操作，改變螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速和推進(jìn)千斤頂?shù)乃俣龋雇僚搩?nèi)的土壓適時得到調(diào)整，可實現(xiàn)土壓的平衡，維持開挖面穩(wěn)定，減少施工引起的地面沉降或隆起，保證施工質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)?！颈竟?jié)課程小結(jié)】1．盾構(gòu)機(jī)地下掘進(jìn)施工的關(guān)鍵技術(shù)（1）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制----決定掘進(jìn)精確度和施工質(zhì)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制（2）土壓平衡的控制土壓平衡的控制----決定施工安全和環(huán)境保護(hù)土壓平衡的控制土壓平衡控制不好，可能引起的后果是：地面塌陷、隆起，建筑物和管線受損，