廣東省珠三角城際軌道交通盾構(gòu)設(shè)備論述

摘 要：在本項目中，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的變化很大。這種含有不穩(wěn)定的地質(zhì)狀況下，建議選擇全新的，未曾使用過的土壓平衡式盾構(gòu)機，目的是為了減少工作面前方沉降的風(fēng)險。SHMG/NFM公司已經(jīng)為眾多地鐵工程成功地設(shè)計并生產(chǎn)了這種多用途的土壓平衡盾構(gòu)機。尤其在西班牙馬德里、丹麥哥本哈根、中國上海、香港和廣州等地，已證明了設(shè)備能夠在安全的工作環(huán)境下達到較高的掘進速度，并很好的控制了地面的沉降。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；土壓平衡；軌道交通

1 概述

一般說來，土壓平衡技術(shù)（EPB盾構(gòu)）適合在含有足夠的細顆粒軟土地層里開挖隧道。開挖室和螺旋輸送機里的混合土應(yīng)呈現(xiàn)塑性。比較理想的顆粒尺寸的地層包括粘土、淤泥、砂以及礫石等，并且含有25-30%的水分。然而，根據(jù)實際的地質(zhì)狀況，采用土壓平衡盾構(gòu)，并配備必要的渣土改良系統(tǒng)，充分改良渣土特性，以滿足土壓平衡盾構(gòu)施工的需要。

盾構(gòu)所穿越的地層中有各種不同類型的密集樁基礎(chǔ)和不同直徑及材質(zhì)的管線（包括污水管、自來水管、煤氣管、電力電纜管、光纜等），所以控制地表隆、陷值及隧道方向不超標(biāo)尤為重要。土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理是通過控制土倉內(nèi)已開挖渣土的壓力（土倉壓力），使之與刀盤前方的水土壓力相平衡（水壓+土壓），達到控制地表沉降的目的（控制地表隆、陷值不超過+10/-30mm），通過控制，隧道軸線可以控制在上、下、左、右30mm的范圍內(nèi)。同時通過渣土改良使得渣土具有所要求的止水性、流動性與塑性，以便于土倉壓力的控制以及排土的目的。尤其是在富含水的砂卵石地層中掘進時，土倉壓力的控制以及渣土改良效果尤為重要。

2 各系統(tǒng)描述

2.1 盾體

盾體由三部分構(gòu)成：前護盾、中護盾及尾護盾，材料采用Q345B加工而成。

前護盾 遮罩刀盤、刀盤驅(qū)動裝置以及人閘。

中護盾 遮罩推進油缸并支承管片拼裝機。

尾護盾 提供混凝土管片周邊的密封性。

2.2 護盾結(jié)構(gòu)

護盾結(jié)構(gòu)按承受7.5bar的靜水壓力進行設(shè)計。護盾結(jié)構(gòu)由平鋼板或焊接的鋼板制成，確保盾殼圓周范圍內(nèi)有一個一致的、連續(xù)的厚度，以便確保在較高的壓力條件下盾構(gòu)斷面形狀的完整一致。

護盾結(jié)構(gòu)所使用的材料和護盾的尺寸以及護盾裝備與本工程地質(zhì)（土的含水量及磨損介質(zhì)等等）和遇到的工作條件是匹配的。前護盾和中護盾的各個部分（環(huán)向分塊及前護盾與中護盾的連接）均為螺栓連接。必須特別關(guān)注尾護盾的結(jié)構(gòu)，它是采用整體焊接的。為了適應(yīng)曲線掘進，護盾的設(shè)計為倒錐形，即尾護盾的直徑要比中護盾和前護盾的直徑小一些。

前護盾結(jié)構(gòu)的特點在于有一個固定在中心部不隨刀盤一起轉(zhuǎn)動的隔板。這種設(shè)計使得前護盾結(jié)構(gòu)的剛度較好，同時使開挖室內(nèi)的物料得到更好的攪拌，因為：可以減少刀盤的一些額外結(jié)構(gòu)，刀盤僅設(shè)計成為一個回轉(zhuǎn)部件，使主軸承能在該空間所提供的最佳條件下工作。開挖室的隔板能安裝一些固定式的攪拌棒以改善開挖室內(nèi)的攪拌作用，有利于渣土的流動，防止在粘性土地層中掘進時，中心區(qū)域形成泥餅。一些膨潤土漿壓注的固定噴嘴設(shè)置在固定倉室隔板的中心部，因此能在刀盤的中心噴射膨潤土漿。在盾構(gòu)前盾倉室隔板后、中盾位置以及尾盾的前方沿盾殼周圈間隔預(yù)留注入孔，以便萬一需要進倉作業(yè)時預(yù)前先加固地層。鉆機（備選）可以安裝在管片拼裝機上，可以進行超前鉆孔和注漿作業(yè)。

2.3 尾護盾設(shè)計

尾護盾盾殼設(shè)計成能確保盾構(gòu)在7.5bar設(shè)計壓力下具有高的抗彎曲和抗斷裂強度。為此，尾護盾盾構(gòu)是用平鋼板制造的，在盾構(gòu)殼四周鋼板都是均勻連續(xù)而且厚度一致，其結(jié)果是，所有用于回填灌漿和尾密封注脂的管道都完全安裝在尾護盾盾殼內(nèi)壁上。相對于其他將注漿管和油脂管內(nèi)埋于盾尾殼中的設(shè)計，SHMG/NFM的設(shè)計在盾殼周圈沒有盾殼厚度變小的薄弱區(qū)域。這些薄弱區(qū)域使得尾護盾形同多個環(huán)向鉸接的結(jié)構(gòu)，從而降低了盾殼的承載能力。相對于其他將注漿管外置于盾殼的設(shè)計，SHMG/NFM的設(shè)計在砂性地層中掘進時能對注漿管路提供可靠的保護。

3 推進系統(tǒng)

3.1 推進油缸

主機的向前推進由推進系統(tǒng)來實現(xiàn)的，推進系統(tǒng)主要由推進油缸、液壓泵站及控制裝置組成。油缸作用在前一環(huán)的混凝土管片上，借助鉸接的撐靴將力均勻地分散在接觸表面，以防止對混凝土管片的任何一點損壞。安裝在球窩節(jié)上的撐靴上并覆蓋有聚氨酯板以確保與混凝土管片均勻平滑地接觸。

推進油缸分為5組。每組油缸均能單獨控制壓力的調(diào)整，為使盾構(gòu)機沿著正確的方向開挖，司機可以調(diào)整5組油缸的壓力。為了方便主機的方向操縱，油缸直接頂推在靠近機器重心的前盾上。為了測量機器的開挖進尺，每組推進油缸裝有行程傳感器，推進速度通過控制面板可以連續(xù)地調(diào)整。管片安裝模式時，可通過管片安裝機的遙控器或固定操作面板單獨控制任何一對油缸，以滿足封頂塊的安裝在不同的點位上。管片安裝模式時，正在安裝的混凝土管片所對應(yīng)的油缸縮回，其它油缸的撐靴保持壓力以足夠的推力與管片接觸，以確保安裝期間管片的安全、混凝土管片之間密封的壓力以及維持開挖室里的限定壓力。管片安裝模式時，當(dāng)每一片管片安裝完畢，重新伸出推進油缸與管片接觸并施加壓力時，推進油缸的撐緊壓力將減小（此壓力可以很容易地進行預(yù)先設(shè)定），以避免盾構(gòu)機向前移動、損壞拼裝機的安裝臂及已安裝好的管片或造成管片開裂。

3.2 鉸接密封及鉸接油缸

前和中盾之間設(shè)計有兩道鉸接密封，即一道四唇密封和一道止?jié){板密封（鋼板束），密封之間用油脂進行充填，這種彈性鋼板制成的止?jié){板密封可以防止在掘進過程中泥沙的進入，從而使得鉸接動作自如。鉸接是主動型的，用油缸與后部盾體連接。鉸接以及盾尾間隙的設(shè)計滿足盾構(gòu)機在本項目最小曲線半徑下掘進和安裝管片的要求。

4 管片輸送器

4.1 管片吊機。盾構(gòu)掘進過程中，管片由服務(wù)車（由買方提供）運到隧道內(nèi)，再由安裝在后配套拖車上的管片吊機從服務(wù)列車中的管片車上吊下管片并存放在管片輸送器上。管片吊機的起吊高度（真空吸盤至服務(wù)列車軌道的距離）滿足承載了三塊重疊管片的管片車自由進入管片吊機下方的要求。

4.2 管片輸送器。管片輸送器位于連接橋和管片安裝機行走梁的下部，將管片一片一片地輸送至管片安裝機的抓取區(qū)域，管片輸送器的存儲能力為一環(huán)管片（6+1片），所有動作可以通過有線/無線控制器來控制。

5 通風(fēng)系統(tǒng)

盾構(gòu)機需配置一個通風(fēng)系統(tǒng)。從盾構(gòu)機前方靠近護盾的地方將空氣抽出并在后配套尾部排出。初次通風(fēng)的風(fēng)管儲存器及其更換起吊設(shè)備安裝在后配套拖車的尾部，初次通風(fēng)的相應(yīng)設(shè)備和管道由用戶提供。

6 安全設(shè)施

在TBM設(shè)計、制造過程中盡可能選擇阻燃材料，以減少引發(fā)火災(zāi)的可能性；在TBM施工過程中所選擇使用的材料盡可能為阻燃材料，以減少引發(fā)火災(zāi)的可能性。

在TBM上安裝了符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的燈光報警器、聲音報警器、火災(zāi)報警器以及滅火裝置；在人閘內(nèi)配備了水管和高壓滅火器；在管片安裝機上安裝了燈光報警器和聲音報警器。當(dāng)管片安裝機旋轉(zhuǎn)時，報警器會自動發(fā)出聲音報警和燈光（閃爍）報警；在TBM各危險區(qū)域還安裝有手動火災(zāi)報警器。按下按鈕后會發(fā)出雙聲火災(zāi)報警；在TBM各危險區(qū)域安裝有不同類型的滅火器。CO2滅火器安裝在電氣控制面板、電機及相似部件附近；干粉滅火器安裝在控制室旁和后配套系統(tǒng)上液壓設(shè)備附近；在主控室、人閘、管片安裝機等重要部位都設(shè)置有緊急停機按鈕；在TBM上設(shè)有緊急情況下使用的緊急安全通道。

參考文獻

[1]董建剛，王云.土壓平衡盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機的操作與管片選型[J].山西建筑，2010（8）.

[2]陳叔.如何選用土壓平衡盾構(gòu)機施工復(fù)合地層[J].四川建筑，2003（2）.