淺談土壓平衡盾構(gòu)機(jī)選型

彭　勇

（中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510000）

淺談土壓平衡盾構(gòu)機(jī)選型

彭勇

（中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510000）

盾構(gòu)法施工較之一般的隧道施工技術(shù)具有更大的針對(duì)性，也就是要求盾構(gòu)機(jī)必須與工程相適應(yīng)。因此在盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)機(jī)的選型問題非常突出，選型成功與否，直接決定著掘進(jìn)施工的成敗。本文筆者結(jié)合施工案例，對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的選型進(jìn)行探究，以期為類似工程提供參考。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；選型；隧道施工

1.工程概況

廣州軌道交通十三號(hào)線一期工程施工一標(biāo)，區(qū)間為豐樂路站～12號(hào)盾構(gòu)井，采用二臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。本區(qū)間左線長1254.396m，右線長1222.357m。區(qū)間主要沿主要干道敷設(shè)，沿線下穿大量建（構(gòu)）筑物，結(jié)合線路設(shè)置、地質(zhì)條件、埋深等綜合考慮，本區(qū)間主要采用土壓盾構(gòu)法施工，中間風(fēng)井及盾構(gòu)井采用明挖法施工，聯(lián)絡(luò)通道及泵房采用礦山法施工。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為φ5400mm，管片厚度為300mm，寬度為1500mm，厚0.3m，每環(huán)由6塊組成，錯(cuò)縫拼裝、縱向10彎螺栓、環(huán)向12彎螺栓。管片類型為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)加左、右轉(zhuǎn)彎環(huán)。

2.工程的地質(zhì)情況

采用盾構(gòu)法的區(qū)間，盾構(gòu)主要穿越地層為全、強(qiáng)、中風(fēng)化粉砂巖、全、強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖，局部穿越淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)沙層。中風(fēng)化含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖巖石天然抗壓強(qiáng)度范圍值fc=5.27～26.72MPa，平均值fc=17.58MPa，標(biāo)準(zhǔn)值fc=15.93MPa；混合花崗巖中風(fēng)化帶巖石天然抗壓強(qiáng)度范圍值fc=12.41～36.92MPa，平均值fc=26.84MPa，標(biāo)準(zhǔn)值fc=21.05MPa；

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板大多處于強(qiáng)、中風(fēng)化巖層之上，局部坐落于淤泥質(zhì)砂層之上，巖層分布穩(wěn)定，強(qiáng)度高，能滿足承載力要求。隧道洞身經(jīng)過地層主要有＜2-2＞、＜2-3＞、＜6＞、＜7＞、＜7Z＞和＜8Z＞，圍巖級(jí)別一般為Ⅳ～Ⅵ，巖土層強(qiáng)度差別大，中風(fēng)化巖層抗壓強(qiáng)度高，盾構(gòu)機(jī)將在軟硬差別很大的地層中通過，易造成盾構(gòu)機(jī)抬頭走偏，影響盾構(gòu)掘進(jìn)施工，難度較大；拱頂主要層位有＜2-2＞、＜6＞、＜7＞，其中砂層具中等透水性，處理不當(dāng)易坍塌，發(fā)生地面沉陷、突水等工程事故，應(yīng)注意對(duì)砂層進(jìn)行固結(jié)處理。

3.土壓平衡盾構(gòu)的針對(duì)性設(shè)計(jì)

3.1刀盤

刀盤結(jié)構(gòu)：采用準(zhǔn)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可安裝滾刀，開口率34%。開口在整個(gè)盤面均勻分布，保證刀盤掘進(jìn)過程中碴土順利進(jìn)入土倉。刀盤背面有主動(dòng)攪拌棒，與前盾上的被動(dòng)攪拌棒一起對(duì)土倉內(nèi)渣土進(jìn)行攪拌。刀盤設(shè)有渣土改良噴口，為單向結(jié)構(gòu)，背部配有疏通管路，從而有效降低中心結(jié)泥餅的概率。

滾刀：滾刀尺寸為17寸，刀高175mm，中心雙聯(lián)滾刀為6把，單刃滾刀32把，共44個(gè)刃，滾刀刀間距不大于85mm。刀盤開挖直徑處設(shè)計(jì)6250mm，為保證開挖直徑，延長換刀時(shí)間，滾刀的安裝通過兩個(gè)楔形塊、拉緊塊和長螺栓鎖緊刀軸，能實(shí)現(xiàn)刀具的快速安裝和拆卸。

刮刀：刮刀結(jié)構(gòu)分為刀體、硬質(zhì)合金和耐磨層。在刀具背部的刀盤面板上焊接有刀具保護(hù)塊，保護(hù)塊上焊接有與刀具材質(zhì)相同的合金材料，保護(hù)塊主要作用到刀盤工作中。

邊刮刀：刀盤邊刮刀結(jié)構(gòu)分為刀體、硬質(zhì)合金和耐磨層，整體呈弧形。邊刮刀整體分為2塊，刀盤為整體結(jié)構(gòu)，刀具設(shè)計(jì)充分考慮洞內(nèi)換刀方便、節(jié)約成本等因素，具有同側(cè)左右側(cè)都可互換的特點(diǎn)。邊刮刀采用分體式，可使安裝及拆卸功能得以實(shí)現(xiàn)，較整體式具有更換便捷、重量較輕，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。

磨損檢測：刀盤設(shè)置有多處磨損檢測裝置，防止漂石破壞刀盤盤體。

3.2主驅(qū)動(dòng)

配置的主軸承直徑3061mm，最大使用推力荷載1250t，試驗(yàn)推力荷載3125t，破壞推力荷載5000t，安全系數(shù)4。有效使用壽命≥10000小時(shí)。

8組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)（已經(jīng)預(yù)留1組驅(qū)動(dòng)安裝位置，共可安裝9組驅(qū)動(dòng)，安裝9組驅(qū)動(dòng)時(shí)，額定扭矩6750kNm），額定扭矩6000kNm，脫困扭矩7200kNm，可以滿足在對(duì)扭矩要求較高的地層中掘進(jìn)；最高轉(zhuǎn)速3.7r/min，可以滿足在風(fēng)化巖中較快轉(zhuǎn)速的掘進(jìn)要求。

3.3組合式渣土改良系統(tǒng)

3.3.1泡沫系統(tǒng)

采用5路布置，可以和膨潤土在同一時(shí)間注入刀盤前部，還可以與膨潤土管路共用。泡沫混合液中的水量和壓縮空氣的流量由流量傳感器進(jìn)行檢測，PLC控制電閘門的開度，得到最佳的混合比例。應(yīng)用單管單泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果刀盤噴口阻力出現(xiàn)不一樣的時(shí)候，每路泡沫仍然可以等量地進(jìn)行噴出，使淤泥質(zhì)黏土中掘進(jìn)時(shí)的泥餅問題得到有效地避免。

圖1　

3.3.2 膨潤土系統(tǒng)

膨潤土系統(tǒng)一般采用軟管作為注入泵，而選取兩臺(tái)注入泵進(jìn)行單獨(dú)注入，一臺(tái)注入泵用于碴土改造，另一臺(tái)用于盾殼外潤滑。如遇特殊情況，兩臺(tái)注入泵則都用于碴土改造。

可為施工單位提供洞外膨化方案，將大量膨潤土通過管路輸送到設(shè)備上安裝的膨潤土罐內(nèi)，通過軟管泵從刀盤前部、土倉及螺旋機(jī)注入膨潤土，使地層細(xì)顆粒數(shù)量增加，因而可以形成良好級(jí)配，有助于順利出渣，使磨損的現(xiàn)象有效地減少。

配置的盾殼外膨潤土注入系統(tǒng)，從盾殼外部注入膨潤土或黏土，可有效減少砂層盾體的摩擦阻力，防止卡盾。

3.3.3聚合物注入系統(tǒng)

可以選取聚合物注入系統(tǒng)，如果噴涌出現(xiàn)，在土倉底部以及螺旋機(jī)內(nèi)進(jìn)行聚合物的注入，這種措施可以有效地避免噴涌的出現(xiàn)。

3.4同步注漿系統(tǒng)

3.4.1單液同步注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由兩臺(tái)SCHWING柱塞泵站提供動(dòng)力。泵送注漿量可以通過控制液壓流量來調(diào)整。4個(gè)出口都裝有壓力傳感器，并將每個(gè)注漿點(diǎn)上的傳感器發(fā)出的信號(hào)用來控制注漿的過程。

3.4.2雙液二次補(bǔ)強(qiáng)注漿系統(tǒng)

為了及時(shí)補(bǔ)充注漿效果，防止地表沉降及管片上浮，從管片背部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿的二次注漿系統(tǒng)。可以根據(jù)需要選配二次注漿系統(tǒng)，設(shè)備已預(yù)留安裝位置。

3.5人艙設(shè)計(jì)

人艙包括主艙和輔艙，兩艙橫向連接，之間有艙門邊通。通過前盾板上的門可以由主艙進(jìn)入開挖倉。輔艙的作用是在出現(xiàn)緊急情況時(shí)出入。人倉壓縮空氣為一套全氣動(dòng)式氣體保壓系統(tǒng)，可以使必須帶壓進(jìn)艙作業(yè)的時(shí)候，保證設(shè)備的性能以及人員的安全性。

3.6盾體設(shè)計(jì)

3.6.1前盾

前盾由殼體、壓力隔板、主驅(qū)動(dòng)連接座、人艙連接座、螺機(jī)連接座和連接法蘭組成，前盾直徑設(shè)計(jì)為Φ6250mm。

前盾設(shè)計(jì)為錐形，并在前部切口焊有5mm耐磨層，增加耐磨性。為了改善渣土的流動(dòng)性，土壓倉內(nèi)隔墻上設(shè)有4個(gè)攪拌棒，攪拌棒強(qiáng)制攪拌渣土和添加材料，增加和易性。

前艙壓力隔板布置有風(fēng)、水、電接口，方便帶壓進(jìn)艙換刀時(shí)使用。

3.6.2中盾

中盾由殼體、連接法蘭和兩道隔板組成，直徑Φ6240mm，長度為2806mm；采用主動(dòng)鉸接形式，盾殼厚度為40mm。

沿中盾盾殼圓周上半部180°設(shè)計(jì)10根超前注漿管，可對(duì)地質(zhì)進(jìn)行超前鉆探，注漿加固，防止開挖面坍塌造成地表沉陷。同時(shí)在盾體壓力隔板上布置7個(gè)超前注漿孔，可通過刀盤開口往隧道正前方鉆孔及加固。

中盾和盾尾之間設(shè)計(jì)有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封。正常情況下，橡膠密封起作用。在涌水或橡膠密封需要損壞需要更換時(shí)，使用緊急氣囊密封。

3.6.3盾尾

盾尾由鉸接密封環(huán)和殼體組成，殼體直徑Φ6230mm，盾尾長度3890mm，殼體厚度50mm。

所有注漿及油脂管路都鑲嵌在盾殼上。每根注漿管均留有2處觀察孔，利于管路保護(hù)、清洗和維修。注漿管共10根，其中4根備用。油脂管數(shù)量12根，各6根通向兩個(gè)尾刷密封室。

尾刷密封由3排密封刷組成，防止?jié){液漏進(jìn)盾體內(nèi)部，在土壓平衡時(shí)還有保持其各自壓力的作用。

盾尾間隙30mm。滿足安裝管片及調(diào)向要求。

盾尾尾部有一排止?jié){板。耐磨鋼板制成的止?jié){板可以防止砂漿填充到盾體前部，也可以防止盾體前部的泥漿影響注漿效果。

3.7螺旋輸送機(jī)

采用900mm內(nèi)徑軸式葉片螺旋輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)采用一個(gè)雙速馬達(dá)及減速機(jī)傳動(dòng)。螺旋軸及葉片外圓焊有耐磨合金塊及耐磨層并在耐磨塊上堆焊耐磨網(wǎng)格，磨損嚴(yán)重后可予以更換，最大通過粒徑340×560mm，出渣能力為420m3/h。配置有前閘門和兩道出料閘門，出料閘門采用下部出碴結(jié)構(gòu)，防止了螺旋機(jī)出口堆渣現(xiàn)象發(fā)生。

當(dāng)發(fā)生螺旋軸卡住現(xiàn)象，可以通過控制液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)來擺脫。必要時(shí)可打開設(shè)置在螺旋輸送機(jī)筒體上的觀察窗門來對(duì)殼體內(nèi)部進(jìn)行清理。

當(dāng)?shù)叵滤容^豐富，期土層的透水系數(shù)高，螺旋機(jī)的碴土難以形成“土塞”導(dǎo)致螺旋機(jī)噴涌的現(xiàn)象發(fā)生率較高。防止噴涌的設(shè)計(jì)如下：防噴涌設(shè)計(jì)：螺旋軸采用雙閘門設(shè)計(jì)。

（1）盾構(gòu)機(jī)出土口設(shè)置2個(gè)閘門，交替開啟以降低噴涌壓力。

（2）預(yù)留了膨潤土和高分子聚合物注入接口，必要時(shí)，可向土倉壁和螺旋機(jī)內(nèi)注入膨潤土或高分子聚合物，以緩解螺旋機(jī)的噴碴壓力。

（3）設(shè)置有保壓泵接口，必要時(shí)可連接泥漿泵或泥漿管，緩解噴碴壓力。

3.8推進(jìn)及鉸接系統(tǒng)（主動(dòng)鉸接）

推進(jìn)系統(tǒng)共21根油缸，分成4組。上下左右各組分別為5根、6根、5根、5根油缸，通過調(diào)整每組油缸的不同推進(jìn)速度對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行糾偏和調(diào)向。每組油缸安裝了一個(gè)內(nèi)置行程傳感器。通過這4根均布的帶傳感器的油缸行程顯示，可以判斷此時(shí)盾構(gòu)的掘進(jìn)姿態(tài)。推進(jìn)行程滿足安裝1500mm寬度管片。

盾構(gòu)采用主動(dòng)鉸接形式，鉸接油缸由14根組成，最大鉸接拉力3460t。在曲線段掘進(jìn)時(shí)，盾尾自動(dòng)隨管片調(diào)整姿態(tài)，在4個(gè)不同位置的鉸接油缸配置了內(nèi)置位移傳感器，用來監(jiān)測圓周方向不同位置的鉸接油缸行程。鉸接系統(tǒng)適用極限200m的曲線半徑要求。

3.9皮帶輸送機(jī)

一般我們都是采用DTII固定式皮帶輸送機(jī)，其中輸送總長約55m，輸送速度為2.5m/s，其中皮帶機(jī)具有曲線調(diào)整功能，需要調(diào)整皮帶的相應(yīng)擺動(dòng)角和驅(qū)動(dòng)裝置的擺動(dòng)角可以適應(yīng)不同曲線的施工。

3.10管片吊機(jī)

管片吊機(jī)主要是從管片車上將管片卸載后將管片運(yùn)輸?shù)皆O(shè)備橋區(qū)間的輸送器上方，將管片旋轉(zhuǎn)90°放在輸送器上，再將管片輸送器送到管片安裝機(jī)抓取范圍內(nèi)。

在軌道梁尾部布置由電纜卷筒，吊機(jī)用電纜線及控制線經(jīng)卷筒引出。行走形式為鏈輪鏈條式，能便滿足運(yùn)行坡度50‰以及更大坡度的需求，鏈條采用夾板固定方式。管片吊機(jī)梁在設(shè)備橋與拖車接口處斷開為圓弧搭接，可以適應(yīng)在彎道上運(yùn)行。

結(jié)語

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以充分證明：此盾構(gòu)機(jī)完全能夠適應(yīng)廣州市軌道交通十三號(hào)線施工1標(biāo)豐樂路站—12盾構(gòu)井區(qū)間的施工要求，故該盾構(gòu)機(jī)選型具有可行性，得到了評(píng)審專家一致的認(rèn)可和通過。

［1］張庭華.土壓平衡盾構(gòu)土艙壓力控制技術(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011（8）：113.

［2］張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構(gòu)隧道施工手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2012.

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