土壓平衡盾構機在硬巖中掘進的適應性分析

文/郝保安、王栓、鄭曉飛、羅興元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江蘇南京 210000

土壓平衡盾構機在硬巖中掘進的適應性分析

文/郝保安、王栓、鄭曉飛、羅興元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江蘇南京 210000

廣州市軌道交通七號線8標南村站～中間風機房盾構區間以硬巖為主，通過對盾構機的配置及相關參數的分析，結合盾構在硬巖段的掘進施工情況，探討土壓平衡盾構機在硬巖中掘進的適應性。

盾構機；硬巖；掘進；適應性

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線8標南村站～中間風機房（不含）盾構區間，區間線路最小曲線半徑R=350米，線路縱斷面為下坡，最大坡度26‰，線路埋深12.04m～36.73m,隧道頂覆土7.86m～32.55m。線路主要穿過＜7＞強風化泥質粉砂巖、＜8＞中風化泥質粉砂巖、＜6Z＞混合花崗巖全風化帶、＜7Z＞混合花崗巖強風化帶、＜8Z＞混合花崗巖中風化帶、＜9Z＞混合花崗巖微風化帶等。

＜8Z＞中風化混合花崗巖：灰黃色、褐黃，細粒花崗變晶結構，條帶狀構造。裂隙發育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀局部短柱狀，巖質較硬。天然單軸極限抗壓強度值為11.43～58.30M pa，平均值為26.76M pa。＜9Z＞微風化混合花崗巖：淺灰、灰白色、青灰色，花崗變晶結構，條紋、條帶構造。局部裂隙較發育，巖芯呈柱狀，局部機械破碎呈碎塊狀，RQD為50～90%，巖質堅硬。天然單軸極限抗壓強度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0M pa。

盾構區間左線長1678.269m，硬巖地層962.57m，占左線線路的57.35%；盾構區間右線長1703.560m，硬巖地層776.806m，占右線線路的45.6%。

地下水水位普遍較淺，局部埋藏較深，穩定水位埋深為1.0～3.6m，地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切。每年5-10月為雨季，大氣降水充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降雨減少，地下水位隨之下降，年變化幅度為2.5-3.0m。

二.土壓平衡盾構機情況

本標段選用的S475、S476兩臺盾構機先后于2008年8月、10月從廣州海瑞克隧道機械有限公司出廠。兩臺盾構機均為液壓驅動式土壓平衡盾構機，具有高轉速、大推力和大扭矩的特點，可以用于復合地層隧道掘進施工。盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，便于在曲線上掘進。盾構機配備有適用該標段地層掘進的刀具、渣土改良系統、完善的人倉和保壓系統、同步注漿系統和二次注漿系統，且人倉位于中隔板的上部，以方便刀具更換。

2.1 盾構機的構成

盾構機由主機及后配套輔助系統構成。主機包括刀盤、刀盤驅動、盾體、推進系統、操作室、人閘、螺旋輸送機、管片拼裝機等。后配套系統包括出渣系統、渣土改良系統、管片運輸系統、同步注漿系統、液壓系統、油脂系統、控制系統、供電系統、壓縮空氣系統、水循環系統和通風系統等。

2.2 盾構機的相關參數

盾構機刀盤設計為輻條面板式，開口率為28%（全盤滾刀安裝時），開挖直徑為6280mm。配置64把齒刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，8把邊刮刀，1把超挖刀。

其中單刃滾刀和雙刃滾刀可以更換為羊角刀，刀盤有液壓馬達來驅動最大轉速可達4.5 rpm,額定扭矩為4500KNm,脫困扭矩為5300KNm。

盾構機的管片設計為外徑6000mm，內徑5400mm，管片長度1500mm。

渣土運輸系統為螺旋輸送機加皮帶輸送。螺旋輸送機最大扭矩224KNm,理論出土量385m3/h，通過卵石尺寸直徑290mm。

盾構推進系統有10組雙油缸和10組單油缸組成，總推力可達34210KN，行程為2000mm。

管片拼裝系統為液壓驅動式拼裝機，有6個自由度，可以正負200度旋轉。

人閘系統有兩個主副人倉保壓系統組成，工作壓力可達3ba r,有良好的保壓性能，可以進行帶壓作業。

盾尾密封裝置為三道鋼絲刷組成的兩腔式油脂密封。

盾尾和中盾的鉸接密封為橡膠唇形密封，可通過調節壓緊塊來調整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時緊急充氣防止鉸接滲漏。

同步注漿系統有兩臺KSP12泵（每臺泵注漿能力為10m3/h）實現同步注漿，在盾尾有4 個+4個備用注漿口。

盾構機配有一套二次注漿系統，可實現雙液漿或單液漿的注入。

渣土改良系統有泡沫系統和泥漿（膨潤土）注入系統組成，兩個系統相互獨立。泡沫注入口刀盤4個，壓力倉壁4個，螺旋輸送機6個，最大泡沫注入量10m3/h。膨潤土刀盤有4個注入點，泵流量10m3/h。

裝機總功率約為1630KW，總長度約為80m。

三.盾構機的適應性分析

3.1 刀盤及刀具的適應性分析

本區間盾構機多次通過＜8Z＞混合花崗巖中風化帶、＜9Z＞混合花崗巖微風化帶地層。＜8Z＞中風化混合花崗巖：天然單軸極限抗壓強度值為11.43～58.30M pa，平均值為26.76M pa。＜9Z＞微風化混合花崗巖：天然單軸極限抗壓強度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0M pa。施工過程中，經取芯實測巖石抗壓強度值122M pa，石英含量高達40～45%。

（1）刀盤結構設計為帶有進料口的切割式圓盤，帶有4條支撐臂的厚壁法蘭板支座用來連接主驅動和刀盤，在刀盤后部裝有一個旋轉接頭裝置，將盾體內的泡沫劑等液體供給旋轉的刀盤。刀盤設計充分考慮了本段巖石較硬的特點，在磨損較多的部位，如刀盤進土口、刀盤開挖面、攪拌棒、刀盤邊緣等處，大量堆焊了網格狀耐磨硬質合金。并在刀盤輪緣上設計了3道耐磨合金環，大大提高了刀盤的耐磨性能和使用壽命。

（2）在本標段地層下，刀盤上安裝有64把齒刀，8把邊刮刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，1把超挖刀。我部采用標準鋼刀圈滾刀，滾刀的承載力為25t，適應掘進的巖石強度為50～150MPa，高于本標段巖石的最高強度。刀具在刀盤上的超前量較大，正面滾刀的超前量為175mm，齒刀超前量為140mm，滾刀高出齒刀35mm,以便在硬巖地段掘進時保護齒刀和刮刀。滾刀與齒刀層次間距為40mm，滾刀的軌跡間距為10～100mm，利于硬巖的破碎。該刀具配置能滿足對地層的破巖要求。

刀具采用背裝式換刀，更換刀具較快，且易于操作。

圖3.1 刀具及刀盤刀具布置圖

3.2推進系統的適應性分析

盾構推進系統有20組推進油缸，有10組雙油缸和10組單油缸組成。在推進過程中，推力8000～15000KN，就能滿足盾構在硬巖中掘進的需要。盾構機有足夠的推進能力，總推力可達34210KN。

盾構采用的SLS-T隧道激光導向系統，盾構的姿態可以隨時反映在操作室內，結合人工對管片的姿態測量結果，通過調整推進油缸的推力可以對盾構的姿態進行靈活的調整。推進油缸分4個區域，每個區域可以單獨調整其推力而改變盾構的掘進方向。盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，這樣可以減少盾構的長徑比從而使盾構姿態容易改變，使盾構保持正確的姿態。

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3.3 出渣系統的適應性分析

渣土運輸系統為螺旋輸送機加皮帶輸送，在施工過程中，螺旋輸送機的扭矩20～110knm，而螺旋輸送機的最大脫困扭矩為224knm，理論出土量385m3/h。

盾構機刀盤的轉速為0-4.5 rpm，在硬巖中掘進時通過提高刀盤的轉速來破碎巖層。刀盤背面焊接的攪拌棒能進一步破碎巖塊，可有效防止大塊硬巖進入螺旋機，螺旋輸送機的出土速度可以從0到22 rpm無級調速，能對硬巖地層進行進一步破碎，防止卡死。

在水量較大的巖層地段施工時，通過渣土改良系統向土倉內加入泡沫劑或者膨潤土，以減少進入螺旋機的各巖塊之間的摩擦力，防止碎石塊在螺旋機內堆積將螺旋機卡死。

3.4 注漿系統的適應性分析

同步注漿系統有兩臺KSP12泵，四根管路來實現同步注漿。每環的設計注漿量為6.0m3,而每臺注漿泵注漿的能力為10m3/h，滿足施工需要。

在硬巖段施工時，圍巖穩定性較好，盾構開挖直徑略大于盾體直徑，盾體與圍巖之間有一定空隙。并且在硬巖段掘進時土倉壓力較小，在掘進過程中同步注漿無法一次填充管片與圍巖之間的空隙。如果注漿壓力過大，則漿液會在高壓下流向盾體前方，進入土倉，從而造成漿液浪費。因此過巖層段注漿采用單液漿、雙液漿結合使用的方式，雙液漿注漿采用KBY50/10-11注漿泵通過鑿穿管片的吊裝孔，利用注漿頭進行注漿。每隔1-2環在管片上部1點、11點位進行同步二次補注漿，以充填同步注漿過程中遺留的空隙，從而保證管片與圍巖之間充填密實。注雙液漿時，控制注漿壓力在0.4Mpa以下，并在盾尾倒數第4環開觀察孔，防止注漿壓力過大擊穿盾尾刷，損壞盾尾密封系統。采用單液漿、雙液漿結合使用可保證注漿效果滿足施工要求。

3.5 密封系統的適應性分析

盾構機盾尾密封裝置為三道鋼絲刷組成的兩腔式油脂密封，有油脂管8個。盾尾有良好的密封性，理論上每個密封室可承受10ba r壓力。本盾構有三道盾尾刷具有兩個密封室，只要油脂注入飽滿即能確保密封效果，可以確保在36米高水壓狀況下盾尾不漏水，滿足在硬巖段的掘進施工。

盾尾和中盾的鉸接密封為橡膠唇形密封，可通過調節壓緊塊來調整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時緊急充氣防止鉸接滲漏。

主軸承密封系統由內密封和外密封兩個密封系統組成，內密封系統負責盾體常壓部分的密封，外密封系統負責開挖艙的密封，主軸承密封系統以承受7.5ba r壓力。

螺旋機出料口門完全關閉后，可承受4.5ba r的壓力。在硬巖地段中，隧道上方有較厚隔水層，最大水壓遠小于4.5ba r，因此盾構機密封系統滿足在硬巖掘進施工。

3.6 管片質量控制的適應性分析

在盾構掘進過程中，易出現管片上浮、滲漏水、錯臺、破損等質量病害，該盾構機施工中通過采取如下措施，能保證管片質量。

（1）調整同步注漿配比，縮短漿液凝固時間，并及時進行二次補注漿。將管片與圍巖間的空隙充填密實，形成管片第一道防水屏障，同時穩定管片。

（2）每隔10環做一道止水環，截斷管片壁后集水，減少地下水浮力，增加襯砌環頂部受力，防止管片上浮。

（3）勤測管片姿態，根據管片實測姿態的變化規律，將盾構機豎直方向姿態調整到-30～-40mm之間，以抵消管片脫出盾尾后的上浮量。

（4）管片拼裝前，檢查管片的完整性及止水條的粘貼情況，將盾尾和管片止水條清理干凈，再拼裝管片，防止管片錯臺和滲漏水。

（5）管片拼裝后，頂出推進油缸的過程中，將油缸撐靴扶正，確保管片受力均勻。在盾構推進過程中，嚴格控制油缸推力，保證管片受力均勻，控制油缸的推力差值在50ba r以內，防止管片受力不均造成破損。

（6）在掘進過程中，對盾尾三環的管片螺栓進行再次復緊，以免管片受力不均造成錯臺、滲漏水等。

結論：

該標段所選的兩臺海瑞克S475、S476復合式土壓平衡盾構機，盾構機的各個技術參數均能滿足盾構在硬巖段的施工要求。盾構機配備有適用該標段地層掘進的刀具，通過渣土改良系統注入泡沫改良渣土，利用同步注漿系統、二次注漿系統選擇合理的注漿工藝等，使盾構機能很好的適用于全斷面硬巖段掘進，并能有效的控制管片的質量。

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