盾構機卵石處理裝置的設計及應用

張社軍，夏毅敏

（1.中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410100）

盾構機卵石處理裝置的設計及應用

張社軍1，2，夏毅敏2

（1.中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410100）

盾構機是富水地層中建設隧道工程的主要施工裝備，其卵石處理裝置的卵石破碎攪拌能力對整機掘進速度至關重要。介紹了盾構機卵石處理裝置的多種主要結構和原理，針對性設計了一種卵石處理裝置的新結構，并在富水砂卵礫石地質施工中得到應用。應用標明該裝置充分滿足了盾構卵石處理能力的適應性且提高了盾構掘進速度。

泥水平衡盾構機；碎石機；攪拌器；雙艙采石箱；泥漿管路破碎機

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，各種交通、水利、市政、輸水隧道大量修建[1]，泥水平衡盾構機（簡稱泥水盾構機）因為具有隧道地面沉降量及開挖面壓力控制精度高、主驅動承壓能力強的特點，所以在含水量高、透水性強、開挖面穩定性差的砂層、砂卵石地層盾構法隧道施工工程中具有突出優勢，目前已成為我國建設穿河過江、湖底海峽、大直徑高水壓隧道建設的重要裝備，得到了廣泛應用[2]。

泥水盾構機在隧道掘進過程中，刀盤切削后的碴土在氣墊艙內先由卵石處理系統攪拌、破碎后再進入出漿管，再通過多臺排漿泵的接力抽吸排出隧道外，最后進入地面上的泥水分離站進行分離與循環利用。其中，作為卵石破碎的關鍵設備——卵石處理裝置必須根據隧道的地質條件進行地質適應性選型設計才能滿足整機的掘進要求，否則極易導致氣墊艙內碴石堆積、出漿管路磨損迅速、出漿泵損壞，直接影響到泥水環流系統的正常工作，嚴重時還會引起隧道開挖面水土壓力失衡，發生地面沉降塌陷的施工事故。同時卵石處理裝置出現損壞后整機必須停止掘進才能進行維修或更換，直接影響整機的掘進速度。為了克服上述施工工程難點，本文根據國內外卵石處理裝置設計的經驗，遵循“總體控制，疏排為主，破碎為輔”的設計原則，對卵石處理裝置進行優化設計，并應用于蘭州穿黃隧道工程。

1　卵石處理裝置的研究現狀

盾構機主機廠家研發的卵石處理裝置除常規的液壓顎式碎石機、攪拌器外，根據隧道地質條件和工程對象的不同，還研發設計了多種結構類型的卵石破碎裝置[3-6]。其中，圓錐破碎機（見圖1）的工作原理是利用盾殼和圓錐滾子的相對旋轉將從刀盤進入的卵石進行破碎，其動力來源于刀盤旋轉驅動動力傳遞，此種破碎主要適應于小斷面、破碎扭矩小、開挖直徑在3 m以下的頂管機或微小型泥水盾構機中使用；滾筒篩+旋轉式送料機（見圖2）的設計理念是將卵石輸送到主機外部處理，避免在氣墊艙內發生故障進行維修，利用安裝在氣墊艙內的滾筒篩對卵石進行篩分，小粒徑卵石與泥漿一起排出隧道，大粒徑卵石由旋轉送料機排出，而出漿泵前串聯的顎式破碎機（見圖3）可將大粒徑卵石細碎后再由排漿泵排出；螺旋輸送機+雙輥破碎機（見圖4）的原理是卵石先在開挖艙被螺旋輸送機抽吸進入泥漿環流系統，由螺旋輸送機后方的雙輥破碎機細碎后再經排漿泵排出隧道；攪拌器+軋輥破碎機（見圖5）同時具備攪拌破碎功能，利用安裝在泥漿門后方的左、右攪拌器將刀盤切削后的卵石高速攪拌吸入軋輥破碎機的進料口，經過軋輥式破碎機細碎后再由排漿泵排出。

圖1　圓錐破碎機及其頂管機

圖2　滾筒篩+旋轉送料機

圖3　管道顎式破碎機

圖4　螺旋輸送機+雙輥破碎機

圖5　攪拌器+軋輥破碎機

2　卵石處理裝置的結構設計及原理介紹

2.1結構組成

由于工程隧道卵石粒徑大、含量大、破碎難度大，常規結構型式的卵石處理裝置無法滿足使用要求，根據泥水盾構機在隧道工程中面臨的惡劣工況和國內外卵石處理裝置的經驗設計，遵循“總體控制，疏排為主，破碎為輔”的設計原則，對卵石處理裝置進行了優化設計，如圖6和圖7所示。

圖6　攪拌器

圖7　碎石機

卵石處理裝置主要由攪拌器（見圖6）和碎石機（見圖7）組成。其中，攪拌器主要由葉輪、葉輪驅動密封組件、液壓馬達等組成，成對配備在用于軟土、砂礫層、卵石含量少的富水軟弱地層施工的泥水盾碎石機由兩個液壓油缸、轉動顎、鉸接基座等組成[6]，配置在復合地層和富水砂卵石地層施工的泥水盾構機上。碎石機整體安裝在氣墊艙內，通過液壓油缸的伸縮推動轉動顎相向擺動，將進入破碎腔的大粒徑卵石破碎成滿足泥水環流系統輸送能力的小粒徑卵石，利用轉動顎的同向擺動對艙內的碴石進行攪拌。

此外，卵石處理裝置中還包括雙艙采石箱和泥漿管路破碎機，如圖8和圖9所示。其中，雙艙采石箱主要由兩個帶有液壓閘門、格柵、進出漿管路組成的采石箱串聯而成，兩個采石箱可根據隧道卵石交替或同時使用，其主要作用是篩分收集大粒徑卵石，防止其進入排漿泵損壞葉輪出現堵泵故障；其容納量為3 m3、承壓能力為1.2 MPa、卵石最大篩分粒徑為150 mm；泥漿管路破碎機采用電機驅動的偏心軸顎式破碎機構對卵石進行破碎，破巖能力比液壓顎式碎石機顯著提高；泥漿管路破碎機的碎石量為50 t/h、承壓能力為0.6 MPa、碎后粒徑不大于80 mm.

圖8　雙艙采石箱

圖9　泥漿管路破碎機

2.2工作原理

第一種卵石處理裝置（見圖10）由顎式碎石機和雙艙采石箱組成，首先將進入氣墊艙內的卵石先被液壓顎式碎石機破碎為小粒徑卵石，然后在大流量排漿泵的強力抽吸下進入排漿管，由串聯在排漿管中的雙艙采石箱進行篩分，超過排漿泵排放能力的大粒徑卵石沉積在箱底，經液壓閘門排出出漿管，而滿足排漿泵要求的小粒徑卵石直接由排漿泵經過排漿管輸出。

圖10　第一種卵石處理裝置

第二種卵石處理裝置（見圖11）由安裝在氣墊艙內的攪拌器和安裝出漿管排漿泵前方的泥漿管路破碎機組成，其首先進入氣墊艙內的卵石先被攪拌避免沉積，再在大流量排漿泵的強力抽吸下進入排漿管，由串聯在排漿管中的泥漿管路破碎機進行破碎和篩分，直接將大粒徑卵石破碎成排漿泵排放能力的小粒徑卵石，再由排漿泵輸出。

圖11　第二種卵石處理裝置

3　卵石處理裝置的工程應用

3.1工程概況

蘭州市城市軌道交通1號線一期工程（陳官營～東崗段）線路全長26.53 km，其中穿越黃河段位于安寧區迎門灘和七里河區馬灘，全長1 902.6 m，最大埋深36 m，穿越地層大多為卵石層（圖12），厚度在2~7 m之間，呈飽和吸水密實狀態，局部鈣質弱膠結；粒徑大于2 cm的漂石、卵石含量占50%～58%，一般粒徑2～5 cm，漂石含量較少，最大粒徑為55 cm.

圖12　迎門灘～馬灘富水砂卵石地層

3.2工程難點

泥水盾構機在該段區間施工面臨的主要難點：①隧道穿越的砂卵石地層結構密實，存在部分直徑大于500 mm的漂石，刀具切削面不平整，刀具破巖困難；②粒徑大于2 cm的卵石含量占到了50%～55%，中粗砂充填，盾構機相關部件磨耗大；③易發生因排泥流速及泥漿攜渣能力不足使卵石沉淀引發排泥管堵塞等問題；④卵礫石地層膠結性差，富水地層滲透系數大，難以保持壓力平衡，地面沉降較難控制。

3.3應用效果

通過試驗數據分析可知，泥水盾構機的平均月進尺240 m以上，月堵艙堵管次數降低到2次以下，排漿泵，每月故障率降低到3次以內，出漿管易損件更換周期提升到3個月以上，盾構機在該類砂卵石地層的掘進效率顯著提高。

4　結束語

本文介紹了泥水盾構機卵石處理裝置的多種結構和工作原理，并結合蘭州穿黃隧道工程地質條件，針對性設計了兩種適應于富水砂卵石地層卵石處理裝置，實現了對粒徑超過500 mm、巖石抗壓強度超過150 MPa的大粒徑、高硬度卵石的快速排放和破碎，顯著地提高了泥水盾構機的施工效率。

[1]丁光瑩，楊國祥，萬波.首臺國產大型泥水平衡盾構在打浦路隧道復線工程的應用[R].中國城市地下空間開發高峰論壇，2009.

[2]周迎，丁烈云，周誠，等.越江隧道工程泥水盾構適應性分析研究[J].鐵道工程學報，2010，（11）：68-74.

[3]楊愛軍，張寧川，王杜鵑，等.砂卵石地層氣墊式泥水盾構的優化[J].隧道建設，2013，33（4）：331-335.

[4]楊書江，孫謀，洪開榮.富水砂卵石地層盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]劉學龍.泥水盾構碎石機出現故障時的措施與掘進[J].建筑機械化，2011，32（6）：77-78.

[6]楊書勤.基于壓力控制的泥水盾構碎石機液壓系統分析[J].鐵道建筑機械，2012，（10）：43-45.

Design and Application of Shield pebble Processing Equipment

ZHANG She-jun1，2，XIA Yi-min2
（1.China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan410100，China；2.Electrical and Mechanical College of Central South University，Changsha Hunan 410100，China）

Shield machine is the main construction equipment in the construction of tunnel engineering in water rich strata.The gravel crushing and mixing ability of the pebble treatment device is very important to the driving speed of the whole machine.In this paper，the main structure and principle of the shield machine pebble treatment device are introduced.A new structure of pebble treatment device is designed and used in tunnel including rich water and sand gravel，the application results fully meet the adaptability of the shield and the processing capacity of the shield and increase the speed of the shield tunneling.

slurry shield machine；stone crusher；blender；double chamber quarry；mud pipe crusher

U455.3

A

1672-545X（2016）10-0059-04

2016-07-05

國家科技支撐計劃資助項目：煤礦長距離斜井盾構原位地下拆解及配套技術（2013BAB10B03）

張社軍（1979-），男，陜西韓城人，在職工程碩士，現主要研究方向為盾構機/TBM的總體設計，參與多項國家及省部級科研課題。