關于富水圓礫層隧道盾構機選型的探討

郭 洋 張永煥

中國建筑第八工程局軌道交通分公司

關于富水圓礫層隧道盾構機選型的探討

郭 洋 張永煥

中國建筑第八工程局軌道交通分公司

富水圓礫層盾構施工面臨噴涌、地表沉降、刀具磨損較大，本文就圓礫層盾構施工的特點對從多個方面對土壓平衡盾構機的適用性進行論證，包括刀盤刀具布置、驅動系統、針對性設計改造等。

隧道工程；富水圓礫層；盾構機選型

1 工程概況

南寧軌道交通2號線福建園站～南寧劇場站區間，區間總長度為1187.613m。區間線路由兩段直線和一段曲線構成，曲線半徑為R550m，線間距為16m～16.9m。線路最大坡度為10.27‰，區間為單向坡。區間主要穿越富水圓礫層和部分砂層根據詳堪成果本場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于粉土③1和圓礫⑤1-1層，略具承壓性，富水性較強，屬強透水層。由于區間線路較短且端頭場地較小不滿足泥水盾構的施工條件計劃采用復合式土壓平衡盾構機，本文將依據以上地質情況和施工條件，并參照國內外已有盾構工程實例，以及相關的盾構技術規范，按照適用性、可靠性、先進性、經濟性相統一的原則對土壓平衡盾構機對圓礫層的適用性進行論證。

2 施工重難點及對設備的要求

2.1 區間地質不利條件或重難點

（1）盾構穿越圓礫層時，渣土改良和出渣量及地表沉降的控制；

（2）全斷面富水圓礫層掘進扭矩偏高地層含水量大、易發生噴涌；

（3）圓礫和砂層掘進對刀具和螺旋機的磨損較大；

（4）圓礫層摩擦阻力大，盾構推力可能偏大；

（5）圍巖強度低，可能存在邊緣滾刀偏磨問題；

（6）地層滲透性差，管片拼裝易上浮；

2.2 對設備的要求

圓礫層掘進時渣土塑性不好，刀盤扭矩大，土倉建壓不易，為了降低刀盤扭矩，有可能發生欠壓掘進現象，易導致地表沉降。要求盾構有足夠的推力和扭矩。

穿越全斷面富水圓礫層掘進扭矩偏高、易發生噴涌，螺旋機保壓效果差，易發生噴涌，導致土倉失壓，引起地表沉降。要求盾構具有防噴涌措施。

在透水性強的砂層掘進時，地下水可滲入土倉影響渣土的和易性。要求配置較強的渣土改良系統。

圓礫對刀盤、刀具、螺旋機的磨損較大。要求刀盤、刀具、螺旋機具有較強的耐磨性。

3 盾構機構造

3.1 刀盤結構

采用準面板結構設計，主要結構為輻條+面板，開口率：34%。開口在整個盤面均勻分布，中心部位設有面積足夠的開口，可在南寧泥巖和圓礫層通用。

3.2 刀具布置

（1）滾刀：17寸中心雙聯滾刀4把（8刃）、18寸單刃滾刀31把，共39刃，滾刀高度187.7mm。中心雙聯滾刀間距90mm、正滾刀間距100mm，弧形區域刀間距依次遞減，可有效的保證刀盤開挖直徑，減少邊滾刀更換的次數。所有的單刃滾刀均為同一規格，邊滾刀磨損后可換為正滾刀使用。

（2）周邊刮刀8把，刀高130mm，硬質合金采用YG13C材料。其不但可以清理外圍開挖的渣土，還可以有效防止刀盤大圓環的直接磨損。

（3）刮刀36把，刀高130mm，寬度200mm，大合金銀釬焊形式，硬質合金采用YG13C材料，全斷面覆蓋，錯刃布置以利于在砂質粘性土和全、強風化巖切削。

（4）滾刀可以實現與撕裂刀（羊角刀或貝殼刀）的互換，以適應不同的地質條件。

3.3 主驅動：

配置的主軸直徑3061mm，最大使用推力荷載1250t，試驗推力荷載3125t，破壞推力荷載5000t，安全系數4。有效使用壽命≥10000小時，

9組液壓驅動，額定扭矩6650kNm，脫困扭矩8100kNm，可以滿足在砂層等對扭矩要求較高的地層中掘進；最高轉速3.35r/min，主軸承外密封4道，內密封3道，密封最大承壓能力5bar。

3.4 前盾

前盾直徑Φ6250mm，長度2083（含耐磨層）mm，盾殼厚度60 mm。

前盾切口位置焊有5mm耐磨層，增加耐磨性。為了改善渣土的流動性，土壓倉內隔墻上設有兩個攪拌棒，攪拌棒強制攪拌渣土和添加材料，增加和易性。其中一個攪拌棒注泡沫，另一個注膨潤土，攪拌棒表面用耐磨焊條網狀堆焊，增加耐磨性。

人艙內部壓力隔板上部設有Φ600mm前艙門孔和一個前艙門。工作人員通過前艙門進入土倉檢查更換刀具及處理倉內問題。

土倉內隔板上下左右配置了5個，錐板頂部配置1個具有高靈敏度的土壓力傳感器，能在主控室內顯示壓力，并可根據土壓力，操作人員調節螺旋輸送機的轉速，能很好地控制土壓平衡，減少地面沉降。

3.5 中盾

中盾直徑為Φ6240mm，半徑方向比前盾小5mm，中盾長度為2820mm，盾殼厚度為40mm，中盾和尾盾采用被動鉸接連接。

3.6 鉸接結構設計、鉸接密封性能參數

中盾和盾尾之間設計有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，如下圖所示。正常情況下，橡膠密封起作用。在涌水或橡膠密封損壞需要更換時，使用緊急氣囊密封。通過調節調節塊的螺栓可以調節橡膠密封的壓縮量，從而調節中盾與尾盾之間的密封間隙。

3.7 超前注漿孔及布置

在掌子面不穩定及涌水地層，可能需要對地質進行加固，防止開挖面坍塌造成地表沉陷。根據超前注漿的影響區域，沿中盾盾殼圓周上半部180°范圍內設計10根超前注漿管，可對地質進行超前鉆探、注漿加固。同時在盾體壓力隔板上布置6+1個超前注漿孔，可通過刀盤開口往隧道正前方鉆孔及加固。

3.8 管片拼裝機

管片拼裝機具有6個自由度，回轉速度0-1.8rpm。所有動作可遙控，便于與拼裝機配合操作。軸向油缸行程2000mm，可實現洞內更換兩排尾刷。

3.9 螺旋輸送機

（1）軸式螺旋輸送機內徑800mm,最大通過粒徑290×560mm，設計有一道前閘門和兩道出渣閘門，螺旋機軸可伸縮，伸縮量900mm。

（2）采用下部出碴結構，防止了螺旋機出口堆渣現象發生。

（3）螺旋輸送機額定扭矩210kNm,最高轉速25r/min。

（4）預留了膨潤土和高分子聚合物注入接口和保壓泵接口，后閘門配置蓄能裝置，設備斷電時，可自動關閉閘門。

4 盾構機針對性設計改造

4.1 防噴涌設計

當地下水比較豐富、土層透水系數較高，且螺旋機內的碴土難以形成“土塞”時，發生螺旋機噴涌現象的可能性較大。防止噴涌的設計如下：

（1）盾構機出土口設置2個閘門，通過控制兩個閘門的不同開度，使出渣的路徑形成S形，以降低噴涌壓力；

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

（3）設置有保壓泵接口，必要時可聯接泥漿泵或泥漿管，緩解噴碴壓力。

4.2 小傾斜角度皮帶機改造

在富水地層掘進發生噴涌時，大角度的皮帶機難以將稀碴上送，導致漏碴嚴重影響施工。提供的盾構設計9.5°的小傾角皮帶機，根據相關工程案例，輸送稀碴的能力大大提高，基本能夠將稀碴送出，保證發生噴涌時掘進施工的正常進行。

4.3 掌子面輔助支撐系統（FAS）改造

設備可選配掌子面輔助支撐系統（FAS），在土壓平衡盾構中引入泥水平衡盾構的平衡原理，利用泥膜形成隔離層，防止出現坍塌。

掌子面輔助支撐系統（FAS）有以下兩個主要的功能：

利用泥膜形成的隔離層，在上軟下硬地層或復雜地層掘進，可以有效防止出現坍塌。

（1）如果上軟層是粘土類的不滲透地層，則土壓盾構碴土改良的泡沫產生的氣泡會聚集在土倉頂部，由于地層不滲透，氣壓可以作為介質壓力對拱頂形成支撐作用。此時膨潤土保壓系統可以不用。

（2）如果上軟層為砂土類滲透性的地層，氣泡會從地層中溢出，隨之保壓系統的泥漿會向地層滲透形成泥膜，土倉頂部的介質，不管是氣體、或水、或泥漿、或碴土都會對拱頂形成支撐作用。

（3）當刀具切削泥膜后，會不斷重復氣體溢出，泥漿補充再形成泥膜的過程，持續的保持土倉頂部的有效壓力支撐。

掌子面輔助支撐系統（FAS）的另外一個功能是，膨潤土氣罐的空氣壓力可以作為判斷土倉頂部壓力的一個輔助參考值。

土倉隔板上的土壓傳感器有時會被糊住，或者被石塊頂住，顯示的土倉壓力可能會失真。而膨潤土氣罐的空氣壓力顯示不受土倉碴土狀態的影響，能夠較為真實的反映土倉頂部壓力，有助于操作者判斷土倉壓力的真實狀態，對防止地表沉降有利。

4.4 膨潤土注入系統改造

針對南寧圓礫層細顆粒不足問題，掘進時需要添加膨化后的膨潤土，盾構配備性能良好能力足夠的膨潤土注入系統。針對可能存在的卡盾問題，配置盾殼外膨潤土注入系統。盾殼外膨潤土潤滑注入系統可有效降低盾殼摩擦阻力。系統操作在主控室進行，具有自動運行功能。

針對復合地層中帶壓換刀存在的建立氣壓困難問題，可以向盾殼外側注入膨潤土，有利于建立土倉氣壓力，進行土倉換刀作業。

5 結語

泥水平衡盾構機適用于大多數強透水層但相比于土壓平衡盾構機施工成本高，對場地要求高，根據以上分析研究，傳統的復合式土壓平衡盾構機在針對性的設計改造后能夠滿足富水圓礫層的施工要求，經過南寧地鐵2號線福建園站～南寧劇場站區間施工的驗證后，證明該盾構機選型是合理的。