復雜地質大直徑盾構機性能特征

胡建南

【摘 ?要】論文著重介紹了復雜地質條件下，大直徑盾構機所具備的一些基本功能。

【Abstract】This paper mainly introduces some basic functions of large diameter shield tunneling machine under complex geological conditions.

【關鍵詞】復雜地質;大直徑盾構機;性能

【Keywords】complex geology; large diameter shield tunneling machine; performance

【中圖分類號】U445.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）02-0164-02

1 引言

長江是江蘇的黃金運輸帶，也是南北之間的阻隔帶。新中國成立以來，很長時間內，江蘇段僅有一座南京長江大橋過江。伴隨著城市和軌道交通的發展，江蘇沿江各地對過江通道的需求不斷加大，跨江交通需求呈現急速增長態勢。2007年公路過江年平均日交通量為22萬輛，到2017年已增至65萬輛，增長近3倍，預計2020年，有望突破100萬輛。目前，江蘇省內過江通道建成14座，4座在建，為加快過江通道建設，至2020年，江蘇省過江通道數量達17座。除了常規的長大橋梁，為降低對長江航道的影響，隧道也成為過江通道的重要選擇。

2 大直徑盾構機選型

由于長江段地質、水文條件復雜，穿越長江，采用大直徑盾構機進行施工。盾構機選型主要依據工程地質勘察報告、施工圖紙、現場實際勘察情況及參考國內外已有盾構工程實例、招標文件要求等，以確保盾構施工的安全性、可靠性、適用性、先進性、經濟性相統一。

地質條件復雜、盾構區間主要穿越粉細砂、中粗砂層，石英含量高，上軟下硬地層，全斷面硬巖層（包括巖溶區域），巖層飽和抗壓強度達到60MPa以上，隧道最高水壓達到8bar以上，與此同時，需在江底穿越斷裂帶，盾構管片內徑13.3m，管片厚度60cm，抗壓強度C60P12。綜合上述因素，宜選用開挖直徑15m的復合泥水氣壓平衡盾構機，刀盤具有常壓滾齒互換的功能，同時，具備帶壓進艙作業的能力，刀盤具備伸縮功能，盾構機配備超前探測系統，預留超前鉆探系統、超前注漿設備，并設置大功率破碎機及攪拌機（見表1）。

3 常壓滾刀（齒刀）的更換

盾構隧道地質情況復雜，特別涉及斷裂帶地層、上軟下硬地段、巖溶區域、高強度石英石區域，這就要求常壓刀盤上的滾刀（齒刀）需要頻繁進行更換，更換滾刀（齒刀）裝置要考慮結構的強度、密封的可靠性、刀具檢測裝置的安裝問題等技術難點。

3.1 換刀裝置結構強度

為保證常壓換刀裝置的工作壽命，既能夠克服大直徑盾構機掘進過程中刀具所承受的來自土體的反力和扭矩，又能長期保持穩定的工作狀態直到隧道挖通，其主要材料采用高強度鍛造碳鋼和高強度合金鋼，并在受力較大的內部配合面處采取了滲碳和淬火等表面硬化工藝。

3.2 密封系統

常壓換刀裝置的密封在盾構掘進過程中是無法進行更換的，一旦常壓換刀裝置某處密封發生失效漏水，那么對于盾構隧道施工來說就是一個很大的風險。為了保證密封的可靠性，可以采用多種密封圈、密封條和導向刮板，確保換刀裝置密封可靠性。

3.3 刀具檢測系統

刀具檢測系統的可靠性主要靠集成的刀具檢測系統，對刀具的狀態進行詳細地檢測及分析。換刀裝置包含滾刀磨損檢測、旋轉檢測、應力檢測和溫度檢測裝置，這些檢測信號（除磨損檢測信號）通過換電氣模塊無線發送到操作室接收器上，實時反映刀具運行情況，對施工工況、刀具狀態、換刀時機會起到很大的作用[1]。

4 全回轉鉆注裝置

針對掘進過程遇到斷層、溶洞等特殊地層，在盾構機上配置全回轉超前鉆注一體鉆機，該鉆機可在停機狀態下，通過盾體孔洞，以8～15°的角度覆蓋盾構刀盤前方20m左右土體，由于超前鉆機安裝在盾體后部平臺上，可進行前后滑動并360°旋轉，對土體全周進行探測及注漿加固。相比于傳統的在拼裝機上安裝超前鉆機，操作更加方便，效率更高。

5 刀盤擺動/伸縮功能

針對超大直徑盾構在軟硬復合地層掘進時，穿越距離長、斷面大、地質復雜的特點，刀盤具備通過對驅動設置上下三組擺動油缸組及止轉油缸，通過油缸行程的變化及鎖緊裝置，實現刀盤驅動±1.2°擺動，有效解決刀盤的卡死、擴徑換刀及姿態調整問題[2]。

6 刀盤耐磨及檢測、沖刷

為了滿足長距離掘進需要，刀盤正面、周邊區域、覆蓋復合耐磨板，刀盤周邊采用耐磨條耐磨板+合金鑲嵌進行加強。為了對刀盤結構的磨損情況進行探測，在刀盤面板區域，特別是所有主臂的中心區域一直到周邊區域都布置條式磨損檢測裝置。

針對常壓刀盤，特別在復合地層中，盾構機在掘進過程中容易結泥餅的情況，對刀盤中心沖刷要著重考慮刀盤配置正面中心沖刷、中心刀筒沖刷以及刀盤主臂間沖刷，沖刷流量達到1100m3/h。

7 泥水循環系統

針對地下復合地層復雜地質特點所選用的復合式泥水平衡盾構機，適當需要考慮到超大直徑盾構掘進過程中在遇到復雜地層時有可能造成掘進困難、塌方、堵倉等情況，因此，在泥水循環系統上需要充分考慮前艙的沖洗及循環功能。可根據需要設置大小循環功能及多層逆洗功能，可確保在發生堵倉的情況下盡快恢復掘進。

盾構上配備有大循環逆洗（泥水倉逆洗）、小循環逆洗（氣泡倉逆洗）。大循環逆洗用于盾構機在通過斷裂帶等困難地層時，正循環模式掘進困難，可切換至逆循環模式，推進效率高;小循環逆洗用于氣泡倉底部發生堵倉和滯排時的疏通。

在掌子面塌方后，如果泥水倉內渣土較多，大逆洗無法將塌方部分渣土排出，通過在泥水倉不同高度配備的大直徑泥漿管對泥水倉進行大流量多層逆洗，可快速恢復掘進[3]。

8 密封系統

為確保主驅動密封可靠性，必須逐級為密封艙和齒輪箱內提供壓縮空氣，根據支撐壓力的大小，密封腔被施加相應的壓縮空氣，當支撐壓力在10bar，內時，聯級加壓系統會自動進行操作加壓。

盾尾減小加強筋板的間距，同時，增加加強筋板的數量，在油脂管區域也增加加強筋板，同時，內置冷凍管，以應對惡劣工況下的維修、保養工作。

9 結語

以上為盾構機選型及配置是復雜地質條件下大直徑盾構機的基本配置，在后續工程中應根據不同地質、水文條件進行調整及優化。

【參考文獻】

【1】游永鋒.復雜地層超大直徑盾構針對性設計關鍵技術[J].中國高新科技，2019（06）：44-46.

【2】吳迪.大直徑泥水盾構機穿越復雜環境分區施工控制技術[J].隧道與軌道交通，2018（01）：23-27+56.

【3】楊磊.復合地層泥水平衡盾構機選型技術要點[J].隧道與軌道交通，2018（03）：1-4+55.