超大直徑盾構機關鍵設備選型分析

南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210036

1 超大直徑盾構機概述

盾構機是地鐵隧道、電力管線等工程修建的成套化設備，近10年來國內中小直徑盾構機已經發展得相對成熟，而超大直徑盾構機正處于起步階段，仍有很多施工中的未知領域有待研究和探索。

常規直徑盾構機刀盤外徑在6.2m左右。如果刀盤直徑達到8m、12m，甚至達到15m，則屬于超大直徑盾構機。超大直徑盾構機同樣分為土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機等類型。與超大直徑土壓盾構機相比，泥水平衡盾構機對地質的適應能力更強，尤其是在復雜地層施工時更具有優勢。

在盾構法施工中，盾構機的合理選型會達到事半功倍的效果。文章依托南京某過江項目，對超大直徑盾構機的關鍵設備選型進行分析。

2 工程概況

南京某過江通道盾構段長2975.91m，該隧道設計為單層三車道，隧道外徑為14.5m，內徑為13.3m，隧道設有排煙道、管廊、救援通道和逃生通道等。根據隧道通車斷面布局設計要求，超大直徑隧道施工中，箱涵部分即為隧道設計要求的疏散通道部分；三車道位于隧道斷面的水平直徑偏下方。由于該隧道為過江隧道，因此只能采用暗挖法施工。盾構法施工相對可靠，故初步擬定采用刀盤直徑為15.03m的超大直徑盾構機進行施工，如圖1所示。

圖1 某過江通道斷面圖

盾構段依次穿越的地層為軟土層段、江底段、上軟下硬段、硬巖段。其中軟土層段為粉細砂、中粗砂；江底段長約1430m；上軟下硬段上部為砂層，下部為角礫巖層，長約240m，巖層平均強度為28MPa，最大強度為65MPa；硬巖段長約1100m，包括425m巖溶區域，該段巖溶揭示溶洞高度為0.2～4.4m不等，見洞率為22.7%～27.3%，硬巖段地質主要為全斷面中風化角礫巖、中風化角礫狀灰巖、灰巖層，巖層平均強度為59MPa，最大強度為70MPa。

整條隧道需要穿越F7（幕府山—焦山斷裂）區域斷裂及4條斷層，且有1條與線路平行，所有斷裂帶均為非活動性斷裂。隧道縱斷面地質剖面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面地質剖面圖

盾構機最大埋深為76.5m，同時也處于斷裂帶。整條隧道承受的水壓按三百年一遇水位11.24m考慮，承受的最大水壓約790kPa。

根據地質情況，顯然不能全部采用明挖法或者鉆爆法等施工。采用盾構法施工有利于克服地層復雜、水壓較高等困難。

3 盾構機選型原則

超大直徑盾構機選型主要是對其種類、刀盤、刀具、驅動系統、推進系統、泥水處理系統、超前鉆機等方面的綜合配置。盾構機選型原則主要有地層滲透系數、承受水壓大小兩個指標。

（1）根據地層的滲透系數進行選型。針對不同地質情況和滲透系數進行盾構機的選型，滲透系數取值的不同范圍在很大程度上決定著盾構機的種類，各地層對應滲透系數與盾構機選型的關系如圖3所示。

圖3 各地層對應滲透系數與盾構機選型的關系

通常，當地層的滲透系數小于10-4m/s時，可選用土壓平衡盾構；當地層的滲透系數在10-7～10-4m/s時，如果兩者均能滿足地質施工，則具體考慮附屬配套設施；當地層的透水系數大于10-7m/s時，宜選用泥水盾構[1]。

（2）根據水壓進行選型。當地層水壓大于0.3MPa時，不宜采用土壓平衡盾構，因為螺旋機很難形成有效的土塞效應，在螺旋機出土口閘門處易發生噴涌，從而造成土倉中土壓力驟降，容易導致開挖面坍塌、地面沉降等問題[2]。

根據以上兩點，該項目地層滲透系數最大值為8×10-2m/s，最小值為4×10-6m/s；隧道最低點承受的最大水壓約790kPa，遠大于0.3MPa，故土壓平衡盾構機明顯不符合要求。綜合兩種選型原則，該項目選用泥水平衡式盾構機施工。泥水平衡盾構機的工作原理是用具有一定攜渣能力的泥漿作為掘進面渣土運輸和刀盤冷卻介質，同時通過控制氣泡倉壓力將其均勻地傳遞到掌子面，從而維持開挖面的穩定。

4 盾構機關鍵部件的選型

4.1 刀盤

（1）常壓刀盤。超大直徑盾構機因為刀具線速度快，在硬巖段施工時刀具磨損快，必然需要較多的換刀工作。如果選用傳統的刀盤，則須帶壓換刀。帶壓換刀的工期較長、換刀風險較大且成本過高，已無法滿足該項目盾構機在復雜地層的施工要求，故選用常壓刀盤。

根據對地質情況的分析，適合選用開口率為29.7%的六輻條復合式刀盤，該形式刀盤既有利于防止黏土附著，不易黏結和堵塞，又能限制進入土倉的卵石粒，且江底過高的壓強可以在一定程度上確保盾構掌子面的穩定性。為滿足常壓刀盤換刀，特設計了多種適用于不同刀具的換刀裝置，該裝置可在常壓狀態下在刀盤內進行刀具更換，且部分裝置可將撕裂刀和滾刀進行互換，以滿足盾構機在不同地層下的施工要求。

（2）刀盤防結泥餅設計。由于該項目選用的是常壓刀盤，該類型刀盤不可避免地面臨著中心開口率低的問題，加之刀體處于封閉的刀桶內，因此中心位置渣土流動性更差，易結泥餅。該項目的刀盤直徑大，為保證輻條連接強度，其中心無開口區域直徑近4m。為解決以上問題，該刀盤設計有相應的刀盤中心沖洗和刀盤開口沖刷，可有效防止開口堵塞，降低刀盤泥餅形成概率。在刀盤中心區域設置6個DN65沖洗口，采用單獨的泵沖洗，如發生堵塞可切換至高壓柱塞泵沖洗，最大壓力可達2.5MPa，可有效防止刀盤中心區域結泥餅。刀盤輻條處設置6個DN80的沖洗孔，單個沖洗口流量為160m3/h，流速為5m/s，可有效防止輻條間結泥餅。

4.2 刀具

隧道掘進開始時有一段較長的粉細砂、中粗砂層，石英含量高，刀具易磨損，特選用鑲嵌大合金高耐磨的重型撕裂齒刀，可滿足長距離掘進要求。

由于超大直徑盾構機刀盤面積大，因此刀具配置尺寸大且數量較多。總共配備為中心常壓可更換滾刀17’（12把）、正面常壓可更換滾刀19’（52把）、邊緣常壓可更換滾刀19’（12把）、常壓可更換切削刀（46把）、正面刮刀（74把）、邊緣刮刀（48把）。刀具分布和常壓滾刀如圖4所示。

圖4 刀具的選型及分布

4.3 驅動系統

超大直徑盾構機驅動部一般采用變頻電機驅動，能量利用率高。為了實現驅動系統的準確選型，需要對盾構機挖掘扭矩進行計算。

（1）挖掘扭矩計算。刀盤掘進所需的切削扭矩T計算公式如下：

式中：T1為土的切削阻力扭矩，kN·m；T2為刀盤前面阻力扭矩，kN·m；T3為刀盤外殼阻力扭矩，kN·m；T4為機械損失阻力扭矩，kN·m。

式中：Qe1為頂部水平土壓；Qe2為底部水平土壓；τ1為刀盤前面的砂土剪切阻力；μ1為土與刀盤表面之間的摩擦系數，取0.3；ρ為刀盤開口率。

式中：Bg為刀盤外圈寬度；T3為作用于刀盤外圈部分的摩擦阻力；Pm為作用于刀盤外周的平均土壓；Pe為上部垂直土荷載；Qe1為頂部水平土荷載；Qe2為底部水平土荷載。

式中：T5為軸承旋轉損失阻力扭矩；T6為密封滑動損失阻力扭矩。

根據刀盤正常掘進所需要的扭矩計算結果，該項目擬定盾構機共配置16臺電機，總功率為5600kW。

考慮到需在巖層中長距離掘進，根據經驗刀盤轉速不應低于1.2r/min，最終確定額定轉速為1.33r/min，最高轉速為3r/min，滿足今后120MPa以上的巖石地層掘進要求。為防止掘進中扭矩不足造成施工停滯，在驅動系統設計上預留了4臺電機安裝位置，最大總裝機功率可達7000kW，理論上完全滿足掘進要求。

（2）刀盤伸縮/擺動。超大直徑盾構機刀盤重量一般為500t左右，卡機問題不容忽視。幕府山—焦山斷裂帶F7寬度為3～8m，帶內巖體破碎，具有較好的導水性。在斷裂帶掘進時，容易存在塌方以及卡住刀盤的問題[3]，故增加刀盤伸縮/擺動裝置，如圖5所示。

圖5 驅動伸縮/擺動裝置

第一，伸縮系統。針對存在斷裂帶以及不明地質的情況，刀盤采用可伸縮設計。驅動部齒輪傳動采用雙支撐+內嚙合方式，并且驅動部具備伸縮功能。驅動部兩側布置止轉油缸，可防止開挖時驅動部整體發生旋轉，球鉸軸承內圈上安裝有特制的鋁青銅銅排。通過油缸的控制，驅動部相對球鉸軸承內圈產生軸向滑動，進而實現刀盤的軸向伸縮，伸縮量為400mm。第二，擺動系統。針對硬巖地層掘進距離長、換刀頻繁、邊刀更換困難的問題，刀盤采用刀盤擺動技術。驅動部具備擺動功能，驅動部安裝在一個大直徑球鉸軸承內，球鉸軸承的內圈相對軸承外圈最大可實現±1.2°的擺動，進而實現主驅動+刀盤的擺動功能。

4.4 推進系統

推進油缸的主要作用是為盾構機提供前進的推力，選擇一套合適的推進系統可以保證盾構機具有足夠的前進力。

（1）總推力計算。經驗公式如下：

式中：F為總推力，kN；D為盾構外徑，m。

該項目施工地層復雜，承受水壓大，采用的盾構機直徑為15m級，故系數選擇1300[4]。選型充分考慮了可能需要的裕量，最大推力按229612.5t設計。

（2）油缸選型計算。超大直徑盾構機對于推力的要求巨大，否則無法正常掘進。一般小型盾構單根油缸推力為1000～1500kN，大型盾構單根油缸推力為2000～4500kN。油缸數量則須根據總推力來計算，數量選擇時要考慮到安全系數。

根據總推力計算和管片拼裝方案，該盾構機最終確定布置單根推力為4400kN的油缸56根，行程3200mm，總推力為246400kN，大于229612.5t，故符合要求。相鄰2根油缸的擋板是連在一起的，油缸可以2根為一組單獨操作，油缸總共分為6個區域。

4.5 泥水循環系統

超大直徑盾構機的開挖直徑大，采用泥水循環系統進行出渣工作，其選型至關重要。泥水式盾構機是通過泥水在開挖面形成泥膜，加壓后保持開挖面穩定，通過泥水循環將切削的土砂搬運到地面。開挖過程中的關鍵問題是如何在泥水循環系統中控制開挖面壓力的穩定。循環系統選型主要有兩種參考方式：（1）檢測開挖面壓力，控制送泥量，將開挖面壓力保持在設定壓力范圍內，再通過調整泥水的性狀，測量實時流量、密度，掌握挖掘土量、加壓狀態（逸水）等確立的綜合管理掘進系統。（2）加壓系統和泥水循環系統是相對分開的，是在開挖土艙內設置氣壓艙，構成空氣罐，以簡化循環系統。加壓系統是通過控制氣壓艙的壓力（泥水和空氣的界面）來保持開挖面穩定。當前國內大部分的泥水平衡盾構機都選用此種模式，其優點在于通過氣壓能夠更加穩定地控制開挖面的泥漿壓力，避免產生較大的波動[5]。

為符合實際施工需要，該項目在盾構機選型上增加了分層逆洗系統和泥漿管路延伸裝置。具體原理如下：

（1）分層逆洗。超大直徑盾構機的刀盤半徑距離長，傳統盾構機的逆洗功能因壓力損失等原因，已無法滿足施工要求。為此將該盾構機特設計為多層逆洗，在盾構泥水艙下部分層布設多個泥水管路，可根據施工要求對泥水艙進行逆洗。

（2）泥漿管路延伸。超大直徑盾構機送排泥管路直徑大，管路延長時必然會有部分殘余泥漿溢出，污染周圍環境。采用三通打球式接管器，使用閉塞球密封泥漿管，即使在接管時將送排泥管斷開，泥水也不會溢到隧道內，改善了隧道的施工環境，實現了綠色文明施工，減少了清理隧道的成本。

4.6 空氣系統

與常規盾構機相比，超大直徑盾構機的斷面明顯較大，對技術的要求更高，掌子面的穩定性至關重要。空氣系統是為盾構機氣動元件提供動力，并為氣泡倉提供氣源以及為人閘提供可呼吸系統。由于空氣系統在泥水平衡盾構中具有特殊地位，因此機上應配備足夠的空壓機及1臺備用空壓機，且要有足夠的儲氣罐，從而在面對突發情況時能夠保證氣源的穩定[6]。

4.7 保壓系統

泥水平衡盾構機必須具備保壓系統，其主要通過調節氣墊艙的壓力來調節泥水倉的壓力，穩定開挖面。由于地層的變化，掌子面泥水的壓力應該隨著需要進行變化。

該泥水平衡盾構機配置了雙氣路氣墊艙自動保壓系統，可以對氣墊艙壓力實現PI自動控制，有遠程操作、本地操作和手動操作3種模式。

4.8 超前鉆探系統

在溶巖分布區可能存在未被探明的溶洞，盾構掘進時可能造成地表塌陷。針對溶巖地層和不明地質條件，在該盾構機拼裝機后與1#臺車連接橋處配置一套超前鉆探系統。該系統通過環梁在連接橋做前后和旋轉動作，前后動作量為2m，鉆機最大仰角為15°，最佳工作角度為11°。

在盾構機的中盾環向設置有18個超前鉆探孔。鉆機通過拼接鉆桿的方式可以探查刀盤前30m、最大半徑為14.5m的圓臺區域地層，并可通過探孔對地質層做加固處理。超前鉆探系統如圖6所示。

圖6 超前鉆探系統

5 結束語

總之，在選擇盾構機時一定要從項目的實際需求出發，充分研究盾構施工的地層，根據施工需要選擇配套的盾構機與系統。只有選擇與施工要求高度匹配的盾構機，才能更加順利地完成施工要求。