快速切換式土壓敞開(kāi)雙模盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

鄭敏杰

宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315000

1 工程概況

廣佛環(huán)線(xiàn)南起廣州南站，北至白云機(jī)場(chǎng)，全線(xiàn)長(zhǎng)46.537km，其中隧道長(zhǎng)45.042km。東環(huán)隧道廣州南站至大石站區(qū)間隧道總長(zhǎng)度為5224m，其中225m為明挖隧道，盾構(gòu)隧道長(zhǎng)約5000m。該項(xiàng)目的最小曲線(xiàn)半徑為700m，縱坡最大坡度17‰，采用的管片外徑為Φ8800mm，內(nèi)徑為Φ8000mm，管片環(huán)寬1800mm。根據(jù)地勘資料，盾構(gòu)機(jī)所穿越的地層中以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖、中風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖為主，局部含有中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。廣州南站至大石站掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 廣州南站至大石站掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)斷面圖

2 雙模式刀盤(pán)、刀具針對(duì)性設(shè)計(jì)

為了解決雙模式刀盤(pán)長(zhǎng)距離掘進(jìn)刀盤(pán)磨損問(wèn)題，刀梁兩側(cè)堆焊耐磨網(wǎng)格，刀盤(pán)面板上用焊接復(fù)合鋼板，在外圈梁焊采用一圈耐磨合金塊增加耐磨性。刀盤(pán)設(shè)計(jì)成與TBM相同溜渣機(jī)理，如圖2所示，出渣效率高；刀盤(pán)配置6把18寸中心滾刀、53把18寸單刃滾刀正面刀間距75mm，與TBM刀盤(pán)刀間距相當(dāng)，較小的刀間距破巖能力強(qiáng)，破巖效率高。

圖2 刮渣板截面圖

為了解決中風(fēng)化巖層對(duì)刀具磨損作用強(qiáng)烈，會(huì)產(chǎn)生較大刀具消耗，區(qū)間內(nèi)換刀頻繁等問(wèn)題，根據(jù)華南地區(qū)盾構(gòu)使用經(jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較高，振動(dòng)較大，對(duì)中心刀箱、正面及邊滾刀刀箱進(jìn)行加大，降低刀箱磨壞的概率。最外同軌跡邊滾刀設(shè)計(jì)為2把，土壓模式時(shí)采用18寸滾刀掘進(jìn)，可減少刀具更換次數(shù)。敞開(kāi)模式時(shí)采用17寸邊滾刀，側(cè)向力小，可降低刀具異常損壞的概率，延長(zhǎng)換刀距離。為了解決雙模式刀盤(pán)在不同掘進(jìn)模式下功能需求之間的矛盾，雙模刀盤(pán)進(jìn)渣刀梁與刀盤(pán)牛腿設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)開(kāi)挖及出渣。

圖3 雙模式刀盤(pán)

兩種出渣方式刀盤(pán)的設(shè)計(jì)解決了在有限的開(kāi)挖斷面內(nèi)同時(shí)滿(mǎn)足敞開(kāi)模式掘進(jìn)的破巖、溜渣和防止主機(jī)滾轉(zhuǎn)的需求與土壓平衡模式掘進(jìn)需求之間的矛盾，有力地保證了雙模式刀盤(pán)在不同地質(zhì)的綜合掘進(jìn)性能。

3 雙模式下主驅(qū)動(dòng)針對(duì)性設(shè)計(jì)

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層掘進(jìn)時(shí)，隧道底部對(duì)滾刀的支撐力大于隧道頂部，刀盤(pán)和主驅(qū)動(dòng)受偏載嚴(yán)重，因此刀盤(pán)與主軸承要具有足夠的剛度和強(qiáng)度。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在全斷面土層掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度快，可達(dá)50～60mm/min。在上軟下硬地層掘進(jìn)時(shí)，下硬層貫入度低，推進(jìn)速度只有15～20mm/min。同樣的里程，刀盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)多，對(duì)地層的擾動(dòng)相對(duì)大，特別是土倉(cāng)壓力不足情況下，容易引起上軟層的坍塌，導(dǎo)致地表易發(fā)生沉降，因此主驅(qū)動(dòng)扭矩要足夠大，以保證土倉(cāng)有足夠的壓力。主驅(qū)動(dòng)采用4800mm直徑的主軸承，配置的主軸承共有兩排主推滾子，可承受較大的偏載，具有較大的剛度，有效使用壽命≥10000h。主驅(qū)動(dòng)配備12組（滿(mǎn)配14組）變頻電機(jī)，驅(qū)動(dòng)功率達(dá)3000kW，最大為15570kN·m，脫困扭矩為18690kN·m；最大扭矩系數(shù)為20.5，脫困扭矩系數(shù)為24.6，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為0～1.84～3.94r/mim，可以滿(mǎn)足該項(xiàng)目地層的施工需求。

4 雙模式快速轉(zhuǎn)換功能針對(duì)性設(shè)計(jì)

雙模式盾構(gòu)機(jī)最大的特點(diǎn)為本身具有雙重掘進(jìn)模式功能，在遭遇不良地質(zhì)時(shí)能進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換施工。之前國(guó)內(nèi)土壓敞開(kāi)式雙模盾構(gòu)機(jī)施工，在模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，需要在隧道內(nèi)完成拆裝螺旋機(jī)與主機(jī)皮帶機(jī)，需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間進(jìn)行拆裝。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)能在隧道內(nèi)進(jìn)行模式快速轉(zhuǎn)換施工的盾構(gòu)機(jī)無(wú)疑具有重要意義，同樣是該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于以前設(shè)計(jì)的雙模式盾構(gòu)機(jī)在隧道內(nèi)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，時(shí)間消耗最長(zhǎng)的工作量集中在拆裝螺旋機(jī)和主機(jī)皮帶機(jī)，因此設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠使螺旋機(jī)和主機(jī)皮帶機(jī)共存的主機(jī)無(wú)疑是最好的解決方案，如圖4所示。

圖4 敞開(kāi)模式下主機(jī)皮帶機(jī)與螺旋機(jī)共存示意圖

為了解決螺旋機(jī)在與主機(jī)皮帶機(jī)共存轉(zhuǎn)彎的干涉問(wèn)題，螺旋機(jī)前部設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)軸承，這樣螺旋機(jī)可與前盾有一定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋機(jī)的尾部通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)直接安裝在拼裝機(jī)的橫梁上，該橫梁設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這樣保證螺旋機(jī)在主機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，既能與前盾有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，又能限制螺旋機(jī)尾部與尾盾的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。

圖5 拼裝機(jī)橫梁支撐結(jié)構(gòu)圖

圖6 螺旋機(jī)與主機(jī)皮帶機(jī)共存現(xiàn)場(chǎng)組裝圖

為了解決快速為刀具降溫和清理土倉(cāng)內(nèi)的砂石粉塵的問(wèn)題，前盾隔板頂部設(shè)計(jì)了11道能快速拆裝的高壓噴水管路，通過(guò)該管路能快速為刀盤(pán)降溫和清除土倉(cāng)內(nèi)的砂石粉塵，如圖7所示。敞開(kāi)模式下，主機(jī)皮帶機(jī)接渣口上部從前到后依次設(shè)置橡膠擋塵、噴水擋塵和鏈條擋塵三級(jí)擋塵系統(tǒng)以保證施工時(shí)主機(jī)里空氣的清潔，如圖8所示。配置1套干式除塵器和除塵風(fēng)機(jī)，滿(mǎn)足設(shè)備正常施工時(shí)的除塵需求。

圖7 隔板高壓噴水模擬圖

圖8 三級(jí)擋塵系統(tǒng)模擬圖

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一種既能在軟弱地層又能在較差地層中掘進(jìn)，且兼具在硬巖地層中掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)，快速切換式土壓敞開(kāi)雙模盾構(gòu)機(jī)具有更廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，同時(shí)對(duì)配套施工干擾小，施工周期短，能有效降低工程風(fēng)險(xiǎn)，是一種特別適用于隧道工程施工的裝備。文章以廣佛環(huán)線(xiàn)中廣州南站至大石站區(qū)間使用的快速切換式土壓敞開(kāi)雙模盾構(gòu)機(jī)項(xiàng)目為依托，對(duì)雙模式刀盤(pán)、刀具、主驅(qū)動(dòng)、盾體、快速轉(zhuǎn)換功能等方面的針對(duì)性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，旨在為以后類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。