快速切換式土壓敞開雙模盾構機針對性設計

鄭敏杰

宏潤建設集團股份有限公司，浙江 寧波 315000

1 工程概況

廣佛環線南起廣州南站，北至白云機場，全線長46.537km，其中隧道長45.042km。東環隧道廣州南站至大石站區間隧道總長度為5224m，其中225m為明挖隧道，盾構隧道長約5000m。該項目的最小曲線半徑為700m，縱坡最大坡度17‰，采用的管片外徑為Φ8800mm，內徑為Φ8000mm，管片環寬1800mm。根據地勘資料，盾構機所穿越的地層中以強風化泥質砂巖、強風化二長花崗巖、中風化二長花崗巖、二長花崗巖為主，局部含有中風化泥質砂巖、全風化泥質砂巖。廣州南站至大石站掘進區域地質斷面如圖1所示。

圖1 廣州南站至大石站掘進區域地質斷面圖

2 雙模式刀盤、刀具針對性設計

為了解決雙模式刀盤長距離掘進刀盤磨損問題，刀梁兩側堆焊耐磨網格，刀盤面板上用焊接復合鋼板，在外圈梁焊采用一圈耐磨合金塊增加耐磨性。刀盤設計成與TBM相同溜渣機理，如圖2所示，出渣效率高；刀盤配置6把18寸中心滾刀、53把18寸單刃滾刀正面刀間距75mm，與TBM刀盤刀間距相當，較小的刀間距破巖能力強，破巖效率高。

圖2 刮渣板截面圖

為了解決中風化巖層對刀具磨損作用強烈，會產生較大刀具消耗，區間內換刀頻繁等問題，根據華南地區盾構使用經驗，刀盤轉速較高，振動較大，對中心刀箱、正面及邊滾刀刀箱進行加大，降低刀箱磨壞的概率。最外同軌跡邊滾刀設計為2把，土壓模式時采用18寸滾刀掘進，可減少刀具更換次數。敞開模式時采用17寸邊滾刀，側向力小，可降低刀具異常損壞的概率，延長換刀距離。為了解決雙模式刀盤在不同掘進模式下功能需求之間的矛盾，雙模刀盤進渣刀梁與刀盤牛腿設計為一體式結構，如圖3所示，可實現雙向旋轉開挖及出渣。

圖3 雙模式刀盤

兩種出渣方式刀盤的設計解決了在有限的開挖斷面內同時滿足敞開模式掘進的破巖、溜渣和防止主機滾轉的需求與土壓平衡模式掘進需求之間的矛盾，有力地保證了雙模式刀盤在不同地質的綜合掘進性能。

3 雙模式下主驅動針對性設計

當盾構機在上軟下硬地層掘進時，隧道底部對滾刀的支撐力大于隧道頂部，刀盤和主驅動受偏載嚴重，因此刀盤與主軸承要具有足夠的剛度和強度。當盾構機在全斷面土層掘進時，推進速度快，可達50～60mm/min。在上軟下硬地層掘進時，下硬層貫入度低，推進速度只有15～20mm/min。同樣的里程，刀盤轉數多，對地層的擾動相對大，特別是土倉壓力不足情況下，容易引起上軟層的坍塌，導致地表易發生沉降，因此主驅動扭矩要足夠大，以保證土倉有足夠的壓力。主驅動采用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。主驅動配備12組（滿配14組）變頻電機，驅動功率達3000kW，最大為15570kN·m，脫困扭矩為18690kN·m；最大扭矩系數為20.5，脫困扭矩系數為24.6，驅動轉速為0～1.84～3.94r/mim，可以滿足該項目地層的施工需求。

4 雙模式快速轉換功能針對性設計

雙模式盾構機最大的特點為本身具有雙重掘進模式功能，在遭遇不良地質時能進行模式轉換施工。之前國內土壓敞開式雙模盾構機施工，在模式進行轉換時，需要在隧道內完成拆裝螺旋機與主機皮帶機，需要花費大量的人力、物力和時間進行拆裝。因此，設計一臺能在隧道內進行模式快速轉換施工的盾構機無疑具有重要意義，同樣是該項目設計的重點與難點。由于以前設計的雙模式盾構機在隧道內進行模式轉換時，時間消耗最長的工作量集中在拆裝螺旋機和主機皮帶機，因此設計一臺能夠使螺旋機和主機皮帶機共存的主機無疑是最好的解決方案，如圖4所示。

圖4 敞開模式下主機皮帶機與螺旋機共存示意圖

為了解決螺旋機在與主機皮帶機共存轉彎的干涉問題，螺旋機前部設計成關節軸承，這樣螺旋機可與前盾有一定的相對轉動。螺旋機的尾部通過特殊結構直接安裝在拼裝機的橫梁上，該橫梁設計成特殊結構，如圖5所示。這樣保證螺旋機在主機轉彎時，既能與前盾有一定的轉動，又能限制螺旋機尾部與尾盾的轉動，如圖6所示。

圖5 拼裝機橫梁支撐結構圖

圖6 螺旋機與主機皮帶機共存現場組裝圖

為了解決快速為刀具降溫和清理土倉內的砂石粉塵的問題，前盾隔板頂部設計了11道能快速拆裝的高壓噴水管路，通過該管路能快速為刀盤降溫和清除土倉內的砂石粉塵，如圖7所示。敞開模式下，主機皮帶機接渣口上部從前到后依次設置橡膠擋塵、噴水擋塵和鏈條擋塵三級擋塵系統以保證施工時主機里空氣的清潔，如圖8所示。配置1套干式除塵器和除塵風機，滿足設備正常施工時的除塵需求。

圖7 隔板高壓噴水模擬圖

圖8 三級擋塵系統模擬圖

5 結束語

作為一種既能在軟弱地層又能在較差地層中掘進，且兼具在硬巖地層中掘進的盾構機，快速切換式土壓敞開雙模盾構機具有更廣泛的地質適應性，同時對配套施工干擾小，施工周期短，能有效降低工程風險，是一種特別適用于隧道工程施工的裝備。文章以廣佛環線中廣州南站至大石站區間使用的快速切換式土壓敞開雙模盾構機項目為依托，對雙模式刀盤、刀具、主驅動、盾體、快速轉換功能等方面的針對性設計經驗進行了總結，旨在為以后類似項目的設計提供經驗參考。