中心城區復雜地層盾構機優化設計

李艷斌

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

廣深地區地質條件復雜，素有“中國地質博物館”之稱。廣州地鐵12號線廣園新村站-恒福路站區間（以下簡稱廣恒區間）地質具有廣深地區地質特點，區間三次穿越斷裂帶，存在灰巖、全斷面硬巖和黏土等地層。盾構需對長距離全斷面硬巖，巖溶地層掘進，刀盤防結泥餅，建構筑物沉降控制等重難點進行針對性設計。盾構施工前期項目針對區間地質及周邊環境，同時結合以往盾構施工經驗，對盾構機進行了優化設計，同時在應用過程中，進行技術改造，提升了盾構的適應性、經濟性、安全性及舒適性。

1 工程概況

廣恒區間北起廣園新村站，線路出廣園新村站后，沿著中醫藥大學校區向南行進，下穿飛鵝西路往東南方向經桂花崗小學，轉入廣州市雕塑公園，出公園后在下塘西路東側山坡腳設置一中間風井，最后下穿廣州麓湖高爾夫鄉村俱樂部高爾夫練習場，在麓湖公園內到達恒福路站。區間左線長約2 147.888 m，右線長約2 166.100 m。

2 設備基本情況

廣恒區間使用兩臺中鐵裝備制造的復合式土壓平衡盾構機。其主要參數見表1。

表1 盾構機主要尺寸、技術性能參數

3 盾構機優化項目及優化措施

3.1 預留TBM接口優化設計

（1）優化項目：區間長距離穿越硬巖段（約1 km），巖石最大抗壓強度167 MPa，平均72 MPa。常規土壓平衡盾構在硬巖地層掘進效率低，設備易磨損，刀具易損壞，工期難保障。（2）優化措施：盾構預留TBM接口，能夠實現EPB/TBM雙模功能，硬巖段采用螺機中心出渣方式，提升掘進效率，如圖1所示。

圖1 TBM模式中心螺旋機出渣

3.2 刀盤優化設計

（1）優化項目：區間地質復雜，有灰巖、花崗巖和紅層，長距離硬巖掘進，為提升工序，盾構機刀盤需加強設計。

（2）優化措施：盾構采用雙模刀盤結構設計，刀盤采用6主梁+6副梁結構形式，設計三道圈梁，以增強其強度和剛度。為提升刀盤破巖能力，盾構設計最大轉速可達5.4 rpm。刀盤采用小刀間距設計，滾刀刀刃達48個，正面刀間距75 mm，中心刀間距90 mm。

3.3 刀盤改良噴口優化設計

（1）優化項目：盾構刀盤一般設置6個泡沫噴口，容易結泥餅，需優化噴口設置。（2）優化措施：為做好渣土改良，刀盤面板布置8路噴口，其中心區域布置4路，每路噴口均可在刀盤背部維修更換。

3.4 滾刀載荷監控系統設計

（1）優化項目：區間溶洞發育存在軟硬不均地層，如何能夠更便捷發現地質變化，給盾構司機提供更多提示尤為重要。（2）優化措施：盾構刀盤搭載滾刀載荷監測系統，設置4路在線狀態檢測點，包括滾刀磨損、受力、溫度、轉速檢測。其有助于實時監測掌子面接觸情況，判斷掌子面地層，如圖2所示。

圖2 滾刀載荷監控系統示意圖

3.5 單杠防扭轉優化設計

（1）優化項目：盾構推進過程中推進油缸單杠存在扭轉問題，單杠撐靴會與盾尾內壁干涉摩擦。（2）優化措施：設計一種輪式單缸防扭轉裝置，能夠防止油缸扭轉，減少對尾盾磨損。

3.6 同步雙液注漿系統設計

（1）優化項目：硬巖段管片容易上浮及漿液前躥問題。（2）優化措施：盾構配置3臺注漿泵，注漿管路設置為6用4備，其頂部布置2路注漿管。通過配置同步單/雙液注漿系統能加快漿液凝結，可有效控制地表沉降。

3.7 盾體防扭轉優化設計

（1）優化項目：全斷面巖層掘進轉速高，會加大主機震動和滾轉趨勢，盾體容易扭轉。（2）優化措施：前盾上半部對稱布置2組穩定器，可有效降低盾體滾動機率。

3.8 刀盤后退撐靴優化設計

（1）優化項目：硬巖段掘進刀具容易損壞，換刀頻繁。（2）優化措施：為了提高換刀效率，刀盤采用后退撐靴設計，通過鉸接油缸拉力使刀盤后退從而獲得新刀更換的空間，如圖3所示。

圖3 刀盤后退撐靴設計

3.9 超前鉆機設計

（1）優化項目：區間灰巖地層，巖溶發育，盾構具備超前加固功能，意義重大。（2）優化措施：盾構配置超前鉆機，利用管片拼裝機液壓泵站提供動力，實現鉆注一體化注漿工藝。

3.10 便捷式管片吊運系統優化設計

（1）優化項目：管片吊運是盾構施工中一項重要工作，為了提升工作效率及工作安全質量，管片吊運系統設計尤為重要。（2）優化措施：為管片吊運系統達到最佳效果，盾構機設計成一站式管片吊運系統與雙軌梁+喂片機共存的形式。采用這種復合形式，具有雙重優勢。

3.11 設備橋皮帶接泥板優化設計

（1）優化項目：應用過程中發現設備橋下方存放管片，皮帶機掉下來的泥會污染管片。（2）優化措施：在設備橋皮帶機下方安裝接泥板，防止泥漿掉落，污染管片。

3.12 渣土稱重系統設計

（1）優化項目：盾構施工中，出土量控制尤為重要，超方容易造成地面塌陷，為了做好出渣量控制，在傳統的渣斗算方量及龍門吊稱重的方式下，盾構機采取優化設計對出渣量進行驗證是有必要的。（2）優化措施：盾構采用皮帶機渣土稱重與體積掃描2種方法，相互驗證，對出渣量進行實時監測，從而控制超欠挖。

3.13 高速剪切泵設計

（1）優化項目：斷裂帶主要為碎裂巖，裂隙發育，采用氣壓輔助模式推進，掘進過程中土倉存在漏氣失壓現象，存在施工風險。（2）優化措施：盾構機配置高功率剪切泵，快速拌制高密度膨潤土，能夠實現氣壓平衡掘進，同時也對土倉渣土進行改良和阻擋裂隙水起作用，降低施工風險。

3.14 土倉可視化設計

（1）優化項目：盾構機掘進過程中土倉內是無法實時監控的，需要盾構司機判斷地層及渣土改良情況。（2）優化措施：為提高設備信息化水平，便于觀察土倉狀況，盾構采用土倉可視化設計，如圖4所示。

圖4 土倉可視化效果

3.15 隧道制冷系統設計

（1）優化項目：傳統盾構機里面作業環境是相當艱苦的，雖然有通風機，但隧道里面很悶熱，工人容易中暑。（2）優化措施：針對隧道內高溫環境，為改善隧道工作環境，降低環境溫度，盾構機配置通風制冷系統。同時，可利用降低溫度后的新鮮風引入土倉內，提高作業人員常壓進倉的舒適性，可改善溫度8℃以上。

4 設計效果及推廣前景

通過前期對盾構機優化設計及應用過程中的改造，明顯提升了整機性能，提高掘進工效，降低故障率，降低安全風險，節約成本，改善作業環境，延長設備使用壽命。

（1）預留TBM接口優化設計，可實現EPB/TBM雙模轉化，硬巖段掘進效率大大提升，縮短工期，同時能夠減少刀具消耗，在設備成本與常規盾構機相差不大的情況下實現雙模功能，性價比極高。（2）刀盤優化設計，刀盤整體強度、剛度與耐磨性增強，更好地適應硬巖地層。（3）刀盤改良噴口優化設計，渣土改良增強，能預防結泥餅能力。（4）采用滾刀載荷監控系統設計，能夠盡早發現地層變化，判斷掌子面地層，減少刀具損壞，降低施工風險。（5）采用單杠防扭轉設計，能有效解決單杠扭轉問題，避免撐靴與盾尾干涉，減少盾尾和撐靴維修時間。（6）采用同步雙液注漿系統設計，能夠實現同步單、雙液漿注漿自動切換，同時二次注漿及時跟上，有利于穩固管片及減少滲漏水點，提高經濟效益。（7）采用盾體防扭轉及刀盤后退撐靴設計，能夠降低盾構機扭轉安全風險，同時能夠提升換刀效率，節約換刀時間與成本。（8）采用超前鉆機設計，能夠對不良地質洞內進行處理，降低施工風險。（9）采用便捷式管片吊運系統設計，能夠提升管片吊運效率，降低設備故障影響管片吊運時間，提高經濟效益。（10）采用皮帶接泥板設計，能夠改善作業環境，減少泥渣對管片污染，減少用水量及減少勞動力。（11）采用渣土稱重系統設計，能夠對渣土量實時監控，降低超欠挖安全風險。（12）采用高速剪切泵設計，能夠快速拌制膨潤土，及時封堵掌子面水，降低施工風險。（13）采用土倉可視化設計，可從盾體直接觀察土倉情況，可以減少人員進倉次數，降低人員進倉風險。（14）采用隧道制冷系統設計，能夠降低隧道溫度，改善作業環境，更加人性化設計。

5 結論

盾構法施工在城市地鐵隧道建設中已常規化，但廣州地鐵12號線使用的預留TBM接口土壓平衡盾構機在國內尚屬首例。針對區間重難點，以常規盾構為基礎，通過在前期對盾構機優化設計及應用過程中技術改造，從盾構預留TBM接口，刀盤、渣土改良系統，防沉降，隧道制冷等方面優化盾構機設計，以最優的設備性能適應區間施工，對提高盾構施工工效，提升項目經濟效益，降低設備故障率，降低安全及工期風險，改善作業環境意義重大。