土壓平衡盾構機不同開挖直徑適應性改造技術研究

2022-04-28 09:06:58王胤彪

施工技術(中英文) 2022年6期

王胤彪

(中交四航局第一工程有限公司，廣東廣州 510310)

0 引言

目前國內不同城市或同一城市不同線路地鐵隧道盾構開挖沒有統一尺寸，市場上僅6m級的盾構就有6 280，6 480，6 680，6 980m等多種類型，盾構隧道因開挖直徑不同造成原有盾構機不能在新中標項目上使用，原有盾構機閑置，造成巨大資源浪費。采用租賃方式，一是租賃成本高，二是找到合適的盾構機不易；采用新購，又需大量投入資金。對現有同系列盾構機進行適應性改造，既可節約資金，又可滿足新項目需求，不失為一種好的思路。本文通過對廈門地鐵2號線原有盾構機(φ6 480)的適用性改造(改為一機多頭、多殼)，使其適用于成都地鐵30號線(φ6 280)，并從技術上、經濟上進行比較分析，為類似項目設備決策提供借鑒。

1 地鐵設計

1.1 成都地鐵30號線

成都地鐵30號線施工區間(棬子樹站—錦逸站—嬌子立交站—海桐街站)，盾構機主要穿越地層為中風化泥巖、砂卵石及復合地層。砂卵石最大粒徑>200mm，卵石強度>100MPa。區間隧道存在微瓦斯，瓦斯最大濃度值為4 596×10-6。襯砌環外徑6 000mm，內徑5 400mm，管片幅寬1 500mm，管片厚度300mm。管片襯砌環分成6塊，其中封頂塊管片1塊(F)圓心角為15°，標準塊管片3塊(分別為B1，B2，B3)圓心角均為72°；鄰接塊管片左、右各1塊(分別為L1，L2)圓心角均為64.5°，縱向接頭為10處，按36°等角度布置。1.5m幅寬管片螺栓為M24型彎螺栓(見圖1)。

圖1 6m管片結構設計示意

1.2 廈門2號線地鐵

廈門市軌道交通2號線二期工程主要地層為殘積性黏性土及全、強風化凝灰熔巖，管片外徑6 200mm，管片內徑5 500mm，管片長1 200mm，如圖2所示。

圖2 6.4m管片結構設計示意

刀盤開挖直徑6 480mm，盾構機前盾直徑6 450mm，中盾直徑6 450mm，盾尾直徑6 440mm，主機總長8 658m，盾構機總長約85m；盾構機最大推進速度80mm/min，最大推力40 860kN，拼裝機使用管片規格(外徑/內徑-寬度/分度)外徑6 200mm、內徑5 500mm、寬1 200～1 500mm、螺栓安裝角度22.5°，最大設計壓力5bar(1bar=0.1MPa)，裝機功率1 799.45kW，水平轉彎半徑250m，縱向爬坡能力±5%。

2 盾構機改造方案

盾構通過再設計，保留核心部件，采用新制的刀盤和盾體，滿足成都地鐵30號線一期工程盾構開挖直徑。同時，保留原有刀盤和盾體，盾構機需恢復原開挖直徑時可進行更換，滿足盾構“一機多殼”，最大限度降低制造成本。

成都地鐵30號線一期工程地質情況復雜，管片形式和直徑發生變化，為滿足盾構使用要求，需滿足以下要求。

1)刀盤既能適應中風化泥巖，也能滿足砂卵石地層要求，同時具有良好的耐磨性，并具有一定的破巖能力。

2)管片形式發生改變，盾體和推進油缸應根據管片重新設計調整。

3)盾體采用“頸縮”設計，螺旋機與盾體發生干涉，需調整螺旋機伸出夾角；同時，為了應對大粒徑砂卵石，增強螺旋機的設計，滿足復雜地質條件下螺旋出渣要求。

4)盾構區間存在微瓦斯地層，需對通風系統和控制系統進行改造，以滿足盾構施工需要。

2.1 刀盤新制技術

原刀盤開挖直徑6 480mm不再適用，需新制直徑6 280mm刀盤，采用4主梁+4面板+4扭腿復合刀盤結構設計，刀盤開口在整個盤面均勻分布，整體開口率為36%，結構形式具有較強的剛度和強度，減少泥餅在扭腿區域的形成，同時可滿足大粒徑砂卵石通過。

刀盤中心配置17in(1in=2.54cm)中心雙聯滾刀，正面配置17in單刃滾刀，刀間距為100mm，可滿足60MPa硬巖碎裂要求。滾刀與可更換撕裂刀互換，刀具配備可更換撕裂刀、刮刀、邊刮刀、焊接撕裂刀、保徑刀。最外軌撕裂刀允許磨損高度為5mm。滾刀刀高為175mm，刮刀刀高為130mm，較高的刀高差可保證刮刀不易被卵石撞擊損壞，也能將滾刀剝落的卵石及時刮進開口處，防止在刀盤前面堆積，造成刀具的二次磨損。刀盤配置1把仿形刀，最大超挖量為40mm(半徑)。

刀盤前面板敷設(6.4+6.4)mm復合鋼板，大圓環焊接合金耐磨塊，增強刀盤在砂卵石、風化巖、砂礫層掘進時的耐磨性，同時刀盤弧形區域焊接撕裂刀，保護弧形區域和大圓環結構，滾動刀箱周邊焊接刀箱保護塊，保護滾刀刀轂。

刀盤面板布置了6路泡沫注入口和2路膨潤土注入口(與泡沫口共用)，中心區域及土倉面板上布置有高壓水沖刷，可在主控制室進行控制，并對壓力流量進行監控。持續的高壓水沖刷可提高土倉中心渣土流動性，有效防止刀盤中心泥餅。每路噴口均可在刀盤背部維修更換(見圖3)。

圖3 刀盤設計示意

對刀盤整體結構進行有限元強度計算，校核刀盤結構滿足盾構卵石地層掘進的強度要求。盾構機推力取值10 500kN，扭矩取6 000kN·m；單元網格劃分141 218個六面體單元、254 717個結點；經分析最大應力為176MPa(許用285MPa)，刀盤大部分應力在120MPa以下，最大變形量為3.7mm(見圖4)，刀盤的結構強度滿足設計要求。

圖4 刀盤應力及變形云圖結果

2.2 盾體系統新制技術

由于管片規格由外徑6 200mm、內徑5 500mm、寬1 500mm、螺栓安裝角度22.5°變為外徑6 000mm、內徑5 400mm、寬1 500mm、螺栓安裝角度36°，原盾體系統不能使用，故盾體系統需重新設計制作。

新制后，前盾直徑為6 250mm，中盾直徑為6 240mm，尾盾直徑為6 230mm，盾尾安裝間隙30mm。采用主動鉸接設計，滿足250m小曲線轉彎要求。所有盾體附件(包含盾體平臺、推進缸附件、螺旋機前閘門、人員倉前倉門、防扭塊等)需重新制作，油脂系統設計為2×8道，注漿系統4用6備。

原推進油缸重新分組，原設計16組(22根)單雙缸布置(6組雙缸+10組單缸)更換為20組(21根)單雙缸布置(1組雙缸+19組單缸)，減少其中1根外徑260mm、內徑220mm、行程2 100mm油缸，此時推力為39 000kN，推力比為1 270kN/m2，滿足成都地區施工要求。

采用原鉸接系統，鉸接系統為12根規格為外徑320mm、內徑220mm、行程190mm油缸,最大鉸接拖拉力33 760kN(350bar), 鉸接油缸拖拉力滿足使用要求。

尾盾上采用內嵌式布置注漿管及油脂管路。每根注漿管設有觀察窗，便于清洗、維修。盾尾密封由3排焊接在殼體內部的密封刷組成，防止注漿材料和地下水漏入盾體內部。盾尾尾部有1排止漿板。耐磨鋼板制成的止漿板可防止砂漿流入盾體前部，也可防止盾體前部的泥漿對注漿效果產生影響。

盾體采用Q355B鋼板下料卷圓拼焊而成。組圓后焊接各隔板及筋板焊縫，外圓尺寸放量考慮焊接收縮。焊接過程中采用了多層多道焊接，雙數焊工對稱焊接，焊接時采用工裝夾持盾體，減少焊接過程中的變形，可很好地控制盾體圓度(見圖5)。

圖5 CTE6250盾體設計

2.3 螺旋輸送機改造技術

由于管片直徑減小，螺旋輸送機的角度也要相應調整，螺旋輸送機的拉桿、銷軸、密封需重新制作，以及拉桿耳座重新設計定位焊接。為了應對砂卵石和泥巖地層采取以下技術措施。

1)螺旋輸送機防斷裂措施在螺旋輸送機驅動部采用關節軸承，大粒徑卵石(塊石)通過時，可根據卵石粒徑大小調整驅動部與筒體角度，增加螺旋軸撓度，避免軸頸部位產生應力集中；同時，在軸頸部采用中碳合金結構鋼，經過鍛造增強結構強度(見圖6)。

圖6 螺旋輸送機防斷裂

2)螺旋輸送機耐磨措施螺旋葉片前5個節距焊接耐磨合金塊，后11個節距堆焊5mm厚耐磨層。螺旋軸外表面堆焊耐磨層，間距25mm；前端葉片迎渣面堆焊耐磨網格，高5mm，寬15mm，間距55mm；筒節1和筒節2底部焊接(6+5)mm耐磨復合鋼板，耐磨復合鋼板與法蘭之前填充φ10×25耐磨合金條。

3)防噴涌措施盾構機出土口設置2個閘門，利用“迷宮密封”原理，交替開啟有效減緩噴涌；預留膨潤土和高分子聚合物注入接口，必要時可向土倉壁和螺旋輸送機內注入膨潤土或高分子聚合物，以緩解螺旋輸送機的噴渣壓力。設置有保壓泵接口，必要時可連接泥漿泵或泥漿管緩解噴渣壓力(見圖7)。

圖7 螺旋輸送機防噴涌

2.4 通風系統改造技術

針對隧道瓦斯，設備采用以排為主、排防結合的方針。通風方案：洞外一次風機+硬風管直徑增加800mm。隧道洞口處安裝1臺55kW×2軸流風機，通過φ1 400風管送風至盾構隧道工作面，與盾構機自帶的通風系統組成通風系統。

一次風機直接將外部新鮮空氣送入螺旋輸送機口。同時，隧道回風速度≥0.25m/s，在瓦斯易聚集區增加局部防爆風扇，在盾體內預留2個防爆風扇接口，并安裝1臺防爆風機，設備橋及每節拖車各預留1個防爆風扇接口，可通過檢測瓦斯聚集結果安裝、增加防爆風機。

盾構機內部配置多個固定式氣體檢測儀，并加強通風稀釋氣體，保證瓦斯隧道施工。具體儀器配置如表1所示。

表1 氣體檢測儀安裝位置

用于微瓦斯盾構區間盾構機設計有“瓦電閉鎖”和“風電閉鎖”功能。整機配備1套防爆甲烷檢測系統，盾構上主要關鍵位置均設有甲烷傳感器，并將數據傳輸至地面監控室，實現甲烷濃度實時在線監測。當甲烷濃度達到報警設定值0.3%時，系統發出聲光報警，盾構自動停機，螺旋輸送機閘門自動關閉；若瓦斯濃度繼續上升，>0.5%時，本地高壓柜用電關閉，實現瓦電閉鎖功能。