廣東省珠三角城際軌道交通盾構設備論述

摘 要：在本項目中，工程地質與水文地質的變化很大。這種含有不穩定的地質狀況下，建議選擇全新的，未曾使用過的土壓平衡式盾構機，目的是為了減少工作面前方沉降的風險。SHMG/NFM公司已經為眾多地鐵工程成功地設計并生產了這種多用途的土壓平衡盾構機。尤其在西班牙馬德里、丹麥哥本哈根、中國上海、香港和廣州等地，已證明了設備能夠在安全的工作環境下達到較高的掘進速度，并很好的控制了地面的沉降。

關鍵詞：盾構機；土壓平衡；軌道交通

1 概述

一般說來，土壓平衡技術（EPB盾構）適合在含有足夠的細顆粒軟土地層里開挖隧道。開挖室和螺旋輸送機里的混合土應呈現塑性。比較理想的顆粒尺寸的地層包括粘土、淤泥、砂以及礫石等，并且含有25-30%的水分。然而，根據實際的地質狀況，采用土壓平衡盾構，并配備必要的渣土改良系統，充分改良渣土特性，以滿足土壓平衡盾構施工的需要。

盾構所穿越的地層中有各種不同類型的密集樁基礎和不同直徑及材質的管線（包括污水管、自來水管、煤氣管、電力電纜管、光纜等），所以控制地表隆、陷值及隧道方向不超標尤為重要。土壓平衡盾構機的工作原理是通過控制土倉內已開挖渣土的壓力（土倉壓力），使之與刀盤前方的水土壓力相平衡（水壓+土壓），達到控制地表沉降的目的（控制地表隆、陷值不超過+10/-30mm），通過控制，隧道軸線可以控制在上、下、左、右30mm的范圍內。同時通過渣土改良使得渣土具有所要求的止水性、流動性與塑性，以便于土倉壓力的控制以及排土的目的。尤其是在富含水的砂卵石地層中掘進時，土倉壓力的控制以及渣土改良效果尤為重要。

2 各系統描述

2.1 盾體

盾體由三部分構成：前護盾、中護盾及尾護盾，材料采用Q345B加工而成。

前護盾 遮罩刀盤、刀盤驅動裝置以及人閘。

中護盾 遮罩推進油缸并支承管片拼裝機。

尾護盾 提供混凝土管片周邊的密封性。

2.2 護盾結構

護盾結構按承受7.5bar的靜水壓力進行設計。護盾結構由平鋼板或焊接的鋼板制成，確保盾殼圓周范圍內有一個一致的、連續的厚度，以便確保在較高的壓力條件下盾構斷面形狀的完整一致。

護盾結構所使用的材料和護盾的尺寸以及護盾裝備與本工程地質（土的含水量及磨損介質等等）和遇到的工作條件是匹配的。前護盾和中護盾的各個部分（環向分塊及前護盾與中護盾的連接）均為螺栓連接。必須特別關注尾護盾的結構，它是采用整體焊接的。為了適應曲線掘進，護盾的設計為倒錐形，即尾護盾的直徑要比中護盾和前護盾的直徑小一些。

前護盾結構的特點在于有一個固定在中心部不隨刀盤一起轉動的隔板。這種設計使得前護盾結構的剛度較好，同時使開挖室內的物料得到更好的攪拌，因為：可以減少刀盤的一些額外結構，刀盤僅設計成為一個回轉部件，使主軸承能在該空間所提供的最佳條件下工作。開挖室的隔板能安裝一些固定式的攪拌棒以改善開挖室內的攪拌作用，有利于渣土的流動，防止在粘性土地層中掘進時，中心區域形成泥餅。一些膨潤土漿壓注的固定噴嘴設置在固定倉室隔板的中心部，因此能在刀盤的中心噴射膨潤土漿。在盾構前盾倉室隔板后、中盾位置以及尾盾的前方沿盾殼周圈間隔預留注入孔，以便萬一需要進倉作業時預前先加固地層。鉆機（備選）可以安裝在管片拼裝機上，可以進行超前鉆孔和注漿作業。

2.3 尾護盾設計

尾護盾盾殼設計成能確保盾構在7.5bar設計壓力下具有高的抗彎曲和抗斷裂強度。為此，尾護盾盾構是用平鋼板制造的，在盾構殼四周鋼板都是均勻連續而且厚度一致，其結果是，所有用于回填灌漿和尾密封注脂的管道都完全安裝在尾護盾盾殼內壁上。相對于其他將注漿管和油脂管內埋于盾尾殼中的設計，SHMG/NFM的設計在盾殼周圈沒有盾殼厚度變小的薄弱區域。這些薄弱區域使得尾護盾形同多個環向鉸接的結構，從而降低了盾殼的承載能力。相對于其他將注漿管外置于盾殼的設計，SHMG/NFM的設計在砂性地層中掘進時能對注漿管路提供可靠的保護。

3 推進系統

3.1 推進油缸

主機的向前推進由推進系統來實現的，推進系統主要由推進油缸、液壓泵站及控制裝置組成。油缸作用在前一環的混凝土管片上，借助鉸接的撐靴將力均勻地分散在接觸表面，以防止對混凝土管片的任何一點損壞。安裝在球窩節上的撐靴上并覆蓋有聚氨酯板以確保與混凝土管片均勻平滑地接觸。

推進油缸分為5組。每組油缸均能單獨控制壓力的調整，為使盾構機沿著正確的方向開挖，司機可以調整5組油缸的壓力。為了方便主機的方向操縱，油缸直接頂推在靠近機器重心的前盾上。為了測量機器的開挖進尺，每組推進油缸裝有行程傳感器，推進速度通過控制面板可以連續地調整。管片安裝模式時，可通過管片安裝機的遙控器或固定操作面板單獨控制任何一對油缸，以滿足封頂塊的安裝在不同的點位上。管片安裝模式時，正在安裝的混凝土管片所對應的油缸縮回，其它油缸的撐靴保持壓力以足夠的推力與管片接觸，以確保安裝期間管片的安全、混凝土管片之間密封的壓力以及維持開挖室里的限定壓力。管片安裝模式時，當每一片管片安裝完畢，重新伸出推進油缸與管片接觸并施加壓力時，推進油缸的撐緊壓力將減小（此壓力可以很容易地進行預先設定），以避免盾構機向前移動、損壞拼裝機的安裝臂及已安裝好的管片或造成管片開裂。

3.2 鉸接密封及鉸接油缸

前和中盾之間設計有兩道鉸接密封，即一道四唇密封和一道止漿板密封（鋼板束），密封之間用油脂進行充填，這種彈性鋼板制成的止漿板密封可以防止在掘進過程中泥沙的進入，從而使得鉸接動作自如。鉸接是主動型的，用油缸與后部盾體連接。鉸接以及盾尾間隙的設計滿足盾構機在本項目最小曲線半徑下掘進和安裝管片的要求。

4 管片輸送器

4.1 管片吊機。盾構掘進過程中，管片由服務車（由買方提供）運到隧道內，再由安裝在后配套拖車上的管片吊機從服務列車中的管片車上吊下管片并存放在管片輸送器上。管片吊機的起吊高度（真空吸盤至服務列車軌道的距離）滿足承載了三塊重疊管片的管片車自由進入管片吊機下方的要求。

4.2 管片輸送器。管片輸送器位于連接橋和管片安裝機行走梁的下部，將管片一片一片地輸送至管片安裝機的抓取區域，管片輸送器的存儲能力為一環管片（6+1片），所有動作可以通過有線/無線控制器來控制。

5 通風系統

盾構機需配置一個通風系統。從盾構機前方靠近護盾的地方將空氣抽出并在后配套尾部排出。初次通風的風管儲存器及其更換起吊設備安裝在后配套拖車的尾部，初次通風的相應設備和管道由用戶提供。

6 安全設施

在TBM設計、制造過程中盡可能選擇阻燃材料，以減少引發火災的可能性；在TBM施工過程中所選擇使用的材料盡可能為阻燃材料，以減少引發火災的可能性。

在TBM上安裝了符合歐洲標準的燈光報警器、聲音報警器、火災報警器以及滅火裝置；在人閘內配備了水管和高壓滅火器；在管片安裝機上安裝了燈光報警器和聲音報警器。當管片安裝機旋轉時，報警器會自動發出聲音報警和燈光（閃爍）報警；在TBM各危險區域還安裝有手動火災報警器。按下按鈕后會發出雙聲火災報警；在TBM各危險區域安裝有不同類型的滅火器。CO2滅火器安裝在電氣控制面板、電機及相似部件附近；干粉滅火器安裝在控制室旁和后配套系統上液壓設備附近；在主控室、人閘、管片安裝機等重要部位都設置有緊急停機按鈕；在TBM上設有緊急情況下使用的緊急安全通道。

參考文獻

[1]董建剛，王云.土壓平衡盾構施工中盾構機的操作與管片選型[J].山西建筑，2010（8）.

[2]陳叔.如何選用土壓平衡盾構機施工復合地層[J].四川建筑，2003（2）.