砂土地層土壓平衡盾構機適應性改造研究

蘇小江

摘 要：針對土壓平衡盾構機砂層施工設備磨損嚴重、土壓建立困難、沉降不易控制等特點，結合西安地區全段面砂層特點，對投入西安地鐵二號線運動公園站～北客站的土壓平衡盾構機進行了適應性改造，就刀盤、螺旋輸送器、閘門、盾尾注漿殼及加泥設備等關鍵部位改造進行了說明。工程實踐表明：改造后的土壓平衡盾構機能夠適應砂層掘進，較好的完成了全斷面砂層施工任務，可為同類工程盾構機改造或選型提供有益參考。

關鍵詞：砂層 土壓平衡盾構 改造

中圖分類號：U47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0065-02

西安地區主要分為沖洪積平原、黃土梁洼和黃土塬三大地貌形態[1]，黃土梁洼和黃土塬地貌區域分布較廣，根據其水文地質特性、地面建（構）筑物及地下管線等因素，西安地鐵盾構隧道主要選用土壓平衡盾構施工[2]。但地鐵線路部分區間穿越黃土和砂層的復合地層及全斷面砂層等，盾構機選型尤為關鍵，需要選用的盾構機同時具備黃土和砂層施工能力，從水文地質、施工環境、環保性、安全性、技術性及經濟性等綜合因素考慮，可將土壓平衡盾構機進行維修改造，便其適應砂層施工。西安地鐵二號線運動公園站～北客站區間盾構隧道主要穿越黃土地層和砂層，本文通過對土壓平衡盾構機刀盤、螺旋輸送器、閘門、盾尾注漿殼及加泥設備等方面進行改造，進行砂土地層土壓平衡盾構機適應性研究，旨在為此類地層盾構施工提供必要參考。

1 土壓平衡盾構機在全斷面砂層中的適應性及存在的問題

運動公園站-北客站區間砂層標貫系數和密實度較高，相對于黃土地層的順利掘進，選用的日本小松公司土壓平衡盾構在長距離及全斷面砂層掘進困難，問題較多。

1.1 土倉壓力難以建立，出渣困難，地面沉降變化大

砂層渣土流塑性差，當土壓平衡盾構在全斷面砂層施工時，砂土充滿土倉和螺旋機時，造成刀盤扭矩、螺旋輸送機扭矩及千斤頂推力大幅增大，直接降低掘進速度甚至無法推進。若降低土倉壓力，地面沉降又難以控制。

1.2 盾構設備磨損較快，故障頻發

盾構砂層推進時，刀盤磨損嚴重，螺旋輸送器故障頻發，鉸接密封損壞。運動公園站-北苑站區間貫通后檢查發現，刀具及刀盤磨損相當嚴重，如圖所示1；北客站-北苑站區間左線推進300環時，每環掘進時間超過2小時，出土量很少且成斷絮狀，經檢查，螺旋筒壁與螺旋軸套接合處磨損壞，造成泥沙進入，油封部分失效，大小齒輪和銅套都已磨損，如圖2所示；同時螺旋機葉片厚度已磨損到12 mm（標準為35 mm），其螺旋前端頭兩圈葉片（土倉內）基本磨光，如圖3所示；北客站-北苑站區間過北繞城高速公路時，車輛動荷載的長期作用和車輛振動頻率的作用下，致使砂層極為密實，盾構掘進時頻繁使用鉸接，造成鉸接密封條損壞，鉸接位置變形嚴重，盾構貫通解體困難。

為此，必須提高土壓平衡盾構機砂層適應性，增強薄弱環節，重點研究刀盤螺旋強化設計，提高主軸承密封性能，增加保壓泵渣和螺旋輸送機雙開門裝置。

2 土壓平衡盾構機適應性改造

2.1 刀盤改造

本工程盾構機刀盤為輻條式面板，開挖直徑6140 mm，刀盤開口率43%。刀盤設置中心刀1把；先行刀63把，高出刀盤面板110 mm；切削刀88把，高出刀盤面板80 mm；超挖刀2把，可超挖135 mm。該盾構機在運動公園站-北苑站區間貫通后對刀盤進行了維修改造，項目如下：

（1）刀盤周圈加焊耐磨鋼板。采用整圈焊接方式，將長條耐磨厚鋼板彎曲，分3?～4塊整圈焊接在刀盤周圈，并環向間隔40 cm在耐磨鋼板打孔，孔深至刀盤1.5 cm，再將所打孔處將環向鋼板與刀盤焊接。

（2）刀盤面板加焊網格耐磨層。

（3）刀盤邊緣焊接耐磨層。

（4）在原設計邊緣刀所在中心位置對稱加裝8把邊緣刀。

（5）在刀具磨損嚴重區域（刀盤外周）加焊先行刀。

2.2 盾尾注漿殼改造

盾尾注漿殼是在盾尾外部45 °、135 °、210 °、330 °位置突出的4個殼體，與盾尾長度一致，高約12 cm，內置同步注漿管、清洗用管路及盾尾油脂管。外凸的注漿殼在軟土地層中影響較小，但在密實的砂層或砂卵層地段，使盾構推進阻力大幅提高，且盾尾因受力不均出現變形。

為防止注漿殼局部受力過大和過度磨損，在每個注漿殼前端盾體上，焊接8～9把刀具，推進時超挖形成一條空隙帶，以便于注漿殼通過。刀具分兩排焊接，前排低后排高，每排中間高兩邊低，順應殼體的趨勢。同時在注漿殼上，焊接網格耐磨層，減小土層對注漿殼的磨損。如使用新造盾構機，則在盾構機設計聯絡階段，可將注漿殼內部管路進行優化，縮小注漿殼尺寸，以減小阻力。

2.3 閘門改造

螺旋輸送機排土口有兩道由液壓缸控制的出土閘門，調整閘門的開啟度來控制螺旋輸送機排土量，調節土倉壓力。在砂層掘進時，若只使用前閘門，開啟度較大時，大塊渣土掉落在皮帶運輸機上，皮帶運輸困難，且易產生皮帶打滑、電機過載等問題；開啟度較小時，流塑性較差的渣土很難排出。當在出土口焊接細鋼筋網時，可將大塊渣土切碎，對閘門開度較大時渣土排放有較好效果。

但當砂層地下水豐富時，使用單閘門容易造成噴涌，存在安全隱患，還是需要使用后閘門。兩閘門間存在一段平緩的空腔，渣土通過前閘門后在空腔儲存，在后方渣土推力下，從后閘門順利排出，因后閘門是圓弧式單閘門，操作方便，適合控制出土。在現場掘進初期，渣土改良不到位，較干渣土在通過前后閘門間空腔時常發生堵塞，后在在此段空腔加裝膨潤土管道，效果較好。

2.4 螺旋輸送機改造

本工程盾構機螺旋輸送機為液壓驅動有軸葉片伸縮式，最大輸出扭矩為46.7 kN-m，最大轉速22 rpm，理論排土量為233 m3/h，螺旋殼外徑為Φ711.2 mm，葉片直徑為Φ650 mm，葉片螺距Φ600 mm，具備緊急閘門關閉功能。endprint

（1）螺旋葉片及筒體內壁加焊網格耐磨層，螺旋葉片邊緣焊接硬質合金塊。

（2）因螺旋軸為浮動支撐，在開停機時浮動端與筒體內壁接觸摩擦頻繁，啟使二者磨損嚴重，為此在筒體內壁摩擦接觸面加焊厚的耐磨材料。

（3）加強驅動系統的密封結構及潤滑效果。流塑性較差砂層渣土易積累在螺旋機軸和筒壁的結合處，若密封不好，滲入沙粒將損壞密封，破壞驅動系統，為此密封在設計階段應重點考慮，施工中無法再加強，只有改良渣土，增加砂層渣土流塑性，減少沙粒的滲入。為加強潤滑，可采用在殼體上打孔，人工加注黃油的方法，但注入量需根據不同砂層及砂層渣土改良效果綜合考慮。

2.5 渣土改良泥漿設備改造

本區間盾構機設置1個容量為3.6 m3加泥箱，通過管道輸送至土倉和螺旋輸送器。根據運動公園站-北苑站區間施工統計，平均每環使用約6 m3泥漿，為此盾構機原有泥漿箱不滿足1環掘進需要，工效較低。為此，在盾構機維修改造階段，將加泥箱容量增至12 m3。

為減小推進阻力和盾體磨損，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12點位置打孔，焊裝管接頭，連接加泥管路，在特殊情況下可向盾體周圍注入膨潤土，如地下水豐富，防止后方地下水涌至刀盤及土倉，也可在管接頭處加注聚氨脂等。

2.6 土倉保壓加強措施

流塑性較差砂層施工，土壓建立難度較大，為防止上方砂層坍塌，控制地面沉降，將高壓空氣連接胸板上方的兩個備用接頭，可在掘進時向土倉打壓縮空氣，以輔助土倉保壓。

3 改造效果評價

本工程盾構機在改造維修后，繼續投入北客站-北苑站區間施工，盾構機穿越粉細砂與中砂、中砂和粗砂、中粗砂和礫砂組成的全斷面地層和粉質粘土和中砂組成的復合地層。該區間盾構故障率大幅下降，并結合砂層渣土改良技術，盾構機推力、刀盤及螺旋扭矩大幅下降，能夠較好的建立土壓，地面沉降控制較好。盾構機到達北客站后檢查發現，盾體、刀盤及螺旋磨損相比上一個區間大幅降低。

4 結語

（1）通過對刀盤采取加焊耐磨鋼板和網格耐磨層、加裝刀具等措施，能夠有效地達到對土壓平衡刀盤改造的目的，加強了其對砂土地層的適應性。

（2）通過在盾尾注漿殼前端盾體上焊接刀具和注漿殼上設置網格耐磨層，有效地減少了砂層對注漿殼的磨損，提高了盾尾注漿殼的使用效率。

（3）通過采取螺旋機筒體內壁及葉片加焊耐磨層、筒體加固、加強驅動系統密封及潤滑等措施使螺旋磨損減小、故障率降低，適應性大幅提高。

（4）通過對渣土改良泥漿設備改造，提高了盾構砂層施工工效，并通過加注泡沫劑、膨潤土和黃土泥漿等渣土改良材料，進一步提高了土壓平衡盾構機全斷面砂層適應性。

為此，改造后的土壓平衡盾構機能夠適應砂層掘進，但砂層地層盾構選型更需謹慎，應以工程地質、水文地質為主要依據，綜合考慮周圍環境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、埋深、線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構筑物等環境條件，以及周圍環境對地面變形的控制要求的工期、環保等因素，同時，參考國內外已有盾構工程實例及相關的盾構技術規范、施工規范及相關標準，對盾構類型、驅動方式、功能要求、主要技術參數，輔助設備的配置等進行研究確定。

參考文獻

[1] 李忠明.西安城市區工程地質環境與巖土工程勘察特點探討[J].煤田地質與勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龔旭東.西安地鐵2號線試驗段區間盾構機選型及施工經驗[J].鐵道工程學報，2008（12）.endprint

（1）螺旋葉片及筒體內壁加焊網格耐磨層，螺旋葉片邊緣焊接硬質合金塊。

（2）因螺旋軸為浮動支撐，在開停機時浮動端與筒體內壁接觸摩擦頻繁，啟使二者磨損嚴重，為此在筒體內壁摩擦接觸面加焊厚的耐磨材料。

（3）加強驅動系統的密封結構及潤滑效果。流塑性較差砂層渣土易積累在螺旋機軸和筒壁的結合處，若密封不好，滲入沙粒將損壞密封，破壞驅動系統，為此密封在設計階段應重點考慮，施工中無法再加強，只有改良渣土，增加砂層渣土流塑性，減少沙粒的滲入。為加強潤滑，可采用在殼體上打孔，人工加注黃油的方法，但注入量需根據不同砂層及砂層渣土改良效果綜合考慮。

2.5 渣土改良泥漿設備改造

本區間盾構機設置1個容量為3.6 m3加泥箱，通過管道輸送至土倉和螺旋輸送器。根據運動公園站-北苑站區間施工統計，平均每環使用約6 m3泥漿，為此盾構機原有泥漿箱不滿足1環掘進需要，工效較低。為此，在盾構機維修改造階段，將加泥箱容量增至12 m3。

為減小推進阻力和盾體磨損，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12點位置打孔，焊裝管接頭，連接加泥管路，在特殊情況下可向盾體周圍注入膨潤土，如地下水豐富，防止后方地下水涌至刀盤及土倉，也可在管接頭處加注聚氨脂等。

2.6 土倉保壓加強措施

流塑性較差砂層施工，土壓建立難度較大，為防止上方砂層坍塌，控制地面沉降，將高壓空氣連接胸板上方的兩個備用接頭，可在掘進時向土倉打壓縮空氣，以輔助土倉保壓。

3 改造效果評價

本工程盾構機在改造維修后，繼續投入北客站-北苑站區間施工，盾構機穿越粉細砂與中砂、中砂和粗砂、中粗砂和礫砂組成的全斷面地層和粉質粘土和中砂組成的復合地層。該區間盾構故障率大幅下降，并結合砂層渣土改良技術，盾構機推力、刀盤及螺旋扭矩大幅下降，能夠較好的建立土壓，地面沉降控制較好。盾構機到達北客站后檢查發現，盾體、刀盤及螺旋磨損相比上一個區間大幅降低。

4 結語

（1）通過對刀盤采取加焊耐磨鋼板和網格耐磨層、加裝刀具等措施，能夠有效地達到對土壓平衡刀盤改造的目的，加強了其對砂土地層的適應性。

（2）通過在盾尾注漿殼前端盾體上焊接刀具和注漿殼上設置網格耐磨層，有效地減少了砂層對注漿殼的磨損，提高了盾尾注漿殼的使用效率。

（3）通過采取螺旋機筒體內壁及葉片加焊耐磨層、筒體加固、加強驅動系統密封及潤滑等措施使螺旋磨損減小、故障率降低，適應性大幅提高。

（4）通過對渣土改良泥漿設備改造，提高了盾構砂層施工工效，并通過加注泡沫劑、膨潤土和黃土泥漿等渣土改良材料，進一步提高了土壓平衡盾構機全斷面砂層適應性。

為此，改造后的土壓平衡盾構機能夠適應砂層掘進，但砂層地層盾構選型更需謹慎，應以工程地質、水文地質為主要依據，綜合考慮周圍環境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、埋深、線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構筑物等環境條件，以及周圍環境對地面變形的控制要求的工期、環保等因素，同時，參考國內外已有盾構工程實例及相關的盾構技術規范、施工規范及相關標準，對盾構類型、驅動方式、功能要求、主要技術參數，輔助設備的配置等進行研究確定。

參考文獻

[1] 李忠明.西安城市區工程地質環境與巖土工程勘察特點探討[J].煤田地質與勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龔旭東.西安地鐵2號線試驗段區間盾構機選型及施工經驗[J].鐵道工程學報，2008（12）.endprint

（1）螺旋葉片及筒體內壁加焊網格耐磨層，螺旋葉片邊緣焊接硬質合金塊。

（2）因螺旋軸為浮動支撐，在開停機時浮動端與筒體內壁接觸摩擦頻繁，啟使二者磨損嚴重，為此在筒體內壁摩擦接觸面加焊厚的耐磨材料。

（3）加強驅動系統的密封結構及潤滑效果。流塑性較差砂層渣土易積累在螺旋機軸和筒壁的結合處，若密封不好，滲入沙粒將損壞密封，破壞驅動系統，為此密封在設計階段應重點考慮，施工中無法再加強，只有改良渣土，增加砂層渣土流塑性，減少沙粒的滲入。為加強潤滑，可采用在殼體上打孔，人工加注黃油的方法，但注入量需根據不同砂層及砂層渣土改良效果綜合考慮。

2.5 渣土改良泥漿設備改造

本區間盾構機設置1個容量為3.6 m3加泥箱，通過管道輸送至土倉和螺旋輸送器。根據運動公園站-北苑站區間施工統計，平均每環使用約6 m3泥漿，為此盾構機原有泥漿箱不滿足1環掘進需要，工效較低。為此，在盾構機維修改造階段，將加泥箱容量增至12 m3。

為減小推進阻力和盾體磨損，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12點位置打孔，焊裝管接頭，連接加泥管路，在特殊情況下可向盾體周圍注入膨潤土，如地下水豐富，防止后方地下水涌至刀盤及土倉，也可在管接頭處加注聚氨脂等。

2.6 土倉保壓加強措施

流塑性較差砂層施工，土壓建立難度較大，為防止上方砂層坍塌，控制地面沉降，將高壓空氣連接胸板上方的兩個備用接頭，可在掘進時向土倉打壓縮空氣，以輔助土倉保壓。

3 改造效果評價

本工程盾構機在改造維修后，繼續投入北客站-北苑站區間施工，盾構機穿越粉細砂與中砂、中砂和粗砂、中粗砂和礫砂組成的全斷面地層和粉質粘土和中砂組成的復合地層。該區間盾構故障率大幅下降，并結合砂層渣土改良技術，盾構機推力、刀盤及螺旋扭矩大幅下降，能夠較好的建立土壓，地面沉降控制較好。盾構機到達北客站后檢查發現，盾體、刀盤及螺旋磨損相比上一個區間大幅降低。

4 結語

（1）通過對刀盤采取加焊耐磨鋼板和網格耐磨層、加裝刀具等措施，能夠有效地達到對土壓平衡刀盤改造的目的，加強了其對砂土地層的適應性。

（2）通過在盾尾注漿殼前端盾體上焊接刀具和注漿殼上設置網格耐磨層，有效地減少了砂層對注漿殼的磨損，提高了盾尾注漿殼的使用效率。

（3）通過采取螺旋機筒體內壁及葉片加焊耐磨層、筒體加固、加強驅動系統密封及潤滑等措施使螺旋磨損減小、故障率降低，適應性大幅提高。

（4）通過對渣土改良泥漿設備改造，提高了盾構砂層施工工效，并通過加注泡沫劑、膨潤土和黃土泥漿等渣土改良材料，進一步提高了土壓平衡盾構機全斷面砂層適應性。

為此，改造后的土壓平衡盾構機能夠適應砂層掘進，但砂層地層盾構選型更需謹慎，應以工程地質、水文地質為主要依據，綜合考慮周圍環境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、埋深、線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構筑物等環境條件，以及周圍環境對地面變形的控制要求的工期、環保等因素，同時，參考國內外已有盾構工程實例及相關的盾構技術規范、施工規范及相關標準，對盾構類型、驅動方式、功能要求、主要技術參數，輔助設備的配置等進行研究確定。

參考文獻

[1] 李忠明.西安城市區工程地質環境與巖土工程勘察特點探討[J].煤田地質與勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龔旭東.西安地鐵2號線試驗段區間盾構機選型及施工經驗[J].鐵道工程學報，2008（12）.endprint