淺談土壓平衡盾構機選型

彭　勇

（中鐵三局集團廣東建設工程有限公司，廣東 廣州 510000）

淺談土壓平衡盾構機選型

彭勇

（中鐵三局集團廣東建設工程有限公司，廣東 廣州 510000）

盾構法施工較之一般的隧道施工技術具有更大的針對性，也就是要求盾構機必須與工程相適應。因此在盾構法施工中，盾構機的選型問題非常突出，選型成功與否，直接決定著掘進施工的成敗。本文筆者結合施工案例，對土壓平衡盾構機的選型進行探究，以期為類似工程提供參考。

土壓平衡盾構機；選型；隧道施工

1.工程概況

廣州軌道交通十三號線一期工程施工一標，區間為豐樂路站～12號盾構井，采用二臺土壓平衡盾構機施工。本區間左線長1254.396m，右線長1222.357m。區間主要沿主要干道敷設，沿線下穿大量建（構）筑物，結合線路設置、地質條件、埋深等綜合考慮，本區間主要采用土壓盾構法施工，中間風井及盾構井采用明挖法施工，聯絡通道及泵房采用礦山法施工。盾構隧道內徑為φ5400mm，管片厚度為300mm，寬度為1500mm，厚0.3m，每環由6塊組成，錯縫拼裝、縱向10彎螺栓、環向12彎螺栓。管片類型為標準環加左、右轉彎環。

2.工程的地質情況

采用盾構法的區間，盾構主要穿越地層為全、強、中風化粉砂巖、全、強、中風化花崗巖，局部穿越淤泥質土、淤泥質粉細沙層。中風化含礫砂巖、泥質粉砂巖巖石天然抗壓強度范圍值fc=5.27～26.72MPa，平均值fc=17.58MPa，標準值fc=15.93MPa；混合花崗巖中風化帶巖石天然抗壓強度范圍值fc=12.41～36.92MPa，平均值fc=26.84MPa，標準值fc=21.05MPa；

區間隧道結構底板大多處于強、中風化巖層之上，局部坐落于淤泥質砂層之上，巖層分布穩定，強度高，能滿足承載力要求。隧道洞身經過地層主要有＜2-2＞、＜2-3＞、＜6＞、＜7＞、＜7Z＞和＜8Z＞，圍巖級別一般為Ⅳ～Ⅵ，巖土層強度差別大，中風化巖層抗壓強度高，盾構機將在軟硬差別很大的地層中通過，易造成盾構機抬頭走偏，影響盾構掘進施工，難度較大；拱頂主要層位有＜2-2＞、＜6＞、＜7＞，其中砂層具中等透水性，處理不當易坍塌，發生地面沉陷、突水等工程事故，應注意對砂層進行固結處理。

3.土壓平衡盾構的針對性設計

3.1刀盤

刀盤結構：采用準面板結構設計，可安裝滾刀，開口率34%。開口在整個盤面均勻分布，保證刀盤掘進過程中碴土順利進入土倉。刀盤背面有主動攪拌棒，與前盾上的被動攪拌棒一起對土倉內渣土進行攪拌。刀盤設有渣土改良噴口，為單向結構，背部配有疏通管路，從而有效降低中心結泥餅的概率。

滾刀：滾刀尺寸為17寸，刀高175mm，中心雙聯滾刀為6把，單刃滾刀32把，共44個刃，滾刀刀間距不大于85mm。刀盤開挖直徑處設計6250mm，為保證開挖直徑，延長換刀時間，滾刀的安裝通過兩個楔形塊、拉緊塊和長螺栓鎖緊刀軸，能實現刀具的快速安裝和拆卸。

刮刀：刮刀結構分為刀體、硬質合金和耐磨層。在刀具背部的刀盤面板上焊接有刀具保護塊，保護塊上焊接有與刀具材質相同的合金材料，保護塊主要作用到刀盤工作中。

邊刮刀：刀盤邊刮刀結構分為刀體、硬質合金和耐磨層，整體呈弧形。邊刮刀整體分為2塊，刀盤為整體結構，刀具設計充分考慮洞內換刀方便、節約成本等因素，具有同側左右側都可互換的特點。邊刮刀采用分體式，可使安裝及拆卸功能得以實現，較整體式具有更換便捷、重量較輕，同時經濟性好等優勢。

磨損檢測：刀盤設置有多處磨損檢測裝置，防止漂石破壞刀盤盤體。

3.2主驅動

配置的主軸承直徑3061mm，最大使用推力荷載1250t，試驗推力荷載3125t，破壞推力荷載5000t，安全系數4。有效使用壽命≥10000小時。

8組液壓馬達驅動（已經預留1組驅動安裝位置，共可安裝9組驅動，安裝9組驅動時，額定扭矩6750kNm），額定扭矩6000kNm，脫困扭矩7200kNm，可以滿足在對扭矩要求較高的地層中掘進；最高轉速3.7r/min，可以滿足在風化巖中較快轉速的掘進要求。

3.3組合式渣土改良系統

3.3.1泡沫系統

采用5路布置，可以和膨潤土在同一時間注入刀盤前部，還可以與膨潤土管路共用。泡沫混合液中的水量和壓縮空氣的流量由流量傳感器進行檢測，PLC控制電閘門的開度，得到最佳的混合比例。應用單管單泵進行設計，如果刀盤噴口阻力出現不一樣的時候，每路泡沫仍然可以等量地進行噴出，使淤泥質黏土中掘進時的泥餅問題得到有效地避免。

圖1　

3.3.2 膨潤土系統

膨潤土系統一般采用軟管作為注入泵，而選取兩臺注入泵進行單獨注入，一臺注入泵用于碴土改造，另一臺用于盾殼外潤滑。如遇特殊情況，兩臺注入泵則都用于碴土改造。

可為施工單位提供洞外膨化方案，將大量膨潤土通過管路輸送到設備上安裝的膨潤土罐內，通過軟管泵從刀盤前部、土倉及螺旋機注入膨潤土，使地層細顆粒數量增加，因而可以形成良好級配，有助于順利出渣，使磨損的現象有效地減少。

配置的盾殼外膨潤土注入系統，從盾殼外部注入膨潤土或黏土，可有效減少砂層盾體的摩擦阻力，防止卡盾。

3.3.3聚合物注入系統

可以選取聚合物注入系統，如果噴涌出現，在土倉底部以及螺旋機內進行聚合物的注入，這種措施可以有效地避免噴涌的出現。

3.4同步注漿系統

3.4.1單液同步注漿系統

注漿系統由兩臺SCHWING柱塞泵站提供動力。泵送注漿量可以通過控制液壓流量來調整。4個出口都裝有壓力傳感器，并將每個注漿點上的傳感器發出的信號用來控制注漿的過程。

3.4.2雙液二次補強注漿系統

為了及時補充注漿效果，防止地表沉降及管片上浮，從管片背部進行補強注漿的二次注漿系統。可以根據需要選配二次注漿系統，設備已預留安裝位置。

3.5人艙設計

人艙包括主艙和輔艙，兩艙橫向連接，之間有艙門邊通。通過前盾板上的門可以由主艙進入開挖倉。輔艙的作用是在出現緊急情況時出入。人倉壓縮空氣為一套全氣動式氣體保壓系統，可以使必須帶壓進艙作業的時候，保證設備的性能以及人員的安全性。

3.6盾體設計

3.6.1前盾

前盾由殼體、壓力隔板、主驅動連接座、人艙連接座、螺機連接座和連接法蘭組成，前盾直徑設計為Φ6250mm。

前盾設計為錐形，并在前部切口焊有5mm耐磨層，增加耐磨性。為了改善渣土的流動性，土壓倉內隔墻上設有4個攪拌棒，攪拌棒強制攪拌渣土和添加材料，增加和易性。

前艙壓力隔板布置有風、水、電接口，方便帶壓進艙換刀時使用。

3.6.2中盾

中盾由殼體、連接法蘭和兩道隔板組成，直徑Φ6240mm，長度為2806mm；采用主動鉸接形式，盾殼厚度為40mm。

沿中盾盾殼圓周上半部180°設計10根超前注漿管，可對地質進行超前鉆探，注漿加固，防止開挖面坍塌造成地表沉陷。同時在盾體壓力隔板上布置7個超前注漿孔，可通過刀盤開口往隧道正前方鉆孔及加固。

中盾和盾尾之間設計有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封。正常情況下，橡膠密封起作用。在涌水或橡膠密封需要損壞需要更換時，使用緊急氣囊密封。

3.6.3盾尾

盾尾由鉸接密封環和殼體組成，殼體直徑Φ6230mm，盾尾長度3890mm，殼體厚度50mm。

所有注漿及油脂管路都鑲嵌在盾殼上。每根注漿管均留有2處觀察孔，利于管路保護、清洗和維修。注漿管共10根，其中4根備用。油脂管數量12根，各6根通向兩個尾刷密封室。

尾刷密封由3排密封刷組成，防止漿液漏進盾體內部，在土壓平衡時還有保持其各自壓力的作用。

盾尾間隙30mm。滿足安裝管片及調向要求。

盾尾尾部有一排止漿板。耐磨鋼板制成的止漿板可以防止砂漿填充到盾體前部，也可以防止盾體前部的泥漿影響注漿效果。

3.7螺旋輸送機

采用900mm內徑軸式葉片螺旋輸送機，驅動采用一個雙速馬達及減速機傳動。螺旋軸及葉片外圓焊有耐磨合金塊及耐磨層并在耐磨塊上堆焊耐磨網格，磨損嚴重后可予以更換，最大通過粒徑340×560mm，出渣能力為420m3/h。配置有前閘門和兩道出料閘門，出料閘門采用下部出碴結構，防止了螺旋機出口堆渣現象發生。

當發生螺旋軸卡住現象，可以通過控制液壓馬達正反轉來擺脫。必要時可打開設置在螺旋輸送機筒體上的觀察窗門來對殼體內部進行清理。

當地下水比較豐富，期土層的透水系數高，螺旋機的碴土難以形成“土塞”導致螺旋機噴涌的現象發生率較高。防止噴涌的設計如下：防噴涌設計：螺旋軸采用雙閘門設計。

（1）盾構機出土口設置2個閘門，交替開啟以降低噴涌壓力。

（2）預留了膨潤土和高分子聚合物注入接口，必要時，可向土倉壁和螺旋機內注入膨潤土或高分子聚合物，以緩解螺旋機的噴碴壓力。

（3）設置有保壓泵接口，必要時可連接泥漿泵或泥漿管，緩解噴碴壓力。

3.8推進及鉸接系統（主動鉸接）

推進系統共21根油缸，分成4組。上下左右各組分別為5根、6根、5根、5根油缸，通過調整每組油缸的不同推進速度對盾構進行糾偏和調向。每組油缸安裝了一個內置行程傳感器。通過這4根均布的帶傳感器的油缸行程顯示，可以判斷此時盾構的掘進姿態。推進行程滿足安裝1500mm寬度管片。

盾構采用主動鉸接形式，鉸接油缸由14根組成，最大鉸接拉力3460t。在曲線段掘進時，盾尾自動隨管片調整姿態，在4個不同位置的鉸接油缸配置了內置位移傳感器，用來監測圓周方向不同位置的鉸接油缸行程。鉸接系統適用極限200m的曲線半徑要求。

3.9皮帶輸送機

一般我們都是采用DTII固定式皮帶輸送機，其中輸送總長約55m，輸送速度為2.5m/s，其中皮帶機具有曲線調整功能，需要調整皮帶的相應擺動角和驅動裝置的擺動角可以適應不同曲線的施工。

3.10管片吊機

管片吊機主要是從管片車上將管片卸載后將管片運輸到設備橋區間的輸送器上方，將管片旋轉90°放在輸送器上，再將管片輸送器送到管片安裝機抓取范圍內。

在軌道梁尾部布置由電纜卷筒，吊機用電纜線及控制線經卷筒引出。行走形式為鏈輪鏈條式，能便滿足運行坡度50‰以及更大坡度的需求，鏈條采用夾板固定方式。管片吊機梁在設備橋與拖車接口處斷開為圓弧搭接，可以適應在彎道上運行。

結語

理論分析和實踐經驗可以充分證明：此盾構機完全能夠適應廣州市軌道交通十三號線施工1標豐樂路站—12盾構井區間的施工要求，故該盾構機選型具有可行性，得到了評審專家一致的認可和通過。

［1］張庭華.土壓平衡盾構土艙壓力控制技術研究［J］.鐵道標準設計，2011（8）：113.

［2］張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構隧道施工手冊［M］.北京：人民交通出版社，2012.

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