芻議盾構(gòu)機(jī)卵石處理裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉雙仲，許彥平

（遼寧三三工業(yè)有限公司，遼寧 遼陽 111000）

在我國城市化進(jìn)程逐漸加快的同時(shí)，交通設(shè)施、水利設(shè)施建設(shè)數(shù)量不斷增加，隧道建設(shè)數(shù)量也在不斷增加。由于泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的隧道地面沉降量與開挖面壓力控制精度較高、主驅(qū)動承壓能力較強(qiáng)，因而其可應(yīng)用在含水率較高、透水性較強(qiáng)、開挖面穩(wěn)定性較差的砂層盾構(gòu)施工中。現(xiàn)階段，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)主要應(yīng)用于穿河過江、湖底海峽等隧道工程中。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，可在氣墊艙中利用卵石處理系統(tǒng)破碎、攪拌之后，將這些卵石通過漿管排出隧道，之后將其輸入到地面上，利用泥水分離站對其進(jìn)行分離、循環(huán)利用。需依據(jù)隧道地質(zhì)情況選擇最合適的卵石處理裝置，如此才可滿足施工要求，保證施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。若選擇不合適的卵石處理裝置，將致使氣墊艙中堆積大量碴石、加劇出漿管路磨損程度、損壞出漿泵，進(jìn)而對泥水環(huán)流系統(tǒng)造成不良影響，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懰淼篱_挖面水土壓力平衡性，引發(fā)坍塌事故。此外，卵石處理裝置損壞之后，需整機(jī)停止工作，之后才可進(jìn)行維修，如此將直接影響施工進(jìn)度。為避免此問題，本文依據(jù)“總體控制，疏排為主，破碎為輔”原則，設(shè)計(jì)了卵石處理裝置。

1 盾構(gòu)機(jī)概述

盾構(gòu)機(jī)屬于一種重要的隧道掘進(jìn)機(jī)。其在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中將建設(shè)隧道之“盾”，其與敞開式施工方法不同。國際方面認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)可用于巖石地層施工，其與敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)施工方式不同。然而我國認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)是軟土地層隧道掘進(jìn)機(jī)。使用盾構(gòu)法建設(shè)隧道，由于其具備自動化程度較高、可節(jié)約大量人力資源、施工速度較快、且施工不受氣候影響等優(yōu)勢，在隧道洞線較長、埋深較大時(shí)，大多采用盾構(gòu)機(jī)施工方式。盾構(gòu)機(jī)就是通過圓柱體鋼組件沿著隧洞軸線向前推進(jìn)、挖掘土壤。圓柱體組件的殼體也就是護(hù)盾，其可臨時(shí)支護(hù)鋼挖掘、未砌筑的隧洞，其可承受土層壓力、地下水壓力。依據(jù)盾構(gòu)機(jī)工作原理可將其分為手掘式盾構(gòu)機(jī)、擠壓式盾構(gòu)機(jī)、半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)、機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)（比如泥水加壓盾構(gòu)機(jī)、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)等）。泥水式盾構(gòu)機(jī)可利用加壓泥水、泥漿保證開挖面的穩(wěn)定性，刀盤后面設(shè)置有密封隔板，其可與開挖面形成泥水室，開挖土料與泥漿混合之后將通過泥漿泵運(yùn)輸?shù)剿矶赐膺M(jìn)行分離，分離之后可重復(fù)利用。不同種類盾構(gòu)機(jī)開挖方式也不同，其主要包含：敞開式、機(jī)械切削式等多種開挖方式。盾構(gòu)施工過程中，為減少盾構(gòu)設(shè)備對地層的影響，可使用千斤頂推動盾構(gòu)進(jìn)入土層中，并在切口處進(jìn)行土層開挖、運(yùn)輸操作。雖然盾構(gòu)機(jī)成本較高，但是可有效提升施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。為保證施工不會對地面工程造成巨大影響，且保證施工進(jìn)度，需依據(jù)施工現(xiàn)場地質(zhì)情況及施工要求，選擇最合適的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

2 卵石處理裝置研究現(xiàn)狀分析

盾構(gòu)機(jī)主機(jī)廠家不僅研發(fā)了液壓顎式碎石機(jī)、攪拌器來處理隧洞中的卵石，同時(shí)廠家還依據(jù)隧道地質(zhì)情況、工程施工要求，設(shè)計(jì)了多種卵石破碎裝置。主要包含：圓錐破碎機(jī)、滾筒篩+旋轉(zhuǎn)式送料機(jī)、螺旋輸送機(jī)+雙輥破碎機(jī)等（如圖1、2）。圓錐破碎機(jī)是通過盾殼、圓錐滾子的相對旋轉(zhuǎn)把由刀盤進(jìn)入其中的卵石破碎開，其動力來源于刀盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動動力傳遞，此種方式可應(yīng)用于斷面較小、破碎扭矩較小、開挖直徑小于3m 的頂管機(jī)或小型泥水盾構(gòu)機(jī)中；滾筒篩+旋轉(zhuǎn)式送料機(jī)將卵石運(yùn)輸?shù)街鳈C(jī)外進(jìn)行處理，如此可避免氣墊艙發(fā)生故障，可通過氣墊艙中的滾筒篩篩分卵石，小顆粒卵石將與泥漿共同排出隧道，大顆粒卵石則需通過旋轉(zhuǎn)送料機(jī)排出隧道，與出漿泵串聯(lián)在一起的顎式破碎機(jī)，則可將大顆粒卵石破碎后通過排漿泵排出隧道；螺旋輸送機(jī)+雙輥破碎機(jī)工作原理為：開挖艙中的卵石將被螺旋輸送機(jī)傳輸?shù)侥酀{環(huán)流系統(tǒng)中，并利用雙輥破碎機(jī)破碎后通過排漿泵排出隧道；攪拌器+軋輥破碎機(jī)具備攪拌、破碎的功能，其可通過攪拌器把完成切削的卵石攪拌運(yùn)輸至軋輥破碎機(jī)進(jìn)料口，軋輥式破碎機(jī)粉碎之后將通過排漿泵將其排出隧道。

3 卵石處理裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理研究

3.1 結(jié)構(gòu)組成

圖1 圓錐破碎機(jī)及其頂管機(jī)

圖2 滾筒篩+旋轉(zhuǎn)送料機(jī)

隧道工程中卵石粒徑較大、含量較多、破碎難度較大，使用常規(guī)卵石處理裝置并不能有效破碎卵石，因此依據(jù)隧道工程地質(zhì)情況、施工難度及施工要求，依據(jù)“總體控制，疏排為主，破碎為輔”原則，優(yōu)化了卵石處理裝置。攪拌器、碎石機(jī)是卵石處理裝置的主要構(gòu)成部分。攪拌器是由葉輪、葉輪驅(qū)動密封組件等構(gòu)成的，其可用于泥水盾構(gòu)機(jī)（此盾構(gòu)機(jī)可用于復(fù)合地層、富水砂卵石地層施工）。碎石機(jī)需安裝在氣墊艙中，液壓油缸的伸縮將推動轉(zhuǎn)動顎擺動，把大粒徑卵石破碎為小粒徑卵石，并通過轉(zhuǎn)動顎的擺動攪拌氣墊艙中的碴石。另外，雙艙采石箱、泥漿管路破碎機(jī)均屬于卵石處理裝置。兩個(gè)采石箱（配置有液壓閘門、格柵、漿管）串聯(lián)將形成雙艙采石箱，其可依據(jù)隧道施工要求交替或同時(shí)使用，其目的是篩分卵石，以免大粒徑卵石進(jìn)入排漿泵中，引發(fā)葉輪故障、排漿泵故障；容納量可達(dá)到3m3，承壓能力達(dá)到1.2MPa，卵石最大篩分粒徑可達(dá)到150mm；在施工過程中，泥漿管路破碎機(jī)可利用偏心軸顎式破碎結(jié)構(gòu)破碎大粒徑卵石，相較于液壓顎式碎石機(jī)，其碎石能力較高；泥漿管路破碎機(jī)每小時(shí)可破碎50t 卵石、其承壓能力達(dá)到0.6 兆帕、破碎后卵石粒徑將小于80mm。

3.2 工作原理

第一種卵石處理裝置是由顎式碎石機(jī)、雙艙采石箱構(gòu)成的，液壓顎式碎石機(jī)可將氣墊艙中的大粒徑卵石破碎成小粒徑卵石，之后由排漿泵運(yùn)輸?shù)脚艥{管中，并由雙艙采石箱篩分卵石，不能通過排漿泵排出的大粒徑卵石可沉淀在箱底，之后通過液壓閘門排出，可通過排漿泵排出的小粒徑卵石則可直接排出。第二種卵石處理裝置是由攪拌器、泥漿管路破碎機(jī)構(gòu)成的（攪拌器安裝在氣墊艙中，泥漿管路破碎機(jī)安裝在出漿管、排漿泵前）。輸入到氣墊艙中的卵石將被攪拌器攪拌（如此可避免卵石沉積在氣墊艙底部），之后需由排漿泵輸入排漿管中，由泥漿管路破碎機(jī)破碎、篩分這些卵石，泥漿管路破碎機(jī)可將大粒徑卵石破碎成小粒徑卵石，由排漿泵排出。

4 卵石處理裝置的運(yùn)用

4.1 工程概述

某城市軌道交通線路，長度為27km，其將穿越河流，最大埋深達(dá)到了36m，穿越地層大多為卵石層，卵石層厚度為2 ～7m 之間，其含水量較高，且地質(zhì)膠結(jié)性較弱；大部分卵石為粒徑大于2cm 的卵石、漂石（大多為粒徑2 ～5cm的卵石；漂石最大粒徑為55cm）。

4.2 施工難點(diǎn)

泥水盾構(gòu)機(jī)在此區(qū)域施工將面臨以下施工難點(diǎn)：①此隧道工程將穿越卵石層，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為緊密，此地層中含有部分直徑在500mm 以上的漂石，刀具切削面并不平整，利用刀具破巖較為困難；②此地層中，50%～55%的卵石粒徑大于2cm，其中還填充部分中粗砂，致使盾構(gòu)機(jī)磨損較為嚴(yán)重；③施工過程中，可能由于排泥速度、泥漿攜渣能力較弱等問題，致使排泥管堵塞，進(jìn)而影響施工速度及施工質(zhì)量；④此地層膠結(jié)性較差，含水量較高，且滲透系數(shù)較大，施工過程中很難有效控制壓力平衡，極易出現(xiàn)地面沉降問題，進(jìn)而影響施工質(zhì)量。

4.3 使用效果

研究發(fā)現(xiàn)，泥水盾構(gòu)機(jī)每月可施工240m 以上，施工過程中出現(xiàn)排泥管、氣墊艙堵塞問題次數(shù)較少；排漿泵出現(xiàn)故障的幾率也較低；可在出漿管等易損件使用三個(gè)月以上時(shí)間后更換這些易損件；有效提升盾構(gòu)機(jī)施工效率及質(zhì)量，提升整個(gè)隧道工程的施工進(jìn)度及質(zhì)量。

5 結(jié)語

總而言之，盾構(gòu)機(jī)屬于重要隧道施工設(shè)備，而泥水盾構(gòu)機(jī)卵石處理裝置將直接影響盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。因而，我們需深入研究泥水盾構(gòu)機(jī)卵石處理裝置，并不斷優(yōu)化泥水盾構(gòu)機(jī)卵石處理裝置設(shè)計(jì)，提高其抗壓強(qiáng)度、破碎機(jī)排放卵石速度，提升施工效率及質(zhì)量。