國產11.66米泥水平衡盾構適應性改造

吳文斐

上海隧道工程股份有限公司機械制造分公司 上海 200000

1 工程概況

江南大道為杭州市主干道路，位于錢塘江南岸，線路走向基本與錢塘江一致，場區內地表水均受其影響。本工程施工范圍內的主要河流為北塘河，施工時需對中興橋進行拆復建。

（1）地質情況

盾構機穿越的土層為③-4砂質粉土、③-5砂質粉土夾粉砂、③-6粉砂、③-7砂質粉土、⑥-2淤泥質粉質粘土、⑧-2粉質粘土、⑧-3粉砂、-1粉砂、-4圓礫土。圓礫粒徑以0.5～2cm為主，含量15～30%；卵石粒徑5～7cm為主，最大粒徑超過30cm，含量35～50%。

（2）水文情況

潛水主要賦存于場區淺部①層人工填土及其下粉性土層內，其富水性和透水性具有各向異性，特別是表部填土層，透水性良好，下部粉性土層透水性稍弱。潛水位埋深為地面下0.7～6.50m，平均水位標高為3.75m。

（3）有害氣體

有害氣體主要賦存在⑥2層淤泥質粉質黏土和下部⑧2層粉質黏土中（⑥2層和⑧2層均夾較多粉土、粉砂，使之成為較好的儲氣層），一般實測氣壓0.01～0.03MPa。

（4）隧道區間情況

區間長度為北線2258.6m，南線2256.6m；區間平面曲線半徑最小800m；區間隧道頂覆土最大37.5m；隧道最大坡度北線4%，南線3.7%。

管片主要設計參數，管片內徑10.36m，管片外徑11.36m，管片寬度2.0m。

（5）工程難點

本工程的地質較為復雜，既有粘土、砂土，又有圓礫、卵石，要求盾構機對于變化的地質具有較高的適應能力。

工程中主要的難點和挑戰如下：

盾構穿越粘土層，有結泥餅的風險；

盾構穿越砂性土和圓礫層，對刀盤和刀具的耐磨性能提出較高要求；

連續掘進距離較長、地下水位較高，盾構需具備氣壓開倉換刀功能；

盾構穿越沼氣層，需要配備防沼氣系統。

針對以上難點和挑戰，需對盾構機配置做針對性設計，以便在工程中能夠順利應用。

2 盾構機的情況

2.1 原盾構機主要設備性能

（1）刀盤

原刀盤的結構形式為面板式軟土刀盤，刮刀開挖直徑11680mm，開口率20%。配置204把寬度150mm的刮刀，114把焊接式貝殼刀，1組中心魚尾刀，2把仿形刀。不同類型的刀具呈高低布置，刮刀高120mm，貝殼刀150mm。

（2）刀盤驅動

原驅動采用了14臺200kW電機，轉速0～1.5rpm，額定扭矩32769kN·m，ɑ系數20.7。主軸承是一臺5900mm的三排滾子軸承，設計壽命超過10000小時。內、外周密封系統采用1道齒形平面密封，3道齒形圓周密封，設計壓力10bar。

（3）盾殼

原盾殼直徑11660mm，前、中、后殼體板厚分別為70mm、60mm、80mm。盾尾密封采用3道鋼絲刷加1道鋼板刷，設計密封壓力10bar。

（4）推進系統

原推進系統采用22組3聯油缸，總推力達到128370kN，單位面積推力1202kN/m2，最大推進速度60mm/min，行程3000mm。推進的液壓系統分為6區，每個區配有壓力傳感器，各區獨立調節油壓。

2.2 原盾構機主要設備的適應性分析

為了判斷原盾構的主要設備性能是否能滿足本項目使用要求，對以下設計條件做了對比。

表1 設計條件對比

（1）盾構機類型

由于本項目掘進距離較長、地下水位較高，所以需考慮氣壓開倉換刀措施。原盾構為泥水平衡盾構，降液位的風險較高，且未安裝氣壓平衡系統，無法進行氣壓開倉作業。因此原盾構要改造成泥水氣平衡盾構機[1]，增設氣包艙和一套氣壓平衡系統，泥水系統亦進行相應的改造。

（2）刀盤

原刀盤配備的焊接式貝殼刀是針對砂性土的刀具，由于本項目會遇到圓礫和卵石，而貝殼刀不夠強壯，所以損壞率可能會提高。因此考慮重新設計一個復合式刀盤[2]，貝殼刀換成撕裂刀，并采用刀盒安裝的結構，使撕裂刀可以從刀盤背面更換。同時升級刮刀設計，主刃更換為大合金貼焊式，刀背鑲嵌多層耐磨合金。還要考慮加強刀盤結構的耐磨保護，在正面和側面加裝耐磨板和耐磨堆焊。刀具的超挖量應滿足R800m轉彎。

（3）刀盤驅動

原驅動扭矩系數20.7，轉速0～1.5轉，在軟土盾構機里屬于超配的。在本項目中，隨著刀盤改為復合式，原驅動的性能依舊可以滿足復合式盾構的使用要求。

在上一個項目中驅動共計運轉1330小時，運轉率約為22.5%，主軸承剩余壽命約8670小時。本項目預計掘進7728小時（322×24小時），假設運轉率不變，估計驅動將運轉1740小時<<8670小時，因此主軸承壽命可以滿足使用要求。

（4）推進系統

本項目的覆土深度和坡度，均小于原盾構機的設計值，且本項目管片形式和原項目相同，因此推進系統不作更改。

（5）盾殼

原切口環不具備改造、增加氣包艙的條件，因此需要新設計制造一個切口環。原中間盾、盾尾按照45m頂覆土設計，而本項目最大頂覆土為37.5m，所以原結構強度滿足使用要求。盾尾密封采用3道鋼絲刷加1道鋼板刷，設計密封壓力10bar，預測最大埋深時水土壓力不超過10bar，因此可以滿足使用要求。

（6）后配套車架

原盾構機后配套車架的設計轉彎半徑為R1000m，不滿足本項目的R800m。主要原因是車輪的型式不適合轉彎，并且車架間牽引是花籃螺栓，調節需要靠手動，操作非常不方便。因此需要更改車輪型式和車架間牽引型式。

3 盾構機主要設備的適應性改造

（1）刀盤

重新設計制造一套復合式刀盤，增大開口率至35%。為了應對砂土和卵礫石，應加強刀盤和刀具的耐磨性能。刀盤正面和圓弧面敷設高鉻合金耐磨板，硬度達到HRC60，其它耐磨板覆蓋不到的區域采用硬質合金堆焊，硬度達到HRC55。刀盤背面開口周圍、外圓邊、攪拌棒表面采用硬質合金堆焊，硬度達到HRC55。正面刀具呈高差布置，刮刀、圓弧刮刀高175mm，焊接式撕裂刀、可更換撕裂刀高200mm。

磨損檢測布置10個點，分為刮刀磨損檢測、圓弧刮刀磨損檢測、撕裂刀磨損檢測三種功能，根據被檢測刀具的不同設置不同的磨損量報警值。

人行閘內安裝一套刀盤就地控制手柄，用于開倉換刀前旋轉刀盤用。設計安全切換聯鎖，當切換到刀盤就地控制，則操作屏上不能進行刀盤正反轉操作，此時操作屏上應反映出刀盤目前的旋轉角度。

表2 刀盤主要參數

（2）盾殼

重新設計制造帶氣包艙的前盾（直徑11.67m），隔艙板上配置各系統用的接口，預留備用口。切口處用硬質合金堆焊保護。為了減少粘土環境下泥漿吸口堵塞風險，同時又要考慮卵礫石環境下限制過流粒徑保護排漿泵，設計了一套開口大小可變的格柵機構，網格大小能在200mm×167mm和200mm×385mm之間切換。

（3）氣壓平衡系統

配備完整、獨立的2套氣壓平衡系統，1套工作，1套備用。當一套系統發生問題時可以迅速切換到第二套系統。系統全部為氣動控制，無需電源，可以在含沼氣的地層使用。系統工作壓力8.0bar，采用SAMSON公司的氣動控制器、流量控制閥、壓力變送器等關鍵部件。氣源采用3臺90kw空壓機，流量12.6m3/min，壓力13bar，其中1臺為備用。為了節約車架空間，選用水冷式空壓機。

（4）泥水系統

為預防刀盤結泥餅[3]，泥水系統增配了中心沖洗功能。這套系統利用一臺中心沖洗泵，從排泥管或工作艙內抽取泥水，再通過中心回轉接頭預留的管路泵入刀盤正面中心部位，沖散巖石粉末或粘土顆粒防止聚集，達到預防刀盤結泥餅的目的。

泥水艙設置4個進泥口，氣包艙設置2個進泥口。氣包艙底部設置1根主排泥管，另有1根備用排泥管直接通向泥水艙，可以在主排泥管堵塞情況下切換。泥水艙底部設置2路沖洗對著閘門方向沖洗，氣包艙底部設置2路沖洗對著格柵方向沖洗。為了保證沖洗效果，中心沖洗泵流量配到400m3/h，沖洗流速達到5m/s。

增設液位監控功能，氣包艙內設置11個液位開關，參與系統控制，為了防止泥漿粘附在開關上導致失靈，每個開關都自帶沖洗功能。并配有液位傳感器，可以反饋液位高度。

（5）防沼氣系統

防沼氣系統主要是通過電器控制系統，將通風系統與氣體監測系統進行聯動，當氣體檢測系統檢測到沼氣，將會自動報警并打開通風系統降低濃度至安全值[4-5]。

選用進口防爆型氣體探測傳感器，防護等級IP67，抗中毒，耐高濃度沖擊，可在缺氧條件下檢測。配置防爆型UPS供電，能夠在斷電后一定時間內測量。沼氣探測頭布置的位置和數量也是經過考慮的，我們認為沼氣大概率會從盾尾密封、人行閘、排泥管、接管器處進入盾構內，為了能盡快探測到沼氣，并全面監控盾構及后配套區域的沼氣濃度，我們在這些位置設置了氣體探測傳感器。

通風系統除了配置常規排風機（1033m3/min）外，還增設了氣動風機（33.6m3/min，4個設置在機頭內，2個設置在車架接管區域），作用是打散氣團，預防有害氣體的局部集聚，也可以在斷電情況下保障盾構機的通風。

（6）后配套車架

為適應800m轉彎半徑，修改所有車架的車輪型式，由原來的單列輪改為雙列輪，同時減少每節車架的輪排數至兩排。這樣改造的優點是在軌道鋪設有高差時，仍可保證所有車輪同時落地。車架左側的連接桿全部改為油缸式，并就地安裝操作開關控制伸縮，相比原先手動花籃螺栓式的調整結構，極大地方便了工人的操作。

4.小結

截至文章發稿，改造后的盾構正在杭州江南大道工地施工。平均推進速度為25～30mm/min，泥水系統、氣平衡系統均工作正常。盾構工作壓力在2.65bar左右，并隨著埋深增加而提高，大約每環提高0.02bar，但仍未到達最大埋深處，后續將密切跟蹤泥水系統和氣平衡系統的工作情況。盾構始發時已處在800m轉彎半徑的區域，經過實際工作驗證，后配套車架行走正常，無出軌現象，可以在該轉彎半徑下正常工作。