上海地區長距離深埋盾構設計要點探討

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.概述

隨著隧道建設的不斷發展，上海地下空間的利用越來越向深層拓展。如規劃中的崇明線軌道交通工程，隧道直徑13m，最大覆土46m，覆土厚度與隧道直徑比約3.5D（D為隧道直徑），盾構機一次掘進9.8km；市域鐵路工程，隧道直徑13.6m，最大覆土47.4m，覆土厚度與隧道直徑比約3.5D，盾構機一次掘進6.34km；蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程隧道直徑11.3m，最大覆土46m，覆土厚度與隧道直徑比約4D。為了滿足長距離深埋大直徑隧道的盾構法施工，需要探討盾構機設計要點。本文以隧道埋深、工程地質、水文條件為主要依據，綜合考慮盾構機適應性、可靠性、安全性等方面，討論了深埋盾構設計時應該考慮的要點。

2.長距離深埋隧道工程難點

（1）長距離掘進

盾構機在長距離掘進的工作環境下，需考慮刀具耐磨性能及更換、主驅動密封的耐磨性、主軸承的工作狀況、盾尾刷的耐磨性能及更換等情況。所以這種工況對于盾構機關鍵部件的耐久性和可靠性要求很高。另外，還要考慮在盾構機關鍵部件損壞以后的如何讓人員介入維修。

（2）高水土壓力

盾構機在深埋的工作環境下，需要考慮到高水土壓力帶來的主驅動密封系統耐壓性能、盾尾結構耐壓性能以及盾尾密封耐壓性能。

（3）穿越含承壓水的砂土層

上海深埋盾構機主要穿越第⑦層土（砂質粉土夾粉質粘土），該土層是上海第一承壓含水層，承壓水主要賦存于第⑦層粉土或砂土層中。盾構機在穿越含承壓水的砂土時會遇到刀具磨損嚴重、開挖面失穩沉降難以控制等情況。因此要重點考慮刀具的耐磨、開挖量監測、添加劑系統等方面的設計。以及考慮極端情況下刀具更換方案。

綜上所述，長距離深埋盾構設計應考慮以下幾方面要點：

1）擴大盾構機可介入維修區域；

2）加強關鍵部件的檢測及自動化預警；

3）加強關鍵部件的耐久性和可靠性設計；

3.深埋盾構設計要點探討

(1)擴大盾構機可介入維修區域

刀盤開挖面、土艙/泥水艙、盾尾密封刷等與土體交界的區域，都不能在比較安全的無壓施工條件下介入。通常工作人員想介入刀盤，就必須帶壓進入土艙/泥水艙，且艙內含有各種開挖物（土塊、石塊、泥漿等），對人員的健康和安全都不利。通過擴大盾構機可介入維修區域，可以讓工作人員安全地介入原本不容易介入到的區域，從而實施檢查、維修等工作。

圖 1 盾構機非安全介入區域(帶壓刀盤)

圖 2 盾構機非安全介入區域(常壓刀盤)

① 常壓刀盤

通過配置常壓刀盤，可以使刀盤中心艙內部、主輻條內部變成較安全介入區域。工作人員可以常壓進入刀臂，做檢查和換刀等工作。但常壓刀盤有造價高、開口率較低、中心位置易結泥餅的問題，而且經過數次更換的刀筒也可能發生密封失效。

② 冰凍法

上海地層中地下水位一般較高，應用冰凍法的條件較好。在刀盤、盾尾或管片上預制冰凍管，在冰凍管中循環低溫鹽水，利用鋼材導熱性好的特點使刀盤結構變成“冰凍圓盤”，而盾尾結構變成“冰凍圓環”。通過冰凍管對隔倉內土體、切口周圍土體和盾尾周圍土體進行凍結，使周邊形成凍土帷幕，然后在凍土帷幕的保護下進行檢查、換刀、換盾尾刷等作業。所以通過冰凍法，可以使刀盤周圍、土艙/泥水艙、盾尾密封處變為較安全介入區域。

(2)加強關鍵部件的檢測及自動化預警

① 刀盤的檢測及預警

由于上海地層黏性土含量較多，刀盤中央容易結泥餅，從而導致刀盤負載增大，貫入度減小，推進速度變慢。考慮到安全性，通常不會采取開倉的方式判斷結泥餅。只通過地質情況、掘進參數綜合判斷。結泥餅后刀盤開口率減小，摩擦系數增大，泥餅與土摩擦會產生大量的熱量，伴隨刀盤結構溫度升高。在刀盤中央安裝溫度計可以有效輔助人員判斷是否結泥餅。

長距離掘進情況下，檢測刀具的磨損量是非常關鍵的。為了能及時和準確地判斷刀具磨損情況，可以在刀具和刀盤結構上安裝磨損檢測系統，檢測點的數量和位置根據施工方的要求確定。磨損信號應能夠實時傳輸到操作系統，并在操作屏上顯示。

為了避免推力、扭矩過大造成刀盤結構、主軸承損壞，準確地判斷刀盤負載情況是十分有必要的。可以通過配備刀盤負載檢測系統來實現判斷。這套系統是在刀盤結構上加裝傳感器（數量和位置根據需要排布）。傳感器信號經采集器后傳輸到主機中進行數據處理，最終結果顯示在屏幕上。

② 主驅動的檢測及預警

主驅動是盾構機的核心部件（包括軸承、齒輪、密封），一旦它發生問題，盾構機將無法繼續工作，因此有必要重點監控主驅動的運轉狀況。

判斷軸承運轉問題較常用的檢測方法是通過噪聲/振動檢測。這種方法可檢測軸承運轉時產生的噪聲和振動脈沖。在軸承正常安裝、正確使用和及時潤滑的情況下，不存在相當大的振動和噪聲。但如果發生問題，讀數會發生變化，例如，結構缺陷、軸不對中（匹配部件的耦合部分不對齊）、潤滑不良等。這意味著在監測振動時，專業人員可以很容易地注意到故障風險并加以預防。

對于密封圈，我們通常較為關注其潤滑情況是否良好，一個重要的判斷依據是溫度，當潤滑脂充分潤滑且冷卻系統工作正常的情況下，密封圈與鋼結構摩擦力小，溫度不會異常升高，反之則會快速升高。所以密封圈溫度檢測系統是必需的，它可實時傳輸溫度信號至PLC系統，并在操作屏上顯示當前溫度。

對于齒輪情況的檢測，主要是通過齒輪油采樣這種間接方法來做。齒輪長期工作會產生鐵屑，通過判斷齒輪油里的金屬含量可以間接判斷齒輪的磨損情況。檢測方法一般是離線檢測，通過驅動箱底部放油口收集齒輪油，再交給專業檢測機構化驗。目前國內也有齒輪油在線檢測技術，直接在動力箱上安裝一套檢測設備，可以檢測油品粘度、污染水分、磨損顆粒等指標，相比離線檢測具有很高的及時性。

(3)加強關鍵部件的耐久性和可靠性設計

① 刀盤設計

無論是帶壓換刀刀盤還是常壓換刀刀盤，都要考慮刀盤結構的強度、剛度，防止結泥餅的措施，刀具的壽命。刀盤強度和剛度主要通過計算機FEM來做。通過重復多次模擬和改進，使得刀盤結構設計上更加優化。

刀盤結泥餅主要發生在刀盤中心，原因較為復雜，一般認為和刀盤中心開口小有關，切下來的土不能順利進入艙內；加上深埋隧道通常會遇到號土，這種土粘性高容易粘在刀盤上。所以刀盤中心開口應設計得足夠大，使切削下來的土能順利進入艙內，防止中心結泥餅。常壓刀盤在中心開口大小上非常不利，因此需要采取中心沖洗的手段來預防結泥餅，沖洗流量一般達到P2.1泵的1/3。提高刀具的壽命一般有兩種方法，一是增加刀具數量并分層布置，在輻條上盡量多地布置先行刀；二是采用雙或多層合金的刀具。

圖 3 分層式刀具

② 刀盤驅動設計

要提高刀盤驅動的耐久性和可靠性，關鍵是提高密封系統的耐壓能力和使用壽命。從現有的上海深埋項目判斷，密封系統應具有10bar的工作壓力。密封圈可選用齒形，理論上1道就能滿足10bar的工作壓力，為了提高密封系統可靠性，我們通常安裝2道。

密封圈的使用壽命與密封壓力、工作溫度、刀盤轉速、材料硬度、潤滑情況和土體含砂量都有關系。其中密封壓力、刀盤轉速、土體含砂量是由實際施工條件決定，剩下的工作溫度、材料硬度、潤滑情況由設計決定。

工作溫度方面，為了保證密封圈的工作溫度始終處于合理區間，在驅動結構上應設計冷卻水腔，保證密封圈壽命。冷卻水流量應根據冷卻水進出口溫度、驅動的發熱量、換熱面積，運用熱傳導和熱對流公式進行設計。

材料硬度方面，主要考慮密封圈硬度和密封面材料硬度。根據以往的設計經驗，密封圈硬度在87～93HS左右，密封面最好采用耐磨板，硬度在45～50HRC左右。正常情況下，由于密封圈的硬度低于密封面材料，密封圈的磨損量比密封面大。但有時候會發生密封面材料磨損量比密封圈大的情況，也就是“軟磨硬”情況。這是由于外部硬質砂粒進入密封面與潤滑油脂混合形成液態研磨料，產生了研磨效果。出現這種情況說明密封圈的潤滑沒有到位，更具體地說是潤滑脂加注量不夠，無法把砂粒趕出潤滑面。

為了保證密封圈始終處于充分潤滑，集中潤滑系統的設計要考慮油脂加注點數量、潤滑泵流量壓力、系統控制模式等方面。潤滑泵的流量要與加注點數量匹配，潤滑泵的壓力要保證油脂能從加注點打出去。系統控制上要具備強制潤滑模式，以便在高含砂量的地層中防止砂粒進入密封面。

③ 盾尾設計

盾尾的整體耐壓性能，特別是盾尾的結構強度、變形量和盾尾刷可靠性是我們重點考慮的對象。盾尾的結構強度和變形量一般通過有限元計算輔助設計，在加載和約束合理的情況下，計算結果通常是可信的，且可用比較法驗證結果，即與其它成功應用的類似設計的計算結果比較。

為了提高盾尾刷的可靠性，可采用特殊的加強型盾尾刷。普通盾尾刷的材料大多是把很細的鋼絲綁扎在一起的鋼絲刷，為了止水需要向里面充填盾尾油脂。但是，油脂在推進過程中會從鋼絲刷中流失，流失后由于同步注漿材料侵入到鋼絲刷內固結導致鋼絲刷失去彈性，降低止水效果，導致發生問題。加強型盾尾刷是事先向盾尾刷內注入填充材料，通過這個辦法解決了以往的問題，提高了盾尾刷的耐久性和止水性。

4.小結

上海地區長距離深埋隧道工程的難點在于長距離掘進、高水土壓力、穿越含承壓水。因此盾構機的設計要考慮擴大盾構機可介入維修區域、加強關鍵部件的檢測及自動化預警、加強關鍵部件的耐久性和可靠性設計三方面措施。通過分析工程難點可以得出，刀盤、刀盤驅動、盾尾三個部件是重中之重，結合三方面措施解決好這三種部件的針對性設計，是提高盾構機在上海地區長距離深埋隧道工程中適應性的關鍵。