新疆某輸水工程盾構長距離掘進針對性設計

李 濤

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南250000）

0 引言

隨著長距離盾構施工的持續快速發展，在長距離掘進中出現的盾構機卡機、刀盤刀具磨損、注漿管堵塞等問題越來越引起人們的重視[1，2]。

本文以新疆某工程為例，提出了刀盤、主驅動、管片輸送系統等部件的針對性設計方法，大大延長了其使用壽命，提高了盾構機的掘進效率和整機性能。

1 工程概況及地質

新疆某工程線路總長將近400 km，其中部分標段施工地段埋深基本在70～100 m，地下水位在地面以下20 m左右，最大水壓可達7bar，施工難度較大。

該標段施工地段的主洞長約37km，分為盾構段1、盾構段2、盾構段3及鉆爆段，其中，盾構段1和盾構段2的施工段的洞長度約為6 km；盾構段3施工段的洞長約為7 km；其余的洞段均為鉆爆段。

盾構施工段地層主要包括泥巖層、碎石黏土層、凝灰質砂巖和凝灰角礫巖。其中，凝灰質砂巖和凝灰角礫巖的巖體主要呈厚層狀，屬堅硬巖，屬Ⅲ類圍巖，飽和抗壓強度50~80 MPa。

2 盾構機針對性設計主要原則

本標段盾構機一次性掘進最大距離約7km，以往在盾構機使用較多的城市地鐵施工中[3，4]，受車站間距的限制，盾構區間一次施工長度一般不超過3 km。而本隧洞盾構機一次施工距離長度超過7 km，對盾構機的性能指標要求高，需在常規盾構機的設備配置和性能等級方面進行針對性的加強和優化。主要原則如下：

（1）在設備功能和參數配置、元器件選型等方面全面提升，盡量采用經過驗證的成熟系統和技術方案。

（2）關鍵系統、零部件可實施洞內檢修和更換，關鍵易損件采用一用一備的原則，設備空間滿足快速拆裝要求。

（3）滿足物料（主要是管片和襯砌材料）連續供應，設備上需加大儲運能力。

對各系統部件而言，主要是對刀盤、主驅動的使用壽命做出相應加強設計，這些部件的性能直接影響了盾構機的掘進效率和整機性能。

3 刀盤設計

總體思路：采用復合型盾構刀盤，加強刀盤結構耐磨設計和刀具選型，提高中心開口率，采用易于更換的刀具。

3.1 整體設計

增強結構強度和剛性，刀盤整體強度和剛度大，滿足全斷面巖層的掘進承載能力要求。

優化開口設計并加大中心區域開口，刀盤上設計有中心、正面和周邊進碴口，加大中心進碴口可有效降低刀盤中心固結“泥餅”的可能性，中心開口率提高到40%。

渣土改良通道布置完善，刀盤和土倉隔板上設有多路泡沫/膨潤土注入管路，可對掌子面及土艙內開挖的渣料注入渣土改良劑。

增強泥餅觀測和沖刷功能，在刀盤隔板上預留高壓沖洗接口，可在設備停機時進行人工進倉清洗，同時在土倉隔板上配置高壓清洗裝置，可實現后方直接沖刷刀盤。

配置刀盤磨損裝置，3個液壓式磨損檢測器布置在刀盤外側，磨損檢測芯內部通液壓油，當切刀或邊緣刮刀磨損量達到15 mm時，液壓油泄露使得壓力下降，發出報警信號，磨損檢測芯可通過背部觀察孔進行更換。以一種為連續式磨損檢測器，1個布置在刀盤中心切刀上，此切刀上設計有一個檢測孔，傳感器插入在孔內。能連續檢測切刀磨損量，并帶有溫度檢測功能，可作為中心區域有無結泥餅的參考依據。實時檢測裝置，該裝置已在吉林引淞TBM設備上成功應用，可對刀具的磨損狀況進行實時監測、預警。磨損檢測裝置如圖1所示。

圖1 磨損檢測裝置

全面加強耐磨設計，采用TBM硬巖刀盤耐磨設計理念，對刀盤各部分有針對性的實施耐磨保護措施，如采用高等級的復合耐磨板、耐磨焊等。

3.2 刀具設計和選型

3.2.1 滾刀及刀座

選用17英寸滾刀（18寸刀圈，1英寸=2.54 cm），滾刀與齒刀可互換，根據地質情況進行刀具配置，在極軟巖地層可配置齒刀，提高掘進效率；

刀座及其連接件采用高強度鍛件，提高刀座強度及抗沖擊能力。

3.2.2 軟巖/軟土刀具（切刀、邊緣刮刀）及刀座

重點加強刀具、刀座保護，提升抗沖擊和耐磨能力：

切刀、邊緣刮刀兩端面均布置大塊雙合金塊，有效保護側面、正面雙向沖擊破壞；

邊緣刮刀刀座背部布置有多把可更換式貝殼刀以及保護塊，保護塊與邊緣刮刀高差小于20 mm，防止石塊沖擊使邊緣刮刀螺栓斷裂及合金崩裂。

大圓環外側設計可拆式貝殼刀，貝殼刀傾斜焊于L形的基座上（基座帶圓柱頭），將其整體作為一個可更換的貝殼刀。在刀盤大圓環內側配焊一個底座，可更換的貝殼刀通過螺栓緊固在底座上，直角與圓柱頭定位安裝，并可起到承力作用。

3.3 刀盤耐磨設計

升級耐磨材料，根據不同結構部位預計的磨損速率，設置相應的耐磨方式和耐磨級別。

刀盤面板以及周邊背側焊有復合耐磨板，復合耐磨板是在基材鋼板上堆焊特殊的耐磨材料，極大地提升了耐磨和抗沖擊性能。

刀盤外周焊有鑲嵌合金的耐磨環，可提高刀盤外周在全斷面硬巖等地層掘進時的耐磨性能，保證刀盤的開挖直徑。刀盤加強耐磨如圖2所示。

圖2 刀盤加強耐磨示意圖

上述措施經過TBM刀盤和部分盾構機刀盤的實際應用，效果良好，可完全滿足長距離盾構機掘進刀盤結構和刀具壽命的使用要求。

4 各系統的針對性設計

4.1 主驅動

總體思路：加大能力儲備，采用變頻電機驅動以提高脫困扭矩，關鍵零部件選用優質品牌，整體壽命大于10 km（10 000 h）。

主軸承由德國羅特艾德廠家制造。主軸承直徑2.8 m，采用小直徑、整體內齒圈、三排圓柱滾子結構，擁有良好的承受軸向推力、軸向反推力、徑向力及傾覆力矩性能，主軸承正常使用壽命大于10 000 h。

減速機由德國卓侖廠家制造。減速機體積小，正常使用壽命大于10 000 h。

主軸承密封采用聚氨酯材料，承壓能力強，使用壽命遠高于橡膠密封，并有主驅動密封失效應急處理設計。主驅動設計如圖3所示。

圖3 主驅動設計

4.2 管片輸運系統

由于管片和襯砌材料運輸距離長，運輸時間較長，為滿足盾構機掘進效率，盾構機加大了管片和襯砌材料的儲備能力，可儲存兩環管片，大大減輕了長距離物料輸運的壓力，同時設計兩組管片吊機，協調作業倒運管片可提高管片供應速度。

具體設計如下：喂片機（1環管片）+卸載器（2環管片）+吊機+長距離吊機軌道。主機在拼裝管片的同時，后部吊機可拼裝仰拱塊，同步作業。

4.3 優化同步注漿管路

常規盾構注漿管采用整體內置在盾尾結構件的設計，只能拆除最前端彎折端進行清洗。該注漿板相比常規盾構，做出了針對性設計，能夠更有效地應對工程中注漿管的堵塞。注漿管如圖4所示。

圖4 注漿管示意圖

注漿管前端為外置式管路，使用法蘭連接，且在注漿管路變向處增加清洗口，使用時若管路堵塞可拆除法蘭進行疏通。

同時對注漿管清洗方案進行優化，一般同步注漿管清洗采用注入膨潤土或者清水直接采用泵送的方式進行清洗管路，在盾尾注漿管進口處設計三通（接氣管和水管）。停止注漿后立即關閉后端球閥，三通處加入少量水再通過壓縮空氣進行混合沖洗，可一定程度上減少注漿管的堵塞，目前該設計已在成都5號線中鐵建大橋局項目上使用過，現場反應效果較好。

5 結語

本文為了增強盾構機在長距離掘進中的性能，以新疆某工程為例，對盾構機進行了針對性設計：

（1）采用復合型盾構刀盤，加強刀盤結構耐磨設計和刀具選型，提高中心開口率，采用易于更換的刀具。

（2）主驅動加大能力儲備，采用變頻電機驅動以提高脫困扭矩。

（3）管片輸運系統加大管片和襯砌材料的儲備能力，可儲存兩環管片，大大減輕了長距離物料輸運的壓力，同時設計兩組管片吊機，協調作業倒運管片可提高管片供應速度。

（4）注漿管前端設置為外置式管路，使用法蘭連接，且在注漿管路變向處增加清洗口，使用時若管路堵塞可拆除法蘭進行疏通。相比常規盾構，該注漿板做出了針對性設計，能夠更有效地應對工程中注漿管的堵塞。