針對上軟下硬地層的盾構機適應性設計

盧 楊

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司, 山東濟南 250000)

城市地鐵的快速發展離不開盾構技術的不斷提升[1]，在針對城市復合地層盾構施工時，許多學者根據實際工程進行了深入研究。趙先鵬等[2]對軟硬不均地層的盾構法施工技術難點進行了分析，包括刀具磨損、軸線偏移和地面沉降等；李學軍[3]、鄭鵬飛等[4]對泥巖和砂卵石復合地層的施工現場盾構參數進行了記錄，通過數據比對獲得了盾構機優化參數；彭正勇等[5]以臺山核電站取水隧洞通過軟硬不均地層為依托，介紹了爆破注漿加固地層的盾構推進方法；譚忠盛等[6]針對軟硬不均的黏性地層容易出現的“泥餅”現象及富水地層“噴涌”現象，采取盾尾環形間隙同步注漿技術，加強沉降監測，確保了施工安全；靳利安[7]、王君平[8]對于黏土地層換刀作業穩定性進行了分析，提出停機換刀的流程和注意事項；歐陽垂禮等[9]對地處不良地質條件下的城市地鐵地表沉降控制措施進行了闡述，確保施工安全可靠。

以上學者對上軟下硬地層盾構施工技術難點、機械參數優化、換刀及沉降控制等方面進行了較為完善的介紹，在此基礎上，本文結合徐州城市地鐵2號線某區段，對S906海瑞克盾構機在上軟下硬地層施工進行適應性設計，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

徐州城市地鐵2號線某區段包含2車站3區間，人流、車流量密集，如圖1所示。地層為上軟下硬的黏土層及砂巖層復合地層。為盡量減少對原有環境的影響，本文將重點介紹S906海瑞克盾構機在上軟下硬地層中施工的適應性設計，包括刀盤、刀具布置形式、刀盤主驅動、螺旋輸送機、渣土改良系統和掘進過程適應性分析6個方面，達到安全且高效的施工目的。

圖1 盾構施工區間示意

圖2 刀盤布置形式

2 刀盤、刀具布置形式

2.1 刀盤

盾構機刀盤采用輪輻式與面板式混合型刀盤，如圖2所示，開口率約為30%，保證在刀盤的旋轉過程中，每個方向都有足夠的渣土出口。刀盤整體采用高強度鋼板焊接而成，周邊及中心部件采用“螺栓+焊接”的方式固定，保證了施工過程中的剛度要求。刀盤標稱直徑為6 480 mm，總重為55 t，具備足夠掘進穩定性。

2.2 刀具

盾構機刀具根據地質特點和刀具破巖機理設計，針對上軟下硬地層，刀盤上安裝多種類型的刀具進行掘進開挖，包括中心滾刀、單刃滾刀、刮刀、焊接撕裂刀、先行刀、保徑刮刀和磨損監測刀等。根據刀具配置形式及原理，本工程擬采用的S906海瑞克盾構機刀具配置如表1所示。

表1 S906海瑞克盾構機刀具配置

3 刀盤主驅動設計

考慮到本工程復合地質條件，S906海瑞克盾構機刀盤主驅動主軸承采用長3 m的德國羅特艾德進口軸承，為保持一定的掘進速度，需有較高轉速，因此配置了大功率高轉速主驅動。主驅動采用3 000 mm的三排滾柱式主軸承，8組液壓馬達驅動，額定扭矩為6 228 kN·m，脫困扭矩為7 447 kN·m，總功率為945 kW。

4 螺旋輸送機設計

本盾構機采用雙螺旋機進行輸送，如圖3所示，雙螺旋機形式采用大扭矩液壓馬達驅動，扭矩大，轉速高，出渣能力強，筒體內徑820 mm，最大出渣粒徑300 mm×590 mm。同時，雙螺旋設計能有效防止噴涌，后部驅動方式密封效果好，驅動軸和螺旋葉片均有耐磨保護。

圖3 雙螺旋機示意

5 渣土改良系統

在盾構機掘進過程中，渣土改良系統可以將泡沫、膨潤土、泥漿通過中隔板注入到土倉或刀盤(圖4)，起到改善土體的流塑性和穩定開挖面的作用。

盾構機刀盤面板上設置泡沫注入口，通過活性劑和泡沫合成劑混合而成的泡沫，進入土倉和螺旋輸送機內，可以提高土體的流塑性，防止“泥餅”的產生，避免機械堵塞。泡沫進入刀盤參與掘進過程，在刀具的作用下與土體充分混合，在上軟下硬地層中，能夠起到改善渣土和易性、防止渣土附著刀盤的作用。

膨潤土漿液通過特制的膨潤土注入泵(圖5)輸送至盾構機土倉螺旋輸送機內。其中，膨潤土漿液在砂性土和砂礫土地層中，可以有效改善土的流動性。

圖4 聚合物注入示意

圖5 膨潤土注入泵

6 上軟下硬地層掘進過程適應性分析

盾構機刀盤在黏土地層掘進時易結成泥餅，影響推進速度。為解決此問題，S906海瑞克盾構機在土壓平衡模式掘進時，通過控制掘進速度、螺旋機轉速、閘門開啟程度來保證壓力平衡。其中，掘進速度控制需要盾構機在保持掘進姿態的同時，鉸接千斤頂行程控制在40～80 mm范圍內，防止最大行程和最小行程的出現。此外，加強地表沉降監控，嚴格控制出土量，也能有效增強盾構機在上軟下硬地層中的穩定掘進。

7 結論與建議

(1)輪輻式與面板式混合型刀盤及多種刀具結合形成的掘進面，能在上軟下硬復合地層中提供足夠的剛度和切削能力，在總功率為945 kW的刀盤總驅動下，保障了盾構機的掘進速度和穩定性。

(2)采用雙螺旋機輸送形式，后部驅動方式密封效果好，通過兩級運輸，能有效防止噴涌。

(3)渣土改良系統包括注入泡沫和膨潤土漿液2種，輸送至刀盤、土倉和螺旋機輸送內，起到改善土體的流塑性和開挖面的穩定性的作用。

(4)掘進過程中，對千斤頂行程、土壓力及地表沉降進行監控，來解決S906海瑞克盾構機穿越黏土地層時易結成“泥餅”的問題。