浅谈土压平衡盾构机选型

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来源：《中国新技术新产品》2016年第17期

        摘 要：盾构法施工较之一般的隧道施工技术具有更大的针对性，也就是要求盾构机必须与工程相适应。因此在盾构法施工中，盾构机的选型问题非常突出，选型成功与否，直接决定着掘进施工的成败。本文笔者结合施工案例，对土压平衡盾构机的选型进行探究，以期为类似工程提供参考。

        关键词：土压平衡盾构机；选型；隧道施工

        中图分类号：U455 文献标识码：A

        1.工程概况

        广州轨道交通十三号线一期工程施工一标，区间为丰乐路站～12号盾构井，采用二台土压平衡盾构机施工。本区间左线长1254.396m，右线长1222.357m。区间主要沿主要干道敷设，沿线下穿大量建（构）筑物，结合线路设置、地质条件、埋深等综合考虑，本区间主要采用土压盾构法施工，中间风井及盾构井采用明挖法施工，联络通道及泵房采用矿山法施工。盾构隧道内径为φ5400mm，管片厚度为300mm，宽度为1500mm，厚0.3m，每环由6块组成，错缝拼装、纵向10弯螺栓、环向12弯螺栓。管片类型为标准环加左、右转弯环。

        2.工程的地质情况

        采用盾构法的区间，盾构主要穿越地层为全、强、中风化粉砂岩、全、强、中风化花岗岩，局部穿越淤泥质土、淤泥质粉细沙层。中风化含砾砂岩、泥质粉砂岩岩石天然抗压强度范围值fc=5.27～26.72MPa，平均值fc=17.58MPa，标准值fc=15.93MPa；混合花岗岩中风化带岩石天然抗压强度范围值fc=12.41～36.92MPa，平均值fc=26.84MPa，标准值fc=21.05MPa；

        区间隧道结构底板大多处于强、中风化岩层之上，局部坐落于淤泥质砂层之上，岩层分布稳定，强度高，能满足承载力要求。隧道洞身经过地层主要有、、、、和，围岩级别一般为Ⅳ～Ⅵ，岩土层强度差别大，中风化岩层抗压强度高，盾构机将在软硬差别很大的地层中通过，易造成盾构机抬头走偏，影响盾构掘进施工，难度较大；拱顶主要层位有、、，其中砂层具中等透水性，处理不当易坍塌，发生地面沉陷、突水等工程事故，应注意对砂层进行固结处理。

        3.土压平衡盾构的针对性设计

        3.1 刀盘

        刀盘结构：采用准面板结构设计，可安装滚刀，开口率34%。开口在整个盘面均匀分布，保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入土仓。刀盘背面有主动搅拌棒，与前盾上的被动搅拌棒一起对土仓内渣土进行搅拌。刀盘设有渣土改良喷口，为单向结构，背部配有疏通管路，从而有效降低中心结泥饼的概率。

        滚刀：滚刀尺寸为17寸，刀高175mm，中心双联滚刀为6把，单刃滚刀32把，共44个刃，滚刀刀间距不大于85mm。刀盘开挖直径处设计6250mm，为保证开挖直径，延长换刀时间，滚刀的安装通过两个楔形块、拉紧块和长螺栓锁紧刀轴，能实现刀具的快速安装和拆卸。

        刮刀：刮刀结构分为刀体、硬质合金和耐磨层。在刀具背部的刀盘面板上焊接有刀具保护块，保护块上焊接有与刀具材质相同的合金材料，保护块主要作用到刀盘工作中。

        边刮刀：刀盘边刮刀结构分为刀体、硬质合金和耐磨层，整体呈弧形。边刮刀整体分为2块，刀盘为整体结构，刀具设计充分考虑洞内换刀方便、节约成本等因素，具有同侧左右侧都可互换的特点。边刮刀采用分体式，可使安装及拆卸功能得以实现，较整体式具有更换便捷、重量较轻，同时经济性好等优势。

        磨损检测：刀盘设置有多处磨损检测装置，防止漂石破坏刀盘盘体。

        3.2 主驱动

        配置的主轴承直径3061mm，最大使用推力荷载1250t，试验推力荷载3125t，破坏推力荷载5000t，安全系数4。有效使用寿命≥10000小时。

        8组液压马达驱动（已经预留1组驱动安装位置，共可安装9组驱动，安装9组驱动时，额定扭矩6750kNm），额定扭矩6000kNm，脱困扭矩7200kNm，可以满足在对扭矩要求较高的地层中掘进；最高转速3.7r/min，可以满足在风化岩中较快转速的掘进要求。

        3.3 组合式渣土改良系统

        3.3.1 泡沫系统

        采用5路布置，可以和膨润土在同一时间注入刀盘前部，还可以与膨润土管路共用。泡沫混合液中的水量和压缩空气的流量由流量传感器进行检测，PLC控制电闸门的开度，得到最佳的混合比例。应用单管单泵进行设计，如果刀盘喷口阻力出现不一样的时候，每路泡沫仍然可以等量地进行喷出，使淤泥质黏土中掘进时的泥饼问题得到有效地避免。

        3.3.2 膨润土系统

        膨润土系统一般采用软管作为注入泵，而选取两台注入泵进行单独注入，一台注入泵用于碴土改造，另一台用于盾壳外润滑。如遇特殊情况，两台注入泵则都用于碴土改造。

        可为施工单位提供洞外膨化方案，将大量膨润土通过管路输送到设备上安装的膨润土罐内，通过软管泵从刀盘前部、土仓及螺旋机注入膨润土，使地层细颗粒数量增加，因而可以形成良好级配，有助于顺利出渣，使磨损的现象有效地减少。

        配置的盾壳外膨润土注入系统，从盾壳外部注入膨润土或黏土，可有效减少砂层盾体的摩擦阻力，防止卡盾。

        3.3.3 聚合物注入系统

        可以选取聚合物注入系统，如果喷涌出现，在土仓底部以及螺旋机内进行聚合物的注入，这种措施可以有效地避免喷涌的出现。

        3.4 同步注浆系统

        3.4.1 单液同步注浆系统

        注浆系统由两台SCHWING柱塞泵站提供动力。泵送注浆量可以通过控制液压流量来调整。4个出口都装有压力传感器，并将每个注浆点上的传感器发出的信号用来控制注浆的过程。

        3.4.2 双液二次补强注浆系统

        为了及时补充注浆效果，防止地表沉降及管片上浮，从管片背部进行补强注浆的二次注浆系统。可以根据需要选配二次注浆系统，设备已预留安装位置。

        3.5 人舱设计

        人舱包括主舱和辅舱，两舱横向连接，之间有舱门边通。通过前盾板上的门可以由主舱进入开挖仓。辅舱的作用是在出现紧急情况时出入。人仓压缩空气为一套全气动式气体保压系统，可以使必须带压进舱作业的时候，保证设备的性能以及人员的安全性。

        3.6 盾体设计

        3.6.1 前盾

        前盾由壳体、压力隔板、主驱动连接座、人舱连接座、螺机连接座和连接法兰组成，前盾直径设计为Φ6250mm。

        前盾设计为锥形，并在前部切口焊有5mm耐磨层，增加耐磨性。为了改善渣土的流动性，土压仓内隔墙上设有4个搅拌棒，搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，增加和易性。

        前舱压力隔板布置有风、水、电接口，方便带压进舱换刀时使用。

        3.6.2 中盾

        中盾由壳体、连接法兰和两道隔板组成，直径Φ6240mm，长度为2806mm；采用主动铰接形式，盾壳厚度为40mm。

        沿中盾盾壳圆周上半部180°设计10根超前注浆管，可对地质进行超前钻探，注浆加固，防止开挖面坍塌造成地表沉陷。同时在盾体压力隔板上布置7个超前注浆孔，可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固。

        中盾和盾尾之间设计有两道密封，一道为橡胶密封，一道为紧急气囊密封。正常情况下，橡胶密封起作用。在涌水或橡胶密封需要损坏需要更换时，使用紧急气囊密封。

        3.6.3 盾尾

        盾尾由铰接密封环和壳体组成，壳体直径Φ6230mm，盾尾长度30mm，壳体厚度50mm。

        所有注浆及油脂管路都镶嵌在盾壳上。每根注浆管均留有2处观察孔，利于管路保护、清洗和维修。注浆管共10根，其中4根备用。油脂管数量12根，各6根通向两个尾刷密封室。

        尾刷密封由3排密封刷组成，防止浆液漏进盾体内部，在土压平衡时还有保持其各自压力的作用。

        盾尾间隙30mm。满足安装管片及调向要求。

        盾尾尾部有一排止浆板。耐磨钢板制成的止浆板可以防止砂浆填充到盾体前部，也可以防止盾体前部的泥浆影响注浆效果。

        3.7 螺旋输送机

        采用900mm内径轴式叶片螺旋输送机，驱动采用一个双速马达及减速机传动。螺旋轴及叶片外圆焊有耐磨合金块及耐磨层并在耐磨块上堆焊耐磨网格，磨损严重后可予以更换，最大通过粒径340×560mm，出渣能力为420m3/h。配置有前闸门和两道出料闸门，出料闸门采用下部出碴结构，防止了螺旋机出口堆渣现象发生。

        当发生螺旋轴卡住现象，可以通过控制液压马达正反转来摆脱。必要时可打开设置在螺旋输送机筒体上的观察窗门来对壳体内部进行清理。

        当地下水比较丰富，期土层的透水系数高，螺旋机的碴土难以形成“土塞”导致螺旋机喷涌的现象发生率较高。防止喷涌的设计如下：防喷涌设计：螺旋轴采用双闸门设计。

        （1）盾构机出土口设置2个闸门，交替开启以降低喷涌压力。

        （2）预留了膨润土和高分子聚合物注入接口，必要时，可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土或高分子聚合物，以缓解螺旋机的喷碴压力。

        （3）设置有保压泵接口，必要时可连接泥浆泵或泥浆管，缓解喷碴压力。

        3.8 推进及铰接系统（主动铰接）

        推进系统共21根油缸，分成4组。上下左右各组分别为5根、6根、5根、5根油缸，通过调整每组油缸的不同推进速度对盾构进行纠偏和调向。每组油缸安装了一个内置行程传感器。通过这4根均布的带传感器的油缸行程显示，可以判断此时盾构的掘进姿态。推进行程满足安装1500mm宽度管片。

        盾构采用主动铰接形式，铰接油缸由14根组成，最大铰接拉力3460t。在曲线段掘进时，盾尾自动随管片调整姿态，在4个不同位置的铰接油缸配置了内置位移传感器，用来监测圆周方向不同位置的铰接油缸行程。铰接系统适用极限200m的曲线半径要求。

        3.9 皮带输送机

        一般我们都是采用DTII固定式皮带输送机，其中输送总长约55m，输送速度为2.5m/s，其中皮带机具有曲线调整功能，需要调整皮带的相应摆动角和驱动装置的摆动角可以适应不同曲线的施工。

        3.10 管片吊机

        管片吊机主要是从管片车上将管片卸载后将管片运输到设备桥区间的输送器上方，将管片旋转90°放在输送器上，再将管片输送器送到管片安装机抓取范围内。

        在轨道梁尾部布置由电缆卷筒，吊机用电缆线及控制线经卷筒引出。行走形式为链轮链条式，能便满足运行坡度50‰以及更大坡度的需求，链条采用夹板固定方式。管片吊机梁在设备桥与拖车接口处断开为圆弧搭接，可以适应在弯道上运行。

        结语

        理论分析和实践经验可以充分证明：此盾构机完全能够适应广州市轨道交通十三号线施工1标丰乐路站—12盾构井区间的施工要求，故该盾构机选型具有可行性，得到了评审专家一致的认可和通过。

        参考文献

        [1]张庭华.土压平衡盾构土舱压力控制技术研究[J].铁道标准设计，2011（8）：113.

        [2]张凤祥，傅德明，杨国祥，等.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社，2012.