复合地层盾构机选型的技术研究

摘要：本文结合福州市城市轨道交通1号线工程土建02合同段工程实际、地质情况及福州地铁工程施工的特点，介绍了适用于福州地铁施工盾构机选型、配套的技术要求。

关键词：复合地层；盾构机；选型

中图分类号：U231文献标识码： A

21世纪是隧道以及地下空间工程大开发的新时期，我国城市轨道交通建设步入了快速发展的阶段，盾构法因有对周围环境影响小、施工速度快、工程质量优良、施工安全环保、适用范围广等优势，在城市地铁隧道中正扮演着越来越重要的角色。我国北京、上海、广州、深圳、天津、南京、沈阳、长沙等十多个城市已经成功用盾构法技术修建了大量地铁工程，部分城市在已经开通运营多条地铁线的基础上仍以每年40-50km近百亿元的投资速度推进。

盾构根据不同的地质类型其适用范围是不同的，所以对与不同的地质特点，要选择与之相适应的盾构类型，以保证工程施工的顺利进行。盾构选型主要依据有区间隧道设计及施工条件、工程及水文地质以及施工规范及相关标准等几个方面，再结合项目工程自身的特点对盾构类型、主要参数、辅设配置等进行分析，从施工的适用性、可靠性、安全性、先进性、经济性等几个方面综合考察来进行盾构的选型。

1工程概况

福州市城市轨道交通1号线工程土建02合同段盾构区间包括秀山站～罗汉山站、罗汉山站～福州火车站站两个盾构区间。

秀山站～罗汉山站区间始于秀山站，止于明挖段北端头井；盾构始发场地为秀山站。秀山站～罗汉山站区间上行线起讫点里程为：SK1+832.4～SK2+464.0，全长631.6m；下行线起讫点里程为：XK1+832.4～XK2+496.74，全长645.979m（短链18.361m），秀山站～明挖区间隧道总长1277.579m。

2地质情况

杂填土层：杂色，松散状态，主要成分为粘性土，含大量碎石、碎砖、水泥块石等杂物，硬杂质含量在25%～65%间，场地普遍分布，层厚约2.0～7.3m。

粉质粘土层：灰黄、绿灰色，可塑状态，含高岭土、氧化铁，局部夹细砂及淤泥质土，切面较光滑，有光泽，无摇振反应，干强度与韧性中等；标贯试验实测击数为9～15击，平均值为12.4击；场地普遍分布，层顶标高约7.25～1.94m，层厚约1.1～8.9m。

碎卵石层：浅灰、灰黄色，稍密～中密状态，卵石多呈亚圆形状、次棱角状，磨圆度一般～较好，成分以硬质火山岩为主，粒径一般为2～6cm，少量6～8cm，含量为45～70%，胶结物以粘性土为主，含中细砂、粗砾砂等；重型动力触探试验实测击数为2～42击，平均值为15.93击。场地普遍分布，层顶标高约3.88～-3.03m，层厚约1.1～6.0m。

3盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用

盾构机主要由9大部分组成，分别是盾体、刀盘驱动、人行闸、管片拼装机、渣土运输系统、土层改良系统、后配套装置、电气系统和辅助设备等。

3. 1盾体

盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，形状是管状筒体，其外径是6. 48m。

3.1.1前盾

前盾直径Φ6460mm，长度2265（含耐磨层）mm，盾壳厚度60 mm。前盾切口位置焊有5耐磨层，增加耐磨性。为了改善碴土的流动性，土压仓内隔墙上设有四个搅拌棒，搅拌棒强制搅拌碴土和添加材料，增加和易性。其中两个搅拌棒注泡沫，另两个注膨润土，搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性。

人舱内部压力隔板上部设有Φ600mm前舱门孔和一个前舱门。工作人员通过前舱门进入土仓检查更换刀具及处理仓内问题。

土仓内上下左右配置了5个具有高灵敏度的土压力传感器，能在主控室内显示压力，并可根据土压力，操作人员调节螺旋机的转速，能很好地控制土压平衡，减少地面沉降。

3.1.2中盾

中盾直径为Φ6460mm，中盾长度为2795mm，盾壳厚度为40mm，中盾和尾盾采用被动铰接连接。

沿中盾盾壳圆周上半部160°设计6根超前注浆管，可对地质进行超前钻探，注浆加固。

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，如下图所示。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。

铰接机构

在掌子面不稳定及涌水地层，可能需要对地质进行加固，防止开挖面坍塌造成地表沉陷。根据超前注浆的影响区域，沿盾壳圆周设计6根超前注浆管，同时在盾体压力隔板上布置4个超前注浆孔，可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固。

3.1.3盾尾

盾尾由铰接密封环和壳体组成，壳体直径Φ6460mm，盾尾长度3790mm（不含密封刷），壳体厚度45mm。

所有注浆及油脂管路都布置采用内嵌式。注浆管共8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。

尾刷密封由三排焊接在壳体上的密封刷组成，防止注浆材料和水漏进盾体内部，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（钢板束）。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。

3.2刀盘及刀盘驱动

3.2.1刀盘

刀盘结构：刀盘的结构形式为典型的复合式刀盘，刀盘有6个主刀梁、 6个三角形结构的箱型面板、6个箱型结构的牛腿、外圈梁、刀盘连接法兰等组成，可安装足够数量的滚刀，通过在受力主梁加强材料方法来保证刀盘足够的刚度强度。

开口率：刀盘的开口率为33%，开口位置均布合理，渣土不易堆积在刀梁和面板上面，刀盘中心区域设有较大开口，可有效避免中心泥饼的产生。

刀具布置：

1）滚刀：117寸中心滚刀6把/刀高175mm、17寸单刃滚刀30把/刀高175mm、中心滚刀刀间距为90mm,内部区域正滚刀刀间距90mm。最外轨迹布置一把边滚刀，该轨迹预留一个安装刀箱，与其邻近的滚刀间距是5mm,可以更好的保护边滚刀。

2）周边边刮刀12把，刀高130mm，硬质合金采用E5类材料。其不但可以清理开挖的渣土，还可以有效防止刀盘大圆环的直接磨损。

3）加强型200mm宽的刮刀47把/刀高130mm。

4）外圈梁保护刀24把，刀具形式为贝壳刀。

5）滚刀可以实现与撕裂刀（羊角刀或贝壳刀）的互换，以适应不同的地质条件。

喷孔：共有5个喷口，其中膨润土喷口1个，泡沫喷口4个（单管单泵），膨润土喷口和泡沫喷口各自独立，添加剂注入口设计时考虑了防堵和清洗管路的需求，在刀盘背部设有专门的疏通和清洗管路，操作简单易行。

耐磨设计：外圈梁设有保护刀及耐磨条，面板设耐磨网格。

3.2.2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，设计使用寿命36555小时。

5组变频电机驱动，额定扭矩5830kNm，脱困扭矩7580kNm，可以满足在对扭矩要求较高的地层中掘进；最高转速3r/min，可以满足在风化岩中较快转速的掘进要求。为了满足在后续工程当中可能遇到的全断面卵砾砂层掘进需要大扭矩的要求，主驱动预留了增加一组驱动的安装位置。

主轴承外密封3道，内密封3道，最大压力5bar，满足本标段4bar压力要求。

3. 3人行闸

人行闸是用于操作人员从盾构机内到隧道切削面的设备，两端设置出人控制的气密门。人行闸内安装有测量隧道内气压及操作中的气压的压力计、输气阀、排气阀，方便人员进出。

在人行闸内安装与盾构机、隧道内联系的电话机等信号设备，以便于操作员直接与盾构机内和隧道内操作员取得联系。另外，还安装有照明灯、警报灯、蜂鸣器等。

3. 4管片拼装机

拼装机安装为中心回转式，液压驱动，机械抓举，由平移机构、回转机构、举升机构、举重钳、管路支架、工作平台等组成，具有6个自由度。

管片抓举采用机械式，抓紧状态检测采用压力继电器检测，动作可靠，具有联锁功能，操作方便、安全。管片拼装机有足够的纵向平移行程满足拆除最后一环管片以更换前两道盾尾刷的要求。

3.5螺旋输送机

前盾的底部安装有螺旋输送机，螺旋输送机采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，最大通过粒径为Φ290mm，螺旋机筒体内径800mm，出渣能力为335m3/h，驱动采用中心驱动，其圆周设有膨润土或泡沫的注入孔。螺旋输送机设有两道下出渣闸门，可根据掘进速度在主控室控制闸门的开启度，通过调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。另外预留保压泵接口，发生喷涌时，及时关闭闸门，接保压泵调节土仓压力。

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。

设置伸缩油缸，油缸行程800mm，设有土压传感器2个，渣良口9个，观察窗3个，螺旋轴及叶片前端堆焊有耐磨层。

螺旋机前闸门位于土仓内，通过液压油缸来实现闸门的开启和关闭。

突然断电时，后闸门会自动关闭，以防止喷涌。后闸门必须定期手动注脂以保证其正常工作。

采用中心驱动方式，主要包括低速大扭矩马达、减速机、圆锥滚子轴承等。螺旋轴采用驱动端固定，另一端浮动的支撑形式，螺旋机采用前后共采用五道唇型密封保护驱动装置，通过驱动箱圆周上的几个孔用递进式分配阀将油脂持续注入。油脂由拖车上的油脂桶泵送供应，同时也用于刀盘驱动的。

密封采用进口的唇形密封。

参考文献

[1]竺维彬，复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社，2008(5)

[2]张厚美.盾构隧道的理论研究与施工实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2010