郭 洋 張永煥

中國(guó)建筑第八工程局軌道交通分公司

關(guān)于富水圓礫層隧道盾構(gòu)機(jī)選型的探討

郭 洋 張永煥

中國(guó)建筑第八工程局軌道交通分公司

富水圓礫層盾構(gòu)施工面臨噴涌、地表沉降、刀具磨損較大，本文就圓礫層盾構(gòu)施工的特點(diǎn)對(duì)從多個(gè)方面對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的適用性進(jìn)行論證，包括刀盤刀具布置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、針對(duì)性設(shè)計(jì)改造等。

隧道工程；富水圓礫層；盾構(gòu)機(jī)選型

1 工程概況

南寧軌道交通2號(hào)線福建園站～南寧劇場(chǎng)站區(qū)間，區(qū)間總長(zhǎng)度為1187.613m。區(qū)間線路由兩段直線和一段曲線構(gòu)成，曲線半徑為R550m，線間距為16m～16.9m。線路最大坡度為10.27‰，區(qū)間為單向坡。區(qū)間主要穿越富水圓礫層和部分砂層根據(jù)詳堪成果本場(chǎng)地地下水類型主要為松散巖類孔隙水。松散巖類孔隙水主要賦存于粉土③1和圓礫⑤1-1層，略具承壓性，富水性較強(qiáng)，屬?gòu)?qiáng)透水層。由于區(qū)間線路較短且端頭場(chǎng)地較小不滿足泥水盾構(gòu)的施工條件計(jì)劃采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，本文將依據(jù)以上地質(zhì)情況和施工條件，并參照國(guó)內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例，以及相關(guān)的盾構(gòu)技術(shù)規(guī)范，按照適用性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則對(duì)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)圓礫層的適用性進(jìn)行論證。

2 施工重難點(diǎn)及對(duì)設(shè)備的要求

2.1 區(qū)間地質(zhì)不利條件或重難點(diǎn)

（1）盾構(gòu)穿越圓礫層時(shí)，渣土改良和出渣量及地表沉降的控制；

（2）全斷面富水圓礫層掘進(jìn)扭矩偏高地層含水量大、易發(fā)生噴涌；

（3）圓礫和砂層掘進(jìn)對(duì)刀具和螺旋機(jī)的磨損較大；

（4）圓礫層摩擦阻力大，盾構(gòu)推力可能偏大；

（5）圍巖強(qiáng)度低，可能存在邊緣滾刀偏磨問(wèn)題；

（6）地層滲透性差，管片拼裝易上浮；

2.2 對(duì)設(shè)備的要求

圓礫層掘進(jìn)時(shí)渣土塑性不好，刀盤扭矩大，土倉(cāng)建壓不易，為了降低刀盤扭矩，有可能發(fā)生欠壓掘進(jìn)現(xiàn)象，易導(dǎo)致地表沉降。要求盾構(gòu)有足夠的推力和扭矩。

穿越全斷面富水圓礫層掘進(jìn)扭矩偏高、易發(fā)生噴涌，螺旋機(jī)保壓效果差，易發(fā)生噴涌，導(dǎo)致土倉(cāng)失壓，引起地表沉降。要求盾構(gòu)具有防噴涌措施。

在透水性強(qiáng)的砂層掘進(jìn)時(shí)，地下水可滲入土倉(cāng)影響渣土的和易性。要求配置較強(qiáng)的渣土改良系統(tǒng)。

圓礫對(duì)刀盤、刀具、螺旋機(jī)的磨損較大。要求刀盤、刀具、螺旋機(jī)具有較強(qiáng)的耐磨性。

3 盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造

3.1 刀盤結(jié)構(gòu)

采用準(zhǔn)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)為輻條+面板，開口率：34%。開口在整個(gè)盤面均勻分布，中心部位設(shè)有面積足夠的開口，可在南寧泥巖和圓礫層通用。

3.2 刀具布置

（1）滾刀：17寸中心雙聯(lián)滾刀4把（8刃）、18寸單刃滾刀31把，共39刃，滾刀高度187.7mm。中心雙聯(lián)滾刀間距90mm、正滾刀間距100mm，弧形區(qū)域刀間距依次遞減，可有效的保證刀盤開挖直徑，減少邊滾刀更換的次數(shù)。所有的單刃滾刀均為同一規(guī)格，邊滾刀磨損后可換為正滾刀使用。

（2）周邊刮刀8把，刀高130mm，硬質(zhì)合金采用YG13C材料。其不但可以清理外圍開挖的渣土，還可以有效防止刀盤大圓環(huán)的直接磨損。

（3）刮刀36把，刀高130mm，寬度200mm，大合金銀釬焊形式，硬質(zhì)合金采用YG13C材料，全斷面覆蓋，錯(cuò)刃布置以利于在砂質(zhì)粘性土和全、強(qiáng)風(fēng)化巖切削。

（4）滾刀可以實(shí)現(xiàn)與撕裂刀（羊角刀或貝殼刀）的互換，以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件。

3.3 主驅(qū)動(dòng)：

配置的主軸直徑3061mm，最大使用推力荷載1250t，試驗(yàn)推力荷載3125t，破壞推力荷載5000t，安全系數(shù)4。有效使用壽命≥10000小時(shí)，

9組液壓驅(qū)動(dòng)，額定扭矩6650kNm，脫困扭矩8100kNm，可以滿足在砂層等對(duì)扭矩要求較高的地層中掘進(jìn)；最高轉(zhuǎn)速3.35r/min，主軸承外密封4道，內(nèi)密封3道，密封最大承壓能力5bar。

3.4 前盾

前盾直徑Φ6250mm，長(zhǎng)度2083（含耐磨層）mm，盾殼厚度60 mm。

前盾切口位置焊有5mm耐磨層，增加耐磨性。為了改善渣土的流動(dòng)性，土壓倉(cāng)內(nèi)隔墻上設(shè)有兩個(gè)攪拌棒，攪拌棒強(qiáng)制攪拌渣土和添加材料，增加和易性。其中一個(gè)攪拌棒注泡沫，另一個(gè)注膨潤(rùn)土，攪拌棒表面用耐磨焊條網(wǎng)狀堆焊，增加耐磨性。

人艙內(nèi)部壓力隔板上部設(shè)有Φ600mm前艙門孔和一個(gè)前艙門。工作人員通過(guò)前艙門進(jìn)入土倉(cāng)檢查更換刀具及處理倉(cāng)內(nèi)問(wèn)題。

土倉(cāng)內(nèi)隔板上下左右配置了5個(gè)，錐板頂部配置1個(gè)具有高靈敏度的土壓力傳感器，能在主控室內(nèi)顯示壓力，并可根據(jù)土壓力，操作人員調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，能很好地控制土壓平衡，減少地面沉降。

3.5 中盾

中盾直徑為Φ6240mm，半徑方向比前盾小5mm，中盾長(zhǎng)度為2820mm，盾殼厚度為40mm，中盾和尾盾采用被動(dòng)鉸接連接。

3.6 鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉸接密封性能參數(shù)

中盾和盾尾之間設(shè)計(jì)有兩道密封，一道為橡膠密封，一道為緊急氣囊密封，如下圖所示。正常情況下，橡膠密封起作用。在涌水或橡膠密封損壞需要更換時(shí)，使用緊急氣囊密封。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)塊的螺栓可以調(diào)節(jié)橡膠密封的壓縮量，從而調(diào)節(jié)中盾與尾盾之間的密封間隙。

3.7 超前注漿孔及布置

在掌子面不穩(wěn)定及涌水地層，可能需要對(duì)地質(zhì)進(jìn)行加固，防止開挖面坍塌造成地表沉陷。根據(jù)超前注漿的影響區(qū)域，沿中盾盾殼圓周上半部180°范圍內(nèi)設(shè)計(jì)10根超前注漿管，可對(duì)地質(zhì)進(jìn)行超前鉆探、注漿加固。同時(shí)在盾體壓力隔板上布置6+1個(gè)超前注漿孔，可通過(guò)刀盤開口往隧道正前方鉆孔及加固。

3.8 管片拼裝機(jī)

管片拼裝機(jī)具有6個(gè)自由度，回轉(zhuǎn)速度0-1.8rpm。所有動(dòng)作可遙控，便于與拼裝機(jī)配合操作。軸向油缸行程2000mm，可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)更換兩排尾刷。

3.9 螺旋輸送機(jī)

（1）軸式螺旋輸送機(jī)內(nèi)徑800mm,最大通過(guò)粒徑290×560mm，設(shè)計(jì)有一道前閘門和兩道出渣閘門，螺旋機(jī)軸可伸縮，伸縮量900mm。

（2）采用下部出碴結(jié)構(gòu)，防止了螺旋機(jī)出口堆渣現(xiàn)象發(fā)生。

（3）螺旋輸送機(jī)額定扭矩210kNm,最高轉(zhuǎn)速25r/min。

（4）預(yù)留了膨潤(rùn)土和高分子聚合物注入接口和保壓泵接口，后閘門配置蓄能裝置，設(shè)備斷電時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉閘門。

4 盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)改造

4.1 防噴涌設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)叵滤容^豐富、土層透水系數(shù)較高，且螺旋機(jī)內(nèi)的碴土難以形成“土塞”時(shí)，發(fā)生螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象的可能性較大。防止噴涌的設(shè)計(jì)如下：

（1）盾構(gòu)機(jī)出土口設(shè)置2個(gè)閘門，通過(guò)控制兩個(gè)閘門的不同開度，使出渣的路徑形成S形，以降低噴涌壓力；

（2）預(yù)留了膨潤(rùn)土和高分子聚合物注入接口，必要時(shí)，可向土倉(cāng)壁和螺旋機(jī)內(nèi)注入膨潤(rùn)土或高分子聚合物，以緩解螺旋機(jī)的噴碴壓力。

（3）設(shè)置有保壓泵接口，必要時(shí)可聯(lián)接泥漿泵或泥漿管，緩解噴碴壓力。

4.2 小傾斜角度皮帶機(jī)改造

在富水地層掘進(jìn)發(fā)生噴涌時(shí)，大角度的皮帶機(jī)難以將稀碴上送，導(dǎo)致漏碴嚴(yán)重影響施工。提供的盾構(gòu)設(shè)計(jì)9.5°的小傾角皮帶機(jī)，根據(jù)相關(guān)工程案例，輸送稀碴的能力大大提高，基本能夠?qū)⑾〔晁统觯ＷC發(fā)生噴涌時(shí)掘進(jìn)施工的正常進(jìn)行。

4.3 掌子面輔助支撐系統(tǒng)（FAS）改造

設(shè)備可選配掌子面輔助支撐系統(tǒng)（FAS），在土壓平衡盾構(gòu)中引入泥水平衡盾構(gòu)的平衡原理，利用泥膜形成隔離層，防止出現(xiàn)坍塌。

掌子面輔助支撐系統(tǒng)（FAS）有以下兩個(gè)主要的功能：

利用泥膜形成的隔離層，在上軟下硬地層或復(fù)雜地層掘進(jìn)，可以有效防止出現(xiàn)坍塌。

（1）如果上軟層是粘土類的不滲透地層，則土壓盾構(gòu)碴土改良的泡沫產(chǎn)生的氣泡會(huì)聚集在土倉(cāng)頂部，由于地層不滲透，氣壓可以作為介質(zhì)壓力對(duì)拱頂形成支撐作用。此時(shí)膨潤(rùn)土保壓系統(tǒng)可以不用。

（2）如果上軟層為砂土類滲透性的地層，氣泡會(huì)從地層中溢出，隨之保壓系統(tǒng)的泥漿會(huì)向地層滲透形成泥膜，土倉(cāng)頂部的介質(zhì)，不管是氣體、或水、或泥漿、或碴土都會(huì)對(duì)拱頂形成支撐作用。

（3）當(dāng)?shù)毒咔邢髂嗄ず?，?huì)不斷重復(fù)氣體溢出，泥漿補(bǔ)充再形成泥膜的過(guò)程，持續(xù)的保持土倉(cāng)頂部的有效壓力支撐。

掌子面輔助支撐系統(tǒng)（FAS）的另外一個(gè)功能是，膨潤(rùn)土氣罐的空氣壓力可以作為判斷土倉(cāng)頂部壓力的一個(gè)輔助參考值。

土倉(cāng)隔板上的土壓傳感器有時(shí)會(huì)被糊住，或者被石塊頂住，顯示的土倉(cāng)壓力可能會(huì)失真。而膨潤(rùn)土氣罐的空氣壓力顯示不受土倉(cāng)碴土狀態(tài)的影響，能夠較為真實(shí)的反映土倉(cāng)頂部壓力，有助于操作者判斷土倉(cāng)壓力的真實(shí)狀態(tài)，對(duì)防止地表沉降有利。

4.4 膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)改造

針對(duì)南寧圓礫層細(xì)顆粒不足問(wèn)題，掘進(jìn)時(shí)需要添加膨化后的膨潤(rùn)土，盾構(gòu)配備性能良好能力足夠的膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)。針對(duì)可能存在的卡盾問(wèn)題，配置盾殼外膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)。盾殼外膨潤(rùn)土潤(rùn)滑注入系統(tǒng)可有效降低盾殼摩擦阻力。系統(tǒng)操作在主控室進(jìn)行，具有自動(dòng)運(yùn)行功能。

針對(duì)復(fù)合地層中帶壓換刀存在的建立氣壓困難問(wèn)題，可以向盾殼外側(cè)注入膨潤(rùn)土，有利于建立土倉(cāng)氣壓力，進(jìn)行土倉(cāng)換刀作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)適用于大多數(shù)強(qiáng)透水層但相比于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工成本高，對(duì)場(chǎng)地要求高，根據(jù)以上分析研究，傳統(tǒng)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在針對(duì)性的設(shè)計(jì)改造后能夠滿足富水圓礫層的施工要求，經(jīng)過(guò)南寧地鐵2號(hào)線福建園站～南寧劇場(chǎng)站區(qū)間施工的驗(yàn)證后，證明該盾構(gòu)機(jī)選型是合理的。