李艷斌

（中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

廣深地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，素有“中國(guó)地質(zhì)博物館”之稱(chēng)。廣州地鐵12號(hào)線廣園新村站-恒福路站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)廣恒區(qū)間）地質(zhì)具有廣深地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，區(qū)間三次穿越斷裂帶，存在灰?guī)r、全斷面硬巖和黏土等地層。盾構(gòu)需對(duì)長(zhǎng)距離全斷面硬巖，巖溶地層掘進(jìn)，刀盤(pán)防結(jié)泥餅，建構(gòu)筑物沉降控制等重難點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。盾構(gòu)施工前期項(xiàng)目針對(duì)區(qū)間地質(zhì)及周邊環(huán)境，同時(shí)結(jié)合以往盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中，進(jìn)行技術(shù)改造，提升了盾構(gòu)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性及舒適性。

1 工程概況

廣恒區(qū)間北起廣園新村站，線路出廣園新村站后，沿著中醫(yī)藥大學(xué)校區(qū)向南行進(jìn)，下穿飛鵝西路往東南方向經(jīng)桂花崗小學(xué)，轉(zhuǎn)入廣州市雕塑公園，出公園后在下塘西路東側(cè)山坡腳設(shè)置一中間風(fēng)井，最后下穿廣州麓湖高爾夫鄉(xiāng)村俱樂(lè)部高爾夫練習(xí)場(chǎng)，在麓湖公園內(nèi)到達(dá)恒福路站。區(qū)間左線長(zhǎng)約2 147.888 m，右線長(zhǎng)約2 166.100 m。

2 設(shè)備基本情況

廣恒區(qū)間使用兩臺(tái)中鐵裝備制造的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要尺寸、技術(shù)性能參數(shù)

3 盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化項(xiàng)目及優(yōu)化措施

3.1 預(yù)留TBM接口優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：區(qū)間長(zhǎng)距離穿越硬巖段（約1 km），巖石最大抗壓強(qiáng)度167 MPa，平均72 MPa。常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)在硬巖地層掘進(jìn)效率低，設(shè)備易磨損，刀具易損壞，工期難保障。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)預(yù)留TBM接口，能夠?qū)崿F(xiàn)EPB/TBM雙模功能，硬巖段采用螺機(jī)中心出渣方式，提升掘進(jìn)效率，如圖1所示。

圖1 TBM模式中心螺旋機(jī)出渣

3.2 刀盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，有灰?guī)r、花崗巖和紅層，長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)，為提升工序，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)需加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)采用雙模刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，刀盤(pán)采用6主梁+6副梁結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)三道圈梁，以增強(qiáng)其強(qiáng)度和剛度。為提升刀盤(pán)破巖能力，盾構(gòu)設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)5.4 rpm。刀盤(pán)采用小刀間距設(shè)計(jì)，滾刀刀刃達(dá)48個(gè)，正面刀間距75 mm，中心刀間距90 mm。

3.3 刀盤(pán)改良噴口優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：盾構(gòu)刀盤(pán)一般設(shè)置6個(gè)泡沫噴口，容易結(jié)泥餅，需優(yōu)化噴口設(shè)置。（2）優(yōu)化措施：為做好渣土改良，刀盤(pán)面板布置8路噴口，其中心區(qū)域布置4路，每路噴口均可在刀盤(pán)背部維修更換。

3.4 滾刀載荷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：區(qū)間溶洞發(fā)育存在軟硬不均地層，如何能夠更便捷發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化，給盾構(gòu)司機(jī)提供更多提示尤為重要。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)刀盤(pán)搭載滾刀載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置4路在線狀態(tài)檢測(cè)點(diǎn)，包括滾刀磨損、受力、溫度、轉(zhuǎn)速檢測(cè)。其有助于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌子面接觸情況，判斷掌子面地層，如圖2所示。

圖2 滾刀載荷監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3.5 單杠防扭轉(zhuǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中推進(jìn)油缸單杠存在扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，單杠撐靴會(huì)與盾尾內(nèi)壁干涉摩擦。（2）優(yōu)化措施：設(shè)計(jì)一種輪式單缸防扭轉(zhuǎn)裝置，能夠防止油缸扭轉(zhuǎn)，減少對(duì)尾盾磨損。

3.6 同步雙液注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：硬巖段管片容易上浮及漿液前躥問(wèn)題。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)配置3臺(tái)注漿泵，注漿管路設(shè)置為6用4備，其頂部布置2路注漿管。通過(guò)配置同步單/雙液注漿系統(tǒng)能加快漿液凝結(jié)，可有效控制地表沉降。

3.7 盾體防扭轉(zhuǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：全斷面巖層掘進(jìn)轉(zhuǎn)速高，會(huì)加大主機(jī)震動(dòng)和滾轉(zhuǎn)趨勢(shì)，盾體容易扭轉(zhuǎn)。（2）優(yōu)化措施：前盾上半部對(duì)稱(chēng)布置2組穩(wěn)定器，可有效降低盾體滾動(dòng)機(jī)率。

3.8 刀盤(pán)后退撐靴優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：硬巖段掘進(jìn)刀具容易損壞，換刀頻繁。（2）優(yōu)化措施：為了提高換刀效率，刀盤(pán)采用后退撐靴設(shè)計(jì)，通過(guò)鉸接油缸拉力使刀盤(pán)后退從而獲得新刀更換的空間，如圖3所示。

圖3 刀盤(pán)后退撐靴設(shè)計(jì)

3.9 超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：區(qū)間灰?guī)r地層，巖溶發(fā)育，盾構(gòu)具備超前加固功能，意義重大。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)配置超前鉆機(jī)，利用管片拼裝機(jī)液壓泵站提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鉆注一體化注漿工藝。

3.10 便捷式管片吊運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：管片吊運(yùn)是盾構(gòu)施工中一項(xiàng)重要工作，為了提升工作效率及工作安全質(zhì)量，管片吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。（2）優(yōu)化措施：為管片吊運(yùn)系統(tǒng)達(dá)到最佳效果，盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)成一站式管片吊運(yùn)系統(tǒng)與雙軌梁+喂片機(jī)共存的形式。采用這種復(fù)合形式，具有雙重優(yōu)勢(shì)。

3.11 設(shè)備橋皮帶接泥板優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備橋下方存放管片，皮帶機(jī)掉下來(lái)的泥會(huì)污染管片。（2）優(yōu)化措施：在設(shè)備橋皮帶機(jī)下方安裝接泥板，防止泥漿掉落，污染管片。

3.12 渣土稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：盾構(gòu)施工中，出土量控制尤為重要，超方容易造成地面塌陷，為了做好出渣量控制，在傳統(tǒng)的渣斗算方量及龍門(mén)吊稱(chēng)重的方式下，盾構(gòu)機(jī)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)出渣量進(jìn)行驗(yàn)證是有必要的。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)采用皮帶機(jī)渣土稱(chēng)重與體積掃描2種方法，相互驗(yàn)證，對(duì)出渣量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而控制超欠挖。

3.13 高速剪切泵設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：斷裂帶主要為碎裂巖，裂隙發(fā)育，采用氣壓輔助模式推進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)存在漏氣失壓現(xiàn)象，存在施工風(fēng)險(xiǎn)。（2）優(yōu)化措施：盾構(gòu)機(jī)配置高功率剪切泵，快速拌制高密度膨潤(rùn)土，能夠?qū)崿F(xiàn)氣壓平衡掘進(jìn)，同時(shí)也對(duì)土倉(cāng)渣土進(jìn)行改良和阻擋裂隙水起作用，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.14 土倉(cāng)可視化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)內(nèi)是無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控的，需要盾構(gòu)司機(jī)判斷地層及渣土改良情況。（2）優(yōu)化措施：為提高設(shè)備信息化水平，便于觀察土倉(cāng)狀況，盾構(gòu)采用土倉(cāng)可視化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 土倉(cāng)可視化效果

3.15 隧道制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化項(xiàng)目：傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)里面作業(yè)環(huán)境是相當(dāng)艱苦的，雖然有通風(fēng)機(jī)，但隧道里面很悶熱，工人容易中暑。（2）優(yōu)化措施：針對(duì)隧道內(nèi)高溫環(huán)境，為改善隧道工作環(huán)境，降低環(huán)境溫度，盾構(gòu)機(jī)配置通風(fēng)制冷系統(tǒng)。同時(shí)，可利用降低溫度后的新鮮風(fēng)引入土倉(cāng)內(nèi)，提高作業(yè)人員常壓進(jìn)倉(cāng)的舒適性，可改善溫度8℃以上。

4 設(shè)計(jì)效果及推廣前景

通過(guò)前期對(duì)盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中的改造，明顯提升了整機(jī)性能，提高掘進(jìn)工效，降低故障率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本，改善作業(yè)環(huán)境，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（1）預(yù)留TBM接口優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)EPB/TBM雙模轉(zhuǎn)化，硬巖段掘進(jìn)效率大大提升，縮短工期，同時(shí)能夠減少刀具消耗，在設(shè)備成本與常規(guī)盾構(gòu)機(jī)相差不大的情況下實(shí)現(xiàn)雙模功能，性?xún)r(jià)比極高。（2）刀盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，刀盤(pán)整體強(qiáng)度、剛度與耐磨性增強(qiáng)，更好地適應(yīng)硬巖地層。（3）刀盤(pán)改良噴口優(yōu)化設(shè)計(jì)，渣土改良增強(qiáng)，能預(yù)防結(jié)泥餅?zāi)芰?。?）采用滾刀載荷監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠盡早發(fā)現(xiàn)地層變化，判斷掌子面地層，減少刀具損壞，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。（5）采用單杠防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，能有效解決單杠扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，避免撐靴與盾尾干涉，減少盾尾和撐靴維修時(shí)間。（6）采用同步雙液注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)同步單、雙液漿注漿自動(dòng)切換，同時(shí)二次注漿及時(shí)跟上，有利于穩(wěn)固管片及減少滲漏水點(diǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。（7）采用盾體防扭轉(zhuǎn)及刀盤(pán)后退撐靴設(shè)計(jì)，能夠降低盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能夠提升換刀效率，節(jié)約換刀時(shí)間與成本。（8）采用超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)，能夠?qū)Σ涣嫉刭|(zhì)洞內(nèi)進(jìn)行處理，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。（9）采用便捷式管片吊運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠提升管片吊運(yùn)效率，降低設(shè)備故障影響管片吊運(yùn)時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。（10）采用皮帶接泥板設(shè)計(jì)，能夠改善作業(yè)環(huán)境，減少泥渣對(duì)管片污染，減少用水量及減少勞動(dòng)力。（11）采用渣土稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)υ亮繉?shí)時(shí)監(jiān)控，降低超欠挖安全風(fēng)險(xiǎn)。（12）采用高速剪切泵設(shè)計(jì)，能夠快速拌制膨潤(rùn)土，及時(shí)封堵掌子面水，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。（13）采用土倉(cāng)可視化設(shè)計(jì)，可從盾體直接觀察土倉(cāng)情況，可以減少人員進(jìn)倉(cāng)次數(shù)，降低人員進(jìn)倉(cāng)風(fēng)險(xiǎn)。（14）采用隧道制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠降低隧道溫度，改善作業(yè)環(huán)境，更加人性化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

盾構(gòu)法施工在城市地鐵隧道建設(shè)中已常規(guī)化，但廣州地鐵12號(hào)線使用的預(yù)留TBM接口土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬首例。針對(duì)區(qū)間重難點(diǎn)，以常規(guī)盾構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)在前期對(duì)盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中技術(shù)改造，從盾構(gòu)預(yù)留TBM接口，刀盤(pán)、渣土改良系統(tǒng)，防沉降，隧道制冷等方面優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)，以最優(yōu)的設(shè)備性能適應(yīng)區(qū)間施工，對(duì)提高盾構(gòu)施工工效，提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，降低設(shè)備故障率，降低安全及工期風(fēng)險(xiǎn)，改善作業(yè)環(huán)境意義重大。