王胤彪

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

目前國內(nèi)不同城市或同一城市不同線路地鐵隧道盾構(gòu)開挖沒有統(tǒng)一尺寸，市場上僅6m級的盾構(gòu)就有6 280，6 480，6 680，6 980m等多種類型，盾構(gòu)隧道因開挖直徑不同造成原有盾構(gòu)機(jī)不能在新中標(biāo)項目上使用，原有盾構(gòu)機(jī)閑置，造成巨大資源浪費(fèi)。采用租賃方式，一是租賃成本高，二是找到合適的盾構(gòu)機(jī)不易；采用新購，又需大量投入資金。對現(xiàn)有同系列盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造，既可節(jié)約資金，又可滿足新項目需求，不失為一種好的思路。本文通過對廈門地鐵2號線原有盾構(gòu)機(jī)(φ6 480)的適用性改造(改為一機(jī)多頭、多殼)，使其適用于成都地鐵30號線(φ6 280)，并從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行比較分析，為類似項目設(shè)備決策提供借鑒。

1 地鐵設(shè)計

1.1 成都地鐵30號線

成都地鐵30號線施工區(qū)間(棬子樹站—錦逸站—嬌子立交站—海桐街站)，盾構(gòu)機(jī)主要穿越地層為中風(fēng)化泥巖、砂卵石及復(fù)合地層。砂卵石最大粒徑>200mm，卵石強(qiáng)度>100MPa。區(qū)間隧道存在微瓦斯，瓦斯最大濃度值為4 596×10-6。襯砌環(huán)外徑6 000mm，內(nèi)徑5 400mm，管片幅寬1 500mm，管片厚度300mm。管片襯砌環(huán)分成6塊，其中封頂塊管片1塊(F)圓心角為15°，標(biāo)準(zhǔn)塊管片3塊(分別為B1，B2，B3)圓心角均為72°；鄰接塊管片左、右各1塊(分別為L1，L2)圓心角均為64.5°，縱向接頭為10處，按36°等角度布置。1.5m幅寬管片螺栓為M24型彎螺栓(見圖1)。

圖1 6m管片結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

1.2 廈門2號線地鐵

廈門市軌道交通2號線二期工程主要地層為殘積性黏性土及全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，管片外徑6 200mm，管片內(nèi)徑5 500mm，管片長1 200mm，如圖2所示。

圖2 6.4m管片結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

刀盤開挖直徑6 480mm，盾構(gòu)機(jī)前盾直徑6 450mm，中盾直徑6 450mm，盾尾直徑6 440mm，主機(jī)總長8 658m，盾構(gòu)機(jī)總長約85m；盾構(gòu)機(jī)最大推進(jìn)速度80mm/min，最大推力40 860kN，拼裝機(jī)使用管片規(guī)格(外徑/內(nèi)徑-寬度/分度)外徑6 200mm、內(nèi)徑5 500mm、寬1 200～1 500mm、螺栓安裝角度22.5°，最大設(shè)計壓力5bar(1bar=0.1MPa)，裝機(jī)功率1 799.45kW，水平轉(zhuǎn)彎半徑250m，縱向爬坡能力±5%。

2 盾構(gòu)機(jī)改造方案

盾構(gòu)通過再設(shè)計，保留核心部件，采用新制的刀盤和盾體，滿足成都地鐵30號線一期工程盾構(gòu)開挖直徑。同時，保留原有刀盤和盾體，盾構(gòu)機(jī)需恢復(fù)原開挖直徑時可進(jìn)行更換，滿足盾構(gòu)“一機(jī)多殼”，最大限度降低制造成本。

成都地鐵30號線一期工程地質(zhì)情況復(fù)雜，管片形式和直徑發(fā)生變化，為滿足盾構(gòu)使用要求，需滿足以下要求。

1)刀盤既能適應(yīng)中風(fēng)化泥巖，也能滿足砂卵石地層要求，同時具有良好的耐磨性，并具有一定的破巖能力。

2)管片形式發(fā)生改變，盾體和推進(jìn)油缸應(yīng)根據(jù)管片重新設(shè)計調(diào)整。

3)盾體采用“頸縮”設(shè)計，螺旋機(jī)與盾體發(fā)生干涉，需調(diào)整螺旋機(jī)伸出夾角；同時，為了應(yīng)對大粒徑砂卵石，增強(qiáng)螺旋機(jī)的設(shè)計，滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下螺旋出渣要求。

4)盾構(gòu)區(qū)間存在微瓦斯地層，需對通風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足盾構(gòu)施工需要。

2.1 刀盤新制技術(shù)

原刀盤開挖直徑6 480mm不再適用，需新制直徑6 280mm刀盤，采用4主梁+4面板+4扭腿復(fù)合刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，刀盤開口在整個盤面均勻分布，整體開口率為36%，結(jié)構(gòu)形式具有較強(qiáng)的剛度和強(qiáng)度，減少泥餅在扭腿區(qū)域的形成，同時可滿足大粒徑砂卵石通過。

刀盤中心配置17in(1in=2.54cm)中心雙聯(lián)滾刀，正面配置17in單刃滾刀，刀間距為100mm，可滿足60MPa硬巖碎裂要求。滾刀與可更換撕裂刀互換，刀具配備可更換撕裂刀、刮刀、邊刮刀、焊接撕裂刀、保徑刀。最外軌撕裂刀允許磨損高度為5mm。滾刀刀高為175mm，刮刀刀高為130mm，較高的刀高差可保證刮刀不易被卵石撞擊損壞，也能將滾刀剝落的卵石及時刮進(jìn)開口處，防止在刀盤前面堆積，造成刀具的二次磨損。刀盤配置1把仿形刀，最大超挖量為40mm(半徑)。

刀盤前面板敷設(shè)(6.4+6.4)mm復(fù)合鋼板，大圓環(huán)焊接合金耐磨塊，增強(qiáng)刀盤在砂卵石、風(fēng)化巖、砂礫層掘進(jìn)時的耐磨性，同時刀盤弧形區(qū)域焊接撕裂刀，保護(hù)弧形區(qū)域和大圓環(huán)結(jié)構(gòu)，滾動刀箱周邊焊接刀箱保護(hù)塊，保護(hù)滾刀刀轂。

刀盤面板布置了6路泡沫注入口和2路膨潤土注入口(與泡沫口共用)，中心區(qū)域及土倉面板上布置有高壓水沖刷，可在主控制室進(jìn)行控制，并對壓力流量進(jìn)行監(jiān)控。持續(xù)的高壓水沖刷可提高土倉中心渣土流動性，有效防止刀盤中心泥餅。每路噴口均可在刀盤背部維修更換(見圖3)。

圖3 刀盤設(shè)計示意

對刀盤整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度計算，校核刀盤結(jié)構(gòu)滿足盾構(gòu)卵石地層掘進(jìn)的強(qiáng)度要求。盾構(gòu)機(jī)推力取值10 500kN，扭矩取6 000kN·m；單元網(wǎng)格劃分141 218個六面體單元、254 717個結(jié)點(diǎn)；經(jīng)分析最大應(yīng)力為176MPa(許用285MPa)，刀盤大部分應(yīng)力在120MPa以下，最大變形量為3.7mm(見圖4)，刀盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

圖4 刀盤應(yīng)力及變形云圖結(jié)果

2.2 盾體系統(tǒng)新制技術(shù)

由于管片規(guī)格由外徑6 200mm、內(nèi)徑5 500mm、寬1 500mm、螺栓安裝角度22.5°變?yōu)橥鈴? 000mm、內(nèi)徑5 400mm、寬1 500mm、螺栓安裝角度36°，原盾體系統(tǒng)不能使用，故盾體系統(tǒng)需重新設(shè)計制作。

新制后，前盾直徑為6 250mm，中盾直徑為6 240mm，尾盾直徑為6 230mm，盾尾安裝間隙30mm。采用主動鉸接設(shè)計，滿足250m小曲線轉(zhuǎn)彎要求。所有盾體附件(包含盾體平臺、推進(jìn)缸附件、螺旋機(jī)前閘門、人員倉前倉門、防扭塊等)需重新制作，油脂系統(tǒng)設(shè)計為2×8道，注漿系統(tǒng)4用6備。

原推進(jìn)油缸重新分組，原設(shè)計16組(22根)單雙缸布置(6組雙缸+10組單缸)更換為20組(21根)單雙缸布置(1組雙缸+19組單缸)，減少其中1根外徑260mm、內(nèi)徑220mm、行程2 100mm油缸，此時推力為39 000kN，推力比為1 270kN/m2，滿足成都地區(qū)施工要求。

采用原鉸接系統(tǒng)，鉸接系統(tǒng)為12根規(guī)格為外徑320mm、內(nèi)徑220mm、行程190mm油缸,最大鉸接拖拉力33 760kN(350bar), 鉸接油缸拖拉力滿足使用要求。

尾盾上采用內(nèi)嵌式布置注漿管及油脂管路。每根注漿管設(shè)有觀察窗，便于清洗、維修。盾尾密封由3排焊接在殼體內(nèi)部的密封刷組成，防止注漿材料和地下水漏入盾體內(nèi)部。盾尾尾部有1排止?jié){板。耐磨鋼板制成的止?jié){板可防止砂漿流入盾體前部，也可防止盾體前部的泥漿對注漿效果產(chǎn)生影響。

盾體采用Q355B鋼板下料卷圓拼焊而成。組圓后焊接各隔板及筋板焊縫，外圓尺寸放量考慮焊接收縮。焊接過程中采用了多層多道焊接，雙數(shù)焊工對稱焊接，焊接時采用工裝夾持盾體，減少焊接過程中的變形，可很好地控制盾體圓度(見圖5)。

圖5 CTE6250盾體設(shè)計

2.3 螺旋輸送機(jī)改造技術(shù)

由于管片直徑減小，螺旋輸送機(jī)的角度也要相應(yīng)調(diào)整，螺旋輸送機(jī)的拉桿、銷軸、密封需重新制作，以及拉桿耳座重新設(shè)計定位焊接。為了應(yīng)對砂卵石和泥巖地層采取以下技術(shù)措施。

1)螺旋輸送機(jī)防斷裂措施 在螺旋輸送機(jī)驅(qū)動部采用關(guān)節(jié)軸承，大粒徑卵石(塊石)通過時，可根據(jù)卵石粒徑大小調(diào)整驅(qū)動部與筒體角度，增加螺旋軸撓度，避免軸頸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中；同時，在軸頸部采用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過鍛造增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(見圖6)。

圖6 螺旋輸送機(jī)防斷裂

2)螺旋輸送機(jī)耐磨措施 螺旋葉片前5個節(jié)距焊接耐磨合金塊，后11個節(jié)距堆焊5mm厚耐磨層。螺旋軸外表面堆焊耐磨層，間距25mm；前端葉片迎渣面堆焊耐磨網(wǎng)格，高5mm，寬15mm，間距55mm；筒節(jié)1和筒節(jié)2底部焊接(6+5)mm耐磨復(fù)合鋼板，耐磨復(fù)合鋼板與法蘭之前填充φ10×25耐磨合金條。

3)防噴涌措施 盾構(gòu)機(jī)出土口設(shè)置2個閘門，利用“迷宮密封”原理，交替開啟有效減緩噴涌；預(yù)留膨潤土和高分子聚合物注入接口，必要時可向土倉壁和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入膨潤土或高分子聚合物，以緩解螺旋輸送機(jī)的噴渣壓力。設(shè)置有保壓泵接口，必要時可連接泥漿泵或泥漿管緩解噴渣壓力(見圖7)。

圖7 螺旋輸送機(jī)防噴涌

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)改造技術(shù)

針對隧道瓦斯，設(shè)備采用以排為主、排防結(jié)合的方針。通風(fēng)方案：洞外一次風(fēng)機(jī)+硬風(fēng)管直徑增加800mm。隧道洞口處安裝1臺55kW×2軸流風(fēng)機(jī)，通過φ1 400風(fēng)管送風(fēng)至盾構(gòu)隧道工作面，與盾構(gòu)機(jī)自帶的通風(fēng)系統(tǒng)組成通風(fēng)系統(tǒng)。

一次風(fēng)機(jī)直接將外部新鮮空氣送入螺旋輸送機(jī)口。同時，隧道回風(fēng)速度≥0.25m/s，在瓦斯易聚集區(qū)增加局部防爆風(fēng)扇，在盾體內(nèi)預(yù)留2個防爆風(fēng)扇接口，并安裝1臺防爆風(fēng)機(jī)，設(shè)備橋及每節(jié)拖車各預(yù)留1個防爆風(fēng)扇接口，可通過檢測瓦斯聚集結(jié)果安裝、增加防爆風(fēng)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部配置多個固定式氣體檢測儀，并加強(qiáng)通風(fēng)稀釋氣體，保證瓦斯隧道施工。具體儀器配置如表1所示。

表1 氣體檢測儀安裝位置

用于微瓦斯盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)設(shè)計有“瓦電閉鎖”和“風(fēng)電閉鎖”功能。整機(jī)配備1套防爆甲烷檢測系統(tǒng)，盾構(gòu)上主要關(guān)鍵位置均設(shè)有甲烷傳感器，并將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控室，實現(xiàn)甲烷濃度實時在線監(jiān)測。當(dāng)甲烷濃度達(dá)到報警設(shè)定值0.3%時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，盾構(gòu)自動停機(jī)，螺旋輸送機(jī)閘門自動關(guān)閉；若瓦斯?jié)舛壤^續(xù)上升，>0.5%時，本地高壓柜用電關(guān)閉，實現(xiàn)瓦電閉鎖功能。

3 經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 改造費(fèi)用預(yù)估

本文所介紹的盾構(gòu)機(jī)改造需投入870萬元。費(fèi)用增加部分按10km攤銷，本項目3.068km，實際攤銷費(fèi)用為870/10×3.068=266.9萬元(見表2)。

表2 改造費(fèi)用 萬元

3.2 租賃費(fèi)用預(yù)估

本類型盾構(gòu)機(jī)目前市場租賃單價為7 000元/m, 本次掘進(jìn)里程為3 068.8m。租賃總費(fèi)用為：7 000× 3 068.8=2 148.2萬元。

3.3 新購費(fèi)用預(yù)估

盾構(gòu)機(jī)新購費(fèi)用約為4 000萬元/臺，按10km攤銷，本項目攤銷費(fèi)用為：4 000/10×3.068=1 200萬元。這還不包括整機(jī)的資金占用費(fèi)。

3.4 經(jīng)濟(jì)比選結(jié)論

由表3可知，采用改造的方式更經(jīng)濟(jì)合理。

表3 經(jīng)濟(jì)比選

4 結(jié)語

通過對盾構(gòu)機(jī)開挖直徑改造項目的技術(shù)研究和經(jīng)濟(jì)性分析對比，在不同區(qū)域和不同直徑的盾構(gòu)機(jī)可經(jīng)過再設(shè)計、再制造和改造實現(xiàn)“一機(jī)多用”，同時也大幅度降低了制造和施工成本，盤活了企業(yè)資產(chǎn)，為城市軌道交通建設(shè)在不同直徑標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)隧道施工方面提供了較好選擇。

最后對一機(jī)多直徑盾構(gòu)提出以下建議。

1)盾構(gòu)機(jī)在新購時可根據(jù)不同地質(zhì)條件進(jìn)行綜合考慮，臺車及后配套設(shè)施外形尺寸應(yīng)盡可能適應(yīng)小直徑隧道的凈空，主驅(qū)動及液壓設(shè)備功率應(yīng)盡可能滿足較大直徑盾構(gòu)的需求，可為后續(xù)實現(xiàn)“一機(jī)多用”提供充足的儲備系數(shù)。

2)新購盾構(gòu)機(jī)時，對未來盾構(gòu)施工可預(yù)期的情況下，制造多套不同直徑的刀盤和盾體，不但可擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)使用范圍，同時也可使企業(yè)在商務(wù)談判中獲得更大優(yōu)惠，提升了企業(yè)市場競爭力。