合肥地鐵盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)探討

馮歡歡，陳 饋，王助鋒，張合沛

（中鐵隧道集團(tuán) 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

合肥市城市地鐵1號線北起合肥站，南至徽州大道站，線路全長約25km。太望標(biāo)段共包括3個(gè)區(qū)間：太湖路站－水陽江路站區(qū)間長度約478m，隧道覆土厚度6.6～9.4m。水陽江路站－葛大店站區(qū)間長度約1 008m，隧道覆土厚度10.3～17.8m，最大坡度26‰。葛大店站－望湖城站區(qū)間長度約1 430m，本區(qū)間平面共設(shè)3個(gè)曲線半徑，分別為350m、450m、350m，最大坡度為25.4‰。盾構(gòu)主要穿越粘土②層、粘土③層局部穿越粉質(zhì)粘土②1層等粘性土體，在粘性土中掘進(jìn)可能會(huì)在刀盤上產(chǎn)生“泥餅”及“糊刀”現(xiàn)象，影響掘進(jìn)效率[1]。

2 刀盤選型

2.1 輻條式刀盤

1）刀盤結(jié)構(gòu) 盾構(gòu)刀盤為4主+4副的輻條式結(jié)構(gòu)（圖1），刀梁及牛腿采用圓形鋼管，攪拌扭矩小，利于碴土流動(dòng)。本刀盤能較好地適應(yīng)本標(biāo)段粘土地層中掘進(jìn)，除此之外還廣泛適用于淤泥、粉土、粘土、砂層、礫石、卵石層及強(qiáng)度不高的全強(qiáng)風(fēng)化巖地層。

圖1 輻條式刀盤結(jié)構(gòu)

2）開口率 刀盤整體開口率約60%，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，利于土壓傳遞及保持土壓平衡，且開有3個(gè)泡沫口，2個(gè)膨潤土口，單管單泵，保證各口的通暢，避免在砂質(zhì)粘性土和全風(fēng)化巖中掘進(jìn)產(chǎn)生泥餅。

3）刀盤配置 針對本標(biāo)段地質(zhì)情況，刀盤上配備魚尾刀1把，焊接撕裂刀36把，切刀82把，刮刀8把，保徑刀12把，大圓環(huán)保護(hù)刀24把，超挖刀1把。同時(shí)，為提高刀盤整體耐磨性，在刀盤上堆焊耐磨層，并配置24把貝殼保護(hù)刀。

2.2 復(fù)合式刀盤

1）刀盤結(jié)構(gòu) 刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)（圖2），刀盤整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，配置不同的刀具及合適的碴土改良方式，可以適應(yīng)各種不同的地層。

圖2 復(fù)合式刀盤結(jié)構(gòu)

2）開口率 整體開口率約36%，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，避免在粘性土層產(chǎn)生泥餅，同時(shí)配有與輻條式刀盤相似的碴土改良接口。

3）刀盤配置 初裝刀采用可更換撕裂刀，刀具包括：4把中心雙聯(lián)撕裂刀，單刃撕裂刀31把，刮刀32把，邊刮刀8把，焊接撕裂刀29把，保徑刀8把以及超挖刀1把。

復(fù)合式刀盤的結(jié)構(gòu)形式不利于碴土的流動(dòng)，其開口率也遠(yuǎn)小于輻條式刀盤。在本標(biāo)段粘性土層中掘進(jìn)時(shí)，為防止結(jié)泥餅，需要進(jìn)行充分的碴土改良才能達(dá)到碴土流暢的效果，這樣就會(huì)導(dǎo)致在施工過程中消耗的碴土改良劑大大增加，最終導(dǎo)致施工成本增加。比較兩種刀盤設(shè)計(jì)方案，輻條式刀盤更適合于本標(biāo)段的地質(zhì)情況。如不考慮管片因素，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度低于120MPa，此類型輻條式刀盤可適用于國內(nèi)大部分城市，為提高盾構(gòu)適應(yīng)性，應(yīng)預(yù)留更換復(fù)合刀盤的能力和接口。

3 主驅(qū)動(dòng)選型

3.1 驅(qū)動(dòng)形式比選

電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)形式在盾構(gòu)設(shè)備中都有廣泛的應(yīng)用，兩者各有所長，現(xiàn)比較如下 [3～4]。

1）液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)主要在一些非均質(zhì)地層中得到廣泛運(yùn)用，由于地層變化較大導(dǎo)致刀盤受到不均勻載荷的沖擊，由于液壓驅(qū)動(dòng)是一個(gè)柔性系統(tǒng)，具備一定的自我調(diào)節(jié)功能，對非均載荷適應(yīng)性強(qiáng)。但是，液壓驅(qū)動(dòng)效率較低（約70%），而且在使用過程中能耗較高，后期維保相對比較復(fù)雜，費(fèi)用較高。

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 相比之下，電機(jī)的效率相對較高（約90%），而且在使用過程中能耗也相對較低，后期維保相對比較簡單。電驅(qū)也有自身的不足，就是電機(jī)與減速機(jī)屬于剛性傳動(dòng)，當(dāng)遇到不均勻載荷沖擊時(shí)自我調(diào)節(jié)能力相對較差。為了克服這個(gè)缺陷，在每組電機(jī)與減速機(jī)之間設(shè)計(jì)有扭矩限制器。當(dāng)扭矩過載時(shí)，扭矩限制器會(huì)自動(dòng)脫扣（可人工手動(dòng)恢復(fù)），將電機(jī)與減速機(jī)的傳動(dòng)鏈斷開，從而有效保護(hù)電機(jī)。

針對本標(biāo)段地層，全斷面幾乎均為粘土層，地層突變因素很小，從效率以及施工成本來看，電驅(qū)更適合本項(xiàng)目的施工要求。

3.2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)選擇

主驅(qū)動(dòng)采用6組變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率660kW，額定扭矩5 500kNm，脫困扭矩6 900kNm，最高轉(zhuǎn)3r/min，扭矩系數(shù)20.3，儲(chǔ)備系數(shù)大。配置的主軸承直徑為3 061mm，最大使用推力荷載1 250t，試驗(yàn)推力荷載3 125t，破壞推力荷載5 000t，安全系數(shù)4，有效使用壽命≥10 000h。

主驅(qū)動(dòng)采用中間支承方式，可有效防止中心泥餅產(chǎn)生。利用刀盤主動(dòng)攪拌棒（圖3）和承壓隔板上被動(dòng)攪拌棒相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行攪拌，而且在驅(qū)動(dòng)中心部分增加攪拌棒可增強(qiáng)中心部位碴土的流動(dòng)性，有效減少中心泥餅的產(chǎn)生。

圖3 攪拌棒結(jié)構(gòu)形式

4 液壓系統(tǒng)

1）推進(jìn)及鉸接液壓系統(tǒng) 推進(jìn)系統(tǒng)包括32根推進(jìn)油缸、控制閥塊和推進(jìn)液壓泵站。推進(jìn)油缸按照在圓周上的區(qū)域分為4組，通過調(diào)整每組油缸的不同推進(jìn)壓力來對盾構(gòu)進(jìn)行糾偏和調(diào)向。鉸接液壓系統(tǒng)油缸選型時(shí)需考慮盾構(gòu)轉(zhuǎn)向角度與方向控制的要求，推進(jìn)速度的控制則靠推進(jìn)閥組來實(shí)現(xiàn)，推進(jìn)方向及推進(jìn)速度可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。推進(jìn)系統(tǒng)采用壓力流量復(fù)合控制技術(shù)和分區(qū)聯(lián)合控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對各組液壓缸壓力和流量的單獨(dú)控制，油缸推力和速度分別由比例溢流閥和比例調(diào)速閥來調(diào)節(jié)，可達(dá)到很好的同步控制效果，同步精度滿足盾構(gòu)工作需要。液壓站（圖4）采用力士樂遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)恒壓變量泵，位于2號拖車上，控制閥采用電液換向閥進(jìn)行方向的切換，每組控制閥組配有電比例流量、壓力閥，可以實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)方向的精確調(diào)整。

圖4 液壓站

2）螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng) 螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)采用1個(gè)變量泵與1個(gè)兩檔排量的馬達(dá)組成閉式系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。通過實(shí)時(shí)調(diào)整馬達(dá)排量可以實(shí)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)高速檔與低速檔的切換，進(jìn)而適應(yīng)不同地質(zhì)需要；通過改變電比例控制泵出口流量，可以實(shí)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)的無級變速，以適應(yīng)不同推進(jìn)速度要求。另外，螺旋輸送機(jī)后艙門具有緊急狀況自動(dòng)關(guān)閉功能。

3）管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng) 拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)油源采用力士樂的壓力流量復(fù)合控制泵，控制閥采用2組德國哈威的電比例多路換向閥，可以進(jìn)行流量精確控制，從而保證安裝機(jī)安裝管片的精度。安裝機(jī)的油缸、馬達(dá)進(jìn)油口都配有平衡閥，這樣可保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及動(dòng)作的精確性。安裝機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，最大可達(dá)到2r/min。安裝機(jī)抓舉頭可以停在圓周方向任一位置。

5 其他裝置

5.1 螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)為軸式螺旋機(jī)，采用中心尾部驅(qū)動(dòng)，筒節(jié)內(nèi)徑800mm，最大通過粒徑為?290×560mm，具有伸縮功能，配置2道出料閘門，多個(gè)觀察窗口，9個(gè)碴土改良注口，采用1個(gè)雙速馬達(dá)及減速機(jī)傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)功率為200kW，最大扭矩135kNm，最高轉(zhuǎn)速25r/min。

5.2 管片拼裝機(jī)

管片拼裝機(jī)為中心回轉(zhuǎn)式，驅(qū)動(dòng)功率55kW，具有6個(gè)自由度，回轉(zhuǎn)角度為±200°，回轉(zhuǎn)速度為0～2rpm，并可實(shí)現(xiàn)微調(diào)，所有動(dòng)作可遙控。推進(jìn)油缸在拼裝時(shí)切換到現(xiàn)場控制盤，便于與拼裝機(jī)配合操作。拼裝機(jī)水平運(yùn)動(dòng)油缸行程2 000mm，舉升油缸行程為1 200mm。管片拼裝機(jī)上預(yù)留超前鉆機(jī)的位置及安裝孔。

5.3 皮帶輸送機(jī)

采用DTⅡ型固定式皮帶輸送機(jī)，皮帶輸送機(jī)由傾斜段（包括接料段和上坡段），中間水平段（分布在1～4號拖車上），卸料段構(gòu)成（安裝在5號拖車上），輸送總長初步設(shè)計(jì)為55m（設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)時(shí)確定具體長度），輸送高度為2.5m。皮帶機(jī)具有曲線調(diào)整功能，只需調(diào)整相應(yīng)皮帶支架的擺動(dòng)角和驅(qū)動(dòng)裝置的擺動(dòng)角即可適應(yīng)不同曲線施工。皮帶機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)，當(dāng)碴土堆積或有大卵石輸送時(shí)，可降低轉(zhuǎn)速防止皮帶打滑。

5.4 管片吊機(jī)

管片吊機(jī)包括管片吊機(jī)軌道梁、吊機(jī)行走小車、吊機(jī)起吊小車、管片起吊吊具等，其采用雙梁雙吊機(jī)方式布置，其軌道梁采用標(biāo)準(zhǔn)H型鋼制作，布置在設(shè)備橋和1號拖車上。軌道梁前部與設(shè)備橋采用螺栓固定連接，后部使用卡板與拖車浮放連接，中部為不完全萬向鉸接，以適應(yīng)盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎要求。

6 小 結(jié)

通過工程實(shí)踐證明，所選盾構(gòu)主要系統(tǒng)及部件較好地滿足了以粘土地層條件為主的地鐵項(xiàng)目施工需求，能夠?yàn)轭愃贫軜?gòu)工程提供一定的參考。

[1] 嚴(yán) 輝．盾構(gòu)隧道施工中刀盤泥餅的形成機(jī)理和防治措施[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007，（4)：24-27．

[2] 陳 饋，洪開榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)[M]．北京:人民交通出版社，2009．

[3] 馮歡歡，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒．盾構(gòu)液壓技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．建筑機(jī)械化，2012，（5)：77-79．

[4] 彭天好，楊華勇，付 新．盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能研究[J]．礦山機(jī)械，2000，（12)：21-22．