土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在硬巖中掘進(jìn)的適應(yīng)性分析

郝保安　王栓　鄭曉飛　羅興元

[摘要]廣州市軌道交通七號線8標(biāo)南村站～中間風(fēng)機(jī)房盾構(gòu)區(qū)間以硬巖為主，通過對盾構(gòu)機(jī)的配置及相關(guān)參數(shù)的分析，結(jié)合盾構(gòu)在硬巖段的掘進(jìn)施工情況，探討土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在硬巖中掘進(jìn)的適應(yīng)性。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)機(jī)；硬巖；掘進(jìn)；適應(yīng)性

一.工程概況

廣州市軌道交通七號線8標(biāo)南村站～中間風(fēng)機(jī)房（不含）盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間線路最小曲線半徑R=350米，線路縱斷面為下坡，最大坡度.26%。，線路埋深12 04m～36.73m隧道頂覆土7.86m～32.55m。線路主要穿過<7>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<6Z>混合花崗巖全風(fēng)化帶、<7Z>混合花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶、<8Z>混合花崗巖中風(fēng)化帶、混合花崗巖微風(fēng)化帶等。

<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖：灰黃色、褐黃，細(xì)?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)，條帶狀構(gòu)造。裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀局部短柱狀，巖質(zhì)較硬。天然單軸極限抗壓強(qiáng)度值為11.43～58.30Mpa，平均值為26.76Mpa。<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖：淺灰、灰白色、青灰色，花崗變晶結(jié)構(gòu)，條紋、條帶構(gòu)造。局部裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀，局部機(jī)械破碎呈碎塊狀，RQD為50-90%，巖質(zhì)堅硬。天然單軸極限抗壓強(qiáng)度值為26.4-107.3Mpa，平均值為73.0Mpa。

盾構(gòu)區(qū)間左線長1678.269m，硬巖地層962.57m，占左線線路的57.35%；盾構(gòu)區(qū)間右線長1703.560m，硬巖地層776.806m，占右線線路的45.6%。

地下水水位普遍較淺，局部埋藏較深，穩(wěn)定水位埋深為1.0～3.6m，地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切。每年5-10月為雨季，大氣降水充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降雨減少，地下水位隨之下降，年變化幅度為2.5-3.0m。

二.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)情況

本標(biāo)段選用的S475、S476兩臺盾構(gòu)機(jī)先后于2008年8月、10月從廣州海瑞克隧道機(jī)械有限公司出廠。兩臺盾構(gòu)機(jī)均為液壓驅(qū)動式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，具有高轉(zhuǎn)速、大推力和大扭矩的特點，可以用于復(fù)合地層隧道掘進(jìn)施工。盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，便于在曲線上掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)配備有適用該標(biāo)段地層掘進(jìn)的刀具、渣土改良系統(tǒng)、完善的人倉和保壓系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)和二次注漿系統(tǒng)，且人倉位于中隔板的上部，以方便刀具更換。

2.1盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)成

盾構(gòu)機(jī)由主機(jī)及后配套輔助系統(tǒng)構(gòu)成。主機(jī)包括刀盤、刀盤驅(qū)動、盾體、推進(jìn)系統(tǒng)、操作室、人閘、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)等。后配套系統(tǒng)包括出渣系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)、管片運(yùn)輸系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等。

2.2盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計為輻條面板式，開口率為28%（全盤滾刀安裝時），開挖直徑為6280mm。配置64把齒刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，8把邊刮刀，1把超挖刀。

其中單刃滾刀和雙刃滾刀可以更換為羊角刀，刀盤有液壓馬達(dá)來驅(qū)動最大轉(zhuǎn)速可達(dá)4.5mm，額定扭矩為4500KNm.脫困扭矩為5300KNm。

盾構(gòu)機(jī)的管片設(shè)計為外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片長度1500mm。

渣土運(yùn)輸系統(tǒng)為螺旋輸送機(jī)加皮帶輸送。螺旋輸送機(jī)最大扭矩224KNm.理論出土量385m/h³，通過卵石尺寸直徑290mm。

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)有10組雙油缸和10組單油缸組成，總推力可達(dá)34210KN，行程為2000mm。

管片拼裝系統(tǒng)為液壓驅(qū)動式拼裝機(jī)，有6個自由度，可以正負(fù)200度旋轉(zhuǎn)。

人閘系統(tǒng)有兩個主副人倉保壓系統(tǒng)組成，工作壓力可達(dá)3bar。有良好的保壓性能，可以進(jìn)行帶壓作業(yè)。

盾尾密封裝置為三道鋼絲刷組成的兩腔式油脂密封。

盾尾和中盾的鉸接密封為橡膠唇形密封，可通過調(diào)節(jié)壓緊塊來調(diào)整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時緊急充氣防止鉸接滲漏。

同步注漿系統(tǒng)有兩臺KSPl2泵（每臺泵注漿能力為10m3/h）實現(xiàn)同步注漿，在盾尾有4個+4個備用注漿口。

盾構(gòu)機(jī)配有一套二次注漿系統(tǒng)，可實現(xiàn)雙液漿或單液漿的注入。

渣土改良系統(tǒng)有泡沫系統(tǒng)和泥漿（膨潤土）注入系統(tǒng)組成，兩個系統(tǒng)相互獨立。泡沫注入口刀盤4個，壓力倉壁4個，螺旋輸送機(jī)6個，最大泡沫注入量10m³/h。膨潤土刀盤有4個注入點，泵流量10m³/h。

裝機(jī)總功率約為1630KW，總長度約為80m。

三.盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性分析

3.1刀盤及刀具的適應(yīng)性分析

本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)多次通過<8Z>混合花崗巖中風(fēng)化帶、

刀具采用背裝式換刀，更換刀具較快，且易于操作。

3.2推進(jìn)系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)有20組推進(jìn)油缸，有10組雙油缸和10組單油缸組成。在推進(jìn)過程中，推力8000～15000KN，就能滿足盾構(gòu)茌硬巖中掘進(jìn)的需要。盾構(gòu)機(jī)有足夠的推進(jìn)能力，總推力可達(dá)34210KN。

盾構(gòu)采用的SLS-T隧道激光導(dǎo)向系統(tǒng)，盾構(gòu)的姿態(tài)可以隨時反映在操作室內(nèi)，結(jié)合人工對管片的姿態(tài)測量結(jié)果，通過調(diào)整推進(jìn)油缸的推力可以對盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行靈活的調(diào)整。推進(jìn)油缸分4個區(qū)域，每個區(qū)域可以單獨調(diào)整其推力而改變盾構(gòu)的掘進(jìn)方向。盾體中盾和尾盾之間采用鉸接連接，這樣可以減少盾構(gòu)的長徑比從而使盾構(gòu)姿態(tài)容易改變，使盾構(gòu)保持正確的姿態(tài)。

3.3出渣系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

渣土運(yùn)輸系統(tǒng)為螺旋輸送機(jī)加皮帶輸送，在施工過程中，螺旋輸送機(jī)的扭矩20-110knm，而螺旋輸送機(jī)的最大脫困扭矩為224knm，理論出土量385m3，h。

盾構(gòu)機(jī)刀盤的轉(zhuǎn)速為0-4.5rpm，在硬巖中掘進(jìn)時通過提高刀盤的轉(zhuǎn)速來破碎巖層。刀盤背面焊接的攪拌棒能進(jìn)一步破碎巖塊，可有效防止大塊硬巖進(jìn)入螺旋機(jī)，螺旋輸送機(jī)的出土速度可以從0到22rpm無級調(diào)速，能對硬巖地層進(jìn)行進(jìn)一步破碎，防止卡死。

茌水量較大的巖層地段施工時，通過渣土改良系統(tǒng)向土倉內(nèi)加入泡沫劑或者膨潤土，以減少進(jìn)入螺旋機(jī)的各巖塊之間的摩擦力，防止碎石塊在螺旋機(jī)內(nèi)堆積將螺旋機(jī)卡死。

3.4注漿系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

同步注漿系統(tǒng)有兩臺KSPl2泵，四根管路來實現(xiàn)同步注漿。每環(huán)的設(shè)計注漿量為6.0m3.而每臺注漿泵注漿的能力為10m³/h，滿足施工需要。

在硬巖段施工時，圍巖穩(wěn)定性較好，盾構(gòu)開挖直徑略大于盾體直徑，盾體與圍巖之間有一定空隙。并且在硬巖段掘進(jìn)時土倉壓力較小，在掘進(jìn)過程中同步注漿無法一次填充管片與圍巖之間的空隙。如果注漿壓力過大，則漿液會在高壓下流向盾體前方，進(jìn)入土倉，從而造成漿液浪費。因此過巖層段注漿采用單液漿、雙液漿結(jié)合使用的方式，雙液漿注漿采用KBY50/10-11注漿泵-通過鑿穿管片的吊裝孔，利用注漿頭進(jìn)行注漿。每隔1-2環(huán)在管片上部1點、11點位進(jìn)行同步二次補(bǔ)注漿，以充填同步注漿過程中遺留的空隙，從而保證管片與圍巖之間充填密實。注雙液漿時，控制注漿壓力在0.4Mpa以下，并茌盾尾倒數(shù)第4環(huán)開觀察孔，防止注漿壓力過大擊穿盾尾刷，損壞盾尾密封系統(tǒng)。采用單液漿、雙液漿結(jié)合使用可保證注漿效果滿足施工要求。

3.5密封系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

由于基巖裂隙水發(fā)育且同步注漿不密實形成流水通道。在掘進(jìn)過程中水量較大，水壓較高，需確保盾構(gòu)的密封系統(tǒng)完好，保證土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在高水壓環(huán)境下順利、安全掘進(jìn)。

盾構(gòu)機(jī)盾尾密封裝置為三道鋼絲刷組成的兩腔式油脂密封，有油脂管8個。盾尾有良好的密封性，理論上每個密封室可承受10bar壓力。本盾構(gòu)有三道盾尾刷具有兩個密封室，只要油脂注入飽滿即能確保密封效果，可以確保茌36米高水壓狀況下盾尾不漏水，滿足在硬巖段的掘進(jìn)施工。

盾尾和中盾的鉸接密封為橡膠唇形密封，可通過調(diào)節(jié)壓緊塊來調(diào)整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時緊急充氣防止鉸接滲漏。

主軸承密封系統(tǒng)由內(nèi)密封和外密封兩個密封系統(tǒng)組成，內(nèi)密封系統(tǒng)負(fù)責(zé)盾體常壓部分的密封，外密封系統(tǒng)負(fù)責(zé)開挖艙的密封，主軸承密封系統(tǒng)以承受7.5bar壓力。

螺旋機(jī)出料口門完全關(guān)閉后，可承受4.5bar的壓力。在硬巖地段中，隧道上方有較厚隔水層，最大水壓遠(yuǎn)小于4.5bar，因此盾構(gòu)機(jī)密封系統(tǒng)滿足在硬巖掘進(jìn)施工。

3.6管片質(zhì)量控制的適應(yīng)性分析-

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，易出現(xiàn)管片上浮、滲漏水、錯臺、破損等質(zhì)量病害，該盾構(gòu)機(jī)施工中通過采取如下措施，能保證管片質(zhì)量。

（1）調(diào)整同步注漿配比，縮短漿液凝固時間，并及時進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。將管片與圍巖間的空隙充填密實，形成管片第一道防水屏障，同時穩(wěn)定管片。

（2）每隔10環(huán)做一道止水環(huán)，截斷管片壁后集水，減少地下水浮力，增加襯砌環(huán)頂部受力，防止管片上浮。

（3）勤測管片姿態(tài)，根據(jù)管片實測姿態(tài)的變化規(guī)律，將盾構(gòu)機(jī)豎直方向姿態(tài)調(diào)整到-30～-40mm之間，以抵消管片脫出盾尾后的上浮量。

（4）管片拼裝前，檢查管片的完整性及止水條的粘貼情況，將盾尾和管片止水條清理干凈，再拼裝管片，防止管片錯臺和滲漏水。

（5）管片拼裝后，頂出推進(jìn)油缸的過程中，將油缸攆靴扶正，確保管片受力均勻。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制油缸推力，保證管片受力均勻，控制油缸的推力差值在50bar以內(nèi)，防止管片受力不均造成破損。

（6）在掘進(jìn)過程中，對盾尾三環(huán)的管片螺栓進(jìn)行再次復(fù)緊，以免管片受力不均造成錯臺、滲漏水等。

結(jié)論：

該標(biāo)段所選的兩臺海瑞克S475、S476復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)的各個技術(shù)參數(shù)均能滿足盾構(gòu)在硬巖段的施工要求。盾構(gòu)機(jī)配備有適用該標(biāo)段地層掘進(jìn)的刀具，通過渣土改良系統(tǒng)注入泡沫改良渣土，利用同步注漿系統(tǒng)、二次注漿系統(tǒng)選擇合理的注漿工藝等，使盾構(gòu)機(jī)能很好的適用于全斷面硬巖段掘進(jìn)，并能有效的控制管片的質(zhì)量。