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

文/郝保安、王栓、鄭曉飛、羅興元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江蘇南京 210000

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

文/郝保安、王栓、鄭曉飛、羅興元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江蘇南京 210000

廣州市軌道交通七號(hào)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(guò)對(duì)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。

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(hào)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(guò)＜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、＜9Z＞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)粒花崗變晶結(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11.43～58.30M pa，平均值為26.76M pa。＜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(jiān)硬。天然單軸極限抗壓強(qiáng)度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0M pa。

盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)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(tái)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(tái)盾構(gòu)機(jī)均為液壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(cāng)和保壓系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)和二次注漿系統(tǒng)，且人倉(cāng)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(dòng)、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(jì)為輻條面板式，開(kāi)口率為28%（全盤滾刀安裝時(shí)），開(kāi)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(lái)驅(qū)動(dòng)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)4.5 rpm,額定扭矩為4500KNm,脫困扭矩為5300KNm。

盾構(gòu)機(jī)的管片設(shè)計(jì)為外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片長(zhǎng)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385m3/h，通過(guò)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(dòng)式拼裝機(jī)，有6個(gè)自由度，可以正負(fù)200度旋轉(zhuǎn)。

人閘系統(tǒng)有兩個(gè)主副人倉(cāng)保壓系統(tǒng)組成，工作壓力可達(dá)3ba r,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(guò)調(diào)節(jié)壓緊塊來(lái)調(diào)整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時(shí)緊急充氣防止鉸接滲漏。

同步注漿系統(tǒng)有兩臺(tái)KSP12泵（每臺(tái)泵注漿能力為10m3/h）實(shí)現(xiàn)同步注漿，在盾尾有4 個(gè)+4個(gè)備用注漿口。

盾構(gòu)機(jī)配有一套二次注漿系統(tǒng)，可實(shí)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(rùn)土）注入系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立。泡沫注入口刀盤4個(gè)，壓力倉(cāng)壁4個(gè)，螺旋輸送機(jī)6個(gè)，最大泡沫注入量10m3/h。膨潤(rùn)土刀盤有4個(gè)注入點(diǎn)，泵流量10m3/h。

裝機(jī)總功率約為1630KW，總長(zhǎng)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(guò)＜8Z＞混合花崗巖中風(fēng)化帶、＜9Z＞混合花崗巖微風(fēng)化帶地層。＜8Z＞中風(fēng)化混合花崗巖：天然單軸極限抗壓強(qiáng)度值為11.43～58.30M pa，平均值為26.76M pa。＜9Z＞微風(fēng)化混合花崗巖：天然單軸極限抗壓強(qiáng)度值為26.4～107.3M pa，平均值為73.0M pa。施工過(guò)程中，經(jīng)取芯實(shí)測(cè)巖石抗壓強(qiáng)度值122M pa，石英含量高達(dá)40～45%。

（1）刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶有進(jìn)料口的切割式圓盤，帶有4條支撐臂的厚壁法蘭板支座用來(lái)連接主驅(qū)動(dòng)和刀盤，在刀盤后部裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭裝置，將盾體內(nèi)的泡沫劑等液體供給旋轉(zhuǎn)的刀盤。刀盤設(shè)計(jì)充分考慮了本段巖石較硬的特點(diǎn)，在磨損較多的部位，如刀盤進(jìn)土口、刀盤開(kāi)挖面、攪拌棒、刀盤邊緣等處，大量堆焊了網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金。并在刀盤輪緣上設(shè)計(jì)了3道耐磨合金環(huán)，大大提高了刀盤的耐磨性能和使用壽命。

（2）在本標(biāo)段地層下，刀盤上安裝有64把齒刀，8把邊刮刀，31把單刃滾刀，4把雙刃滾刀，1把超挖刀。我部采用標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈滾刀，滾刀的承載力為25t，適應(yīng)掘進(jìn)的巖石強(qiáng)度為50～150MPa，高于本標(biāo)段巖石的最高強(qiáng)度。刀具在刀盤上的超前量較大，正面滾刀的超前量為175mm，齒刀超前量為140mm，滾刀高出齒刀35mm,以便在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)保護(hù)齒刀和刮刀。滾刀與齒刀層次間距為40mm，滾刀的軌跡間距為10～100mm，利于硬巖的破碎。該刀具配置能滿足對(duì)地層的破巖要求。

刀具采用背裝式換刀，更換刀具較快，且易于操作。

圖3.1 刀具及刀盤刀具布置圖

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(guò)程中，推力8000～15000KN，就能滿足盾構(gòu)在硬巖中掘進(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(shí)反映在操作室內(nèi)，結(jié)合人工對(duì)管片的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果，通過(guò)調(diào)整推進(jìn)油缸的推力可以對(duì)盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行靈活的調(diào)整。推進(jìn)油缸分4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以單獨(dú)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(zhǎng)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)。

阿里基于獨(dú)特的合伙人制度創(chuàng)新了公司治理模式，另辟蹊徑，走出一條前人未曾涉足的新老迭代試錯(cuò)之路。在此次交接中所展現(xiàn)出來(lái)在制度設(shè)計(jì)，人才儲(chǔ)備以及戰(zhàn)略規(guī)劃上的前瞻性。毫無(wú)疑問(wèn)，這對(duì)于中國(guó)其他企業(yè)，具有一定的示范意義和借鑒價(jià)值。但是，無(wú)論要判斷阿里是否走出“接班困境”，以及對(duì)中國(guó)公司治理機(jī)制的影響多深遠(yuǎn)，都需要交給時(shí)間來(lái)證明。隨著我國(guó)持續(xù)進(jìn)行的市場(chǎng)化轉(zhuǎn)型，相信未來(lái)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境中會(huì)涌現(xiàn)出更多的企業(yè)，內(nèi)生創(chuàng)造出新的治理模式來(lái)確保企業(yè)基業(yè)長(zhǎng)青。

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(guò)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0-4.5 rpm，在硬巖中掘進(jìn)時(shí)通過(guò)提高刀盤的轉(zhuǎn)速來(lái)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22 rpm無(wú)級(jí)調(diào)速，能對(duì)硬巖地層進(jìn)行進(jìn)一步破碎，防止卡死。

在水量較大的巖層地段施工時(shí)，通過(guò)渣土改良系統(tǒng)向土倉(cāng)內(nèi)加入泡沫劑或者膨潤(rùn)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(tái)KSP12泵，四根管路來(lái)實(shí)現(xiàn)同步注漿。每環(huán)的設(shè)計(jì)注漿量為6.0m3,而每臺(tái)注漿泵注漿的能力為10m3/h，滿足施工需要。

在硬巖段施工時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較好，盾構(gòu)開(kāi)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(shí)土倉(cāng)壓力較小，在掘進(jìn)過(guò)程中同步注漿無(wú)法一次填充管片與圍巖之間的空隙。如果注漿壓力過(guò)大，則漿液會(huì)在高壓下流向盾體前方，進(jìn)入土倉(cāng)，從而造成漿液浪費(fèi)。因此過(guò)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(guò)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(diǎn)、11點(diǎn)位進(jìn)行同步二次補(bǔ)注漿，以充填同步注漿過(guò)程中遺留的空隙，從而保證管片與圍巖之間充填密實(shí)。注雙液漿時(shí)，控制注漿壓力在0.4Mpa以下，并在盾尾倒數(shù)第4環(huán)開(kāi)觀察孔，防止注漿壓力過(guò)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

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(gè)。盾尾有良好的密封性，理論上每個(gè)密封室可承受10ba r壓力。本盾構(gòu)有三道盾尾刷具有兩個(gè)密封室，只要油脂注入飽滿即能確保密封效果，可以確保在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(guò)調(diào)節(jié)壓緊塊來(lái)調(diào)整密封壓力，并有緊急氣囊可在唇形密封失效時(shí)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(gè)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(kāi)挖艙的密封，主軸承密封系統(tǒng)以承受7.5ba r壓力。

螺旋機(jī)出料口門完全關(guān)閉后，可承受4.5ba r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4.5ba r，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(guò)程中，易出現(xiàn)管片上浮、滲漏水、錯(cuò)臺(tái)、破損等質(zhì)量病害，該盾構(gòu)機(jī)施工中通過(guò)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(shí)間，并及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。將管片與圍巖間的空隙充填密實(shí)，形成管片第一道防水屏障，同時(shí)穩(wěn)定管片。

（2）每隔10環(huán)做一道止水環(huán)，截?cái)喙芷诤蠹?，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(cè)管片姿態(tài)，根據(jù)管片實(shí)測(cè)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(cuò)臺(tái)和滲漏水。

（5）管片拼裝后，頂出推進(jìn)油缸的過(guò)程中，將油缸撐靴扶正，確保管片受力均勻。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)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50ba r以內(nèi)，防止管片受力不均造成破損。

（6）在掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)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(cuò)臺(tái)、滲漏水等。

結(jié)論：

該標(biāo)段所選的兩臺(tái)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(gè)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(guò)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。

[1]馬云新.廣州地鐵復(fù)合地層中盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)適應(yīng)性分析[J].山西建筑,2009,35（6）：322-323.

[2]王小忠.盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)距離硬巖中掘進(jìn)的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006,94（4）；52-56.

[3]GB 50446-2008盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.