成都砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)選型及技術(shù)應(yīng)用

楊 輝，徐 寅，王 濤

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市開始規(guī)劃和修建地鐵。在此期間，部分城市在地鐵建設(shè)中遇到了地質(zhì)條件非常復(fù)雜的砂卵石土層，特別是成都地區(qū)，其中溫江區(qū)域的地質(zhì)條件尤為復(fù)雜。成都17號(hào)線黃石站—溫泉大道站區(qū)間（溫江區(qū)域）隧道幾乎全部從卵石土層中穿越，卵石含量高，卵石最大粒徑可達(dá)600mm以上，卵石級(jí)配差，地下水含量豐富且滲透性強(qiáng)。到目前為止國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)機(jī)在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)普遍遇到由于出土方量超方導(dǎo)致地面沉降控制不好、刀盤卡死、刀盤刀具損耗嚴(yán)重、螺旋機(jī)卡軸斷軸、螺旋機(jī)噴涌等問題。

本文基于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的原理，結(jié)合中交天和對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，旨在解決以上問題，提高盾構(gòu)機(jī)在成都17號(hào)線溫江區(qū)域的施工效率、施工質(zhì)量，節(jié)約施工成本。

1 工程概況

成都號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)約27.6km，地下段長(zhǎng)約21.4km；最大縱坡坡度31.1‰，最小平面曲線半徑R450m。區(qū)間范圍為金星站（含）—九江機(jī)投鎮(zhèn)站（含），其中盾構(gòu)區(qū)間為黃石站—市五醫(yī)院站—鳳溪河站—溫泉大道站—明光站—九江北站—白佛橋站—機(jī)投鎮(zhèn)站，梧桐廟停車場(chǎng)出入線段共7個(gè)區(qū)間。其中黃石站—市五醫(yī)院站—鳳溪河站—溫泉大道站4站3區(qū)間屬于溫江區(qū)域（以下簡(jiǎn)稱黃溫區(qū)間）。工程線路及主要地質(zhì)如圖1。

黃溫區(qū)間主要穿越地層為卵石土如圖1（b）。卵石粒徑一般約為210～300mm，最大約為350mm。且卵石土具有自穩(wěn)性差、富水性良好、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)。該區(qū)間側(cè)穿成都市第五人民醫(yī)院，成都市第五人民醫(yī)院為地上19層，地下2層，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底埋深約7m。距離盾構(gòu)隧道最近水平距離約為10m，側(cè)穿成都五院，下穿4號(hào)線二期隧道，隧道外徑為6m，豎向最小凈距約3.2m。

2 項(xiàng)目施工重難點(diǎn)分析［1-2］

2.1 卡刀盤且刀具磨損嚴(yán)重

溫江區(qū)域區(qū)間位于卵石最大含量可能超過75%、漂石粒徑20～70cm、卵石單軸抗壓強(qiáng)度可能超過132MPa的大粒徑、高強(qiáng)度、富水砂卵石地層中。與成都其他區(qū)域相比，本區(qū)域砂卵石地層具有漂石粒徑大、漂石含量高、部分地段卵石層密實(shí)程度差等特點(diǎn)，該地層對(duì)地鐵施工尤其是盾構(gòu)法及暗挖法區(qū)間隧道施工影響較大。

（1）目前成都地區(qū)大部分盾構(gòu)機(jī)的刀盤開口可通過粒徑≤40cm，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中會(huì)造成刀盤堵塞，使刀盤扭矩超過額定扭矩值，從而造成停機(jī)；

圖1 成都17號(hào)線項(xiàng)目線路圖及主要地質(zhì)圖

（2）由于≥40cm的卵石較多，漂石天然抗壓強(qiáng)度一般為41～200MPa，個(gè)別漂石強(qiáng)度達(dá)到299MPa，破碎困難，超過刀盤開口的卵石無法進(jìn)入刀盤，將造成盾構(gòu)機(jī)無法掘進(jìn)；

（3）卵石最大含量超75%、漂石粒徑20～70cm、漂石天然抗壓強(qiáng)度一般為41～200MPa，個(gè)別漂石強(qiáng)度達(dá)到299MPa，施工時(shí)刀盤刀具磨損嚴(yán)重，甚至損壞；

（4）卵石含量高，自穩(wěn)性差，卡在刀盤前面的≥40cm以上的卵石，難以通過帶壓進(jìn)倉的方式處理，地基加固處理的方式成本高、周期長(zhǎng)。

2.2 卡螺旋輸送機(jī)甚至斷軸

大粒徑卵石多，卵石含量高，造成螺旋輸送機(jī)卡軸，在成都是普遍現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致停機(jī)，并發(fā)生過斷軸事故。由于卵石含量高，自穩(wěn)性差，現(xiàn)有軸式螺旋輸送機(jī)無法排出40cm以上的卵石，難以通過帶壓進(jìn)倉的方式處理，地基加固處理的方式成本高、周期長(zhǎng)。

2.3 沉降難以控制

溫江區(qū)域卵石含量高，粒徑大，自穩(wěn)性差，在成都常規(guī)使用的刀盤和螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)在成都地區(qū)地層施工困難，在掘進(jìn)過程中土壓難以建立。目前在掘進(jìn)過程中常采用欠壓施工，刀盤掘進(jìn)擾動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)地表異常沉降或地層塌方。

2.4 停機(jī)噴涌

成都卵石地層地下水滲透系數(shù)高，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)后地下水涌向土倉，水位上升導(dǎo)致螺旋機(jī)底部壓力增大，重新掘進(jìn)時(shí)會(huì)造成噴涌現(xiàn)象。

2.5 事故案例

成都地鐵7號(hào)線七標(biāo)神仙樹-神仙樹西區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至450環(huán)時(shí)，刀盤扭矩增加，平均扭矩達(dá)到5500kN·m。經(jīng)拆機(jī)減速機(jī)內(nèi)行星齒完全破壞2個(gè)，并伴隨部分點(diǎn)蝕及變形，摩擦聚合物相對(duì)較多。成都地鐵3號(hào)線雙流西站至三里壩站盾構(gòu)區(qū)間連續(xù)發(fā)生3起螺旋機(jī)斷軸事件，其中右線2次，左線1次，斷口均發(fā)生在離端部1～1.2m處。

3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)以往成都隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)刀盤考慮配置為34%左右，螺旋機(jī)采用軸式，刀盤可通過最大卵石的粒徑為螺旋機(jī)殼排出的粒徑，其余大于螺旋機(jī)可排粒徑的卵石考慮在刀盤外通過滾刀進(jìn)行破碎。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)主張欠壓施工，通過快速推進(jìn)相對(duì)減小地面沉降。但是如上文提到的施工事故案例，成都現(xiàn)有的施工方法也沒有完全解決諸如地面沉降、刀盤卡死之類的問題。尤其是在溫江區(qū)域，這個(gè)在成都大粒徑卵石含量高、施工難度最大的區(qū)域；根據(jù)以往的工方法并不能完全保證工程的順利進(jìn)行。

本文結(jié)合成都地區(qū)以往成功的施工經(jīng)驗(yàn)以及我公司在砂卵石地層的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了解決上文提到的施工難點(diǎn)，避免施工事故的發(fā)生，對(duì)成都17號(hào)線盾構(gòu)機(jī)提出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)革新思路：

（1）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)考慮建立土壓，與掌子面形成土壓平衡，同時(shí)推進(jìn)速度不宜過快，減小對(duì)土壤擾動(dòng)，可有效控制地面沉降。

（2）但是在成都卵石地層級(jí)配差、地下水含量高且滲透性強(qiáng)，建立土壓比較困難。如果通過土倉渣土與掌子面形成平衡需要滿倉掘進(jìn)，這樣會(huì)使刀盤扭矩增大，甚至卡刀盤。因此考慮怎么在半倉掘進(jìn)的情況下也能保持土倉壓力。首先空余半倉的壓力通過1套保壓系統(tǒng)加氣壓的方式保持壓力。單獨(dú)配置1套加注膨潤(rùn)土系統(tǒng)對(duì)土倉內(nèi)的半倉渣土進(jìn)行改良，使其形成良好的級(jí)配，同時(shí)配合刀盤上的膨潤(rùn)土加注系統(tǒng)使掌子面的卵石間隙填滿。這樣可使空余半倉的氣壓不會(huì)流失到地層中，保持住整個(gè)土倉的壓力。

（3）刀盤設(shè)計(jì)考慮對(duì)卵石“以排為主，以碎為輔”的思路，增大刀盤開口率，刀盤最大開口幅度可通過大于600mm粒徑的卵石。配置大開口刀盤可使卵石和渣土快速的進(jìn)入到土倉內(nèi)，減少刀具磨損、增加刀具的使用壽命，減少換刀次數(shù)。同時(shí)可減小土體對(duì)刀盤加載的負(fù)載扭矩。刀盤外圈板與刀盤正面設(shè)計(jì)成直角型式，刀盤外圈板對(duì)上方土體有一定的支撐作用，防止上方土體坍塌，更好的控制地面沉降。

（4）螺旋機(jī)為了匹配刀盤通過的卵石粒徑，在保證螺旋軸強(qiáng)度的前提下螺旋軸考慮設(shè)計(jì)為帶式的，同時(shí)做好螺旋機(jī)防噴涌措施。

（5）驅(qū)動(dòng)部考慮配置大扭矩的驅(qū)動(dòng)，保證扭矩具有足夠的富余量，在碰到刀盤被卵石卡住等情況下能夠有足夠的能力使盾構(gòu)機(jī)脫困。

4 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

4.1 刀盤刀具選型及設(shè)計(jì)［3-4］

刀盤設(shè)計(jì)成復(fù)合式面板的型式。開口率為45%，中心部位設(shè)有6個(gè)高壓注水口。刀具配置：雙聯(lián)滾刀（10把）、單刃滾刀（23把）、雙刃滾刀（2把）、刮刀（66把）、邊緣刮刀（24把）、焊接型先行刀（12把）、超挖滾刀（1把）。如圖2所示。

4.1.1 刀具選型

（1）滾刀選型：滾刀在硬巖地層主要是依靠刀刃貫入巖石，對(duì)巖石擠壓破碎，而在砂卵石地層主要作用是松動(dòng)土體。所以在成都地區(qū)滾刀選用寬刀刃，刀體韌性高的滾刀，延長(zhǎng)滾刀在砂卵石地層的使用壽命。如圖3、4所示。

圖2 刀盤

圖3 砂卵石地層用滾刀

圖4 破巖用滾刀

（2）刮刀選型：如圖5、6所示，砂卵石地層用刮刀相對(duì)其他地層的刮刀刀刃更低，刀盤在卵石地層挖掘時(shí)卵石對(duì)刮刀刀體的沖擊載荷更強(qiáng)，刀刃太高容易受到卵石沖擊而出現(xiàn)破損，同時(shí)砂卵石用刮刀的硬質(zhì)合金采用寬合金條，進(jìn)一步提高合金的耐磨性能和抗沖擊性能。

圖5 砂卵石地層用刮刀

圖6 其他地層用刮刀

4.1.2 刀盤渣土改良口設(shè)計(jì)

刀盤面板均勻布置10個(gè)刀盤噴口，每個(gè)噴口均為單管單泵設(shè)計(jì)，8路泡沫，其中5路加泥（3路與泡沫共用互換）在砂卵石地層的渣土改良中主要考慮以加泡沫為主，加注泡沫可有效減小砂土、卵石對(duì)刀盤盤體和刀具的摩擦系數(shù)，減小盤體、刀具的磨損。同時(shí)加注膨潤(rùn)土填滿卵石間的空隙，使進(jìn)入土倉的卵石土形成良好的級(jí)配，為土倉內(nèi)土壓與掌子面的土壓形成土壓平衡提供有利條件，最終使盾構(gòu)機(jī)能夠保壓推進(jìn)有效控制地面沉降。如圖7所示。

圖7 渣土改良口布置圖

4.2 驅(qū)動(dòng)部設(shè)計(jì)

在減小刀盤負(fù)載扭矩的同時(shí)，選用大扭矩的驅(qū)動(dòng)部，進(jìn)一步確保盾構(gòu)機(jī)在保壓推進(jìn)過程中不會(huì)出現(xiàn)刀盤卡死的現(xiàn)象，保證施工效率。主驅(qū)動(dòng)參數(shù)及扭轉(zhuǎn)曲線分別如表1和圖8所示。

表1 主驅(qū)動(dòng)參數(shù)

圖8 主驅(qū)動(dòng)扭矩曲線圖

如圖9所示，驅(qū)動(dòng)部齒輪嚙合形式為外嚙合。主驅(qū)動(dòng)齒輪外嚙合主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）大齒輪齒數(shù)更多，傳動(dòng)比更大，在相同驅(qū)動(dòng)功率的前提下可傳動(dòng)的扭矩更大；

（2）小電機(jī)是圍繞大齒輪的外周進(jìn)行布置的，在相同空間前提下，外嚙合的齒輪可以布置的電機(jī)數(shù)量更多。

同時(shí)通過分析主軸承在額定扭矩工況及脫困扭矩工況下的受力計(jì)算，選擇合適的齒輪模數(shù)和主軸承滾柱等，保證主軸承壽命。

圖9 驅(qū)動(dòng)部裝配圖

如圖10所示，主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)分為內(nèi)、外周，密封均由1組端面四指聚氨酯密封、2組軸向四指型聚氨酯密封、1組軸向VD橡膠唇型密封組成。每道密封之間形成的腔體均加注滿密封油脂，保證可耐受的最大水土壓力為1MPa。同時(shí)密封的冷卻方式為水冷，避免密封在使用過程中由于溫度過高而失效，確保密封的使用壽命。

圖10 主驅(qū)動(dòng)密封圖

4.3 有限元ANSYS受力分析

經(jīng)過對(duì)于大開口率刀盤及驅(qū)動(dòng)部合理性設(shè)計(jì)，模擬盾構(gòu)刀盤在掘進(jìn)地質(zhì)中的情況，通過ANSYS分析得到以下結(jié)果：在額定扭矩及脫困扭矩工作狀態(tài)下，刀盤最大應(yīng)力分別為150MPa、208MPa，最大變形量分別為3mm、3.6mm，滿足正常掘進(jìn)過程中的刀盤強(qiáng)度設(shè)計(jì)（見圖11-12所示）。

圖11 刀盤額定扭矩下的應(yīng)力應(yīng)變圖

4.4 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

采用帶式螺旋軸，保證大卵石順利排出。帶式螺旋軸的節(jié)距為1000mm，可通過粒徑較大的卵石，最大排出粒徑可達(dá)φ560mm×1100mm，可排出成都溫江區(qū)域最大粒徑的卵石。同時(shí)卵石在螺旋機(jī)內(nèi)對(duì)螺旋軸具有一定的沖擊載荷，所以為了保證螺旋軸片的強(qiáng)度，螺旋葉片厚度達(dá)到了170mm。

4.5 施工措施

在土倉隔板上安裝了膨潤(rùn)土、泡沫和高分子聚合物注入接口，螺旋機(jī)筒體前端設(shè)置有1備1用2個(gè)膨潤(rùn)土、2個(gè)高分子聚合物注入口和1個(gè)泡沫注入口。

（1）在刀盤前部加泥加泡沫，建立土壓，并減小對(duì)刀盤刀具的磨損，防止噴涌。

（2）對(duì)土倉加注膨潤(rùn)土漿，可有效建立土壓。

（3）向螺旋機(jī)注入膨潤(rùn)土和泡沫，達(dá)到建立土壓和減少螺旋機(jī)筒體磨損的效果。

（4）當(dāng)含水量過大，需在螺旋機(jī)前部注入口注入少量高分子聚合物，便于形成土塞，解決螺旋機(jī)的噴涌。

（5）盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)，對(duì)土倉的加氣孔注入壓縮空氣，把水逼回刀盤前部卵石層，配合加泥的注入來解決涌水問題。

5 結(jié)束語

針對(duì)成都17號(hào)線砂卵石地層地質(zhì)的調(diào)研分析，總結(jié)了盾構(gòu)法施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并針對(duì)大卵石、富水型、易坍塌的地質(zhì)造成地面沉降大、盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具易磨損、螺旋機(jī)軸易卡斷等問題提出了相應(yīng)措施。大開口率刀盤、帶式螺旋輸送機(jī)軸、外嚙合大功率驅(qū)動(dòng)部等盾構(gòu)選型及設(shè)計(jì)，能夠?yàn)槎軜?gòu)機(jī)在溫江區(qū)域乃至整個(gè)成都地區(qū)這種富水砂卵石地層的隧道施工帶來新的變革。

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