上海地區(qū)長(zhǎng)距離深埋盾構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

吳文斐

上海隧道工程股份有限公司機(jī)械制造分公司 上海 200000

1.概述

隨著隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，上海地下空間的利用越來越向深層拓展。如規(guī)劃中的崇明線軌道交通工程，隧道直徑13m，最大覆土46m，覆土厚度與隧道直徑比約3.5D（D為隧道直徑），盾構(gòu)機(jī)一次掘進(jìn)9.8km；市域鐵路工程，隧道直徑13.6m，最大覆土47.4m，覆土厚度與隧道直徑比約3.5D，盾構(gòu)機(jī)一次掘進(jìn)6.34km；蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程隧道直徑11.3m，最大覆土46m，覆土厚度與隧道直徑比約4D。為了滿足長(zhǎng)距離深埋大直徑隧道的盾構(gòu)法施工，需要探討盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本文以隧道埋深、工程地質(zhì)、水文條件為主要依據(jù)，綜合考慮盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性、可靠性、安全性等方面，討論了深埋盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的要點(diǎn)。

2.長(zhǎng)距離深埋隧道工程難點(diǎn)

（1）長(zhǎng)距離掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)距離掘進(jìn)的工作環(huán)境下，需考慮刀具耐磨性能及更換、主驅(qū)動(dòng)密封的耐磨性、主軸承的工作狀況、盾尾刷的耐磨性能及更換等情況。所以這種工況對(duì)于盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的耐久性和可靠性要求很高。另外，還要考慮在盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件損壞以后的如何讓人員介入維修。

（2）高水土壓力

盾構(gòu)機(jī)在深埋的工作環(huán)境下，需要考慮到高水土壓力帶來的主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)耐壓性能、盾尾結(jié)構(gòu)耐壓性能以及盾尾密封耐壓性能。

（3）穿越含承壓水的砂土層

上海深埋盾構(gòu)機(jī)主要穿越第⑦層土（砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土），該土層是上海第一承壓含水層，承壓水主要賦存于第⑦層粉土或砂土層中。盾構(gòu)機(jī)在穿越含承壓水的砂土?xí)r會(huì)遇到刀具磨損嚴(yán)重、開挖面失穩(wěn)沉降難以控制等情況。因此要重點(diǎn)考慮刀具的耐磨、開挖量監(jiān)測(cè)、添加劑系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)。以及考慮極端情況下刀具更換方案。

綜上所述，長(zhǎng)距離深埋盾構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾方面要點(diǎn)：

1）擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)可介入維修區(qū)域；

2）加強(qiáng)關(guān)鍵部件的檢測(cè)及自動(dòng)化預(yù)警；

3）加強(qiáng)關(guān)鍵部件的耐久性和可靠性設(shè)計(jì)；

3.深埋盾構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

(1)擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)可介入維修區(qū)域

刀盤開挖面、土艙/泥水艙、盾尾密封刷等與土體交界的區(qū)域，都不能在比較安全的無(wú)壓施工條件下介入。通常工作人員想介入刀盤，就必須帶壓進(jìn)入土艙/泥水艙，且艙內(nèi)含有各種開挖物（土塊、石塊、泥漿等），對(duì)人員的健康和安全都不利。通過擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)可介入維修區(qū)域，可以讓工作人員安全地介入原本不容易介入到的區(qū)域，從而實(shí)施檢查、維修等工作。

圖 1 盾構(gòu)機(jī)非安全介入?yún)^(qū)域(帶壓刀盤)

圖 2 盾構(gòu)機(jī)非安全介入?yún)^(qū)域(常壓刀盤)

① 常壓刀盤

通過配置常壓刀盤，可以使刀盤中心艙內(nèi)部、主輻條內(nèi)部變成較安全介入?yún)^(qū)域。工作人員可以常壓進(jìn)入刀臂，做檢查和換刀等工作。但常壓刀盤有造價(jià)高、開口率較低、中心位置易結(jié)泥餅的問題，而且經(jīng)過數(shù)次更換的刀筒也可能發(fā)生密封失效。

② 冰凍法

上海地層中地下水位一般較高，應(yīng)用冰凍法的條件較好。在刀盤、盾尾或管片上預(yù)制冰凍管，在冰凍管中循環(huán)低溫鹽水，利用鋼材導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)使刀盤結(jié)構(gòu)變成“冰凍圓盤”，而盾尾結(jié)構(gòu)變成“冰凍圓環(huán)”。通過冰凍管對(duì)隔倉(cāng)內(nèi)土體、切口周圍土體和盾尾周圍土體進(jìn)行凍結(jié)，使周邊形成凍土帷幕，然后在凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行檢查、換刀、換盾尾刷等作業(yè)。所以通過冰凍法，可以使刀盤周圍、土艙/泥水艙、盾尾密封處變?yōu)檩^安全介入?yún)^(qū)域。

(2)加強(qiáng)關(guān)鍵部件的檢測(cè)及自動(dòng)化預(yù)警

① 刀盤的檢測(cè)及預(yù)警

由于上海地層黏性土含量較多，刀盤中央容易結(jié)泥餅，從而導(dǎo)致刀盤負(fù)載增大，貫入度減小，推進(jìn)速度變慢?？紤]到安全性，通常不會(huì)采取開倉(cāng)的方式判斷結(jié)泥餅。只通過地質(zhì)情況、掘進(jìn)參數(shù)綜合判斷。結(jié)泥餅后刀盤開口率減小，摩擦系數(shù)增大，泥餅與土摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量，伴隨刀盤結(jié)構(gòu)溫度升高。在刀盤中央安裝溫度計(jì)可以有效輔助人員判斷是否結(jié)泥餅。

長(zhǎng)距離掘進(jìn)情況下，檢測(cè)刀具的磨損量是非常關(guān)鍵的。為了能及時(shí)和準(zhǔn)確地判斷刀具磨損情況，可以在刀具和刀盤結(jié)構(gòu)上安裝磨損檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置根據(jù)施工方的要求確定。磨損信號(hào)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)，并在操作屏上顯示。

為了避免推力、扭矩過大造成刀盤結(jié)構(gòu)、主軸承損壞，準(zhǔn)確地判斷刀盤負(fù)載情況是十分有必要的?？梢酝ㄟ^配備刀盤負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)判斷。這套系統(tǒng)是在刀盤結(jié)構(gòu)上加裝傳感器（數(shù)量和位置根據(jù)需要排布）。傳感器信號(hào)經(jīng)采集器后傳輸?shù)街鳈C(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終結(jié)果顯示在屏幕上。

② 主驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)及預(yù)警

主驅(qū)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)的核心部件（包括軸承、齒輪、密封），一旦它發(fā)生問題，盾構(gòu)機(jī)將無(wú)法繼續(xù)工作，因此有必要重點(diǎn)監(jiān)控主驅(qū)動(dòng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

判斷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)問題較常用的檢測(cè)方法是通過噪聲/振動(dòng)檢測(cè)。這種方法可檢測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)脈沖。在軸承正常安裝、正確使用和及時(shí)潤(rùn)滑的情況下，不存在相當(dāng)大的振動(dòng)和噪聲。但如果發(fā)生問題，讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，例如，結(jié)構(gòu)缺陷、軸不對(duì)中（匹配部件的耦合部分不對(duì)齊）、潤(rùn)滑不良等。這意味著在監(jiān)測(cè)振動(dòng)時(shí)，專業(yè)人員可以很容易地注意到故障風(fēng)險(xiǎn)并加以預(yù)防。

對(duì)于密封圈，我們通常較為關(guān)注其潤(rùn)滑情況是否良好，一個(gè)重要的判斷依據(jù)是溫度，當(dāng)潤(rùn)滑脂充分潤(rùn)滑且冷卻系統(tǒng)工作正常的情況下，密封圈與鋼結(jié)構(gòu)摩擦力小，溫度不會(huì)異常升高，反之則會(huì)快速升高。所以密封圈溫度檢測(cè)系統(tǒng)是必需的，它可實(shí)時(shí)傳輸溫度信號(hào)至PLC系統(tǒng)，并在操作屏上顯示當(dāng)前溫度。

對(duì)于齒輪情況的檢測(cè)，主要是通過齒輪油采樣這種間接方法來做。齒輪長(zhǎng)期工作會(huì)產(chǎn)生鐵屑，通過判斷齒輪油里的金屬含量可以間接判斷齒輪的磨損情況。檢測(cè)方法一般是離線檢測(cè)，通過驅(qū)動(dòng)箱底部放油口收集齒輪油，再交給專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)化驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)也有齒輪油在線檢測(cè)技術(shù)，直接在動(dòng)力箱上安裝一套檢測(cè)設(shè)備，可以檢測(cè)油品粘度、污染水分、磨損顆粒等指標(biāo)，相比離線檢測(cè)具有很高的及時(shí)性。

(3)加強(qiáng)關(guān)鍵部件的耐久性和可靠性設(shè)計(jì)

① 刀盤設(shè)計(jì)

無(wú)論是帶壓換刀刀盤還是常壓換刀刀盤，都要考慮刀盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，防止結(jié)泥餅的措施，刀具的壽命。刀盤強(qiáng)度和剛度主要通過計(jì)算機(jī)FEM來做。通過重復(fù)多次模擬和改進(jìn)，使得刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加優(yōu)化。

刀盤結(jié)泥餅主要發(fā)生在刀盤中心，原因較為復(fù)雜，一般認(rèn)為和刀盤中心開口小有關(guān)，切下來的土不能順利進(jìn)入艙內(nèi)；加上深埋隧道通常會(huì)遇到號(hào)土，這種土粘性高容易粘在刀盤上。所以刀盤中心開口應(yīng)設(shè)計(jì)得足夠大，使切削下來的土能順利進(jìn)入艙內(nèi)，防止中心結(jié)泥餅。常壓刀盤在中心開口大小上非常不利，因此需要采取中心沖洗的手段來預(yù)防結(jié)泥餅，沖洗流量一般達(dá)到P2.1泵的1/3。提高刀具的壽命一般有兩種方法，一是增加刀具數(shù)量并分層布置，在輻條上盡量多地布置先行刀；二是采用雙或多層合金的刀具。

圖 3 分層式刀具

② 刀盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

要提高刀盤驅(qū)動(dòng)的耐久性和可靠性，關(guān)鍵是提高密封系統(tǒng)的耐壓能力和使用壽命。從現(xiàn)有的上海深埋項(xiàng)目判斷，密封系統(tǒng)應(yīng)具有10bar的工作壓力。密封圈可選用齒形，理論上1道就能滿足10bar的工作壓力，為了提高密封系統(tǒng)可靠性，我們通常安裝2道。

密封圈的使用壽命與密封壓力、工作溫度、刀盤轉(zhuǎn)速、材料硬度、潤(rùn)滑情況和土體含砂量都有關(guān)系。其中密封壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、土體含砂量是由實(shí)際施工條件決定，剩下的工作溫度、材料硬度、潤(rùn)滑情況由設(shè)計(jì)決定。

工作溫度方面，為了保證密封圈的工作溫度始終處于合理區(qū)間，在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)設(shè)計(jì)冷卻水腔，保證密封圈壽命。冷卻水流量應(yīng)根據(jù)冷卻水進(jìn)出口溫度、驅(qū)動(dòng)的發(fā)熱量、換熱面積，運(yùn)用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

材料硬度方面，主要考慮密封圈硬度和密封面材料硬度。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，密封圈硬度在87～93HS左右，密封面最好采用耐磨板，硬度在45～50HRC左右。正常情況下，由于密封圈的硬度低于密封面材料，密封圈的磨損量比密封面大。但有時(shí)候會(huì)發(fā)生密封面材料磨損量比密封圈大的情況，也就是“軟磨硬”情況。這是由于外部硬質(zhì)砂粒進(jìn)入密封面與潤(rùn)滑油脂混合形成液態(tài)研磨料，產(chǎn)生了研磨效果。出現(xiàn)這種情況說明密封圈的潤(rùn)滑沒有到位，更具體地說是潤(rùn)滑脂加注量不夠，無(wú)法把砂粒趕出潤(rùn)滑面。

為了保證密封圈始終處于充分潤(rùn)滑，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮油脂加注點(diǎn)數(shù)量、潤(rùn)滑泵流量壓力、系統(tǒng)控制模式等方面。潤(rùn)滑泵的流量要與加注點(diǎn)數(shù)量匹配，潤(rùn)滑泵的壓力要保證油脂能從加注點(diǎn)打出去。系統(tǒng)控制上要具備強(qiáng)制潤(rùn)滑模式，以便在高含砂量的地層中防止砂粒進(jìn)入密封面。

③ 盾尾設(shè)計(jì)

盾尾的整體耐壓性能，特別是盾尾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形量和盾尾刷可靠性是我們重點(diǎn)考慮的對(duì)象。盾尾的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形量一般通過有限元計(jì)算輔助設(shè)計(jì)，在加載和約束合理的情況下，計(jì)算結(jié)果通常是可信的，且可用比較法驗(yàn)證結(jié)果，即與其它成功應(yīng)用的類似設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果比較。

為了提高盾尾刷的可靠性，可采用特殊的加強(qiáng)型盾尾刷。普通盾尾刷的材料大多是把很細(xì)的鋼絲綁扎在一起的鋼絲刷，為了止水需要向里面充填盾尾油脂。但是，油脂在推進(jìn)過程中會(huì)從鋼絲刷中流失，流失后由于同步注漿材料侵入到鋼絲刷內(nèi)固結(jié)導(dǎo)致鋼絲刷失去彈性，降低止水效果，導(dǎo)致發(fā)生問題。加強(qiáng)型盾尾刷是事先向盾尾刷內(nèi)注入填充材料，通過這個(gè)辦法解決了以往的問題，提高了盾尾刷的耐久性和止水性。

4.小結(jié)

上海地區(qū)長(zhǎng)距離深埋隧道工程的難點(diǎn)在于長(zhǎng)距離掘進(jìn)、高水土壓力、穿越含承壓水。因此盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)要考慮擴(kuò)大盾構(gòu)機(jī)可介入維修區(qū)域、加強(qiáng)關(guān)鍵部件的檢測(cè)及自動(dòng)化預(yù)警、加強(qiáng)關(guān)鍵部件的耐久性和可靠性設(shè)計(jì)三方面措施。通過分析工程難點(diǎn)可以得出，刀盤、刀盤驅(qū)動(dòng)、盾尾三個(gè)部件是重中之重，結(jié)合三方面措施解決好這三種部件的針對(duì)性設(shè)計(jì)，是提高盾構(gòu)機(jī)在上海地區(qū)長(zhǎng)距離深埋隧道工程中適應(yīng)性的關(guān)鍵。