針對(duì)上軟下硬地層的盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

盧 楊

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司, 山東濟(jì)南 250000)

城市地鐵的快速發(fā)展離不開盾構(gòu)技術(shù)的不斷提升[1]，在針對(duì)城市復(fù)合地層盾構(gòu)施工時(shí)，許多學(xué)者根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行了深入研究。趙先鵬等[2]對(duì)軟硬不均地層的盾構(gòu)法施工技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，包括刀具磨損、軸線偏移和地面沉降等；李學(xué)軍[3]、鄭鵬飛等[4]對(duì)泥巖和砂卵石復(fù)合地層的施工現(xiàn)場盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了記錄，通過數(shù)據(jù)比對(duì)獲得了盾構(gòu)機(jī)優(yōu)化參數(shù)；彭正勇等[5]以臺(tái)山核電站取水隧洞通過軟硬不均地層為依托，介紹了爆破注漿加固地層的盾構(gòu)推進(jìn)方法；譚忠盛等[6]針對(duì)軟硬不均的黏性地層容易出現(xiàn)的“泥餅”現(xiàn)象及富水地層“噴涌”現(xiàn)象，采取盾尾環(huán)形間隙同步注漿技術(shù)，加強(qiáng)沉降監(jiān)測，確保了施工安全；靳利安[7]、王君平[8]對(duì)于黏土地層換刀作業(yè)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出停機(jī)換刀的流程和注意事項(xiàng)；歐陽垂禮等[9]對(duì)地處不良地質(zhì)條件下的城市地鐵地表沉降控制措施進(jìn)行了闡述，確保施工安全可靠。

以上學(xué)者對(duì)上軟下硬地層盾構(gòu)施工技術(shù)難點(diǎn)、機(jī)械參數(shù)優(yōu)化、換刀及沉降控制等方面進(jìn)行了較為完善的介紹，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合徐州城市地鐵2號(hào)線某區(qū)段，對(duì)S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層施工進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

徐州城市地鐵2號(hào)線某區(qū)段包含2車站3區(qū)間，人流、車流量密集，如圖1所示。地層為上軟下硬的黏土層及砂巖層復(fù)合地層。為盡量減少對(duì)原有環(huán)境的影響，本文將重點(diǎn)介紹S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中施工的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括刀盤、刀具布置形式、刀盤主驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)、渣土改良系統(tǒng)和掘進(jìn)過程適應(yīng)性分析6個(gè)方面，達(dá)到安全且高效的施工目的。

圖1 盾構(gòu)施工區(qū)間示意

圖2 刀盤布置形式

2 刀盤、刀具布置形式

2.1 刀盤

盾構(gòu)機(jī)刀盤采用輪輻式與面板式混合型刀盤，如圖2所示，開口率約為30%，保證在刀盤的旋轉(zhuǎn)過程中，每個(gè)方向都有足夠的渣土出口。刀盤整體采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成，周邊及中心部件采用“螺栓+焊接”的方式固定，保證了施工過程中的剛度要求。刀盤標(biāo)稱直徑為6 480 mm，總重為55 t，具備足夠掘進(jìn)穩(wěn)定性。

2.2 刀具

盾構(gòu)機(jī)刀具根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)和刀具破巖機(jī)理設(shè)計(jì)，針對(duì)上軟下硬地層，刀盤上安裝多種類型的刀具進(jìn)行掘進(jìn)開挖，包括中心滾刀、單刃滾刀、刮刀、焊接撕裂刀、先行刀、保徑刮刀和磨損監(jiān)測刀等。根據(jù)刀具配置形式及原理，本工程擬采用的S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀具配置如表1所示。

表1 S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀具配置

3 刀盤主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

考慮到本工程復(fù)合地質(zhì)條件，S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤主驅(qū)動(dòng)主軸承采用長3 m的德國羅特艾德進(jìn)口軸承，為保持一定的掘進(jìn)速度，需有較高轉(zhuǎn)速，因此配置了大功率高轉(zhuǎn)速主驅(qū)動(dòng)。主驅(qū)動(dòng)采用3 000 mm的三排滾柱式主軸承，8組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，額定扭矩為6 228 kN·m，脫困扭矩為7 447 kN·m，總功率為945 kW。

4 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

本盾構(gòu)機(jī)采用雙螺旋機(jī)進(jìn)行輸送，如圖3所示，雙螺旋機(jī)形式采用大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，扭矩大，轉(zhuǎn)速高，出渣能力強(qiáng)，筒體內(nèi)徑820 mm，最大出渣粒徑300 mm×590 mm。同時(shí)，雙螺旋設(shè)計(jì)能有效防止噴涌，后部驅(qū)動(dòng)方式密封效果好，驅(qū)動(dòng)軸和螺旋葉片均有耐磨保護(hù)。

圖3 雙螺旋機(jī)示意

5 渣土改良系統(tǒng)

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，渣土改良系統(tǒng)可以將泡沫、膨潤土、泥漿通過中隔板注入到土倉或刀盤(圖4)，起到改善土體的流塑性和穩(wěn)定開挖面的作用。

盾構(gòu)機(jī)刀盤面板上設(shè)置泡沫注入口，通過活性劑和泡沫合成劑混合而成的泡沫，進(jìn)入土倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)，可以提高土體的流塑性，防止“泥餅”的產(chǎn)生，避免機(jī)械堵塞。泡沫進(jìn)入刀盤參與掘進(jìn)過程，在刀具的作用下與土體充分混合，在上軟下硬地層中，能夠起到改善渣土和易性、防止渣土附著刀盤的作用。

膨潤土漿液通過特制的膨潤土注入泵(圖5)輸送至盾構(gòu)機(jī)土倉螺旋輸送機(jī)內(nèi)。其中，膨潤土漿液在砂性土和砂礫土地層中，可以有效改善土的流動(dòng)性。

圖4 聚合物注入示意

圖5 膨潤土注入泵

6 上軟下硬地層掘進(jìn)過程適應(yīng)性分析

盾構(gòu)機(jī)刀盤在黏土地層掘進(jìn)時(shí)易結(jié)成泥餅，影響推進(jìn)速度。為解決此問題，S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)在土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，通過控制掘進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、閘門開啟程度來保證壓力平衡。其中，掘進(jìn)速度控制需要盾構(gòu)機(jī)在保持掘進(jìn)姿態(tài)的同時(shí)，鉸接千斤頂行程控制在40～80 mm范圍內(nèi)，防止最大行程和最小行程的出現(xiàn)。此外，加強(qiáng)地表沉降監(jiān)控，嚴(yán)格控制出土量，也能有效增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中的穩(wěn)定掘進(jìn)。

7 結(jié)論與建議

(1)輪輻式與面板式混合型刀盤及多種刀具結(jié)合形成的掘進(jìn)面，能在上軟下硬復(fù)合地層中提供足夠的剛度和切削能力，在總功率為945 kW的刀盤總驅(qū)動(dòng)下，保障了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度和穩(wěn)定性。

(2)采用雙螺旋機(jī)輸送形式，后部驅(qū)動(dòng)方式密封效果好，通過兩級(jí)運(yùn)輸，能有效防止噴涌。

(3)渣土改良系統(tǒng)包括注入泡沫和膨潤土漿液2種，輸送至刀盤、土倉和螺旋機(jī)輸送內(nèi)，起到改善土體的流塑性和開挖面的穩(wěn)定性的作用。

(4)掘進(jìn)過程中，對(duì)千斤頂行程、土壓力及地表沉降進(jìn)行監(jiān)控，來解決S906海瑞克盾構(gòu)機(jī)穿越黏土地層時(shí)易結(jié)成“泥餅”的問題。