关于富水圆砾层隧道盾构机选型的探讨

郭 洋 张永焕

中国建筑第八工程局轨道交通分公司

关于富水圆砾层隧道盾构机选型的探讨

郭 洋 张永焕

中国建筑第八工程局轨道交通分公司

富水圆砾层盾构施工面临喷涌、地表沉降、刀具磨损较大，本文就圆砾层盾构施工的特点对从多个方面对土压平衡盾构机的适用性进行论证，包括刀盘刀具布置、驱动系统、针对性设计改造等。

隧道工程；富水圆砾层；盾构机选型

1 工程概况

南宁轨道交通2号线福建园站～南宁剧场站区间，区间总长度为1187.613m。区间线路由两段直线和一段曲线构成，曲线半径为R550m，线间距为16m～16.9m。线路最大坡度为10.27‰，区间为单向坡。区间主要穿越富水圆砾层和部分砂层根据详堪成果本场地地下水类型主要为松散岩类孔隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于粉土③1和圆砾⑤1-1层，略具承压性，富水性较强，属强透水层。由于区间线路较短且端头场地较小不满足泥水盾构的施工条件计划采用复合式土压平衡盾构机，本文将依据以上地质情况和施工条件，并参照国内外已有盾构工程实例，以及相关的盾构技术规范，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则对土压平衡盾构机对圆砾层的适用性进行论证。

2 施工重难点及对设备的要求

2.1 区间地质不利条件或重难点

（1）盾构穿越圆砾层时，渣土改良和出渣量及地表沉降的控制；

（2）全断面富水圆砾层掘进扭矩偏高地层含水量大、易发生喷涌；

（3）圆砾和砂层掘进对刀具和螺旋机的磨损较大；

（4）圆砾层摩擦阻力大，盾构推力可能偏大；

（5）围岩强度低，可能存在边缘滚刀偏磨问题；

（6）地层渗透性差，管片拼装易上浮；

2.2 对设备的要求

圆砾层掘进时渣土塑性不好，刀盘扭矩大，土仓建压不易，为了降低刀盘扭矩，有可能发生欠压掘进现象，易导致地表沉降。要求盾构有足够的推力和扭矩。

穿越全断面富水圆砾层掘进扭矩偏高、易发生喷涌，螺旋机保压效果差，易发生喷涌，导致土仓失压，引起地表沉降。要求盾构具有防喷涌措施。

在透水性强的砂层掘进时，地下水可渗入土仓影响渣土的和易性。要求配置较强的渣土改良系统。

圆砾对刀盘、刀具、螺旋机的磨损较大。要求刀盘、刀具、螺旋机具有较强的耐磨性。

3 盾构机构造

3.1 刀盘结构

采用准面板结构设计，主要结构为辐条+面板，开口率：34%。开口在整个盘面均匀分布，中心部位设有面积足够的开口，可在南宁泥岩和圆砾层通用。

3.2 刀具布置

（1）滚刀：17寸中心双联滚刀4把（8刃）、18寸单刃滚刀31把，共39刃，滚刀高度187.7mm。中心双联滚刀间距90mm、正滚刀间距100mm，弧形区域刀间距依次递减，可有效的保证刀盘开挖直径，减少边滚刀更换的次数。所有的单刃滚刀均为同一规格，边滚刀磨损后可换为正滚刀使用。

（2）周边刮刀8把，刀高130mm，硬质合金采用YG13C材料。其不但可以清理外围开挖的渣土，还可以有效防止刀盘大圆环的直接磨损。

（3）刮刀36把，刀高130mm，宽度200mm，大合金银钎焊形式，硬质合金采用YG13C材料，全断面覆盖，错刃布置以利于在砂质粘性土和全、强风化岩切削。

（4）滚刀可以实现与撕裂刀（羊角刀或贝壳刀）的互换，以适应不同的地质条件。

3.3 主驱动：

配置的主轴直径3061mm，最大使用推力荷载1250t，试验推力荷载3125t，破坏推力荷载5000t，安全系数4。有效使用寿命≥10000小时，

9组液压驱动，额定扭矩6650kNm，脱困扭矩8100kNm，可以满足在砂层等对扭矩要求较高的地层中掘进；最高转速3.35r/min，主轴承外密封4道，内密封3道，密封最大承压能力5bar。

3.4 前盾

前盾直径Φ6250mm，长度2083（含耐磨层）mm，盾壳厚度60 mm。

前盾切口位置焊有5mm耐磨层，增加耐磨性。为了改善渣土的流动性，土压仓内隔墙上设有两个搅拌棒，搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，增加和易性。其中一个搅拌棒注泡沫，另一个注膨润土，搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性。

人舱内部压力隔板上部设有Φ600mm前舱门孔和一个前舱门。工作人员通过前舱门进入土仓检查更换刀具及处理仓内问题。

土仓内隔板上下左右配置了5个，锥板顶部配置1个具有高灵敏度的土压力传感器，能在主控室内显示压力，并可根据土压力，操作人员调节螺旋输送机的转速，能很好地控制土压平衡，减少地面沉降。

3.5 中盾

中盾直径为Φ6240mm，半径方向比前盾小5mm，中盾长度为2820mm，盾壳厚度为40mm，中盾和尾盾采用被动铰接连接。

3.6 铰接结构设计、铰接密封性能参数

中盾和盾尾之间设计有两道密封，一道为橡胶密封，一道为紧急气囊密封，如下图所示。正常情况下，橡胶密封起作用。在涌水或橡胶密封损坏需要更换时，使用紧急气囊密封。通过调节调节块的螺栓可以调节橡胶密封的压缩量，从而调节中盾与尾盾之间的密封间隙。

3.7 超前注浆孔及布置

在掌子面不稳定及涌水地层，可能需要对地质进行加固，防止开挖面坍塌造成地表沉陷。根据超前注浆的影响区域，沿中盾盾壳圆周上半部180°范围内设计10根超前注浆管，可对地质进行超前钻探、注浆加固。同时在盾体压力隔板上布置6+1个超前注浆孔，可通过刀盘开口往隧道正前方钻孔及加固。

3.8 管片拼装机

管片拼装机具有6个自由度，回转速度0-1.8rpm。所有动作可遥控，便于与拼装机配合操作。轴向油缸行程2000mm，可实现洞内更换两排尾刷。

3.9 螺旋输送机

（1）轴式螺旋输送机内径800mm,最大通过粒径290×560mm，设计有一道前闸门和两道出渣闸门，螺旋机轴可伸缩，伸缩量900mm。

（2）采用下部出碴结构，防止了螺旋机出口堆渣现象发生。

（3）螺旋输送机额定扭矩210kNm,最高转速25r/min。

（4）预留了膨润土和高分子聚合物注入接口和保压泵接口，后闸门配置蓄能装置，设备断电时，可自动关闭闸门。

4 盾构机针对性设计改造

4.1 防喷涌设计

当地下水比较丰富、土层透水系数较高，且螺旋机内的碴土难以形成“土塞”时，发生螺旋机喷涌现象的可能性较大。防止喷涌的设计如下：

（1）盾构机出土口设置2个闸门，通过控制两个闸门的不同开度，使出渣的路径形成S形，以降低喷涌压力；

（2）预留了膨润土和高分子聚合物注入接口，必要时，可向土仓壁和螺旋机内注入膨润土或高分子聚合物，以缓解螺旋机的喷碴压力。

（3）设置有保压泵接口，必要时可联接泥浆泵或泥浆管，缓解喷碴压力。

4.2 小倾斜角度皮带机改造

在富水地层掘进发生喷涌时，大角度的皮带机难以将稀碴上送，导致漏碴严重影响施工。提供的盾构设计9.5°的小倾角皮带机，根据相关工程案例，输送稀碴的能力大大提高，基本能够将稀碴送出，保证发生喷涌时掘进施工的正常进行。

4.3 掌子面辅助支撑系统（FAS）改造

设备可选配掌子面辅助支撑系统（FAS），在土压平衡盾构中引入泥水平衡盾构的平衡原理，利用泥膜形成隔离层，防止出现坍塌。

掌子面辅助支撑系统（FAS）有以下两个主要的功能：

利用泥膜形成的隔离层，在上软下硬地层或复杂地层掘进，可以有效防止出现坍塌。

（1）如果上软层是粘土类的不渗透地层，则土压盾构碴土改良的泡沫产生的气泡会聚集在土仓顶部，由于地层不渗透，气压可以作为介质压力对拱顶形成支撑作用。此时膨润土保压系统可以不用。

（2）如果上软层为砂土类渗透性的地层，气泡会从地层中溢出，随之保压系统的泥浆会向地层渗透形成泥膜，土仓顶部的介质，不管是气体、或水、或泥浆、或碴土都会对拱顶形成支撑作用。

（3）当刀具切削泥膜后，会不断重复气体溢出，泥浆补充再形成泥膜的过程，持续的保持土仓顶部的有效压力支撑。

掌子面辅助支撑系统（FAS）的另外一个功能是，膨润土气罐的空气压力可以作为判断土仓顶部压力的一个辅助参考值。

土仓隔板上的土压传感器有时会被糊住，或者被石块顶住，显示的土仓压力可能会失真。而膨润土气罐的空气压力显示不受土仓碴土状态的影响，能够较为真实的反映土仓顶部压力，有助于操作者判断土仓压力的真实状态，对防止地表沉降有利。

4.4 膨润土注入系统改造

针对南宁圆砾层细颗粒不足问题，掘进时需要添加膨化后的膨润土，盾构配备性能良好能力足够的膨润土注入系统。针对可能存在的卡盾问题，配置盾壳外膨润土注入系统。盾壳外膨润土润滑注入系统可有效降低盾壳摩擦阻力。系统操作在主控室进行，具有自动运行功能。

针对复合地层中带压换刀存在的建立气压困难问题，可以向盾壳外侧注入膨润土，有利于建立土仓气压力，进行土仓换刀作业。

5 结语

泥水平衡盾构机适用于大多数强透水层但相比于土压平衡盾构机施工成本高，对场地要求高，根据以上分析研究，传统的复合式土压平衡盾构机在针对性的设计改造后能够满足富水圆砾层的施工要求，经过南宁地铁2号线福建园站～南宁剧场站区间施工的验证后，证明该盾构机选型是合理的。