刍议盾构机卵石处理装置的设计及应用

刘双仲，许彦平

（辽宁三三工业有限公司，辽宁 辽阳 111000）

在我国城市化进程逐渐加快的同时，交通设施、水利设施建设数量不断增加，隧道建设数量也在不断增加。由于泥水平衡盾构机的隧道地面沉降量与开挖面压力控制精度较高、主驱动承压能力较强，因而其可应用在含水率较高、透水性较强、开挖面稳定性较差的砂层盾构施工中。现阶段，泥水平衡盾构机主要应用于穿河过江、湖底海峡等隧道工程中。泥水平衡盾构机在施工过程中，可在气垫舱中利用卵石处理系统破碎、搅拌之后，将这些卵石通过浆管排出隧道，之后将其输入到地面上，利用泥水分离站对其进行分离、循环利用。需依据隧道地质情况选择最合适的卵石处理装置，如此才可满足施工要求，保证施工进度及施工质量。若选择不合适的卵石处理装置，将致使气垫舱中堆积大量碴石、加剧出浆管路磨损程度、损坏出浆泵，进而对泥水环流系统造成不良影响，严重的甚至会影响隧道开挖面水土压力平衡性，引发坍塌事故。此外，卵石处理装置损坏之后，需整机停止工作，之后才可进行维修，如此将直接影响施工进度。为避免此问题，本文依据“总体控制，疏排为主，破碎为辅”原则，设计了卵石处理装置。

1 盾构机概述

盾构机属于一种重要的隧道掘进机。其在掘进机掘进过程中将建设隧道之“盾”，其与敞开式施工方法不同。国际方面认为，盾构机可用于岩石地层施工，其与敞开式隧道掘进机施工方式不同。然而我国认为盾构机是软土地层隧道掘进机。使用盾构法建设隧道，由于其具备自动化程度较高、可节约大量人力资源、施工速度较快、且施工不受气候影响等优势，在隧道洞线较长、埋深较大时，大多采用盾构机施工方式。盾构机就是通过圆柱体钢组件沿着隧洞轴线向前推进、挖掘土壤。圆柱体组件的壳体也就是护盾，其可临时支护钢挖掘、未砌筑的隧洞，其可承受土层压力、地下水压力。依据盾构机工作原理可将其分为手掘式盾构机、挤压式盾构机、半机械式盾构机、机械式盾构机（比如泥水加压盾构机、土压平衡盾构机等）。泥水式盾构机可利用加压泥水、泥浆保证开挖面的稳定性，刀盘后面设置有密封隔板，其可与开挖面形成泥水室，开挖土料与泥浆混合之后将通过泥浆泵运输到隧洞外进行分离，分离之后可重复利用。不同种类盾构机开挖方式也不同，其主要包含：敞开式、机械切削式等多种开挖方式。盾构施工过程中，为减少盾构设备对地层的影响，可使用千斤顶推动盾构进入土层中，并在切口处进行土层开挖、运输操作。虽然盾构机成本较高，但是可有效提升施工进度及施工质量。为保证施工不会对地面工程造成巨大影响，且保证施工进度，需依据施工现场地质情况及施工要求，选择最合适的盾构机进行施工。

2 卵石处理装置研究现状分析

盾构机主机厂家不仅研发了液压颚式碎石机、搅拌器来处理隧洞中的卵石，同时厂家还依据隧道地质情况、工程施工要求，设计了多种卵石破碎装置。主要包含：圆锥破碎机、滚筒筛+旋转式送料机、螺旋输送机+双辊破碎机等（如图1、2）。圆锥破碎机是通过盾壳、圆锥滚子的相对旋转把由刀盘进入其中的卵石破碎开，其动力来源于刀盘旋转驱动动力传递，此种方式可应用于断面较小、破碎扭矩较小、开挖直径小于3m 的顶管机或小型泥水盾构机中；滚筒筛+旋转式送料机将卵石运输到主机外进行处理，如此可避免气垫舱发生故障，可通过气垫舱中的滚筒筛筛分卵石，小颗粒卵石将与泥浆共同排出隧道，大颗粒卵石则需通过旋转送料机排出隧道，与出浆泵串联在一起的颚式破碎机，则可将大颗粒卵石破碎后通过排浆泵排出隧道；螺旋输送机+双辊破碎机工作原理为：开挖舱中的卵石将被螺旋输送机传输到泥浆环流系统中，并利用双辊破碎机破碎后通过排浆泵排出隧道；搅拌器+轧辊破碎机具备搅拌、破碎的功能，其可通过搅拌器把完成切削的卵石搅拌运输至轧辊破碎机进料口，轧辊式破碎机粉碎之后将通过排浆泵将其排出隧道。

3 卵石处理装置结构设计与原理研究

3.1 结构组成

图1 圆锥破碎机及其顶管机

图2 滚筒筛+旋转送料机

隧道工程中卵石粒径较大、含量较多、破碎难度较大，使用常规卵石处理装置并不能有效破碎卵石，因此依据隧道工程地质情况、施工难度及施工要求，依据“总体控制，疏排为主，破碎为辅”原则，优化了卵石处理装置。搅拌器、碎石机是卵石处理装置的主要构成部分。搅拌器是由叶轮、叶轮驱动密封组件等构成的，其可用于泥水盾构机（此盾构机可用于复合地层、富水砂卵石地层施工）。碎石机需安装在气垫舱中，液压油缸的伸缩将推动转动颚摆动，把大粒径卵石破碎为小粒径卵石，并通过转动颚的摆动搅拌气垫舱中的碴石。另外，双舱采石箱、泥浆管路破碎机均属于卵石处理装置。两个采石箱（配置有液压闸门、格栅、浆管）串联将形成双舱采石箱，其可依据隧道施工要求交替或同时使用，其目的是筛分卵石，以免大粒径卵石进入排浆泵中，引发叶轮故障、排浆泵故障；容纳量可达到3m3，承压能力达到1.2MPa，卵石最大筛分粒径可达到150mm；在施工过程中，泥浆管路破碎机可利用偏心轴颚式破碎结构破碎大粒径卵石，相较于液压颚式碎石机，其碎石能力较高；泥浆管路破碎机每小时可破碎50t 卵石、其承压能力达到0.6 兆帕、破碎后卵石粒径将小于80mm。

3.2 工作原理

第一种卵石处理装置是由颚式碎石机、双舱采石箱构成的，液压颚式碎石机可将气垫舱中的大粒径卵石破碎成小粒径卵石，之后由排浆泵运输到排浆管中，并由双舱采石箱筛分卵石，不能通过排浆泵排出的大粒径卵石可沉淀在箱底，之后通过液压闸门排出，可通过排浆泵排出的小粒径卵石则可直接排出。第二种卵石处理装置是由搅拌器、泥浆管路破碎机构成的（搅拌器安装在气垫舱中，泥浆管路破碎机安装在出浆管、排浆泵前）。输入到气垫舱中的卵石将被搅拌器搅拌（如此可避免卵石沉积在气垫舱底部），之后需由排浆泵输入排浆管中，由泥浆管路破碎机破碎、筛分这些卵石，泥浆管路破碎机可将大粒径卵石破碎成小粒径卵石，由排浆泵排出。

4 卵石处理装置的运用

4.1 工程概述

某城市轨道交通线路，长度为27km，其将穿越河流，最大埋深达到了36m，穿越地层大多为卵石层，卵石层厚度为2 ～7m 之间，其含水量较高，且地质胶结性较弱；大部分卵石为粒径大于2cm 的卵石、漂石（大多为粒径2 ～5cm的卵石；漂石最大粒径为55cm）。

4.2 施工难点

泥水盾构机在此区域施工将面临以下施工难点：①此隧道工程将穿越卵石层，其地质结构较为紧密，此地层中含有部分直径在500mm 以上的漂石，刀具切削面并不平整，利用刀具破岩较为困难；②此地层中，50%～55%的卵石粒径大于2cm，其中还填充部分中粗砂，致使盾构机磨损较为严重；③施工过程中，可能由于排泥速度、泥浆携渣能力较弱等问题，致使排泥管堵塞，进而影响施工速度及施工质量；④此地层胶结性较差，含水量较高，且渗透系数较大，施工过程中很难有效控制压力平衡，极易出现地面沉降问题，进而影响施工质量。

4.3 使用效果

研究发现，泥水盾构机每月可施工240m 以上，施工过程中出现排泥管、气垫舱堵塞问题次数较少；排浆泵出现故障的几率也较低；可在出浆管等易损件使用三个月以上时间后更换这些易损件；有效提升盾构机施工效率及质量，提升整个隧道工程的施工进度及质量。

5 结语

总而言之，盾构机属于重要隧道施工设备，而泥水盾构机卵石处理装置将直接影响盾构机施工进度及施工质量。因而，我们需深入研究泥水盾构机卵石处理装置，并不断优化泥水盾构机卵石处理装置设计，提高其抗压强度、破碎机排放卵石速度，提升施工效率及质量。