复杂地层下盾构仓外破碎装置设计研究

翟 聪，郑帅超，叶 超，张鹏豪，徐纯杰

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

1 概述

随着近年来我国在铁路、公路和轨道交通等领域的基础设施建设规模不断扩大，地下管网和地下空间也不断地被开发。盾构法施工以其安全环保、操作方便、劳动强度低和快速经济性等诸多优点，在全世界各种地层的隧道建设中起到了举足轻重的作用[1-2]。

目前国内盾构法施工绝大多数采用土压平衡盾构或泥水平衡盾构两种模式盾构施工。土压平衡盾构具有掘进效率高、施工成本低等优点，但其对地表沉降控制能力较弱，易出现沉降过大等问题；泥水平衡盾构对地层扰动小，可以很好地控制地面沉降，但排浆管容易堵塞，造成排渣不畅，加速刀具磨损，且其施工成本较高。随着盾构施工的水文地质情况日益复杂，特别是针对裂隙、卵石、破碎带等地层，同时地表沉降控制要求高的工程项目，土压-泥水双模式盾构应运而生[3-4]。

破碎装置是盾构的重要部件之一，其主要作用是破碎进入仓内的大块岩石，避免出现堵管堵泵情况，使环流系统运行通畅。破碎装置在盾构上的布置形式有气垫仓内和气垫仓外两种，布置在泥水盾构气垫仓内的破碎装置的主要形式为颚式破碎机，其由两个颚板在液压油缸的作用下对岩块挤压破碎，如图1 所示[5]；布置在后配套拖车上的破碎机装置的主要形式为辊齿式破碎机，如图2 所示，此种破碎机虽然破碎效率高，维修方便，但其能够破碎的石块粒径小，不能满足大粒径岩块的破碎需求。

图1 气垫仓内部颚式破碎机

图2 辊齿破碎机

本文以某隧道建设工程为应用背景，提出一种在复杂地层下使用的仓外破碎装置，其可以在诸如裂隙、卵石、破碎带等复杂地层进行施工，不仅可以应用到土压-泥水双模式盾构上，也可用作单一模式泥水盾构的仓外破碎机或二次破碎机。其具备稀释、渣石破碎和粒径筛分功能，其布置在气垫仓外使其在维修时不用带压进入气垫仓内部，具有维修方便、实用性强、地层适应能力高等特点。

2 双模盾构工作原理介绍

某在建隧道盾构区间地质条件以砾岩、砂岩和泥质粉砂岩为主，岩层石英含量较高，下穿河流，并存在裂隙、卵石、破碎带等地层，地质情况较为复杂。项目采用泥水-土压双模式盾构进行施工，在施工时可根据穿越地质情况选择土压掘进模式或泥水掘进模式，以适应复杂多变的地层，在最大程度控制工程风险的同时，实现优质高效掘进[6]。土压-泥水双模式盾构的主机布置图如图3 所示。

图3 双模式盾构主机布置图

双模式盾构的土压掘进模式是将掌子面渣土经刀盘切削下来并充满土仓，由土仓压力来平衡掌子面水土压力，其通过螺旋输送机输送渣土。土压掘进模式适用于各种硬岩、软岩和黏土地层等土体自稳性较强的地层，具有施工工序简单、掘进效率高、耗能少和施工成本低等优点。

双模式盾构的泥水掘进模式即是用制好的泥膜和泥浆压力平衡掌子面的水土压力，通过泥浆管道输送渣土。泥水掘进模式可适用于砂层、淤泥、上软下硬地层及对地表沉降控制高等地层掘进施工，具备工作压力高、地表沉降控制好、刀盘刀具寿命长等优点。

3 仓外破碎装置结构设计和工作原理

3.1 仓外破碎装置结构组成

本文提出的气垫仓外破碎装置的整体结构组成如图4 所示，其主要由排浆管、格栅、破碎机、安装法兰、稀释箱、备用进浆管、箱体和出渣门等组成。

图4 仓外破碎装置结构组成

从图4 可看出，安装法兰布置在整个破碎装置上部进浆口处，整个破碎装置通过安装法兰螺栓连接在螺旋输送机出渣口法兰上。仓外破碎装置的箱体上布置有排浆管、安装法兰、备用进浆管、冲刷管和出渣门，其中格栅和破碎机安装在箱体内部。排浆管布置在箱体的外侧右端，并且在格栅的后面，与盾构泥水循环系统的排浆管路连接；两个泥浆冲刷管对称倾斜布置在箱体左侧底部，可对堆积在破碎区域的渣石进行冲刷，防止渣石阻塞或大量沉积，并加速破碎后的渣石通过格栅进入排浆泵中；破碎机可对进入箱体内的渣石破碎，降低排浆管和泥浆管路的磨损，同时破碎机设计有搅拌功能，可有效降低底部渣土的堆积。破碎机采用液压动力，润滑方式采用自动注脂，通过递进式分配阀对注入量可以方便地控制，且破碎机关键销轴处设置有自动油脂润滑注入孔，提高销轴可靠性。破碎机迎渣面焊接有耐磨复合钢板，提高破碎机的耐磨性能；格栅布置在箱体的右侧，用于限制破碎机破碎后进入排浆管的石块粒径，实现仓外破碎机粒径筛分功能，避免排浆管堵仓堵管。压力传感器安装在排浆管上部的封盖上，可实时检测仓外破碎装置的内部压力，当压力过大时，说明其内部出现堵仓滞排现象，需及时停止盾构掘进，通过打开出渣门等方式对其内部进行清理。

综上所述，仓外破碎装置主要由颚式破碎机、稀释箱和格栅3 部分组成，其制造完成后的实物如图5 所示。

图5 制造完成的仓外破碎装置

3.2 箱体结构强度分析

箱体是仓外破碎装置的基体，排浆管、格栅、备用进浆管、出渣口以及破碎机通过破碎机支座安装固定在箱体上。故箱体是仓外破碎装置受力情况和结构最为复杂的零部件，不仅箱体的强度、刚度要满足使用要求，其设计还要满足重量轻、制造方便等要求，故需要箱体整体结构进行强度分析和计算。

3.3 箱体有限元模型建立

由于仓外破碎装置的箱体结构较为复杂，故可先应用三维建模软件Creo 建立此箱体的三维模型。在建模时，可以对计算非常耗时的螺纹通孔、圆角，以及吊耳、安装孔等不影响箱体强度分析结果而又增加仿真复杂程度的特征因素予以简化忽略，以减小后续有限元分析的计算量，提升有限元分析速度[7-8]。将三维模型转化为STP 格式后，导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，并采用布尔运算方法对排浆管、备用进浆管、出渣口和箱体进行修正，将各个部件合成为1 个整体，便于网格划分[9]。箱体有限元模型的材料及其相关属性如表1 所示。

表1 箱体所用材料及其属性

有限元网格划分是有限元分析至关重要的一步，其划分大小和精度直接影响分析结果的准确性。由于仓外破碎装置箱体模型的体积较大，外轮廓尺寸为2828mm×3350mm×2412mm。为保证网格划分的准确性，应在连接法兰和破碎机的连接处等局部载荷较大的地方进行网格细化处理[10]。

3.4 仓外破碎装置箱体应力分析结果

在对仓外破碎装置箱体的有限元模型施加约束和载荷后，可运用有限元分析软件ANSYS Workbench 对模型进行强度分析，并得出如图6和图7 所示的箱体有限元模型的等效应力云图和整体变形云图。

图6 箱体等效应力云图

图7 箱体整体变形云图

从箱体模型等效应力云图可以看出，箱体等效应力的最大值出现在筋板处，其值为252.98MPa，小于箱体所用材料的屈服极限强度，且箱体的受力大致来讲比较均匀，箱体的结构设计满足强度要求。从箱体模型的整体变形云图中可以看出，箱体变形最大的地方在排浆管处，其最大变形量为7.85mm，可在排浆管与箱体连接的四周增加周向筋板等措施进一步减小此处的变形量。箱体其余部位的变形量较小，满足箱体的刚度要求[11]。

4 破碎机结构设计及受力分析

4.1 破碎机结构设计

安装在仓外破碎装置箱体内部的破碎机是仓外破碎装置的核心部件，其结构如图8 所示。破碎机主要由破碎机支座，破碎机左右油缸、右侧颚板、左侧颚板以及销轴组成。

图8 破碎机结构组成

图中破碎机支座安装在破碎装置箱体右端上部封板的凹槽里，并且由盖板封堵。破碎机油缸左右对称布置在箱体内部左右两侧，油缸的推杆耳座与破碎机支座通过销轴连接，油缸缸体耳座与颚板通过销轴连接，颚板在油缸推力作用下对进入箱体内的大粒径石块破碎。

4.2 破碎机破岩能力计算

破碎机在工作的过程中主要依靠油缸3 的推力作用于颚板对石块进行破碎，对破碎机左侧颚板7 的受力情况如图9 所示。

图9 破碎机鄂版受力分析

对图中的C点取力矩平衡方程式，可得

式（1）中，F1表示油缸3 对颚板的作用力，其值可通过式（2）算得；F2表示岩石对颚齿的作用力，L1表示F1到C点的力臂，L2表示F2到C点的力臂，两者的值分别为479.5mm 和331mm，得

式（2）中，p表示油缸压力，r表示油缸推杆的半径55mm，将上述值代入式（2）中，可得油缸的推力F1的值为333kN，将F1的值代入式（1）中，可得岩石对颚齿的作用力F2的值为482.4kN。

破碎机的破碎能力可由式（3）算得

式（3）中，F2为颚齿作用于岩石的作用力，S为颚齿与岩石的接触面积，将上述值带入式（3）中，可得破碎机的破碎岩石强度σ的值为198.4MPa，满足项目的使用要求。

5 仓外破碎装置渣石流动原理

在螺旋输送机出渣口配备的具有稀释、破碎和渣石过滤功能的仓外破碎装置，其主要由颚式破碎机、稀释箱和格栅组成。下面对其分别在土压掘进模式和泥水掘进模式下的渣石排出过程分别进行简要介绍。

5.1 土压掘进模式

当盾构处于土压掘进模式时，由刀盘开挖下来的隧道掌子面的渣土在螺旋输送机内形成土塞效应，并在螺旋轴带动下，通过螺旋输送机两道后出渣闸门，进入到与螺旋输送机相连的气垫仓外破碎装置内，并经由其内部的倾斜导渣板作用下进入破碎机的破碎区域。渣石经由破碎机的颚板破碎后，再经过格栅进行筛分，经破碎机破碎后可以通过格栅的石块，进入与排浆管连接的排浆管路排出；经破碎机破碎后无法通过格栅的石块则再需破碎机破碎，直至满足格栅的粒径要求。

5.2 泥水掘进模式

当盾构处于泥水掘进模式时，可根据由刀盘开挖下来的隧道掌子面的渣石粒径和实际地质条件选择如下几种方式出渣。

1）螺旋输送机+破碎机出渣模式 刀盘切削下来的掌子面的渣土在土仓里由螺旋机的土塞效应进入到螺旋输送机内，通过螺旋输送机两道后出渣闸门，进入到与螺旋输送机相连的仓外破碎装置中，再通过破碎机颚板的破碎和格栅的粒径筛选后，经与破碎机连接的排浆管路排出，如图10 所示。

图10 螺旋输送机+破碎机出渣模式

2）直排管出渣模式 当刀盘切削下来的掌子面的渣土可通过前隔板底部的直排管直接排出，可根据实际地质条件和渣土粒径，既可以通过仓外破碎装置的备用排浆管进入其箱体内部，再通过其稀释、破碎和粒径过滤后，通过与仓外破碎装置的排浆管排出；也可不经过仓外破碎装置直接由主排浆管排出，如图11 所示。

图11 直排管掘进模式

当盾构处于泥水掘进模式时，通过上述渣石排出模式，可使不同地层、不同粒径的渣石顺利排出，实现双模式盾构排渣效率最大化。

6 结论

1）以某隧道建设工程为应用背景，提出一种在复杂地层下使用的仓外破碎装置，对其主要结构组成进行详细介绍。其应用在单一模式或双模式盾构，具有稀释、破碎和渣石过滤功能，使盾构可在诸如裂隙、卵石、破碎带等复杂地层顺利施工，且其具有拆装、维修和清渣简便快捷等优点。

2）通过三维建模软件Creo 建立了仓外破碎装置的三维模型，并利用有限元分析软件对仓外破碎装置的箱体结构进行有限元强度分析，得出其箱体在受最大载荷工况下的等效应力和整体变形云图。并根据分析结果对箱体强度进行优化，使其满足使用工况要求。

3）对仓外破碎装置的核心部件破碎机的结构组成进行详细介绍，并对破碎机的破岩能力进行分析计算。

4）仓外破碎装置可根据施工地质条件，一键切换土压掘进模式和泥水掘进模式，实现不同地层、不同粒径的渣石顺利排出，避免堵仓滞排，实现排渣效率最大化。在双模式盾构分别处于土压掘进模式和泥水掘进模式下，仓外破碎装置的工作原理及渣石排出流程进行详细阐述。