直徑6.14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)
【提 要】：本文結(jié)合廣州地鐵區(qū)間隧道掘進(jìn)工程，設(shè)計(jì)改制2臺(tái)復(fù)合型土壓盾構(gòu)，滿足在高水壓軟土和風(fēng)化巖混合地層條件掘進(jìn)施工的要求。論文介紹了復(fù)合型切削系統(tǒng)和其他盾構(gòu)主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，重點(diǎn)論述了刀盤刀具的選型和地層條件的適應(yīng)性的技術(shù)難題。
【關(guān)鍵詞】：地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)土壓平衡
Abstract: The article incorporating running section tunnelling at Guangzhou Metro, designs to refurbish 2 Mixshields (EPBM) to satisfy construction requirements of tunnelling through high water pressure soft soil and weathered rock implicated soil. This paper presents design and calculation of Mixshield cutting system and other major systems of the shield, focusing on discussion of technical problems concerning type selection of disk cutter and soil condition adaptability.
Keywords: metro tunnel, shield machine, earth pressure balance.
1 國內(nèi)外現(xiàn)狀
2000年以來，我國各大城市的地鐵工程建設(shè)得到了迅速的發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道工程越來越多地采用盾構(gòu)法施工，土壓平衡盾構(gòu)具有土層適應(yīng)性強(qiáng)、干出土、機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。泥水加壓盾構(gòu)由于其泥水分離的成本高和復(fù)雜性而很少應(yīng)用。一般的土壓盾構(gòu)主要適用于軟土地層，最適用于淤泥質(zhì)土和一般的粘土。在砂性或礫石地層中掘進(jìn)，必須對(duì)切削土進(jìn)行改良，加注潤(rùn)滑劑，提高土體塑流性。廣州、深圳地鐵隧道的掘進(jìn)地層比較復(fù)雜，既有軟土又有軟巖，甚至硬巖，一般的土壓盾構(gòu)不適用軟、硬混合地層的掘進(jìn)，復(fù)合型土壓盾構(gòu)由于其刀盤上裝有切削軟土和巖石的兩種以上的刀具，而成為廣州、深圳地鐵工程的首選。
上海隧道工程股份有限公司于1999年中標(biāo)承建廣州地鐵2號(hào)線，海珠廣場(chǎng)站——江南新村站區(qū)間隧道工程，全長(zhǎng)1.７km，隧道穿越地層主要為殘積土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和弱風(fēng)化巖，風(fēng)化巖強(qiáng)度從2~46MPa不等，且穿越珠江底高水壓富含水地層。隧道地層縱剖圖見圖１。
根據(jù)地層條件和業(yè)主提出的利用已經(jīng)掘進(jìn)了約6km的2臺(tái)φ6.14m泥水加壓盾構(gòu)的要求，對(duì)原泥水加壓盾構(gòu)進(jìn)行了改制、設(shè)計(jì)，并完成了2臺(tái)φ6.14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)的制造、安裝和掘進(jìn)施工，積累了復(fù)合型土壓盾構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)。
2 盾構(gòu)選型和主要施工性能要求
掘進(jìn)廣州地區(qū)地層的盾構(gòu)性能，既要求能切削強(qiáng)度較低的粉質(zhì)粘土，又能切削強(qiáng)度達(dá)40MPa的粉砂巖、泥灰?guī)r層，一般的土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓平衡盾構(gòu)均不能切削軟巖。經(jīng)反復(fù)論證比選，確定盾構(gòu)型式為復(fù)合型，即其切削大刀盤上分別裝有切削殘積土的割刀和切削軟巖的盤型滾刀。
由于盾構(gòu)切削的巖體可能產(chǎn)生大塊巖石，使常用的帶中心軸的螺旋輸送機(jī)不利出碴，因此應(yīng)選用可運(yùn)出大石塊的帶式螺旋輸送機(jī)。
盾構(gòu)改制的關(guān)鍵是大刀盤切削系統(tǒng)和帶式螺旋機(jī)出土系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制造安裝。根據(jù)業(yè)主要求，用于掘進(jìn)施工的φ6.14m復(fù)合型盾構(gòu)指定由已經(jīng)在一號(hào)線掘進(jìn)施工約3km的2臺(tái)φ6.14m泥水加壓平衡盾構(gòu)改制(圖2)。
3 盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)和計(jì)算方法
盾構(gòu)設(shè)計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)包括總推力、刀盤切削扭矩、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)等。復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖3）。
3.1 盾構(gòu)總推力（F）
盾構(gòu)在推進(jìn)過程中可能遇到巖土層穩(wěn)定與不穩(wěn)定兩種情況，因此考慮盾構(gòu)總推力的時(shí)候，必須顧及此兩種情況。
3.1.1 硬巖盾構(gòu)總推力(F硬)
一般硬巖盾構(gòu)推力按（刀盤滾刀所需有效推力+盾構(gòu)自重）計(jì)算。廣州地鐵2號(hào)線隧道軸線穿越強(qiáng)風(fēng)化帶巖土外，還穿越微風(fēng)化帶的巖土層，巖性為粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、礫巖等。單軸極限抗壓強(qiáng)度fc=31.2MPa，抗剪斷強(qiáng)度c=3.4MPa,根據(jù)我公司長(zhǎng)期對(duì)TBM盾構(gòu)技術(shù)的研究，決定采用盤形滾刀和標(biāo)準(zhǔn)割刀組合布置的刀盤來開挖此隧道。刀盤上采用φ400mm的41把盤型滾刀為主體進(jìn)行全斷面破巖，以緊跟滾刀排列的86把割刀作輔助破巖。
滾刀在破巖過程中有垂直方向的切入力VF與滾刀在巖土上滾壓的滾動(dòng)阻力RF，而且銳刃滾刀與鈍刃滾刀所需的推力不一樣，41把盤型滾刀的推力為F1=ΣVFi+RFi，i=1～41
經(jīng)計(jì)算，滾刀所需的有效推力F1理論為790.5×104N
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)累積，F(xiàn)2應(yīng)為1025×104N
設(shè)計(jì)選取Fg
Fg＝F2＝1025×104N
3.1.2 土壓平衡盾構(gòu)總推力(F土)
土壓平衡盾構(gòu)在推進(jìn)過程中要克服以下一些阻力，有盾構(gòu)正面土壓力對(duì)盾構(gòu)的阻抗作用力Fp、（一般情況下可按盾構(gòu)軸心線上的平衡土壓力計(jì)算，特殊情況下應(yīng)按被動(dòng)土壓力計(jì)算）盾構(gòu)側(cè)面在自重、頂部水土壓力，底部水土壓力，側(cè)向水土壓力作用下受到的摩擦阻力Ff以及盾構(gòu)后部設(shè)備臺(tái)車的牽引阻力和盾構(gòu)糾偏過程中的附加阻力Fz
即：F土＝Fp＋Ff＋Fz
3.2 軟土和砂土地質(zhì)的盾構(gòu)，刀盤切削扭矩
慣用的計(jì)算式為
T= α·D3(為扭矩系數(shù))
此類盾構(gòu)一般取α=1.6
由于硬巖掘進(jìn)刀盤所需的扭矩大大小于軟土或砂土地質(zhì)下掘進(jìn)的刀盤扭矩，因此，本方案中刀盤最大扭矩的配備按軟土中施工的扭矩配置。
T=482.6×104N·m
3.3 推進(jìn)速度(v)
推進(jìn)速度的快慢是一個(gè)綜合指標(biāo)，是工地上能源配備，隧道施工中水平、垂直運(yùn)輸能力諸因素綜合平衡的結(jié)果，本盾構(gòu)選用
v=5.1cm/min≈3000mm/h
3.4 管片拼裝機(jī)
管片拼裝機(jī)的功能是將預(yù)制混凝土或鋼制管片按設(shè)計(jì)要求在盾尾區(qū)間拼裝成環(huán)，并使環(huán)環(huán)相扣形成隧道。因此其必須具備將任一塊管片安裝到指定位置的能力。一般來說，其安裝過程是一個(gè)空間管片作業(yè)過程，因此，人們將拼裝機(jī)稱作是安裝管片的機(jī)械手。拼裝機(jī)由盤體機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)部件、擋輪、托輪、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等部件組成。盤體機(jī)構(gòu)是以鋼結(jié)構(gòu)為主體，傳動(dòng)部件采用齒嚙合形式，盤體旋轉(zhuǎn)速度分快、慢兩種。拼裝機(jī)設(shè)計(jì)由兩部分工作構(gòu)成；其拼裝過程的運(yùn)動(dòng)軌跡由精確作圖來完成，而傳動(dòng)功能則要作理論計(jì)算。主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算如下：
提升力(F)＝70kN×2
回轉(zhuǎn)力矩(TP)＝100kN·m
轉(zhuǎn)速(v)v1＝0.5r/min；v2=1.0r/min
傾覆力矩(TQ)
拼裝機(jī)的傾覆力矩，由若干側(cè)向擋輪平衡。
回轉(zhuǎn)角度 ±200°
拼裝機(jī)提升行程 650mm
拼裝機(jī)平移行程 600mm
拼裝機(jī)鉗口油缸伸縮行程 60mm
3.5 螺旋輸送機(jī)
螺旋輸送機(jī)的功能是將盾構(gòu)推進(jìn)過程中的棄土從工作面輸送出來，并由其他設(shè)備運(yùn)送至隧道外。盾構(gòu)推進(jìn)速度的快慢，決定了每小時(shí)出土的多少。因此，螺旋輸送機(jī)輸送棄土能力的配備考慮到盾構(gòu)的最大推進(jìn)速度。同時(shí)，盾構(gòu)在推進(jìn)過程中維持工作面的土壓平衡是靠控制螺旋輸送機(jī)的出土量來實(shí)現(xiàn)的，常用的帶中心軸的螺旋輸送機(jī)不易出渣，因此，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，采用帶式螺旋輸送機(jī)，見圖４。
螺旋輸送機(jī)總長(zhǎng)約10m，采用后部1點(diǎn)支撐，驅(qū)動(dòng)部件為低速大扭矩馬達(dá)。部件主要參數(shù)：
螺稈直徑D=700mm
螺稈節(jié)距L=700mm
最大轉(zhuǎn)速nmax=15.5r/min
輸送量Q=199m3/h（η=100%）
驅(qū)動(dòng)扭矩T=4×10kN·m
4 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)研究
4.1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究
大刀盤是與開挖面巖土直接接觸的結(jié)構(gòu)件，其主要功能是破碎巖土。
本區(qū)段隧道工程，從海珠廣場(chǎng)站至江南新村站，盾構(gòu)將穿越9號(hào)弱風(fēng)化帶巖石約300m，為滿足工程施工要求，刀盤的設(shè)計(jì)和制造是十分關(guān)鍵的。
刀盤由盤體和滾刀、割刀等組成。刀盤盤體在盾構(gòu)推進(jìn)過程中承受著巨大的抗力。因此，盤體結(jié)構(gòu)除滿足強(qiáng)度條件外，必須考慮足夠的鋼度，以免在施工過程中變形而影響正常地運(yùn)行。盤體設(shè)計(jì)成剛性較好的“︹ 及ㄇ”形式（圖5）的刀盤盤體。
本盾構(gòu)的刀盤盤體上共布置有127把刀具，其中滾刀有41把，滾刀的布置符合一定的規(guī)則，即既要能全斷面破碎巖石，又要根據(jù)盤體中心與邊緣線速度的不一致而作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，圖6，圖7，圖8列舉了單聯(lián)滾刀、雙聯(lián)滾刀、中心滾刀的情況。
滾刀由盤形刀片、軸承、心軸、刀殼等組成，盤形刀片由特殊的硬質(zhì)合金材料制造，經(jīng)熱處理后具有高硬度高強(qiáng)度等性能，足以破碎巖土，本盾構(gòu)每把滾刀承受抗力可達(dá)250kN。
滾刀安裝在盤體上的刀座上，用緊固螺釘固定(圖9)。遇到刀具磨損或地層變化需要調(diào)換刀具時(shí)，操作工可以在刀盤盤體后方安全區(qū)域工作。
其余86把割刀成輻條形規(guī)則地布置在刀盤盤體上，起輔助切割作用(圖10)。與滾刀一樣，割刀也可以方便地更換。
這樣，布置的滾刀、割刀不管在性能穩(wěn)定的微風(fēng)化巖土地層或是不穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)化巖土層中，盾構(gòu)都能有效地全斷面掘進(jìn)。
4.2 盾構(gòu)初推段及切削刀具的改進(jìn)
盾構(gòu)出洞初推段即碰到強(qiáng)、中風(fēng)化巖地層，產(chǎn)生盾構(gòu)推力大（達(dá)20×106N）、掘進(jìn)速度慢（0.5~2mm/min）、刀盤扭矩大（2.5~3.3×106N·m）等問題,經(jīng)分析研究,即時(shí)采取拆除刀盤上的27把盤形滾刀,更換成先行刀,適宜切削強(qiáng)度較低的風(fēng)化巖,起到撕裂破壞巖體的作用.先行刀高出刀盤面板95mm、110mm和150mm三種，見圖11。先行刀與滾刀可互換。
盾構(gòu)刀盤改制后，推進(jìn)速度提高到可日推進(jìn)可達(dá)5m。
4.3 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是為大刀盤挖土提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。
在硬巖層掘進(jìn)時(shí)刀盤所需的扭矩小而轉(zhuǎn)速高，在軟土或砂土地質(zhì)掘進(jìn)時(shí)刀盤所需的扭矩大而轉(zhuǎn)速低，因此盾構(gòu)機(jī)刀盤的扭矩按軟土地質(zhì)施工中的最大扭矩配置。本系統(tǒng)為盾構(gòu)關(guān)鍵部件,采用相關(guān)的日本公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。刀盤主要參數(shù)：
a. 刀盤切削直徑D＝6.21 m
b. 刀盤轉(zhuǎn)速n=1～3 r/min
c. 刀盤最大扭距Tmax= 4.826 ×106 N·m
驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)共12臺(tái)，配置油泵組14臺(tái)，當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入軟土地層時(shí)，開動(dòng)5臺(tái)油泵組，系統(tǒng)為高扭矩，低轉(zhuǎn)速；當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入硬巖地層時(shí)，開動(dòng)全部14臺(tái)油泵組，系統(tǒng)達(dá)到低扭矩，高轉(zhuǎn)速。
5 結(jié)語
結(jié)合廣州地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道工程地質(zhì)條件，在消化吸收國外復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將2臺(tái)已使用過的泥水加壓盾構(gòu)，創(chuàng)新改制為兩臺(tái)φ6.14m復(fù)合型土壓盾構(gòu)，并用于隧道掘進(jìn)，解決了盾構(gòu)穿越江中段大深度、高水壓風(fēng)化巖地層的難題，取得了復(fù)合型盾構(gòu)在廣州等復(fù)雜地層中施工的經(jīng)驗(yàn)。表明上海隧道工程股份有限公司在盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造的技術(shù)水平上實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。
新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》
