北京地鐵土壓平衡盾構設計
【摘 要】 文章敘述了北京地鐵加泥土壓平衡式盾構的設計，著重介紹了具有創(chuàng)新特點的盾構推進系統(tǒng)中的并聯(lián)油缸節(jié)點板同步器；帶預埋管的焊接式殼體的設計，集中了外置式和內(nèi)置式同步注漿管、盾尾密封注漿管的優(yōu)點；刀盤驅動系統(tǒng)采用低速大扭矩油馬達直接驅動，簡化結構，提高傳動效率設計壽命達.2萬小時。?
【關鍵詞】 土壓平衡盾構 并聯(lián)油缸節(jié)點板同步器 殼體 刀盤驅動
一、 前言
盾構法是在地層中修建隧道的一種方法，能適用任何水文地質條件（松軟的、堅硬的、有地下水的、無地下水的）下的隧道施工；而施工時又不影響地面交通，對施工地區(qū)附近的居民幾乎沒有振動和噪音的干擾，可控制地面沉降，減小對地下管線、地面構筑物及周圍環(huán)境的影響，并具有較快的施工進度和較高的工程質量。
根據(jù)北京地鐵五號線工程的地質報告，盾構主要穿越的是③層粉細砂、④層圓礫和⑤層粘質粉土砂質粉土，因此，決定采用加泥土壓平衡式盾構。
二、 加泥土壓平衡式盾構設計
在設計盾構的殼體、推進系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、刀盤驅動系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、螺旋輸送機、管片拼裝機、氣密艙、管片吊運機構、皮帶運輸機、盾尾密封、集中潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件時，充分利用當今世界先進技術，并對殼體、推進系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、刀盤驅動系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等的設計有所創(chuàng)新。
1、 設計參數(shù)
圖1為北京地鐵加泥土壓平衡式盾構總體結構示意圖。
盾構外徑660mm；管片外徑6000mm，內(nèi)徑5400 mm，寬1500 mm；總推力35000kN；最大切削直徑6180 mm；鉸接裝置的上下、左右轉動角度均為±1.5°；刀盤最大扭矩5100 kN·m，轉速0~1.623 r/min，液壓傳動功率630kW；螺旋輸送機葉片直徑800mm，轉速~6 r/min，出土量約82m3/h；管片拼裝機自由度為6，轉速0~.8 r/min，旋轉角度±200°。
2、加泥系統(tǒng)
盾構在砂土、砂礫等砂質土層中推進施工時，由于土體的內(nèi)聚力小，當含砂量超過某一限度時，土體的塑流性明顯變差，進入土倉內(nèi)的土體因易固結而被壓密，進入螺旋輸送機內(nèi)的渣土也因由于大量失水而被壓密，導致難于排出。因此，需向土倉和螺旋輸送機內(nèi)注入水、膨潤土泥漿或發(fā)泡劑等添加材料，通過攪拌后，土體的性能得到改良。于是，設計時要增大土倉容積，使土倉容積達到一環(huán)管片開挖量的70％；增加土倉內(nèi)攪拌棒的數(shù)量，使刀盤切削下來進入土倉的土體，能與添加劑充分攪拌，從而改善土體的流動性；通過中心回轉接頭向刀盤面板注入泥水或泡沫，以潤滑刀盤盤面，減小刀盤切削扭矩，增加土體的流動性，設計中采用４臺螺桿泵，同時向４個點注入泥水或泡沫等添加劑，不管注入點前的壓力大小，都能保證每一個點有泥水或泡沫注入。
3、盾構推進系統(tǒng)
根據(jù)盾構殼體與土體之間的摩擦力、盾構刀盤的正面阻力、推進中切口插入土中的阻力、管片與盾尾之間的摩擦力和后方臺車的牽引阻力，考慮一定的安全系數(shù)，求出盾構所需的總推力為35000kN。而油缸的布置，既要滿足盾構所需的總推力，又要避開管片接縫，所以在整環(huán)管片圓周內(nèi)只能有6個點可布置油缸，如果在布置點上采用單個油缸（高壓固定在35Ma），那么必須增大油缸的外徑，結果是油缸布置的圓直徑與管片環(huán)的直徑不一致。于是，本設計考慮采用并聯(lián)油缸，即在1個油缸布置點上，有2個油缸并聯(lián)（共6組），共用個節(jié)點板。為解決2個并聯(lián)油缸的同步問題（每個油缸的伸出速度都有細微的差別），創(chuàng)新設計了并聯(lián)油缸節(jié)點板同步器，利用彈簧在彈性變化范圍內(nèi)的自由變化，使并聯(lián)油缸同步。把6組油缸分成4個區(qū)，每區(qū)可分別調壓，當在拼裝管片時，每組油缸可單獨伸縮控制。
4、注漿管的布置
目前，盾構的同步注漿管、盾尾密封注漿管均有一段注漿管依附在盾構的殼體上，分為外置式和內(nèi)置式兩種。外置式即把同步注漿管及盾尾密封注漿管安置在盾殼的外端，在管段外再加保護套，其優(yōu)點是結構簡單，不需要加大盾構的直徑，但只適應軟土地層，且不能人工清洗管段；內(nèi)置式則因在殼體板的內(nèi)側開槽，安放注漿管，需增加盾殼的板厚，其優(yōu)點是注漿管在盾殼內(nèi)，能適應各種地層，且當注漿管堵塞時，能清洗，但其必須增大盾構的直徑，即增大了盾尾與管片外徑間的間隙，從而增加注漿量和施工成本。
本設計集外置式和內(nèi)置式的優(yōu)點，首次設計出采用帶預埋管的焊接式殼體（共有4點注漿），即先把盾構殼體板分成4塊，再按盾構殼體的長度，制成4條帶槽的殼體板（該槽供注漿用），在溝槽的外側（與土體接觸處）用耐磨鋼板焊接，在溝槽的內(nèi)側開清洗孔，將帶槽的殼體板與分成4塊的殼體板按要求焊接，成為帶預埋管的焊接式殼體，這種布置注漿管的方式，在不增加盾構直徑、保證盾構殼體結構強度的前提下，能適應各種不同的土層，并能人工清洗注漿管。
5、刀盤驅動系統(tǒng)
刀盤驅動裝置是盾構中最重要的關鍵部件之一，其成本占盾構制造總成本的40％左右，加工、安裝精度要求高，制作難度大，在施工中又不可維修，考慮到盾構在砂土、砂礫等土層中推進施工，所以，要求盾構刀盤驅動設計使用壽命達1萬小時以上。刀盤回轉軸承由德國專業(yè)公司根據(jù)設計制造，采用內(nèi)齒式三排圓柱滾子組合轉盤軸承，能同時承受軸向、徑向載荷及傾覆力矩，設計壽命達1.2萬小時，刀盤驅動極限扭矩達5100kN·m，扭矩系數(shù)為2.2；采用低速大扭矩油馬達直接驅動，簡化結構，提高傳動效率，保證在其使用壽命內(nèi)能穩(wěn)定、可靠工作。
6、刀具形式及切削方式
采用中間梁支承、面板式全斷面回轉切削方式，刀盤的開口率為35％。
割刀突出刀盤面板100mm，按全斷面切削排列；撕裂刀突出刀盤面板150mm，按螺旋式排列；中心刀由多把小割刀組成，按鼻式布置；在刀盤上還布置有圓弧刀和周邊保護刀，以保護切削刀盤的最外圈，見圖2。
撕裂刀超前割刀50mm，可先于割刀接觸土層，并把砂礫層搗松，以利于進土，減少刀具的磨損；在安全條件（加氣壓）下，可在刀盤倉內(nèi)對撕裂刀進行換裝及檢修。
刀盤的中心裝有回轉接頭，回轉接頭有8路，其中4路為泥水及泡沫管路，向刀盤面板注入泥水或泡沫，以潤滑刀盤盤面，其余4路為液壓油路，為2把仿形刀的油缸進出油路。
7、鉸接裝置
本盾構設計成鉸接式盾構。將殼體分成前、后兩部分，前、后殼體之間通過鉸接油缸連接，采用后驅推動方式，在LC控制下，可實現(xiàn)X型和V型鉸接，在前殼體偏轉時，可以減小推進時產(chǎn)生的分力，以利于盾構轉彎，而后殼體仍可保證盾構后殼體與管片環(huán)的同軸度，這樣既保護盾尾刷免受損壞，又可防止盾構主體擠壓管片，致使管片碎裂損環(huán)。
鉸接密封裝置由3道密封圈與集中潤滑系統(tǒng)組成，用4個密封圈壓板把3道密封圈固定，通過集中潤滑系統(tǒng)，定時、定量、定壓注入密封油脂，使其保持一定的密封壓力，抵御盾構外部土體和泥水的侵入。
三、結束語
針對北京地鐵隧道所處的粘性土、礫砂、卵石地層而設計的土壓平衡盾構，現(xiàn)正在加工制造中，其性能可達到同類進口盾構的技術水平，而成本僅為進口盾構的一半，將可與進口盾構爭奪建設市場。
參考文獻
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2、杜文庫、聞和詠.北京地鐵五號線盾構試驗段工程盾構法施工概述【R】.中德隧道（盾構）技術研討會資料之四，2002－06
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來源：《上海隧道》2004年第4期
