國產(chǎn)11.66米泥水平衡盾構(gòu)適應(yīng)性改造

吳文斐

上海隧道工程股份有限公司機(jī)械制造分公司 上海 200000

1 工程概況

江南大道為杭州市主干道路，位于錢塘江南岸，線路走向基本與錢塘江一致，場區(qū)內(nèi)地表水均受其影響。本工程施工范圍內(nèi)的主要河流為北塘河，施工時(shí)需對中興橋進(jìn)行拆復(fù)建。

（1）地質(zhì)情況

盾構(gòu)機(jī)穿越的土層為③-4砂質(zhì)粉土、③-5砂質(zhì)粉土夾粉砂、③-6粉砂、③-7砂質(zhì)粉土、⑥-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑧-2粉質(zhì)粘土、⑧-3粉砂、-1粉砂、-4圓礫土。圓礫粒徑以0.5～2cm為主，含量15～30%；卵石粒徑5～7cm為主，最大粒徑超過30cm，含量35～50%。

（2）水文情況

潛水主要賦存于場區(qū)淺部①層人工填土及其下粉性土層內(nèi)，其富水性和透水性具有各向異性，特別是表部填土層，透水性良好，下部粉性土層透水性稍弱。潛水位埋深為地面下0.7～6.50m，平均水位標(biāo)高為3.75m。

（3）有害氣體

有害氣體主要賦存在⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和下部⑧2層粉質(zhì)黏土中（⑥2層和⑧2層均夾較多粉土、粉砂，使之成為較好的儲氣層），一般實(shí)測氣壓0.01～0.03MPa。

（4）隧道區(qū)間情況

區(qū)間長度為北線2258.6m，南線2256.6m；區(qū)間平面曲線半徑最小800m；區(qū)間隧道頂覆土最大37.5m；隧道最大坡度北線4%，南線3.7%。

管片主要設(shè)計(jì)參數(shù)，管片內(nèi)徑10.36m，管片外徑11.36m，管片寬度2.0m。

（5）工程難點(diǎn)

本工程的地質(zhì)較為復(fù)雜，既有粘土、砂土，又有圓礫、卵石，要求盾構(gòu)機(jī)對于變化的地質(zhì)具有較高的適應(yīng)能力。

工程中主要的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)如下：

盾構(gòu)穿越粘土層，有結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)；

盾構(gòu)穿越砂性土和圓礫層，對刀盤和刀具的耐磨性能提出較高要求；

連續(xù)掘進(jìn)距離較長、地下水位較高，盾構(gòu)需具備氣壓開倉換刀功能；

盾構(gòu)穿越沼氣層，需要配備防沼氣系統(tǒng)。

針對以上難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，需對盾構(gòu)機(jī)配置做針對性設(shè)計(jì)，以便在工程中能夠順利應(yīng)用。

2 盾構(gòu)機(jī)的情況

2.1 原盾構(gòu)機(jī)主要設(shè)備性能

（1）刀盤

原刀盤的結(jié)構(gòu)形式為面板式軟土刀盤，刮刀開挖直徑11680mm，開口率20%。配置204把寬度150mm的刮刀，114把焊接式貝殼刀，1組中心魚尾刀，2把仿形刀。不同類型的刀具呈高低布置，刮刀高120mm，貝殼刀150mm。

（2）刀盤驅(qū)動(dòng)

原驅(qū)動(dòng)采用了14臺200kW電機(jī)，轉(zhuǎn)速0～1.5rpm，額定扭矩32769kN·m，ɑ系數(shù)20.7。主軸承是一臺5900mm的三排滾子軸承，設(shè)計(jì)壽命超過10000小時(shí)。內(nèi)、外周密封系統(tǒng)采用1道齒形平面密封，3道齒形圓周密封，設(shè)計(jì)壓力10bar。

（3）盾殼

原盾殼直徑11660mm，前、中、后殼體板厚分別為70mm、60mm、80mm。盾尾密封采用3道鋼絲刷加1道鋼板刷，設(shè)計(jì)密封壓力10bar。

（4）推進(jìn)系統(tǒng)

原推進(jìn)系統(tǒng)采用22組3聯(lián)油缸，總推力達(dá)到128370kN，單位面積推力1202kN/m2，最大推進(jìn)速度60mm/min，行程3000mm。推進(jìn)的液壓系統(tǒng)分為6區(qū)，每個(gè)區(qū)配有壓力傳感器，各區(qū)獨(dú)立調(diào)節(jié)油壓。

2.2 原盾構(gòu)機(jī)主要設(shè)備的適應(yīng)性分析

為了判斷原盾構(gòu)的主要設(shè)備性能是否能滿足本項(xiàng)目使用要求，對以下設(shè)計(jì)條件做了對比。

表1 設(shè)計(jì)條件對比

（1）盾構(gòu)機(jī)類型

由于本項(xiàng)目掘進(jìn)距離較長、地下水位較高，所以需考慮氣壓開倉換刀措施。原盾構(gòu)為泥水平衡盾構(gòu)，降液位的風(fēng)險(xiǎn)較高，且未安裝氣壓平衡系統(tǒng)，無法進(jìn)行氣壓開倉作業(yè)。因此原盾構(gòu)要改造成泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)[1]，增設(shè)氣包艙和一套氣壓平衡系統(tǒng)，泥水系統(tǒng)亦進(jìn)行相應(yīng)的改造。

（2）刀盤

原刀盤配備的焊接式貝殼刀是針對砂性土的刀具，由于本項(xiàng)目會遇到圓礫和卵石，而貝殼刀不夠強(qiáng)壯，所以損壞率可能會提高。因此考慮重新設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)合式刀盤[2]，貝殼刀換成撕裂刀，并采用刀盒安裝的結(jié)構(gòu)，使撕裂刀可以從刀盤背面更換。同時(shí)升級刮刀設(shè)計(jì)，主刃更換為大合金貼焊式，刀背鑲嵌多層耐磨合金。還要考慮加強(qiáng)刀盤結(jié)構(gòu)的耐磨保護(hù)，在正面和側(cè)面加裝耐磨板和耐磨堆焊。刀具的超挖量應(yīng)滿足R800m轉(zhuǎn)彎。

（3）刀盤驅(qū)動(dòng)

原驅(qū)動(dòng)扭矩系數(shù)20.7，轉(zhuǎn)速0～1.5轉(zhuǎn)，在軟土盾構(gòu)機(jī)里屬于超配的。在本項(xiàng)目中，隨著刀盤改為復(fù)合式，原驅(qū)動(dòng)的性能依舊可以滿足復(fù)合式盾構(gòu)的使用要求。

在上一個(gè)項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)共計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)1330小時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)率約為22.5%，主軸承剩余壽命約8670小時(shí)。本項(xiàng)目預(yù)計(jì)掘進(jìn)7728小時(shí)（322×24小時(shí)），假設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)率不變，估計(jì)驅(qū)動(dòng)將運(yùn)轉(zhuǎn)1740小時(shí)<<8670小時(shí)，因此主軸承壽命可以滿足使用要求。

（4）推進(jìn)系統(tǒng)

本項(xiàng)目的覆土深度和坡度，均小于原盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)值，且本項(xiàng)目管片形式和原項(xiàng)目相同，因此推進(jìn)系統(tǒng)不作更改。

（5）盾殼

原切口環(huán)不具備改造、增加氣包艙的條件，因此需要新設(shè)計(jì)制造一個(gè)切口環(huán)。原中間盾、盾尾按照45m頂覆土設(shè)計(jì)，而本項(xiàng)目最大頂覆土為37.5m，所以原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。盾尾密封采用3道鋼絲刷加1道鋼板刷，設(shè)計(jì)密封壓力10bar，預(yù)測最大埋深時(shí)水土壓力不超過10bar，因此可以滿足使用要求。

（6）后配套車架

原盾構(gòu)機(jī)后配套車架的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑為R1000m，不滿足本項(xiàng)目的R800m。主要原因是車輪的型式不適合轉(zhuǎn)彎，并且車架間牽引是花籃螺栓，調(diào)節(jié)需要靠手動(dòng)，操作非常不方便。因此需要更改車輪型式和車架間牽引型式。

3 盾構(gòu)機(jī)主要設(shè)備的適應(yīng)性改造

（1）刀盤

重新設(shè)計(jì)制造一套復(fù)合式刀盤，增大開口率至35%。為了應(yīng)對砂土和卵礫石，應(yīng)加強(qiáng)刀盤和刀具的耐磨性能。刀盤正面和圓弧面敷設(shè)高鉻合金耐磨板，硬度達(dá)到HRC60，其它耐磨板覆蓋不到的區(qū)域采用硬質(zhì)合金堆焊，硬度達(dá)到HRC55。刀盤背面開口周圍、外圓邊、攪拌棒表面采用硬質(zhì)合金堆焊，硬度達(dá)到HRC55。正面刀具呈高差布置，刮刀、圓弧刮刀高175mm，焊接式撕裂刀、可更換撕裂刀高200mm。

磨損檢測布置10個(gè)點(diǎn)，分為刮刀磨損檢測、圓弧刮刀磨損檢測、撕裂刀磨損檢測三種功能，根據(jù)被檢測刀具的不同設(shè)置不同的磨損量報(bào)警值。

人行閘內(nèi)安裝一套刀盤就地控制手柄，用于開倉換刀前旋轉(zhuǎn)刀盤用。設(shè)計(jì)安全切換聯(lián)鎖，當(dāng)切換到刀盤就地控制，則操作屏上不能進(jìn)行刀盤正反轉(zhuǎn)操作，此時(shí)操作屏上應(yīng)反映出刀盤目前的旋轉(zhuǎn)角度。

表2 刀盤主要參數(shù)

（2）盾殼

重新設(shè)計(jì)制造帶氣包艙的前盾（直徑11.67m），隔艙板上配置各系統(tǒng)用的接口，預(yù)留備用口。切口處用硬質(zhì)合金堆焊保護(hù)。為了減少粘土環(huán)境下泥漿吸口堵塞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又要考慮卵礫石環(huán)境下限制過流粒徑保護(hù)排漿泵，設(shè)計(jì)了一套開口大小可變的格柵機(jī)構(gòu)，網(wǎng)格大小能在200mm×167mm和200mm×385mm之間切換。

（3）氣壓平衡系統(tǒng)

配備完整、獨(dú)立的2套氣壓平衡系統(tǒng)，1套工作，1套備用。當(dāng)一套系統(tǒng)發(fā)生問題時(shí)可以迅速切換到第二套系統(tǒng)。系統(tǒng)全部為氣動(dòng)控制，無需電源，可以在含沼氣的地層使用。系統(tǒng)工作壓力8.0bar，采用SAMSON公司的氣動(dòng)控制器、流量控制閥、壓力變送器等關(guān)鍵部件。氣源采用3臺90kw空壓機(jī)，流量12.6m3/min，壓力13bar，其中1臺為備用。為了節(jié)約車架空間，選用水冷式空壓機(jī)。

（4）泥水系統(tǒng)

為預(yù)防刀盤結(jié)泥餅[3]，泥水系統(tǒng)增配了中心沖洗功能。這套系統(tǒng)利用一臺中心沖洗泵，從排泥管或工作艙內(nèi)抽取泥水，再通過中心回轉(zhuǎn)接頭預(yù)留的管路泵入刀盤正面中心部位，沖散巖石粉末或粘土顆粒防止聚集，達(dá)到預(yù)防刀盤結(jié)泥餅的目的。

泥水艙設(shè)置4個(gè)進(jìn)泥口，氣包艙設(shè)置2個(gè)進(jìn)泥口。氣包艙底部設(shè)置1根主排泥管，另有1根備用排泥管直接通向泥水艙，可以在主排泥管堵塞情況下切換。泥水艙底部設(shè)置2路沖洗對著閘門方向沖洗，氣包艙底部設(shè)置2路沖洗對著格柵方向沖洗。為了保證沖洗效果，中心沖洗泵流量配到400m3/h，沖洗流速達(dá)到5m/s。

增設(shè)液位監(jiān)控功能，氣包艙內(nèi)設(shè)置11個(gè)液位開關(guān)，參與系統(tǒng)控制，為了防止泥漿粘附在開關(guān)上導(dǎo)致失靈，每個(gè)開關(guān)都自帶沖洗功能。并配有液位傳感器，可以反饋液位高度。

（5）防沼氣系統(tǒng)

防沼氣系統(tǒng)主要是通過電器控制系統(tǒng)，將通風(fēng)系統(tǒng)與氣體監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)氣體檢測系統(tǒng)檢測到沼氣，將會自動(dòng)報(bào)警并打開通風(fēng)系統(tǒng)降低濃度至安全值[4-5]。

選用進(jìn)口防爆型氣體探測傳感器，防護(hù)等級IP67，抗中毒，耐高濃度沖擊，可在缺氧條件下檢測。配置防爆型UPS供電，能夠在斷電后一定時(shí)間內(nèi)測量。沼氣探測頭布置的位置和數(shù)量也是經(jīng)過考慮的，我們認(rèn)為沼氣大概率會從盾尾密封、人行閘、排泥管、接管器處進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)，為了能盡快探測到沼氣，并全面監(jiān)控盾構(gòu)及后配套區(qū)域的沼氣濃度，我們在這些位置設(shè)置了氣體探測傳感器。

通風(fēng)系統(tǒng)除了配置常規(guī)排風(fēng)機(jī)（1033m3/min）外，還增設(shè)了氣動(dòng)風(fēng)機(jī)（33.6m3/min，4個(gè)設(shè)置在機(jī)頭內(nèi)，2個(gè)設(shè)置在車架接管區(qū)域），作用是打散氣團(tuán)，預(yù)防有害氣體的局部集聚，也可以在斷電情況下保障盾構(gòu)機(jī)的通風(fēng)。

（6）后配套車架

為適應(yīng)800m轉(zhuǎn)彎半徑，修改所有車架的車輪型式，由原來的單列輪改為雙列輪，同時(shí)減少每節(jié)車架的輪排數(shù)至兩排。這樣改造的優(yōu)點(diǎn)是在軌道鋪設(shè)有高差時(shí)，仍可保證所有車輪同時(shí)落地。車架左側(cè)的連接桿全部改為油缸式，并就地安裝操作開關(guān)控制伸縮，相比原先手動(dòng)花籃螺栓式的調(diào)整結(jié)構(gòu)，極大地方便了工人的操作。

4.小結(jié)

截至文章發(fā)稿，改造后的盾構(gòu)正在杭州江南大道工地施工。平均推進(jìn)速度為25～30mm/min，泥水系統(tǒng)、氣平衡系統(tǒng)均工作正常。盾構(gòu)工作壓力在2.65bar左右，并隨著埋深增加而提高，大約每環(huán)提高0.02bar，但仍未到達(dá)最大埋深處，后續(xù)將密切跟蹤泥水系統(tǒng)和氣平衡系統(tǒng)的工作情況。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)已處在800m轉(zhuǎn)彎半徑的區(qū)域，經(jīng)過實(shí)際工作驗(yàn)證，后配套車架行走正常，無出軌現(xiàn)象，可以在該轉(zhuǎn)彎半徑下正常工作。