地鐵施工盾構(gòu)機(jī)選型及施工組織

羅 鳴

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 100176）

0 引言

暗挖隧道在地鐵工程中占據(jù)較大比重，其中盾構(gòu)法是關(guān)鍵的施工方法，具備效率高、擾動(dòng)小、穩(wěn)定性優(yōu)良等多重特點(diǎn)[1]。盾構(gòu)機(jī)是實(shí)現(xiàn)隧道安全施工作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，作為大型機(jī)械，科學(xué)的選型方案直接影響到施工質(zhì)量，甚至與現(xiàn)場安全狀況掛鉤。

1 工程概況

常州市軌道交通1 號(hào)線工程項(xiàng)目中，一期工程總長33.837 km（地下線31.486 km，高架線2.161 km，過渡段0.19 km）。沿線共設(shè)置29 座車站，除27 座地下站外，還包含2 座高架站。設(shè)新龍車輛段與城南停車場，并配套1 座控制中心與3 座主變電站，以滿足地鐵工程的用電需求。根據(jù)地鐵工程運(yùn)行要求，配套機(jī)電系統(tǒng)等相關(guān)附屬設(shè)施。

2 選型依據(jù)和基本原則

（1）盾構(gòu)選型兼顧的是招標(biāo)文件、施工現(xiàn)場勘察資料、行業(yè)規(guī)范等方面內(nèi)容，主要體現(xiàn)在盾構(gòu)類型、工藝參數(shù)、配套設(shè)施等方面。

（2）盾構(gòu)選型以安全性為基本前提，綜合考慮效率性、經(jīng)濟(jì)性等要求，選擇的機(jī)型應(yīng)具有優(yōu)良工作性能，盡可能減少輔助施工量，全面確保開挖面的穩(wěn)定性[2]。

（3）盾構(gòu)設(shè)備廣泛用于盾構(gòu)隧道施工，因此選型時(shí)需考慮此類隧道的施工狀況，如長度、埋深、現(xiàn)場地質(zhì)條件、土層滲透率、沿線地形分布特點(diǎn)、施工現(xiàn)場既有構(gòu)筑物等，與各項(xiàng)施工條件達(dá)到均衡狀態(tài)。

（4）從國內(nèi)外工程案例中汲取經(jīng)驗(yàn)，以安全第一為基本原則，盡可能引入先進(jìn)技術(shù)，為盾構(gòu)機(jī)工作創(chuàng)造安全的環(huán)境，并根據(jù)盾構(gòu)選型方案選擇合適的施工方法[3]。盾構(gòu)機(jī)選型是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，涵蓋多方面因素，應(yīng)提升各項(xiàng)因素的均衡性。

3 盾構(gòu)類型的確定

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料可知廣電路站至定安路站至聚湖路站區(qū)間的施工狀況，該段地層土質(zhì)較為松軟，且分布有大量地下水，加大了盾構(gòu)施工難度。為提升與施工環(huán)境的相適性，盾構(gòu)選型應(yīng)結(jié)合土質(zhì)實(shí)際情況，并兼顧安全性、成本等方面的要求，對(duì)比分析泥水盾構(gòu)與土壓盾構(gòu)兩種方式（表1）。

根據(jù)大量盾構(gòu)工程實(shí)例，結(jié)合本工程的實(shí)際施工條件，最終選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，將其用于本標(biāo)段施工，同時(shí)還適配了同步注漿系統(tǒng)，以達(dá)到配套施工的效果。

4 盾構(gòu)機(jī)供應(yīng)方案

本次施工配備了小松直徑6340 mm 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，由于工程量較大，數(shù)量為2 臺(tái)，該設(shè)備在淤泥質(zhì)粘土等施工環(huán)境中具有適用性，可靈活調(diào)整進(jìn)場時(shí)間，與本次施工進(jìn)度安排相符。

5 盾構(gòu)機(jī)主要功能及技術(shù)性能

5.1 總述

盾構(gòu)機(jī)集多功能于一體，可滿足盾構(gòu)各環(huán)節(jié)施工作業(yè)要求，如開挖、支護(hù)、注漿等。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是本段施工的關(guān)鍵設(shè)備，含刀盤、盾體、人員艙等配套裝置；設(shè)備功能豐富，內(nèi)置開挖系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)等。

5.2 盾殼

由三部分構(gòu)成，即前體（切口環(huán)）、中體（支撐環(huán)）與盾構(gòu)。

5.3 人員艙

盾構(gòu)施工過程中，人員艙可為設(shè)備操作人員提供進(jìn)出通道，以便完成維修和檢查工作，同時(shí)也是各類工具與材料的主要運(yùn)輸通道。人員艙的特點(diǎn)在于維持土倉土壓的穩(wěn)定性，主要由主艙與準(zhǔn)備艙兩部分構(gòu)成，利用壓力門將彼此隔開。其中，主艙與中間艙采取法蘭連接方式，并通過焊接手段將中間艙穩(wěn)定連接在壓力隔板上，使其形成整體結(jié)構(gòu)，隔板上增設(shè)門結(jié)構(gòu)，是人員進(jìn)入土倉的重要通道。準(zhǔn)備艙是重要逃生通道，出現(xiàn)緊急情況后可從該處逃出。

5.4 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由主軸承、液壓馬達(dá)、減速器和液壓泵站構(gòu)成。其中，主軸承上增設(shè)內(nèi)齒圈，在螺栓的作用下，可實(shí)現(xiàn)與刀盤的穩(wěn)定連接，共配備8 個(gè)液壓馬達(dá)，提供動(dòng)力并帶動(dòng)內(nèi)齒圈的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)刀盤的旋轉(zhuǎn)。

表1 泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)比較

5.5 推進(jìn)系統(tǒng)

此系統(tǒng)是推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵，推進(jìn)機(jī)構(gòu)是主要構(gòu)成部分，可分為推進(jìn)油缸與液壓泵站兩類裝置。本工程所用設(shè)備推進(jìn)油缸總量為32 個(gè)，等分為4 組，各自可獨(dú)立調(diào)節(jié)油缸推進(jìn)速度與壓力，彼此聯(lián)通后可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的調(diào)整。油缸的后端頂在管片上，該方式的特點(diǎn)在于可提供盾構(gòu)前進(jìn)的反力。

5.6 出碴系統(tǒng)

系統(tǒng)的核心設(shè)備為螺旋輸送機(jī)，該裝置位于前體的底部。裝置內(nèi)部配備帶軸的螺桿，通過螺旋片的作用可達(dá)到自由伸縮的效果，提升在碴土中的靈活性。螺旋片由兩段構(gòu)成，較為特殊的是中間部分，該處有一段并未配置螺旋片，基于此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軟巖環(huán)境下工作時(shí)可形成土塞，在其作用下達(dá)到防噴涌的效果。

螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行依靠液壓馬達(dá)與減速機(jī)，具備無級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速0～21.9 r/min，有助于提升出土量的合理性。通過對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可達(dá)到改變土倉壓力的效果。由于螺旋輸送機(jī)圓周設(shè)置若干個(gè)小孔，根據(jù)盾構(gòu)施工要求，為提升碴土流動(dòng)性，可向該處注入膨潤土。

5.7 保壓泵碴裝置

盾構(gòu)隧道工程中若遇到高水壓地層施工環(huán)境，若采取常規(guī)的工藝方法（即土倉內(nèi)注泡沫），極容易對(duì)螺旋輸送機(jī)的工作狀態(tài)造成影響，引發(fā)閘門噴碴現(xiàn)象。為解決此問題，可利用管道的連接作用，將保壓泵連通閘門，2 個(gè)油缸可實(shí)現(xiàn)前后伸縮的運(yùn)行效果，能夠有效排土，提升碴土外排的連續(xù)性。

5.8 鉸接系統(tǒng)

（1）正常掘進(jìn)。此工作環(huán)境下，油缸全程保持鎖定狀態(tài)，壓力油不具備流入鉸接缸的條件。伴隨盾殼阻力的提升，當(dāng)其達(dá)到某一特定值時(shí)，活塞桿處于受拉狀態(tài)，油缸活塞產(chǎn)生的壓縮動(dòng)作將直接對(duì)有桿腔的液壓油造成影響，從而出現(xiàn)壓力提升現(xiàn)象，伴隨高油壓的提升，當(dāng)該值達(dá)到30 MPa（300 bar）時(shí)，壓力油經(jīng)過溢流閥匯聚至油箱內(nèi)，最終油缸活塞桿做出外伸動(dòng)作。

（2）曲線掘進(jìn)。若盾構(gòu)機(jī)調(diào)向超出許可范圍，必須通過油缸壓力釋放的方式處理，油缸內(nèi)的有桿腔與無桿腔均保持相同狀態(tài)，即統(tǒng)一接回油箱，在此影響下鉸接油缸浮動(dòng)，能夠?qū)嵭袑?duì)掘進(jìn)姿態(tài)的靈活調(diào)整。

（3）鉸接密封。鉸接密封由三部分構(gòu)成，以3 道密封的作用最為明顯，其中的第三道密封增設(shè)了可調(diào)壓板，可實(shí)現(xiàn)對(duì)密封松緊程度的靈活調(diào)節(jié)，前兩道密封的特點(diǎn)在于除了具備密封作用外，還發(fā)揮出潤滑效果，此功能的實(shí)現(xiàn)得益于手動(dòng)潤滑點(diǎn)。設(shè)置多個(gè)手動(dòng)注脂點(diǎn)，每次開班前進(jìn)行補(bǔ)充，各點(diǎn)加注量均保持為50 cm3?？烧{(diào)壓板處設(shè)置有螺栓裝置，對(duì)其采取緊固處理措施是提升鉸接密封效果的關(guān)鍵。因多方面因素影響而出現(xiàn)三道密封損壞現(xiàn)象時(shí)，可啟用應(yīng)急充氣密封，以彌補(bǔ)損壞密封的不足。

5.9 碴土改良系統(tǒng)

共設(shè)置兩套碴土改良系統(tǒng)，二者連接至相同的輸送管路，具體由兩部分構(gòu)成：①泡沫系統(tǒng)。由泡沫泵、電磁流量閥、管路等多部分構(gòu)成，是碴土改良的重要工具；②膨潤土系統(tǒng)。若盾構(gòu)施工采取不使用泡沫劑的方式，即可將該輸送管道關(guān)閉；與此同時(shí)，啟用膨潤土輸送管道，由于設(shè)置了輸送泵裝置，在其作用下可通過壓力將膨潤土轉(zhuǎn)移到指定結(jié)構(gòu)，如刀盤內(nèi)，此方式可達(dá)到改良碴土的效果。

6 結(jié)束語

盾構(gòu)施工是地鐵工程的關(guān)鍵部分，盾構(gòu)機(jī)是重要施工設(shè)備，其具備效率高、穩(wěn)定性好、成本低等多重優(yōu)勢。盾構(gòu)法施工中，做好設(shè)備的選型是創(chuàng)造高品質(zhì)工程的重要前提，合理的選型將直接影響到施工效果。根據(jù)選擇的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，形成科學(xué)的施工組織方案，最終將盾構(gòu)施工的各項(xiàng)工作落實(shí)到位。