超大直徑盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備選型分析

南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210036

1 超大直徑盾構(gòu)機(jī)概述

盾構(gòu)機(jī)是地鐵隧道、電力管線等工程修建的成套化設(shè)備，近10年來(lái)國(guó)內(nèi)中小直徑盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟，而超大直徑盾構(gòu)機(jī)正處于起步階段，仍有很多施工中的未知領(lǐng)域有待研究和探索。

常規(guī)直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑在6.2m左右。如果刀盤直徑達(dá)到8m、12m，甚至達(dá)到15m，則屬于超大直徑盾構(gòu)機(jī)。超大直徑盾構(gòu)機(jī)同樣分為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)等類型。與超大直徑土壓盾構(gòu)機(jī)相比，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，尤其是在復(fù)雜地層施工時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)。

在盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)機(jī)的合理選型會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。文章依托南京某過(guò)江項(xiàng)目，對(duì)超大直徑盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備選型進(jìn)行分析。

2 工程概況

南京某過(guò)江通道盾構(gòu)段長(zhǎng)2975.91m，該隧道設(shè)計(jì)為單層三車道，隧道外徑為14.5m，內(nèi)徑為13.3m，隧道設(shè)有排煙道、管廊、救援通道和逃生通道等。根據(jù)隧道通車斷面布局設(shè)計(jì)要求，超大直徑隧道施工中，箱涵部分即為隧道設(shè)計(jì)要求的疏散通道部分；三車道位于隧道斷面的水平直徑偏下方。由于該隧道為過(guò)江隧道，因此只能采用暗挖法施工。盾構(gòu)法施工相對(duì)可靠，故初步擬定采用刀盤直徑為15.03m的超大直徑盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，如圖1所示。

圖1 某過(guò)江通道斷面圖

盾構(gòu)段依次穿越的地層為軟土層段、江底段、上軟下硬段、硬巖段。其中軟土層段為粉細(xì)砂、中粗砂；江底段長(zhǎng)約1430m；上軟下硬段上部為砂層，下部為角礫巖層，長(zhǎng)約240m，巖層平均強(qiáng)度為28MPa，最大強(qiáng)度為65MPa；硬巖段長(zhǎng)約1100m，包括425m巖溶區(qū)域，該段巖溶揭示溶洞高度為0.2～4.4m不等，見(jiàn)洞率為22.7%～27.3%，硬巖段地質(zhì)主要為全斷面中風(fēng)化角礫巖、中風(fēng)化角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r層，巖層平均強(qiáng)度為59MPa，最大強(qiáng)度為70MPa。

整條隧道需要穿越F7（幕府山—焦山斷裂）區(qū)域斷裂及4條斷層，且有1條與線路平行，所有斷裂帶均為非活動(dòng)性斷裂。隧道縱斷面地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面地質(zhì)剖面圖

盾構(gòu)機(jī)最大埋深為76.5m，同時(shí)也處于斷裂帶。整條隧道承受的水壓按三百年一遇水位11.24m考慮，承受的最大水壓約790kPa。

根據(jù)地質(zhì)情況，顯然不能全部采用明挖法或者鉆爆法等施工。采用盾構(gòu)法施工有利于克服地層復(fù)雜、水壓較高等困難。

3 盾構(gòu)機(jī)選型原則

超大直徑盾構(gòu)機(jī)選型主要是對(duì)其種類、刀盤、刀具、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、超前鉆機(jī)等方面的綜合配置。盾構(gòu)機(jī)選型原則主要有地層滲透系數(shù)、承受水壓大小兩個(gè)指標(biāo)。

（1）根據(jù)地層的滲透系數(shù)進(jìn)行選型。針對(duì)不同地質(zhì)情況和滲透系數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的選型，滲透系數(shù)取值的不同范圍在很大程度上決定著盾構(gòu)機(jī)的種類，各地層對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)與盾構(gòu)機(jī)選型的關(guān)系如圖3所示。

圖3 各地層對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)與盾構(gòu)機(jī)選型的關(guān)系

通常，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-4m/s時(shí)，可選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7～10-4m/s時(shí)，如果兩者均能滿足地質(zhì)施工，則具體考慮附屬配套設(shè)施；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-7m/s時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)[1]。

（2）根據(jù)水壓進(jìn)行選型。當(dāng)?shù)貙铀畨捍笥?.3MPa時(shí)，不宜采用土壓平衡盾構(gòu)，因?yàn)槁菪龣C(jī)很難形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋機(jī)出土口閘門處易發(fā)生噴涌，從而造成土倉(cāng)中土壓力驟降，容易導(dǎo)致開挖面坍塌、地面沉降等問(wèn)題[2]。

根據(jù)以上兩點(diǎn)，該項(xiàng)目地層滲透系數(shù)最大值為8×10-2m/s，最小值為4×10-6m/s；隧道最低點(diǎn)承受的最大水壓約790kPa，遠(yuǎn)大于0.3MPa，故土壓平衡盾構(gòu)機(jī)明顯不符合要求。綜合兩種選型原則，該項(xiàng)目選用泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理是用具有一定攜渣能力的泥漿作為掘進(jìn)面渣土運(yùn)輸和刀盤冷卻介質(zhì)，同時(shí)通過(guò)控制氣泡倉(cāng)壓力將其均勻地傳遞到掌子面，從而維持開挖面的穩(wěn)定。

4 盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的選型

4.1 刀盤

（1）常壓刀盤。超大直徑盾構(gòu)機(jī)因?yàn)榈毒呔€速度快，在硬巖段施工時(shí)刀具磨損快，必然需要較多的換刀工作。如果選用傳統(tǒng)的刀盤，則須帶壓換刀。帶壓換刀的工期較長(zhǎng)、換刀風(fēng)險(xiǎn)較大且成本過(guò)高，已無(wú)法滿足該項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地層的施工要求，故選用常壓刀盤。

根據(jù)對(duì)地質(zhì)情況的分析，適合選用開口率為29.7%的六輻條復(fù)合式刀盤，該形式刀盤既有利于防止黏土附著，不易黏結(jié)和堵塞，又能限制進(jìn)入土倉(cāng)的卵石粒，且江底過(guò)高的壓強(qiáng)可以在一定程度上確保盾構(gòu)掌子面的穩(wěn)定性。為滿足常壓刀盤換刀，特設(shè)計(jì)了多種適用于不同刀具的換刀裝置，該裝置可在常壓狀態(tài)下在刀盤內(nèi)進(jìn)行刀具更換，且部分裝置可將撕裂刀和滾刀進(jìn)行互換，以滿足盾構(gòu)機(jī)在不同地層下的施工要求。

（2）刀盤防結(jié)泥餅設(shè)計(jì)。由于該項(xiàng)目選用的是常壓刀盤，該類型刀盤不可避免地面臨著中心開口率低的問(wèn)題，加之刀體處于封閉的刀桶內(nèi)，因此中心位置渣土流動(dòng)性更差，易結(jié)泥餅。該項(xiàng)目的刀盤直徑大，為保證輻條連接強(qiáng)度，其中心無(wú)開口區(qū)域直徑近4m。為解決以上問(wèn)題，該刀盤設(shè)計(jì)有相應(yīng)的刀盤中心沖洗和刀盤開口沖刷，可有效防止開口堵塞，降低刀盤泥餅形成概率。在刀盤中心區(qū)域設(shè)置6個(gè)DN65沖洗口，采用單獨(dú)的泵沖洗，如發(fā)生堵塞可切換至高壓柱塞泵沖洗，最大壓力可達(dá)2.5MPa，可有效防止刀盤中心區(qū)域結(jié)泥餅。刀盤輻條處設(shè)置6個(gè)DN80的沖洗孔，單個(gè)沖洗口流量為160m3/h，流速為5m/s，可有效防止輻條間結(jié)泥餅。

4.2 刀具

隧道掘進(jìn)開始時(shí)有一段較長(zhǎng)的粉細(xì)砂、中粗砂層，石英含量高，刀具易磨損，特選用鑲嵌大合金高耐磨的重型撕裂齒刀，可滿足長(zhǎng)距離掘進(jìn)要求。

由于超大直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤面積大，因此刀具配置尺寸大且數(shù)量較多?？偣才鋫錇橹行某嚎筛鼡Q滾刀17’（12把）、正面常壓可更換滾刀19’（52把）、邊緣常壓可更換滾刀19’（12把）、常壓可更換切削刀（46把）、正面刮刀（74把）、邊緣刮刀（48把）。刀具分布和常壓滾刀如圖4所示。

圖4 刀具的選型及分布

4.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

超大直徑盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)部一般采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能量利用率高。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確選型，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)挖掘扭矩進(jìn)行計(jì)算。

（1）挖掘扭矩計(jì)算。刀盤掘進(jìn)所需的切削扭矩T計(jì)算公式如下：

式中：T1為土的切削阻力扭矩，kN·m；T2為刀盤前面阻力扭矩，kN·m；T3為刀盤外殼阻力扭矩，kN·m；T4為機(jī)械損失阻力扭矩，kN·m。

式中：Qe1為頂部水平土壓；Qe2為底部水平土壓；τ1為刀盤前面的砂土剪切阻力；μ1為土與刀盤表面之間的摩擦系數(shù)，取0.3；ρ為刀盤開口率。

式中：Bg為刀盤外圈寬度；T3為作用于刀盤外圈部分的摩擦阻力；Pm為作用于刀盤外周的平均土壓；Pe為上部垂直土荷載；Qe1為頂部水平土荷載；Qe2為底部水平土荷載。

式中：T5為軸承旋轉(zhuǎn)損失阻力扭矩；T6為密封滑動(dòng)損失阻力扭矩。

根據(jù)刀盤正常掘進(jìn)所需要的扭矩計(jì)算結(jié)果，該項(xiàng)目擬定盾構(gòu)機(jī)共配置16臺(tái)電機(jī)，總功率為5600kW。

考慮到需在巖層中長(zhǎng)距離掘進(jìn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)刀盤轉(zhuǎn)速不應(yīng)低于1.2r/min，最終確定額定轉(zhuǎn)速為1.33r/min，最高轉(zhuǎn)速為3r/min，滿足今后120MPa以上的巖石地層掘進(jìn)要求。為防止掘進(jìn)中扭矩不足造成施工停滯，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上預(yù)留了4臺(tái)電機(jī)安裝位置，最大總裝機(jī)功率可達(dá)7000kW，理論上完全滿足掘進(jìn)要求。

（2）刀盤伸縮/擺動(dòng)。超大直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤重量一般為500t左右，卡機(jī)問(wèn)題不容忽視。幕府山—焦山斷裂帶F7寬度為3～8m，帶內(nèi)巖體破碎，具有較好的導(dǎo)水性。在斷裂帶掘進(jìn)時(shí)，容易存在塌方以及卡住刀盤的問(wèn)題[3]，故增加刀盤伸縮/擺動(dòng)裝置，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)伸縮/擺動(dòng)裝置

第一，伸縮系統(tǒng)。針對(duì)存在斷裂帶以及不明地質(zhì)的情況，刀盤采用可伸縮設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)部齒輪傳動(dòng)采用雙支撐+內(nèi)嚙合方式，并且驅(qū)動(dòng)部具備伸縮功能。驅(qū)動(dòng)部?jī)蓚?cè)布置止轉(zhuǎn)油缸，可防止開挖時(shí)驅(qū)動(dòng)部整體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，球鉸軸承內(nèi)圈上安裝有特制的鋁青銅銅排。通過(guò)油缸的控制，驅(qū)動(dòng)部相對(duì)球鉸軸承內(nèi)圈產(chǎn)生軸向滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀盤的軸向伸縮，伸縮量為400mm。第二，擺動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)硬巖地層掘進(jìn)距離長(zhǎng)、換刀頻繁、邊刀更換困難的問(wèn)題，刀盤采用刀盤擺動(dòng)技術(shù)。驅(qū)動(dòng)部具備擺動(dòng)功能，驅(qū)動(dòng)部安裝在一個(gè)大直徑球鉸軸承內(nèi)，球鉸軸承的內(nèi)圈相對(duì)軸承外圈最大可實(shí)現(xiàn)±1.2°的擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動(dòng)+刀盤的擺動(dòng)功能。

4.4 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)油缸的主要作用是為盾構(gòu)機(jī)提供前進(jìn)的推力，選擇一套合適的推進(jìn)系統(tǒng)可以保證盾構(gòu)機(jī)具有足夠的前進(jìn)力。

（1）總推力計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：F為總推力，kN；D為盾構(gòu)外徑，m。

該項(xiàng)目施工地層復(fù)雜，承受水壓大，采用的盾構(gòu)機(jī)直徑為15m級(jí)，故系數(shù)選擇1300[4]。選型充分考慮了可能需要的裕量，最大推力按229612.5t設(shè)計(jì)。

（2）油缸選型計(jì)算。超大直徑盾構(gòu)機(jī)對(duì)于推力的要求巨大，否則無(wú)法正常掘進(jìn)。一般小型盾構(gòu)單根油缸推力為1000～1500kN，大型盾構(gòu)單根油缸推力為2000～4500kN。油缸數(shù)量則須根據(jù)總推力來(lái)計(jì)算，數(shù)量選擇時(shí)要考慮到安全系數(shù)。

根據(jù)總推力計(jì)算和管片拼裝方案，該盾構(gòu)機(jī)最終確定布置單根推力為4400kN的油缸56根，行程3200mm，總推力為246400kN，大于229612.5t，故符合要求。相鄰2根油缸的擋板是連在一起的，油缸可以2根為一組單獨(dú)操作，油缸總共分為6個(gè)區(qū)域。

4.5 泥水循環(huán)系統(tǒng)

超大直徑盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑大，采用泥水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行出渣工作，其選型至關(guān)重要。泥水式盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)泥水在開挖面形成泥膜，加壓后保持開挖面穩(wěn)定，通過(guò)泥水循環(huán)將切削的土砂搬運(yùn)到地面。開挖過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在泥水循環(huán)系統(tǒng)中控制開挖面壓力的穩(wěn)定。循環(huán)系統(tǒng)選型主要有兩種參考方式：（1）檢測(cè)開挖面壓力，控制送泥量，將開挖面壓力保持在設(shè)定壓力范圍內(nèi)，再通過(guò)調(diào)整泥水的性狀，測(cè)量實(shí)時(shí)流量、密度，掌握挖掘土量、加壓狀態(tài)（逸水）等確立的綜合管理掘進(jìn)系統(tǒng)。（2）加壓系統(tǒng)和泥水循環(huán)系統(tǒng)是相對(duì)分開的，是在開挖土艙內(nèi)設(shè)置氣壓艙，構(gòu)成空氣罐，以簡(jiǎn)化循環(huán)系統(tǒng)。加壓系統(tǒng)是通過(guò)控制氣壓艙的壓力（泥水和空氣的界面）來(lái)保持開挖面穩(wěn)定。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)都選用此種模式，其優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)氣壓能夠更加穩(wěn)定地控制開挖面的泥漿壓力，避免產(chǎn)生較大的波動(dòng)[5]。

為符合實(shí)際施工需要，該項(xiàng)目在盾構(gòu)機(jī)選型上增加了分層逆洗系統(tǒng)和泥漿管路延伸裝置。具體原理如下：

（1）分層逆洗。超大直徑盾構(gòu)機(jī)的刀盤半徑距離長(zhǎng)，傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)的逆洗功能因壓力損失等原因，已無(wú)法滿足施工要求。為此將該盾構(gòu)機(jī)特設(shè)計(jì)為多層逆洗，在盾構(gòu)泥水艙下部分層布設(shè)多個(gè)泥水管路，可根據(jù)施工要求對(duì)泥水艙進(jìn)行逆洗。

（2）泥漿管路延伸。超大直徑盾構(gòu)機(jī)送排泥管路直徑大，管路延長(zhǎng)時(shí)必然會(huì)有部分殘余泥漿溢出，污染周圍環(huán)境。采用三通打球式接管器，使用閉塞球密封泥漿管，即使在接管時(shí)將送排泥管斷開，泥水也不會(huì)溢到隧道內(nèi)，改善了隧道的施工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了綠色文明施工，減少了清理隧道的成本。

4.6 空氣系統(tǒng)

與常規(guī)盾構(gòu)機(jī)相比，超大直徑盾構(gòu)機(jī)的斷面明顯較大，對(duì)技術(shù)的要求更高，掌子面的穩(wěn)定性至關(guān)重要?？諝庀到y(tǒng)是為盾構(gòu)機(jī)氣動(dòng)元件提供動(dòng)力，并為氣泡倉(cāng)提供氣源以及為人閘提供可呼吸系統(tǒng)。由于空氣系統(tǒng)在泥水平衡盾構(gòu)中具有特殊地位，因此機(jī)上應(yīng)配備足夠的空壓機(jī)及1臺(tái)備用空壓機(jī)，且要有足夠的儲(chǔ)氣罐，從而在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)能夠保證氣源的穩(wěn)定[6]。

4.7 保壓系統(tǒng)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)必須具備保壓系統(tǒng)，其主要通過(guò)調(diào)節(jié)氣墊艙的壓力來(lái)調(diào)節(jié)泥水倉(cāng)的壓力，穩(wěn)定開挖面。由于地層的變化，掌子面泥水的壓力應(yīng)該隨著需要進(jìn)行變化。

該泥水平衡盾構(gòu)機(jī)配置了雙氣路氣墊艙自動(dòng)保壓系統(tǒng)，可以對(duì)氣墊艙壓力實(shí)現(xiàn)PI自動(dòng)控制，有遠(yuǎn)程操作、本地操作和手動(dòng)操作3種模式。

4.8 超前鉆探系統(tǒng)

在溶巖分布區(qū)可能存在未被探明的溶洞，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可能造成地表塌陷。針對(duì)溶巖地層和不明地質(zhì)條件，在該盾構(gòu)機(jī)拼裝機(jī)后與1#臺(tái)車連接橋處配置一套超前鉆探系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)環(huán)梁在連接橋做前后和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，前后動(dòng)作量為2m，鉆機(jī)最大仰角為15°，最佳工作角度為11°。

在盾構(gòu)機(jī)的中盾環(huán)向設(shè)置有18個(gè)超前鉆探孔。鉆機(jī)通過(guò)拼接鉆桿的方式可以探查刀盤前30m、最大半徑為14.5m的圓臺(tái)區(qū)域地層，并可通過(guò)探孔對(duì)地質(zhì)層做加固處理。超前鉆探系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 超前鉆探系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)一定要從項(xiàng)目的實(shí)際需求出發(fā)，充分研究盾構(gòu)施工的地層，根據(jù)施工需要選擇配套的盾構(gòu)機(jī)與系統(tǒng)。只有選擇與施工要求高度匹配的盾構(gòu)機(jī)，才能更加順利地完成施工要求。