新疆某輸水工程盾構(gòu)長距離掘進(jìn)針對性設(shè)計

李 濤

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南250000）

0 引言

隨著長距離盾構(gòu)施工的持續(xù)快速發(fā)展，在長距離掘進(jìn)中出現(xiàn)的盾構(gòu)機卡機、刀盤刀具磨損、注漿管堵塞等問題越來越引起人們的重視[1，2]。

本文以新疆某工程為例，提出了刀盤、主驅(qū)動、管片輸送系統(tǒng)等部件的針對性設(shè)計方法，大大延長了其使用壽命，提高了盾構(gòu)機的掘進(jìn)效率和整機性能。

1 工程概況及地質(zhì)

新疆某工程線路總長將近400 km，其中部分標(biāo)段施工地段埋深基本在70～100 m，地下水位在地面以下20 m左右，最大水壓可達(dá)7bar，施工難度較大。

該標(biāo)段施工地段的主洞長約37km，分為盾構(gòu)段1、盾構(gòu)段2、盾構(gòu)段3及鉆爆段，其中，盾構(gòu)段1和盾構(gòu)段2的施工段的洞長度約為6 km；盾構(gòu)段3施工段的洞長約為7 km；其余的洞段均為鉆爆段。

盾構(gòu)施工段地層主要包括泥巖層、碎石黏土層、凝灰質(zhì)砂巖和凝灰角礫巖。其中，凝灰質(zhì)砂巖和凝灰角礫巖的巖體主要呈厚層狀，屬堅硬巖，屬Ⅲ類圍巖，飽和抗壓強度50~80 MPa。

2 盾構(gòu)機針對性設(shè)計主要原則

本標(biāo)段盾構(gòu)機一次性掘進(jìn)最大距離約7km，以往在盾構(gòu)機使用較多的城市地鐵施工中[3，4]，受車站間距的限制，盾構(gòu)區(qū)間一次施工長度一般不超過3 km。而本隧洞盾構(gòu)機一次施工距離長度超過7 km，對盾構(gòu)機的性能指標(biāo)要求高，需在常規(guī)盾構(gòu)機的設(shè)備配置和性能等級方面進(jìn)行針對性的加強和優(yōu)化。主要原則如下：

（1）在設(shè)備功能和參數(shù)配置、元器件選型等方面全面提升，盡量采用經(jīng)過驗證的成熟系統(tǒng)和技術(shù)方案。

（2）關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件可實施洞內(nèi)檢修和更換，關(guān)鍵易損件采用一用一備的原則，設(shè)備空間滿足快速拆裝要求。

（3）滿足物料（主要是管片和襯砌材料）連續(xù)供應(yīng)，設(shè)備上需加大儲運能力。

對各系統(tǒng)部件而言，主要是對刀盤、主驅(qū)動的使用壽命做出相應(yīng)加強設(shè)計，這些部件的性能直接影響了盾構(gòu)機的掘進(jìn)效率和整機性能。

3 刀盤設(shè)計

總體思路：采用復(fù)合型盾構(gòu)刀盤，加強刀盤結(jié)構(gòu)耐磨設(shè)計和刀具選型，提高中心開口率，采用易于更換的刀具。

3.1 整體設(shè)計

增強結(jié)構(gòu)強度和剛性，刀盤整體強度和剛度大，滿足全斷面巖層的掘進(jìn)承載能力要求。

優(yōu)化開口設(shè)計并加大中心區(qū)域開口，刀盤上設(shè)計有中心、正面和周邊進(jìn)碴口，加大中心進(jìn)碴口可有效降低刀盤中心固結(jié)“泥餅”的可能性，中心開口率提高到40%。

渣土改良通道布置完善，刀盤和土倉隔板上設(shè)有多路泡沫/膨潤土注入管路，可對掌子面及土艙內(nèi)開挖的渣料注入渣土改良劑。

增強泥餅觀測和沖刷功能，在刀盤隔板上預(yù)留高壓沖洗接口，可在設(shè)備停機時進(jìn)行人工進(jìn)倉清洗，同時在土倉隔板上配置高壓清洗裝置，可實現(xiàn)后方直接沖刷刀盤。

配置刀盤磨損裝置，3個液壓式磨損檢測器布置在刀盤外側(cè)，磨損檢測芯內(nèi)部通液壓油，當(dāng)切刀或邊緣刮刀磨損量達(dá)到15 mm時，液壓油泄露使得壓力下降，發(fā)出報警信號，磨損檢測芯可通過背部觀察孔進(jìn)行更換。以一種為連續(xù)式磨損檢測器，1個布置在刀盤中心切刀上，此切刀上設(shè)計有一個檢測孔，傳感器插入在孔內(nèi)。能連續(xù)檢測切刀磨損量，并帶有溫度檢測功能，可作為中心區(qū)域有無結(jié)泥餅的參考依據(jù)。實時檢測裝置，該裝置已在吉林引淞TBM設(shè)備上成功應(yīng)用，可對刀具的磨損狀況進(jìn)行實時監(jiān)測、預(yù)警。磨損檢測裝置如圖1所示。

圖1 磨損檢測裝置

全面加強耐磨設(shè)計，采用TBM硬巖刀盤耐磨設(shè)計理念，對刀盤各部分有針對性的實施耐磨保護(hù)措施，如采用高等級的復(fù)合耐磨板、耐磨焊等。

3.2 刀具設(shè)計和選型

3.2.1 滾刀及刀座

選用17英寸滾刀（18寸刀圈，1英寸=2.54 cm），滾刀與齒刀可互換，根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行刀具配置，在極軟巖地層可配置齒刀，提高掘進(jìn)效率；

刀座及其連接件采用高強度鍛件，提高刀座強度及抗沖擊能力。

3.2.2 軟巖/軟土刀具（切刀、邊緣刮刀）及刀座

重點加強刀具、刀座保護(hù)，提升抗沖擊和耐磨能力：

切刀、邊緣刮刀兩端面均布置大塊雙合金塊，有效保護(hù)側(cè)面、正面雙向沖擊破壞；

邊緣刮刀刀座背部布置有多把可更換式貝殼刀以及保護(hù)塊，保護(hù)塊與邊緣刮刀高差小于20 mm，防止石塊沖擊使邊緣刮刀螺栓斷裂及合金崩裂。

大圓環(huán)外側(cè)設(shè)計可拆式貝殼刀，貝殼刀傾斜焊于L形的基座上（基座帶圓柱頭），將其整體作為一個可更換的貝殼刀。在刀盤大圓環(huán)內(nèi)側(cè)配焊一個底座，可更換的貝殼刀通過螺栓緊固在底座上，直角與圓柱頭定位安裝，并可起到承力作用。

3.3 刀盤耐磨設(shè)計

升級耐磨材料，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位預(yù)計的磨損速率，設(shè)置相應(yīng)的耐磨方式和耐磨級別。

刀盤面板以及周邊背側(cè)焊有復(fù)合耐磨板，復(fù)合耐磨板是在基材鋼板上堆焊特殊的耐磨材料，極大地提升了耐磨和抗沖擊性能。

刀盤外周焊有鑲嵌合金的耐磨環(huán)，可提高刀盤外周在全斷面硬巖等地層掘進(jìn)時的耐磨性能，保證刀盤的開挖直徑。刀盤加強耐磨如圖2所示。

圖2 刀盤加強耐磨示意圖

上述措施經(jīng)過TBM刀盤和部分盾構(gòu)機刀盤的實際應(yīng)用，效果良好，可完全滿足長距離盾構(gòu)機掘進(jìn)刀盤結(jié)構(gòu)和刀具壽命的使用要求。

4 各系統(tǒng)的針對性設(shè)計

4.1 主驅(qū)動

總體思路：加大能力儲備，采用變頻電機驅(qū)動以提高脫困扭矩，關(guān)鍵零部件選用優(yōu)質(zhì)品牌，整體壽命大于10 km（10 000 h）。

主軸承由德國羅特艾德廠家制造。主軸承直徑2.8 m，采用小直徑、整體內(nèi)齒圈、三排圓柱滾子結(jié)構(gòu)，擁有良好的承受軸向推力、軸向反推力、徑向力及傾覆力矩性能，主軸承正常使用壽命大于10 000 h。

減速機由德國卓侖廠家制造。減速機體積小，正常使用壽命大于10 000 h。

主軸承密封采用聚氨酯材料，承壓能力強，使用壽命遠(yuǎn)高于橡膠密封，并有主驅(qū)動密封失效應(yīng)急處理設(shè)計。主驅(qū)動設(shè)計如圖3所示。

圖3 主驅(qū)動設(shè)計

4.2 管片輸運系統(tǒng)

由于管片和襯砌材料運輸距離長，運輸時間較長，為滿足盾構(gòu)機掘進(jìn)效率，盾構(gòu)機加大了管片和襯砌材料的儲備能力，可儲存兩環(huán)管片，大大減輕了長距離物料輸運的壓力，同時設(shè)計兩組管片吊機，協(xié)調(diào)作業(yè)倒運管片可提高管片供應(yīng)速度。

具體設(shè)計如下：喂片機（1環(huán)管片）+卸載器（2環(huán)管片）+吊機+長距離吊機軌道。主機在拼裝管片的同時，后部吊機可拼裝仰拱塊，同步作業(yè)。

4.3 優(yōu)化同步注漿管路

常規(guī)盾構(gòu)注漿管采用整體內(nèi)置在盾尾結(jié)構(gòu)件的設(shè)計，只能拆除最前端彎折端進(jìn)行清洗。該注漿板相比常規(guī)盾構(gòu)，做出了針對性設(shè)計，能夠更有效地應(yīng)對工程中注漿管的堵塞。注漿管如圖4所示。

圖4 注漿管示意圖

注漿管前端為外置式管路，使用法蘭連接，且在注漿管路變向處增加清洗口，使用時若管路堵塞可拆除法蘭進(jìn)行疏通。

同時對注漿管清洗方案進(jìn)行優(yōu)化，一般同步注漿管清洗采用注入膨潤土或者清水直接采用泵送的方式進(jìn)行清洗管路，在盾尾注漿管進(jìn)口處設(shè)計三通（接氣管和水管）。停止注漿后立即關(guān)閉后端球閥，三通處加入少量水再通過壓縮空氣進(jìn)行混合沖洗，可一定程度上減少注漿管的堵塞，目前該設(shè)計已在成都5號線中鐵建大橋局項目上使用過，現(xiàn)場反應(yīng)效果較好。

5 結(jié)語

本文為了增強盾構(gòu)機在長距離掘進(jìn)中的性能，以新疆某工程為例，對盾構(gòu)機進(jìn)行了針對性設(shè)計：

（1）采用復(fù)合型盾構(gòu)刀盤，加強刀盤結(jié)構(gòu)耐磨設(shè)計和刀具選型，提高中心開口率，采用易于更換的刀具。

（2）主驅(qū)動加大能力儲備，采用變頻電機驅(qū)動以提高脫困扭矩。

（3）管片輸運系統(tǒng)加大管片和襯砌材料的儲備能力，可儲存兩環(huán)管片，大大減輕了長距離物料輸運的壓力，同時設(shè)計兩組管片吊機，協(xié)調(diào)作業(yè)倒運管片可提高管片供應(yīng)速度。

（4）注漿管前端設(shè)置為外置式管路，使用法蘭連接，且在注漿管路變向處增加清洗口，使用時若管路堵塞可拆除法蘭進(jìn)行疏通。相比常規(guī)盾構(gòu)，該注漿板做出了針對性設(shè)計，能夠更有效地應(yīng)對工程中注漿管的堵塞。