直徑6.14m復合型土壓盾構掘進機

【提 要】：本文結合廣州地鐵區間隧道掘進工程，設計改制2臺復合型土壓盾構，滿足在高水壓軟土和風化巖混合地層條件掘進施工的要求。論文介紹了復合型切削系統和其他盾構主要系統的設計計算，重點論述了刀盤刀具的選型和地層條件的適應性的技術難題。
【關鍵詞】：地鐵隧道盾構掘進機土壓平衡

Abstract: The article incorporating running section tunnelling at Guangzhou Metro, designs to refurbish 2 Mixshields (EPBM) to satisfy construction requirements of tunnelling through high water pressure soft soil and weathered rock implicated soil. This paper presents design and calculation of Mixshield cutting system and other major systems of the shield, focusing on discussion of technical problems concerning type selection of disk cutter and soil condition adaptability.
Keywords: metro tunnel, shield machine, earth pressure balance.

1 國內外現狀
2000年以來，我國各大城市的地鐵工程建設得到了迅速的發展，地鐵區間隧道工程越來越多地采用盾構法施工，土壓平衡盾構具有土層適應性強、干出土、機械化程度高、掘進速度快、對環境影響小的特點，得到廣泛的應用。泥水加壓盾構由于其泥水分離的成本高和復雜性而很少應用。一般的土壓盾構主要適用于軟土地層，最適用于淤泥質土和一般的粘土。在砂性或礫石地層中掘進，必須對切削土進行改良，加注潤滑劑，提高土體塑流性。廣州、深圳地鐵隧道的掘進地層比較復雜，既有軟土又有軟巖，甚至硬巖，一般的土壓盾構不適用軟、硬混合地層的掘進，復合型土壓盾構由于其刀盤上裝有切削軟土和巖石的兩種以上的刀具，而成為廣州、深圳地鐵工程的首選。
上海隧道工程股份有限公司于1999年中標承建廣州地鐵2號線，海珠廣場站——江南新村站區間隧道工程，全長1.７km，隧道穿越地層主要為殘積土、全風化巖、強風化巖、中風化巖和弱風化巖，風化巖強度從2~46MPa不等，且穿越珠江底高水壓富含水地層。隧道地層縱剖圖見圖１。

根據地層條件和業主提出的利用已經掘進了約6km的2臺φ6.14m泥水加壓盾構的要求，對原泥水加壓盾構進行了改制、設計，并完成了2臺φ6.14m復合型土壓盾構的制造、安裝和掘進施工，積累了復合型土壓盾構的設計和制造的經驗。

2 盾構選型和主要施工性能要求
掘進廣州地區地層的盾構性能，既要求能切削強度較低的粉質粘土，又能切削強度達40MPa的粉砂巖、泥灰巖層，一般的土壓平衡盾構和泥水加壓平衡盾構均不能切削軟巖。經反復論證比選，確定盾構型式為復合型，即其切削大刀盤上分別裝有切削殘積土的割刀和切削軟巖的盤型滾刀。
由于盾構切削的巖體可能產生大塊巖石，使常用的帶中心軸的螺旋輸送機不利出碴，因此應選用可運出大石塊的帶式螺旋輸送機。
盾構改制的關鍵是大刀盤切削系統和帶式螺旋機出土系統的設計，制造安裝。根據業主要求，用于掘進施工的φ6.14m復合型盾構指定由已經在一號線掘進施工約3km的2臺φ6.14m泥水加壓平衡盾構改制(圖2)。

3 盾構主要技術參數和計算方法
盾構設計，主要技術參數包括總推力、刀盤切削扭矩、螺旋輸送機、管片拼裝機等。復合型土壓平衡盾構簡圖（圖3）。

3.1 盾構總推力（F）
盾構在推進過程中可能遇到巖土層穩定與不穩定兩種情況，因此考慮盾構總推力的時候，必須顧及此兩種情況。
3.1.1 硬巖盾構總推力(F硬)
一般硬巖盾構推力按（刀盤滾刀所需有效推力+盾構自重）計算。廣州地鐵2號線隧道軸線穿越強風化帶巖土外，還穿越微風化帶的巖土層，巖性為粉砂質泥巖、砂礫巖、礫巖等。單軸極限抗壓強度fc=31.2MPa，抗剪斷強度c=3.4MPa,根據我公司長期對TBM盾構技術的研究，決定采用盤形滾刀和標準割刀組合布置的刀盤來開挖此隧道。刀盤上采用φ400mm的41把盤型滾刀為主體進行全斷面破巖，以緊跟滾刀排列的86把割刀作輔助破巖。
滾刀在破巖過程中有垂直方向的切入力VF與滾刀在巖土上滾壓的滾動阻力RF，而且銳刃滾刀與鈍刃滾刀所需的推力不一樣，41把盤型滾刀的推力為F1=ΣVFi+RFi，i=1～41
經計算，滾刀所需的有效推力F1理論為790.5×104N
根據實驗室和現場累積，F2應為1025×104N
設計選取Fg
Fg＝F2＝1025×104N
3.1.2 土壓平衡盾構總推力(F土)
土壓平衡盾構在推進過程中要克服以下一些阻力，有盾構正面土壓力對盾構的阻抗作用力Fp、（一般情況下可按盾構軸心線上的平衡土壓力計算，特殊情況下應按被動土壓力計算）盾構側面在自重、頂部水土壓力，底部水土壓力，側向水土壓力作用下受到的摩擦阻力Ff以及盾構后部設備臺車的牽引阻力和盾構糾偏過程中的附加阻力Fz
即：F土＝Fp＋Ff＋Fz
3.2 軟土和砂土地質的盾構，刀盤切削扭矩
慣用的計算式為
T= α·D3(為扭矩系數)
此類盾構一般取α=1.6
由于硬巖掘進刀盤所需的扭矩大大小于軟土或砂土地質下掘進的刀盤扭矩，因此，本方案中刀盤最大扭矩的配備按軟土中施工的扭矩配置。
T=482.6×104N·m
3.3 推進速度(v)
推進速度的快慢是一個綜合指標，是工地上能源配備，隧道施工中水平、垂直運輸能力諸因素綜合平衡的結果，本盾構選用
v=5.1cm/min≈3000mm/h
3.4 管片拼裝機
管片拼裝機的功能是將預制混凝土或鋼制管片按設計要求在盾尾區間拼裝成環，并使環環相扣形成隧道。因此其必須具備將任一塊管片安裝到指定位置的能力。一般來說，其安裝過程是一個空間管片作業過程，因此，人們將拼裝機稱作是安裝管片的機械手。拼裝機由盤體機構、傳動部件、擋輪、托輪、液壓系統及電氣控制系統等部件組成。盤體機構是以鋼結構為主體，傳動部件采用齒嚙合形式，盤體旋轉速度分快、慢兩種。拼裝機設計由兩部分工作構成；其拼裝過程的運動軌跡由精確作圖來完成，而傳動功能則要作理論計算。主要技術參數計算如下：
提升力(F)＝70kN×2
回轉力矩(TP)＝100kN·m
轉速(v)v1＝0.5r/min；v2=1.0r/min
傾覆力矩(TQ)
拼裝機的傾覆力矩，由若干側向擋輪平衡。
回轉角度 ±200°
拼裝機提升行程 650mm
拼裝機平移行程 600mm
拼裝機鉗口油缸伸縮行程 60mm
3.5 螺旋輸送機
螺旋輸送機的功能是將盾構推進過程中的棄土從工作面輸送出來，并由其他設備運送至隧道外。盾構推進速度的快慢，決定了每小時出土的多少。因此，螺旋輸送機輸送棄土能力的配備考慮到盾構的最大推進速度。同時，盾構在推進過程中維持工作面的土壓平衡是靠控制螺旋輸送機的出土量來實現的，常用的帶中心軸的螺旋輸送機不易出渣，因此，結合實際地質條件，采用帶式螺旋輸送機，見圖４。

螺旋輸送機總長約10m，采用后部1點支撐，驅動部件為低速大扭矩馬達。部件主要參數：
螺稈直徑D=700mm
螺稈節距L=700mm
最大轉速nmax=15.5r/min
輸送量Q=199m3/h（η=100%）
驅動扭矩T=4×10kN·m

4 關鍵部件的設計研究
4.1 刀盤結構設計研究
大刀盤是與開挖面巖土直接接觸的結構件，其主要功能是破碎巖土。
本區段隧道工程，從海珠廣場站至江南新村站，盾構將穿越9號弱風化帶巖石約300m，為滿足工程施工要求，刀盤的設計和制造是十分關鍵的。
刀盤由盤體和滾刀、割刀等組成。刀盤盤體在盾構推進過程中承受著巨大的抗力。因此，盤體結構除滿足強度條件外，必須考慮足夠的鋼度，以免在施工過程中變形而影響正常地運行。盤體設計成剛性較好的“︹ 及ㄇ”形式（圖5）的刀盤盤體。

本盾構的刀盤盤體上共布置有127把刀具，其中滾刀有41把，滾刀的布置符合一定的規則，即既要能全斷面破碎巖石，又要根據盤體中心與邊緣線速度的不一致而作適當的調整，圖6，圖7，圖8列舉了單聯滾刀、雙聯滾刀、中心滾刀的情況。

滾刀由盤形刀片、軸承、心軸、刀殼等組成，盤形刀片由特殊的硬質合金材料制造，經熱處理后具有高硬度高強度等性能，足以破碎巖土，本盾構每把滾刀承受抗力可達250kN。
滾刀安裝在盤體上的刀座上，用緊固螺釘固定(圖9)。遇到刀具磨損或地層變化需要調換刀具時，操作工可以在刀盤盤體后方安全區域工作。

其余86把割刀成輻條形規則地布置在刀盤盤體上，起輔助切割作用(圖10)。與滾刀一樣，割刀也可以方便地更換。
這樣，布置的滾刀、割刀不管在性能穩定的微風化巖土地層或是不穩定的強風化巖土層中，盾構都能有效地全斷面掘進。
4.2 盾構初推段及切削刀具的改進
盾構出洞初推段即碰到強、中風化巖地層，產生盾構推力大（達20×106N）、掘進速度慢（0.5~2mm/min）、刀盤扭矩大（2.5~3.3×106N·m）等問題,經分析研究,即時采取拆除刀盤上的27把盤形滾刀,更換成先行刀,適宜切削強度較低的風化巖,起到撕裂破壞巖體的作用.先行刀高出刀盤面板95mm、110mm和150mm三種，見圖11。先行刀與滾刀可互換。
盾構刀盤改制后，推進速度提高到可日推進可達5m。

4.3 刀盤驅動系統
刀盤驅動系統的主要功能是為大刀盤挖土提供旋轉動力。
在硬巖層掘進時刀盤所需的扭矩小而轉速高，在軟土或砂土地質掘進時刀盤所需的扭矩大而轉速低，因此盾構機刀盤的扭矩按軟土地質施工中的最大扭矩配置。本系統為盾構關鍵部件,采用相關的日本公司生產的產品。刀盤主要參數：
a. 刀盤切削直徑D＝6.21 m
b. 刀盤轉速n=1～3 r/min
c. 刀盤最大扭距Tmax= 4.826 ×106 N·m
驅動油馬達共12臺，配置油泵組14臺，當盾構進入軟土地層時，開動5臺油泵組，系統為高扭矩，低轉速；當盾構進入硬巖地層時，開動全部14臺油泵組，系統達到低扭矩，高轉速。

5 結語
結合廣州地鐵2號線區間隧道工程地質條件，在消化吸收國外復合型土壓平衡盾構先進技術的基礎上，將2臺已使用過的泥水加壓盾構，創新改制為兩臺φ6.14m復合型土壓盾構，并用于隧道掘進，解決了盾構穿越江中段大深度、高水壓風化巖地層的難題，取得了復合型盾構在廣州等復雜地層中施工的經驗。表明上海隧道工程股份有限公司在盾構設計制造的技術水平上實現了跨越式的發展。

新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》