浅谈地铁施工用盾构机的选型方案

浅谈地铁施工用盾构机的选型方案

赵兴辰

粤水电轨道交通建设有限公司

摘要：针对广东地铁一号线二标的地质特征:密实中砂，级配不良，主要成份为石英、长石、云母及少量暗色矿物，含5%～10%的砾、卵石，提出了相应的盾构选型方案及盾构的设计特点。

关键词：盾构选型；土压平衡；辐条+小面板式刀盘

1盾构机概述

盾构是集机械、液压、电控等一体的自动化程度较高的地下隧道施工机械。主要由盾体、刀盘、刀盘驱动、螺旋输送系统、管片拼装等系统组成，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆系统、工业空气系统、电控系统、泡沫设备、膨润土注入设备及激光导向等设备。在主控室内可对盾构的掘进姿态实时监控，还可在地面监控室对盾构实时监控。由于盾构在城市地铁施工具有安全、快速、高效、对施工周围环境影响小等优点，在城市地铁隧道施工中被广泛采用。盾构作为城市地铁盾构法施工的专用机械设备，盾构的选型合理与否不仅关系到盾构施工的成本和效益，还关系到盾构施工的质量与技术水平，可见盾构选型的重要性。

2工程概况

2.1工程概况

广东地铁一号线一期工程(后围寨-汉城路)TJSG-2共包含:后围寨明挖车站、后围寨站～三桥站、三桥镇站～皂河站两个盾构区间。

后围寨站～三桥镇站区间，起讫里程YDK6+859.163～YDK8+657.787，全长:1798.624m。该区间从后围寨车站出发，沿世纪大道、三桥路下行，先后穿越后围寨立交，三桥机械市场，下穿阿房宫信用社，向东到达三桥车站。

三桥站～皂河站区间，起讫里程YDK8+851.687～YDK10+662.000，全长:1810.313m。该区间从三桥站出发，下穿三桥供销社砖混4层楼房、后建章路和三桥路交叉口、枣园路立交、皂河桥及穿越一个箱涵底部到达皂河站。区间总长度为:3608.937m。

2.2区间地质水文情况

本标段为全断面砂层，盾构基本在地层2-5-中砂层中穿过，2-5-2的地质为:密实中砂，级配不良，主要成份为石英、长石、云母及少量暗色矿物，含5%～10%的砾、卵石。此处砂的标贯N值基本在80～96之间，较密实;隧道平均埋深约20m，地下水位埋深为26.2m～32.7m，个别地段存在上层滞水，水位埋深约8m～13m，其它地段人工填土的下部和黄土状土与砂交接位置的上部亦可能存在上层滞水。因此盾构区间受地下水影响不大。

3盾构机选型

3.1盾构机选型原则

盾构机选型主要根据工程及水文地质、区间隧道设计及施工条件、施工规范、标准。根据本工程的地质及水文特点对盾构结构型式、驱动方式、主要技术参数、后配套的配置要求等进行调查研究，借鉴国内外先进技术，从经济实用、安全可靠及技术的先进性进行综合考虑。广东地铁一号线二标盾构机定型为土压平衡式泥土盾构机，刀盘型式为辐条+小面板式结构。

根据本标段地质情况:全断面砂层，密实中砂，主要成份为石英、长石、云母及少量暗色矿物，含5%～10%的砾、卵石。碴土经经改良易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力平衡稳定开挖面土体，适宜采用土压平衡盾构;根据中砂及砾石的地质结构该工程用盾构机亦可选用泥水平衡盾构。

3.2土压平衡盾构机和泥水平衡盾构的比较

土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等粘稠土壤的施工，在粘性土层或中细砂中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后，在渣土仓经改良后由螺旋机输出，渣土在螺旋机内运动形成压力递降，仍保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定状态。土压平衡盾构施工的渣土易堆放处理且可占用较小的渣土场地，适合于施工场地狭小施工工程。

泥水平衡盾构靠循环悬浮浆液的体积来调节和控制泥浆压力，采用膨润土制成的泥浆作为渣土的传递介质。开挖掌子面的稳定是靠泥浆室内的泥浆形成不透水的泥膜层，由泥膜起到平衡泥水压力作用，以确保开挖掌子面稳定。开挖土砂形成泥浆由泥浆输送机构输送到地面后，经过一套泥水处理设备进行砂土与膨润土泥浆的分离，经分离的泥浆再通过调整达到使用要求后再输送到开挖面循环利用。从地质条件来看，本工程选用土压平衡盾构和泥水平衡盾构皆可。但泥水盾构对渣土的分离成本高，另外重要的是泥水平衡盾构制造成本要高出土压平衡盾构制造成本的20%～30%，同时还需占用较大的渣土场地，使用成本也高于土压平衡盾构(见图1)。

选型结论:因此本标段工程选用土压平衡盾构施工较泥水平衡盾构施工更经济实用。

3.3刀盘结构形式的选择

盾构刀盘有面板式和辐条式两种，泥水盾构一般采用面板式刀盘;土压平衡盾构根据地质条件可采用面板式、辐条式或组合式刀盘。

面板式刀盘的优点是刀具布置方便，进入土仓的卵石粒径取决于刀盘的开口大小;其缺点是由于刀盘开口率较小，受刀盘面板的影响，特别在粘土状况下开挖面土压力与测量土压力不符，碴土进入土仓不够顺畅、易形成泥饼堵塞渣土入口，开挖面压力不易稳定，地面沉降较难控制，地面沉降风险增大，同时泥饼的形成使刀具负荷增大大，推进系统推力增大、液压噪声增大、液压油温升高，同时影响刀具寿命。

辐条式刀盘采用六根辐条，刀盘结构简单，土、砂流动顺畅，有效防止粘土的附着、不易粘结形成泥饼和堵塞，土压便于控制，在没有面板阻力情况下，碴土从开挖掌子面进入土仓过程中，开挖面土压等于测量土压，有利于土压力的管理，有利于对地面沉降的控制;由于刀盘开口大，卵砾石易进入土仓，刀具负荷及推进系统推力较面板式刀盘小、刀具寿命较长。在黄土、粘性土、砂性土等地层的盾构施工时，宜选择辐条式刀盘。

辐条式刀盘由于采用六根辐条结构，刀具布置较困难，在标贯较大的砂砾层中施工，较难布置足够的刀具，以满足延长刀具的使用寿命、避免盾构在施工中开仓换刀的目的。

鉴于以上比较，根据广东地铁一号线二标地质状况，兼顾面板式刀盘及辐条式刀盘的优点，借鉴同行业成功经验，本标段盾构机选型为六辐条+六小个面板式结构。(见图2)刀盘由中心轮毂、外刀盘圈、内刀盘圈、六根辐条、六个小面板构成。刀盘与驱动部分用中间支承方式提高了辐条结构的刚度，本设计选型兼顾了面板式刀盘及辐条式刀盘的优点，在小面板上适当布置了刀具，刀具布置总量多于辐条式刀盘，可有效地延长刀具寿命，满足本标段施工。

3.4刀盘驱动方式的选择

盾构刀盘驱动有电机驱动及液压马达驱动。电机驱动包括变频电机驱动及定速电机驱动，由于定速电机驱动不能调节刀盘转速，已极少采用。变频驱动是变频电机驱动刀盘，传动效率一般在95%左右，变频电机散热较少、噪声低，但超负荷能力差，在负荷不稳定或遇到短时大负荷时电机故障风险增高。变频电机驱动在地层较软负荷均衡时采用较好;液压马达驱动是电机带动液压泵提供一定压力和流量的液压油，液压油流经液压马达产生动力，驱动刀盘旋转，马达起动力传递作用，其传动效率为70%左右，液压驱动效率较变频驱动低，噪声、发热较变频驱动大，但在负荷变动较频繁工况下及超载性能大大优于变频电机驱动，结合本标段实际情况，选用液压马达驱动刀盘。

3.5刀盘刀具的布置

辐条式刀盘刀具的通常布置有切刀、周边刀、中心鱼尾刀、先行刀、超挖刀(或仿形刀)。切刀用于开挖大部分土体的主要切削刀具;周边刀用于切削周边土体，确保开挖面直径满足设计要求，故周边刀又称保径刀;先行刀(其高度高于切刀30mm)径向分层切削开挖土体，提前松动土体，有效降低切刀冲击载荷，起到降低切削扭矩作用;中心鱼尾刀开挖中心土体疏松部分土体及定心作用，鱼尾刀超前切刀布置使其最先切到土体，鱼尾刀锥形设计不仅使其具有定心作用，还有使切削下来的渣土在切向及径向运动基础上增加搅拌作用以改善渣土的流塑性，有效提高盾构整体掘进效果。由于刀梁为圆形结构，设计有刀头为圆形结构的用于开挖曲线及纠偏用途超挖刀。刀盘刀具的选用既考虑了在满足工程施工需要，保证较好的掘进性能，又考虑了经济性以节省设备投资。

3.6渣土改良

当土层含砂量较高时，渣土流塑性变差，为便于渣土的输送，向土仓内注入膨润土、泡沫或水，然后进行强制搅拌，使砂质土向泥土化转化。泡沫不仅改善开挖土体的流塑性，还可润滑刀具、刀盘、螺旋输送机，有效降低刀盘扭矩稳定开挖面，并有良好的止水作用;本标段地下水较深、砂层密实，渣土的流塑性改造需一定数量的水才可使渣土易形成流塑状，注入膨润土泥浆有效增加渣土的含水量，即在刀盘、土仓及螺旋输送机中注入膨润土泥浆，经渣土在土仓中搅拌增加砂砾石细颗粒成分，在开挖掌子面形成泥膜达到改良土体实现土压平衡掘进，减少刀盘刀具磨损，降低刀盘扭矩。本标段渣土改良系统配套膨润土罐九立方米，膨润土注入泵两台，土仓设有八套(四套备用)膨润土泡沫注入口，刀盘设有五处膨润土泡沫注入口，螺旋输送机设有两处膨润土泡沫注入口。

3.7同步注浆

盾尾注浆分四路八条注浆管(四用四备)，根据盾构机掘进参数确定注浆参数，注浆的压力、流量在控制面板及主控室面板均可显示，可实现自动及手动调节。为有效防范注浆管路堵塞，注浆后可清洗管路并设有检修口。为有效防止地面沉陷，同时配备了二次注浆设备。3.8出土设备

螺旋输送机旋转叶片及护筒均焊有耐磨材料，并有检修口。输送机外护筒具有伸缩功能，使螺旋能从渣土仓收回，满足带压换刀时土仓保压及螺旋轴的检修更换。螺旋输送机由液压马达驱动，可正反向旋转，正向(顺时针)旋转为出土，反向(逆时针)旋转用于堵塞时清理，当遇到突然停电时出土门在蓄能器作用下自行关闭，以保证渣土仓压力稳定。有2处膨润土及泡沫注入口，以利于渣土改良，满足施工需要。

4结论

综上所述，选用辐条+小面板的刀盘、并在小面板上布置适量刀具;选用土压平衡结构的盾构机可满足广东地铁一号线二标的施工要求。

参考文献:

[1]程建耀.最新桥梁设计实用手册.长春:吉林电子出版社，2016.

[2]骆栋.张亦红.郑明玉.预应力混凝土连续刚构桥荷载试验分析.山西建筑，2016.