地铁施工盾构机的选型及改造

地铁施工盾构机的选型及改造

刘苏清

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司430000

摘要：地铁施工中盾构施工为当前最主流的施工方法。盾构施工中设备的选型直接关系着整个施工的进度及施工质量。中铁十一局集团有限公司于2016年9月底中标深圳地铁20号线机场北站车站、机场北站至重庆路站区间隧道工程。工程总造价5.6亿元。单线隧道长896.2米。为了优质、高效、安全的完成施工任务，集团公司决定采用土压平衡盾构机及其配套设备。盾构机的选型及改造为当前首要任务。

关键词：地铁盾构改造

1.盾构机简介

1.1土压平衡盾构机介绍

土压平衡盾构机别名隧道掘进机，在我国，习惯上将用于软土地层的称为盾构，将用于岩石地层的称为TBM。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

1.2盾构机的基本工作原理

盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

2盾构机选型

2.1刀盘与刀具

（1）刀盘整体性强

刀盘为面板型，中间支持方式，刀盘主体结构由辐条、面板、侧板、筋板、外缘板、后盖板、耐磨合金条和支撑梁焊接而成，整体性强。在各辐条及面板上设置了切削刀、刮刀及先行刀，可以顺时针或逆时针回转对开挖面进行掘削的构造。对本工程中的片麻岩、花岗岩都能很好地适应。辐条设计为6条，开口率38%。

（2）刀具配置合理

刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况，进行针对性设计，不同的工程地质特点，采用不同的刀具配置方案，以获得良好的切削效果和掘进速度。

本工程，盾构机刀盘共设置191把刀具，其中中心双联滚刀8把、正面单刃滚刀24把、边滚刀14把、切刀64把，边刮刀16把、大圆环保护刀65把。刀具位置分布合理，保证开挖轨迹及开挖效率在半径上分布均匀，能够充分适应本工程隧道各类地层。

图1刀盘滚刀轨迹分布图

在安装形式上，面滚刀采用的是6连座和5连座布置，且刀箱长度较刀具直径长80mm，这不仅有利于刀具更换，同时也有利于渣土的流动性，减少刀盘结泥饼的机率。

图2刀具高出刀盘面板结构示意图

图3正面切削刀、周边刮刀等各类刀具大样图

（3）刀盘的抗磨性能良好

刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性，因此，在刀盘外周磨损距离较多的部位堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，如刀盘面板外周、搅拌棒、刀盘边缘板等处。同时刀盘外周采用双层钢板设计，方便最外层磨损后更换。

图4刀盘耐磨合金照片

通过刀盘、刀具的合理配置和优化设计，刀盘具备了足够的强度与耐磨能力，各类不同粘聚力、不同标贯、不同粘粒含量的土体均能够得到高效的切削，充分适应了本工程地质参数差异较大的特点。

2.2渣土改良

为避免盾构推进过程中出现渣土滞留、土仓堵塞和结泥饼等情况，奥村6950盾构机配备了功能完备的渣土改良系统。各类渣土改良设备的功能及特点如下：

（1）泡沫系统

盾构机设有泡沫注入系统，可通过刀盘正前方的4个泡沫注入口注入开挖面，对进仓土体进行预改良，并且在土仓胸板处、人行闸处及螺旋输送机上也设置若干个膨润土及添加剂的注入口，从而达到改善碴土性质。通过注入泡沫进行渣土改良，能够大大减小刀盘在黏土、粉土、粉砂等地层中的扭矩，提高土体流动性，减少刀盘和螺旋机磨损。

泡沫注入口设有单向阀，并在中心旋转接头后部留有液压快速接头，当发生堵塞时可连接液压系统，向刀盘注入口加注最大压力14MPa的液压油进行疏通。

图5泡沫改良系统

（2）土仓搅拌臂

在刀盘及土仓壁上分别设有4个主动搅拌臂，改造后再增加1个搅拌臂，在刀盘转动过程中对土仓中的进行充分搅拌，使注入开挖面或土仓内的添加材料(泡沫、泥浆、水等)与切削下来的土体在土仓中充分搅拌混合，提高土体的流塑性，防止泥饼的产生。

2.3螺旋机防喷涌措施

奥村盾构机的螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。在部分地层含水量比较丰富时，盾构施工过程中可能会出现涌水涌砂的现象。螺旋机在含砂量大地层频繁使用很容易出现闸门密封损坏，奥村盾构机设计两道闸门就是防止一道闸门密封损坏，还有一道备用闸门，以防施工中出现大量涌水涌砂的现象。

螺旋机排土闸门的液压系统中设有蓄能应急装置，在突然断电，液压泵停止工作的情况下，可以启动蓄能装置，关闭排土闸门，可防止碴土从螺旋机排土口自动卸压。

2.4盾尾密封措施

盾尾刷安装在盾构机机体盾尾部后端，其作用是防止来自管片与机体盾尾部空隙的地下水及土砂的渗入，盾构机为了能对付高水压、长距离掘进，安装了3道盾尾刷。并在盾尾全周设置了10个注入口对盾尾刷注盾尾油脂，在第1道和第2道、第2道和第3道间前后各设置5个注入口，各个盾尾油脂的注入采用电动阀控制，油脂注入位置及注入时间可以用定时器进行控制。

3盾构机改造

3.1盾构机局部适应性改造情况

针对本工程隧道主要穿越强、中及微风化片麻岩和花岗岩等地层的特殊情况，需要对盾构机的刀盘、螺旋输送系统、铰接系统等几方面进行了改进，使盾构机更具有在硬质地层掘进的功能，以满足施工要求。改进主要包括以下几个方面：

奥村6950盾构机改造项目表

深圳地铁20号线还处于初期建设阶段，盾构机的选型及改造对整个项目的施工有着极为重要的作用。盾构机选型的正确及针对深圳地铁20号线当前的地质情况所做的盾构机改造都将直接助力深圳建设。