地铁施工盾构机选型及施工组织探讨

地铁施工盾构机选型及施工组织探讨

刘东宁

中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 江苏 无锡 214000

摘要：地铁盾构机施工过程中难免会遇到不同的地层，尤其是复杂地层施工对盾构机刀盘配置和刀具的选择具有较高的要求。可以说，盾构机刀盘配置和刀具的选择，直接关系到施工效率和质量以及盾构机的使用寿命。为此，在实际施工中，应针对不同地层应选择不同的盾构机以及与之匹配的道具。

关键词：地铁施工；盾构机选型；施工组织

1盾构机选型原则

（1）适用性原则。要求所配置盾构机设备满足各项性能指标要求，并具备到头易于更换、配备气压舱、具备铰接系统、独立存在加泥与加泡沫系统等使用功能。同时，根据工程设计要求与现场地质情况，对盾构机结构体系与功能模块进行优化调整。（2）技术先进性原则。在多个种类盾构机的使用性能均满足实际施工需要与设计要求的前提下，需要从技术先进、可操作性、刀头使用寿命等维度进行综合评分，从中配置综合评分最高的盾构机，以此提高地铁施工水准，为工程质量提供保障。（3）经济合理性原则。为控制工程造价成本，避免产生不必要的成本支出，在确保盾构机设备使用性能达标的前提下，可以选择配置现有的盾构机设备，而非新购盾构机。

2盾构机类型比选

在部分地铁工程中，具备配置多种类盾构机设备的基础条件，如何从中选择最佳种类的盾构机，则是盾构机选型工作的重点。在这一工程背景下，应从施工技术、经济效益等方面进行比较分析。例如，在北京地铁四号、五号、十号线工程中，同时具备配置泥水式盾构机与加泥式土压平衡盾构机的条件，工作人员从经济技术方面对两种机型进行比较分析，比较项目包括适用地层、止水性、方向控制、排土设备、开挖效率、综合造价、配套设备、大源石处理等。最终，选择配置加泥式土压平衡盾构机。

3复合地层对盾构的要求级选型

3.1复合地层对盾构的要求

由于流宝区间盾构穿越的地层围岩等级包含Ⅲ、IV、V、VI级4种，即有软土地层、上软下硬地层以及全断面硬岩，其中软土地层占1/2多、上软下硬地层占1/4、全断面硬岩占1/6，岩面起伏较大，硬岩强度高，地质岩性组成极其复杂，上软下硬地层和全断面硬岩段所占比例大。因此，要求盾构机的刀盘配置的刀具必须有足够的强度和刚度切削硬岩的能力，且耐磨性要好。软土切削刀能更换成滚刀，并配置刀盘刀具磨损检测装置，能根据磨损程度及时更换。

3.2复合地层盾构选型

可以选用海瑞克设计制造的复合式土压平衡盾构机S-897（左线）和S-926（右线）进行区间施工。盾构机改造中充分考虑了复合地层的盾构施工，可通过更换刀具配置来适应不同地层的盾构掘进需求。

4同步注浆系统

4.1注浆要求

盾构隧道施工中盾尾间隙能否及时填满是控制地层沉降的关键。根据工程地质条件、隧道埋深以及隧道穿越区域内重要管线和地面建筑物情况，注浆液应能同步及时填满整个盾尾间隙，灌浆液应在短时间内固结到设计强度，以满足抵抗土体变形和沉降的需要。根据工程的实际情况，同步注浆采用单液浆，通过调整浆液的配比使壁后注浆浆液达到填充间隙的要求，必要时可以在浆液中加入速凝剂。

4.2同步注浆系统

盾构机配备单液同步注浆系统。盾构机砂浆罐可容纳8m3浆液，采用盾构机自带的2台双柱塞泵，注浆能力20m3/h，盾壳上配有10根注浆管路（4用6备），其中两根布置在尾盾顶部左右两，砂浆通过盾尾的注浆管道注入到开挖断面与管片外径之间的空隙，中，对可液化土层进行改良，控制地层变形、增强隧道抗浮能力。

为实现自动注浆的功能，在管路的注浆端安

装压力传感器来检测注浆压力，通过控制液压油流量，来调整注浆泵动作次数，从而控制泵送注浆量。在实际操作过程中，通过电位器控制比例调速阀来实现流量控制。

5地铁施工中盾构机的施工组织

5.1施工准备阶段

为减小各方面因素对地铁工程质量造成的影响，在正式施工前，应组织开展前期准备工作。首先，对地铁暗挖段、断面点、暗挖贯通面等部位进行测量定位，测量项目包括净空测量、复核测量、测量导向平台内径等，全面掌握工程现场环境情况，采取相应的处理措施，如处理特殊部位的土方超/欠挖问题、调整盾构机空推隧道轴线偏差等。其次，制定盾构机空推步进方案，在已知的初期支护与管片背后间隙值、各区段设计工程量、填料空隙率等信息基础上，准确计算各区段的回填量与砂浆用量，将方案作为开展同步注浆与管片安装作业的指导性文件。再次，为改善前后工序环节之间的衔接性，有效控制周边地表的沉降值，组织开展暗挖段地铁隧道的抽排水与回灌作业。最后，对盾构机的始发与到达端头部位的环境情况进行检查，确定一切无误后，即可开展盾构机掘进作业。

5.2盾构机到达阶段

在盾构机到达阶段，对现场情况进行实地考察，如果现场情况与方案内容存在出入，则对盾构机掘参数与方案进行优化调整。例如，在到达段隧道洞身分布中风化花岗岩与强风化花岗岩时，将盾构机工作模式切换至半敞开掘进模式，将盾构机掘进速度保持在0.015m/min以内，根据实际掘进情况适当调整设备推力。随后，待盾构机掘进至端头密封墙部位时，将盾构机切换至停机状态，对管片背后部位开展注浆作业，将注浆压力值控制在0.25MPa左右，将水泥浆液与水玻璃浆液二者比值控制在1:0.8，当地层孔隙得到有效封堵，不再持续渗出孔隙水后，表明注浆质量达标，操纵盾构机开展掘进作业来贯通暗挖隧道。最后，将盾构机推进至暗挖隧道和盾构交界面5m处，停止盾构机推进，对贯通面前后两侧的管片背后部位开展注浆作业，直至浆液溢出，要求管片背后空间填充密实，以此预防管片上浮、错台等施工问题的出现。

6盾构机刀具维修

6.1刀具磨损情况

盾构机掘进施工过程中，刀盘刀具和岩土会发生一定程度的磨损问题，导致刀刃崩断、刀体掉齿问题的发生。和中心位置的刀具相比，位于边缘位置的滚刀磨损情况更加严重，主要的磨损形式有单边偏磨和多边偏磨两种，磨损严重的位置会出现刃口位置崩块、开裂甚至脱落。如果按照正常的标准使用，绝大多数的刀具轴承的使用寿命可以达到900h，但是施工环境并不是理想的，受各种外界因素的影响，刀具轴承在应用过程中会受到各种不同程度的损伤，常见的比如轴承架断裂、轴承外圈出现裂痕等。一般来说，刀体与刀盖之间会采用浮动密封，应用中受外界腐蚀性因素的影响，浮动密封可能会失效，直接带来刀具漏油的问题，影响轴承正常运转。

6.2维修要点

充分彻底地清理刀具，结合刀具损坏的情况锁定需要维修的部件。及时更换已经发生损坏的零部件。装配刀具的过程中不仅要严格控制刀圈和轴承温度，同时还要严格控制紧固件的紧固力矩。刀具装配过程中适当调整刀盘的静态转矩。

总之，盾构施工中，盾构的选择以及刀盘选型、刀具的布置直接决定了施工成功与否，为此在进行盾构选型和刀盘选型、布置刀具的过程中，必须综合考虑施工区域的水文地质条件、区间障碍物、刀盘适应性以及设备应用经济性等各类因素，结合相似工程的成功经验和兼顾地区长远发展，选择最优的刀盘形式、刀具种类及刀具布置形式。如果施工区域经过地质多变区，还要重点考虑先行刀具互换的设计，以满足实际施工需求。

参考文献：

[1]地铁施工盾构机选型及施工组织[J].罗鸣.  设备管理与维修. 2020(14)

[2]浅谈地铁施工盾构机的选型[J].房兴红.  科技创业家. 2013(02)

[3]地铁施工用盾构机选型及施工组织[J].石良滨.  科学之友. 2011(20)