砂土地层土压平衡盾构机适应性改造研究

苏小江

摘 要：针对土压平衡盾构机砂层施工设备磨损严重、土压建立困难、沉降不易控制等特点，结合西安地区全段面砂层特点，对投入西安地铁二号线运动公园站～北客站的土压平衡盾构机进行了适应性改造，就刀盘、螺旋输送器、闸门、盾尾注浆壳及加泥设备等关键部位改造进行了说明。工程实践表明：改造后的土压平衡盾构机能够适应砂层掘进，较好的完成了全断面砂层施工任务，可为同类工程盾构机改造或选型提供有益参考。

关键词：砂层 土压平衡盾构 改造

中图分类号：U47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0065-02

西安地区主要分为冲洪积平原、黄土梁洼和黄土塬三大地貌形态[1]，黄土梁洼和黄土塬地貌区域分布较广，根据其水文地质特性、地面建（构）筑物及地下管线等因素，西安地铁盾构隧道主要选用土压平衡盾构施工[2]。但地铁线路部分区间穿越黄土和砂层的复合地层及全断面砂层等，盾构机选型尤为关键，需要选用的盾构机同时具备黄土和砂层施工能力，从水文地质、施工环境、环保性、安全性、技术性及经济性等综合因素考虑，可将土压平衡盾构机进行维修改造，便其适应砂层施工。西安地铁二号线运动公园站～北客站区间盾构隧道主要穿越黄土地层和砂层，本文通过对土压平衡盾构机刀盘、螺旋输送器、闸门、盾尾注浆壳及加泥设备等方面进行改造，进行砂土地层土压平衡盾构机适应性研究，旨在为此类地层盾构施工提供必要参考。

1 土压平衡盾构机在全断面砂层中的适应性及存在的问题

运动公园站-北客站区间砂层标贯系数和密实度较高，相对于黄土地层的顺利掘进，选用的日本小松公司土压平衡盾构在长距离及全断面砂层掘进困难，问题较多。

1.1 土仓压力难以建立，出渣困难，地面沉降变化大

砂层渣土流塑性差，当土压平衡盾构在全断面砂层施工时，砂土充满土仓和螺旋机时，造成刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩及千斤顶推力大幅增大，直接降低掘进速度甚至无法推进。若降低土仓压力，地面沉降又难以控制。

1.2 盾构设备磨损较快，故障频发

盾构砂层推进时，刀盘磨损严重，螺旋输送器故障频发，铰接密封损坏。运动公园站-北苑站区间贯通后检查发现，刀具及刀盘磨损相当严重，如图所示1；北客站-北苑站区间左线推进300环时，每环掘进时间超过2小时，出土量很少且成断絮状，经检查，螺旋筒壁与螺旋轴套接合处磨损坏，造成泥沙进入，油封部分失效，大小齿轮和铜套都已磨损，如图2所示；同时螺旋机叶片厚度已磨损到12 mm（标准为35 mm），其螺旋前端头两圈叶片（土仓内）基本磨光，如图3所示；北客站-北苑站区间过北绕城高速公路时，车辆动荷载的长期作用和车辆振动频率的作用下，致使砂层极为密实，盾构掘进时频繁使用铰接，造成铰接密封条损坏，铰接位置变形严重，盾构贯通解体困难。

为此，必须提高土压平衡盾构机砂层适应性，增强薄弱环节，重点研究刀盘螺旋强化设计，提高主轴承密封性能，增加保压泵渣和螺旋输送机双开门装置。

2 土压平衡盾构机适应性改造

2.1 刀盘改造

本工程盾构机刀盘为辐条式面板，开挖直径6140 mm，刀盘开口率43%。刀盘设置中心刀1把；先行刀63把，高出刀盘面板110 mm；切削刀88把，高出刀盘面板80 mm；超挖刀2把，可超挖135 mm。该盾构机在运动公园站-北苑站区间贯通后对刀盘进行了维修改造，项目如下：

（1）刀盘周圈加焊耐磨钢板。采用整圈焊接方式，将长条耐磨厚钢板弯曲，分3?～4块整圈焊接在刀盘周圈，并环向间隔40 cm在耐磨钢板打孔，孔深至刀盘1.5 cm，再将所打孔处将环向钢板与刀盘焊接。

（2）刀盘面板加焊网格耐磨层。

（3）刀盘边缘焊接耐磨层。

（4）在原设计边缘刀所在中心位置对称加装8把边缘刀。

（5）在刀具磨损严重区域（刀盘外周）加焊先行刀。

2.2 盾尾注浆壳改造

盾尾注浆壳是在盾尾外部45 °、135 °、210 °、330 °位置突出的4个壳体，与盾尾长度一致，高约12 cm，内置同步注浆管、清洗用管路及盾尾油脂管。外凸的注浆壳在软土地层中影响较小，但在密实的砂层或砂卵层地段，使盾构推进阻力大幅提高，且盾尾因受力不均出现变形。

为防止注浆壳局部受力过大和过度磨损，在每个注浆壳前端盾体上，焊接8～9把刀具，推进时超挖形成一条空隙带，以便于注浆壳通过。刀具分两排焊接，前排低后排高，每排中间高两边低，顺应壳体的趋势。同时在注浆壳上，焊接网格耐磨层，减小土层对注浆壳的磨损。如使用新造盾构机，则在盾构机设计联络阶段，可将注浆壳内部管路进行优化，缩小注浆壳尺寸，以减小阻力。

2.3 闸门改造

螺旋输送机排土口有两道由液压缸控制的出土闸门，调整闸门的开启度来控制螺旋输送机排土量，调节土仓压力。在砂层掘进时，若只使用前闸门，开启度较大时，大块渣土掉落在皮带运输机上，皮带运输困难，且易产生皮带打滑、电机过载等问题；开启度较小时，流塑性较差的渣土很难排出。当在出土口焊接细钢筋网时，可将大块渣土切碎，对闸门开度较大时渣土排放有较好效果。

但当砂层地下水丰富时，使用单闸门容易造成喷涌，存在安全隐患，还是需要使用后闸门。两闸门间存在一段平缓的空腔，渣土通过前闸门后在空腔储存，在后方渣土推力下，从后闸门顺利排出，因后闸门是圆弧式单闸门，操作方便，适合控制出土。在现场掘进初期，渣土改良不到位，较干渣土在通过前后闸门间空腔时常发生堵塞，后在在此段空腔加装膨润土管道，效果较好。

2.4 螺旋输送机改造

本工程盾构机螺旋输送机为液压驱动有轴叶片伸缩式，最大输出扭矩为46.7 kN-m，最大转速22 rpm，理论排土量为233 m3/h，螺旋壳外径为Φ711.2 mm，叶片直径为Φ650 mm，叶片螺距Φ600 mm，具备紧急闸门关闭功能。endprint

（1）螺旋叶片及筒体内壁加焊网格耐磨层，螺旋叶片边缘焊接硬质合金块。

（2）因螺旋轴为浮动支撑，在开停机时浮动端与筒体内壁接触摩擦频繁，启使二者磨损严重，为此在筒体内壁摩擦接触面加焊厚的耐磨材料。

（3）加强驱动系统的密封结构及润滑效果。流塑性较差砂层渣土易积累在螺旋机轴和筒壁的结合处，若密封不好，渗入沙粒将损坏密封，破坏驱动系统，为此密封在设计阶段应重点考虑，施工中无法再加强，只有改良渣土，增加砂层渣土流塑性，减少沙粒的渗入。为加强润滑，可采用在壳体上打孔，人工加注黄油的方法，但注入量需根据不同砂层及砂层渣土改良效果综合考虑。

2.5 渣土改良泥浆设备改造

本区间盾构机设置1个容量为3.6 m3加泥箱，通过管道输送至土仓和螺旋输送器。根据运动公园站-北苑站区间施工统计，平均每环使用约6 m3泥浆，为此盾构机原有泥浆箱不满足1环掘进需要，工效较低。为此，在盾构机维修改造阶段，将加泥箱容量增至12 m3。

为减小推进阻力和盾体磨损，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12点位置打孔，焊装管接头，连接加泥管路，在特殊情况下可向盾体周围注入膨润土，如地下水丰富，防止后方地下水涌至刀盘及土仓，也可在管接头处加注聚氨脂等。

2.6 土仓保压加强措施

流塑性较差砂层施工，土压建立难度较大，为防止上方砂层坍塌，控制地面沉降，将高压空气连接胸板上方的两个备用接头，可在掘进时向土仓打压缩空气，以辅助土仓保压。

3 改造效果评价

本工程盾构机在改造维修后，继续投入北客站-北苑站区间施工，盾构机穿越粉细砂与中砂、中砂和粗砂、中粗砂和砾砂组成的全断面地层和粉质粘土和中砂组成的复合地层。该区间盾构故障率大幅下降，并结合砂层渣土改良技术，盾构机推力、刀盘及螺旋扭矩大幅下降，能够较好的建立土压，地面沉降控制较好。盾构机到达北客站后检查发现，盾体、刀盘及螺旋磨损相比上一个区间大幅降低。

4 结语

（1）通过对刀盘采取加焊耐磨钢板和网格耐磨层、加装刀具等措施，能够有效地达到对土压平衡刀盘改造的目的，加强了其对砂土地层的适应性。

（2）通过在盾尾注浆壳前端盾体上焊接刀具和注浆壳上设置网格耐磨层，有效地减少了砂层对注浆壳的磨损，提高了盾尾注浆壳的使用效率。

（3）通过采取螺旋机筒体内壁及叶片加焊耐磨层、筒体加固、加强驱动系统密封及润滑等措施使螺旋磨损减小、故障率降低，适应性大幅提高。

（4）通过对渣土改良泥浆设备改造，提高了盾构砂层施工工效，并通过加注泡沫剂、膨润土和黄土泥浆等渣土改良材料，进一步提高了土压平衡盾构机全断面砂层适应性。

为此，改造后的土压平衡盾构机能够适应砂层掘进，但砂层地层盾构选型更需谨慎，应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究确定。

参考文献

[1] 李忠明.西安城市区工程地质环境与岩土工程勘察特点探讨[J].煤田地质与勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龚旭东.西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验[J].铁道工程学报，2008（12）.endprint

（1）螺旋叶片及筒体内壁加焊网格耐磨层，螺旋叶片边缘焊接硬质合金块。

（2）因螺旋轴为浮动支撑，在开停机时浮动端与筒体内壁接触摩擦频繁，启使二者磨损严重，为此在筒体内壁摩擦接触面加焊厚的耐磨材料。

（3）加强驱动系统的密封结构及润滑效果。流塑性较差砂层渣土易积累在螺旋机轴和筒壁的结合处，若密封不好，渗入沙粒将损坏密封，破坏驱动系统，为此密封在设计阶段应重点考虑，施工中无法再加强，只有改良渣土，增加砂层渣土流塑性，减少沙粒的渗入。为加强润滑，可采用在壳体上打孔，人工加注黄油的方法，但注入量需根据不同砂层及砂层渣土改良效果综合考虑。

2.5 渣土改良泥浆设备改造

本区间盾构机设置1个容量为3.6 m3加泥箱，通过管道输送至土仓和螺旋输送器。根据运动公园站-北苑站区间施工统计，平均每环使用约6 m3泥浆，为此盾构机原有泥浆箱不满足1环掘进需要，工效较低。为此，在盾构机维修改造阶段，将加泥箱容量增至12 m3。

为减小推进阻力和盾体磨损，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12点位置打孔，焊装管接头，连接加泥管路，在特殊情况下可向盾体周围注入膨润土，如地下水丰富，防止后方地下水涌至刀盘及土仓，也可在管接头处加注聚氨脂等。

2.6 土仓保压加强措施

流塑性较差砂层施工，土压建立难度较大，为防止上方砂层坍塌，控制地面沉降，将高压空气连接胸板上方的两个备用接头，可在掘进时向土仓打压缩空气，以辅助土仓保压。

3 改造效果评价

本工程盾构机在改造维修后，继续投入北客站-北苑站区间施工，盾构机穿越粉细砂与中砂、中砂和粗砂、中粗砂和砾砂组成的全断面地层和粉质粘土和中砂组成的复合地层。该区间盾构故障率大幅下降，并结合砂层渣土改良技术，盾构机推力、刀盘及螺旋扭矩大幅下降，能够较好的建立土压，地面沉降控制较好。盾构机到达北客站后检查发现，盾体、刀盘及螺旋磨损相比上一个区间大幅降低。

4 结语

（1）通过对刀盘采取加焊耐磨钢板和网格耐磨层、加装刀具等措施，能够有效地达到对土压平衡刀盘改造的目的，加强了其对砂土地层的适应性。

（2）通过在盾尾注浆壳前端盾体上焊接刀具和注浆壳上设置网格耐磨层，有效地减少了砂层对注浆壳的磨损，提高了盾尾注浆壳的使用效率。

（3）通过采取螺旋机筒体内壁及叶片加焊耐磨层、筒体加固、加强驱动系统密封及润滑等措施使螺旋磨损减小、故障率降低，适应性大幅提高。

（4）通过对渣土改良泥浆设备改造，提高了盾构砂层施工工效，并通过加注泡沫剂、膨润土和黄土泥浆等渣土改良材料，进一步提高了土压平衡盾构机全断面砂层适应性。

为此，改造后的土压平衡盾构机能够适应砂层掘进，但砂层地层盾构选型更需谨慎，应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究确定。

参考文献

[1] 李忠明.西安城市区工程地质环境与岩土工程勘察特点探讨[J].煤田地质与勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龚旭东.西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验[J].铁道工程学报，2008（12）.endprint

（1）螺旋叶片及筒体内壁加焊网格耐磨层，螺旋叶片边缘焊接硬质合金块。

（2）因螺旋轴为浮动支撑，在开停机时浮动端与筒体内壁接触摩擦频繁，启使二者磨损严重，为此在筒体内壁摩擦接触面加焊厚的耐磨材料。

（3）加强驱动系统的密封结构及润滑效果。流塑性较差砂层渣土易积累在螺旋机轴和筒壁的结合处，若密封不好，渗入沙粒将损坏密封，破坏驱动系统，为此密封在设计阶段应重点考虑，施工中无法再加强，只有改良渣土，增加砂层渣土流塑性，减少沙粒的渗入。为加强润滑，可采用在壳体上打孔，人工加注黄油的方法，但注入量需根据不同砂层及砂层渣土改良效果综合考虑。

2.5 渣土改良泥浆设备改造

本区间盾构机设置1个容量为3.6 m3加泥箱，通过管道输送至土仓和螺旋输送器。根据运动公园站-北苑站区间施工统计，平均每环使用约6 m3泥浆，为此盾构机原有泥浆箱不满足1环掘进需要，工效较低。为此，在盾构机维修改造阶段，将加泥箱容量增至12 m3。

为减小推进阻力和盾体磨损，在前盾周圈（胸板后80 cm位置）3、9和12点位置打孔，焊装管接头，连接加泥管路，在特殊情况下可向盾体周围注入膨润土，如地下水丰富，防止后方地下水涌至刀盘及土仓，也可在管接头处加注聚氨脂等。

2.6 土仓保压加强措施

流塑性较差砂层施工，土压建立难度较大，为防止上方砂层坍塌，控制地面沉降，将高压空气连接胸板上方的两个备用接头，可在掘进时向土仓打压缩空气，以辅助土仓保压。

3 改造效果评价

本工程盾构机在改造维修后，继续投入北客站-北苑站区间施工，盾构机穿越粉细砂与中砂、中砂和粗砂、中粗砂和砾砂组成的全断面地层和粉质粘土和中砂组成的复合地层。该区间盾构故障率大幅下降，并结合砂层渣土改良技术，盾构机推力、刀盘及螺旋扭矩大幅下降，能够较好的建立土压，地面沉降控制较好。盾构机到达北客站后检查发现，盾体、刀盘及螺旋磨损相比上一个区间大幅降低。

4 结语

（1）通过对刀盘采取加焊耐磨钢板和网格耐磨层、加装刀具等措施，能够有效地达到对土压平衡刀盘改造的目的，加强了其对砂土地层的适应性。

（2）通过在盾尾注浆壳前端盾体上焊接刀具和注浆壳上设置网格耐磨层，有效地减少了砂层对注浆壳的磨损，提高了盾尾注浆壳的使用效率。

（3）通过采取螺旋机筒体内壁及叶片加焊耐磨层、筒体加固、加强驱动系统密封及润滑等措施使螺旋磨损减小、故障率降低，适应性大幅提高。

（4）通过对渣土改良泥浆设备改造，提高了盾构砂层施工工效，并通过加注泡沫剂、膨润土和黄土泥浆等渣土改良材料，进一步提高了土压平衡盾构机全断面砂层适应性。

为此，改造后的土压平衡盾构机能够适应砂层掘进，但砂层地层盾构选型更需谨慎，应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究确定。

参考文献

[1] 李忠明.西安城市区工程地质环境与岩土工程勘察特点探讨[J].煤田地质与勘探，2002（5）：44-46.

[2] 龚旭东.西安地铁2号线试验段区间盾构机选型及施工经验[J].铁道工程学报，2008（12）.endprint