成都砂卵石地层盾构机选型及技术应用

杨 辉，徐 寅，王 涛

（中交天和机械设备制造有限公司，江苏 常熟 215500）

随着我国社会经济的发展，越来越多的城市开始规划和修建地铁。在此期间，部分城市在地铁建设中遇到了地质条件非常复杂的砂卵石土层，特别是成都地区，其中温江区域的地质条件尤为复杂。成都17号线黄石站—温泉大道站区间（温江区域）隧道几乎全部从卵石土层中穿越，卵石含量高，卵石最大粒径可达600mm以上，卵石级配差，地下水含量丰富且渗透性强。到目前为止国内外盾构机在此区域内进行盾构施工时普遍遇到由于出土方量超方导致地面沉降控制不好、刀盘卡死、刀盘刀具损耗严重、螺旋机卡轴断轴、螺旋机喷涌等问题。

本文基于土压平衡盾构机的原理，结合中交天和对砂卵石地层盾构机的设计经验，旨在解决以上问题，提高盾构机在成都17号线温江区域的施工效率、施工质量，节约施工成本。

1 工程概况

成都号线一期工程线路全长约27.6km，地下段长约21.4km；最大纵坡坡度31.1‰，最小平面曲线半径R450m。区间范围为金星站（含）—九江机投镇站（含），其中盾构区间为黄石站—市五医院站—凤溪河站—温泉大道站—明光站—九江北站—白佛桥站—机投镇站，梧桐庙停车场出入线段共7个区间。其中黄石站—市五医院站—凤溪河站—温泉大道站4站3区间属于温江区域（以下简称黄温区间）。工程线路及主要地质如图1。

黄温区间主要穿越地层为卵石土如图1（b）。卵石粒径一般约为210～300mm，最大约为350mm。且卵石土具有自稳性差、富水性良好、透水性强等特点。该区间侧穿成都市第五人民医院，成都市第五人民医院为地上19层，地下2层，筏板基础，基础底埋深约7m。距离盾构隧道最近水平距离约为10m，侧穿成都五院，下穿4号线二期隧道，隧道外径为6m，竖向最小净距约3.2m。

2 项目施工重难点分析［1-2］

2.1 卡刀盘且刀具磨损严重

温江区域区间位于卵石最大含量可能超过75%、漂石粒径20～70cm、卵石单轴抗压强度可能超过132MPa的大粒径、高强度、富水砂卵石地层中。与成都其他区域相比，本区域砂卵石地层具有漂石粒径大、漂石含量高、部分地段卵石层密实程度差等特点，该地层对地铁施工尤其是盾构法及暗挖法区间隧道施工影响较大。

（1）目前成都地区大部分盾构机的刀盘开口可通过粒径≤40cm，盾构机在推进过程中会造成刀盘堵塞，使刀盘扭矩超过额定扭矩值，从而造成停机；

图1 成都17号线项目线路图及主要地质图

（2）由于≥40cm的卵石较多，漂石天然抗压强度一般为41～200MPa，个别漂石强度达到299MPa，破碎困难，超过刀盘开口的卵石无法进入刀盘，将造成盾构机无法掘进；

（3）卵石最大含量超75%、漂石粒径20～70cm、漂石天然抗压强度一般为41～200MPa，个别漂石强度达到299MPa，施工时刀盘刀具磨损严重，甚至损坏；

（4）卵石含量高，自稳性差，卡在刀盘前面的≥40cm以上的卵石，难以通过带压进仓的方式处理，地基加固处理的方式成本高、周期长。

2.2 卡螺旋输送机甚至断轴

大粒径卵石多，卵石含量高，造成螺旋输送机卡轴，在成都是普遍现象，会导致停机，并发生过断轴事故。由于卵石含量高，自稳性差，现有轴式螺旋输送机无法排出40cm以上的卵石，难以通过带压进仓的方式处理，地基加固处理的方式成本高、周期长。

2.3 沉降难以控制

温江区域卵石含量高，粒径大，自稳性差，在成都常规使用的刀盘和螺旋输送机的设计在成都地区地层施工困难，在掘进过程中土压难以建立。目前在掘进过程中常采用欠压施工，刀盘掘进扰动时容易出现地表异常沉降或地层塌方。

2.4 停机喷涌

成都卵石地层地下水渗透系数高，盾构机停机后地下水涌向土仓，水位上升导致螺旋机底部压力增大，重新掘进时会造成喷涌现象。

2.5 事故案例

成都地铁7号线七标神仙树-神仙树西区间土压平衡盾构机掘进至450环时，刀盘扭矩增加，平均扭矩达到5500kN·m。经拆机减速机内行星齿完全破坏2个，并伴随部分点蚀及变形，摩擦聚合物相对较多。成都地铁3号线双流西站至三里坝站盾构区间连续发生3起螺旋机断轴事件，其中右线2次，左线1次，断口均发生在离端部1～1.2m处。

3 设计思路

根据以往成都隧道施工的经验，盾构机刀盘考虑配置为34%左右，螺旋机采用轴式，刀盘可通过最大卵石的粒径为螺旋机壳排出的粒径，其余大于螺旋机可排粒径的卵石考虑在刀盘外通过滚刀进行破碎。盾构机掘进时主张欠压施工，通过快速推进相对减小地面沉降。但是如上文提到的施工事故案例，成都现有的施工方法也没有完全解决诸如地面沉降、刀盘卡死之类的问题。尤其是在温江区域，这个在成都大粒径卵石含量高、施工难度最大的区域；根据以往的工方法并不能完全保证工程的顺利进行。

本文结合成都地区以往成功的施工经验以及我公司在砂卵石地层的设计经验，为了解决上文提到的施工难点，避免施工事故的发生，对成都17号线盾构机提出以下几点设计革新思路：

（1）盾构机推进时考虑建立土压，与掌子面形成土压平衡，同时推进速度不宜过快，减小对土壤扰动，可有效控制地面沉降。

（2）但是在成都卵石地层级配差、地下水含量高且渗透性强，建立土压比较困难。如果通过土仓渣土与掌子面形成平衡需要满仓掘进，这样会使刀盘扭矩增大，甚至卡刀盘。因此考虑怎么在半仓掘进的情况下也能保持土仓压力。首先空余半仓的压力通过1套保压系统加气压的方式保持压力。单独配置1套加注膨润土系统对土仓内的半仓渣土进行改良，使其形成良好的级配，同时配合刀盘上的膨润土加注系统使掌子面的卵石间隙填满。这样可使空余半仓的气压不会流失到地层中，保持住整个土仓的压力。

（3）刀盘设计考虑对卵石“以排为主，以碎为辅”的思路，增大刀盘开口率，刀盘最大开口幅度可通过大于600mm粒径的卵石。配置大开口刀盘可使卵石和渣土快速的进入到土仓内，减少刀具磨损、增加刀具的使用寿命，减少换刀次数。同时可减小土体对刀盘加载的负载扭矩。刀盘外圈板与刀盘正面设计成直角型式，刀盘外圈板对上方土体有一定的支撑作用，防止上方土体坍塌，更好的控制地面沉降。

（4）螺旋机为了匹配刀盘通过的卵石粒径，在保证螺旋轴强度的前提下螺旋轴考虑设计为带式的，同时做好螺旋机防喷涌措施。

（5）驱动部考虑配置大扭矩的驱动，保证扭矩具有足够的富余量，在碰到刀盘被卵石卡住等情况下能够有足够的能力使盾构机脱困。

4 设计简介

4.1 刀盘刀具选型及设计［3-4］

刀盘设计成复合式面板的型式。开口率为45%，中心部位设有6个高压注水口。刀具配置：双联滚刀（10把）、单刃滚刀（23把）、双刃滚刀（2把）、刮刀（66把）、边缘刮刀（24把）、焊接型先行刀（12把）、超挖滚刀（1把）。如图2所示。

4.1.1 刀具选型

（1）滚刀选型：滚刀在硬岩地层主要是依靠刀刃贯入岩石，对岩石挤压破碎，而在砂卵石地层主要作用是松动土体。所以在成都地区滚刀选用宽刀刃，刀体韧性高的滚刀，延长滚刀在砂卵石地层的使用寿命。如图3、4所示。

图2 刀盘

图3 砂卵石地层用滚刀

图4 破岩用滚刀

（2）刮刀选型：如图5、6所示，砂卵石地层用刮刀相对其他地层的刮刀刀刃更低，刀盘在卵石地层挖掘时卵石对刮刀刀体的冲击载荷更强，刀刃太高容易受到卵石冲击而出现破损，同时砂卵石用刮刀的硬质合金采用宽合金条，进一步提高合金的耐磨性能和抗冲击性能。

图5 砂卵石地层用刮刀

图6 其他地层用刮刀

4.1.2 刀盘渣土改良口设计

刀盘面板均匀布置10个刀盘喷口，每个喷口均为单管单泵设计，8路泡沫，其中5路加泥（3路与泡沫共用互换）在砂卵石地层的渣土改良中主要考虑以加泡沫为主，加注泡沫可有效减小砂土、卵石对刀盘盘体和刀具的摩擦系数，减小盘体、刀具的磨损。同时加注膨润土填满卵石间的空隙，使进入土仓的卵石土形成良好的级配，为土仓内土压与掌子面的土压形成土压平衡提供有利条件，最终使盾构机能够保压推进有效控制地面沉降。如图7所示。

图7 渣土改良口布置图

4.2 驱动部设计

在减小刀盘负载扭矩的同时，选用大扭矩的驱动部，进一步确保盾构机在保压推进过程中不会出现刀盘卡死的现象，保证施工效率。主驱动参数及扭转曲线分别如表1和图8所示。

表1 主驱动参数

图8 主驱动扭矩曲线图

如图9所示，驱动部齿轮啮合形式为外啮合。主驱动齿轮外啮合主要优点有：

（1）大齿轮齿数更多，传动比更大，在相同驱动功率的前提下可传动的扭矩更大；

（2）小电机是围绕大齿轮的外周进行布置的，在相同空间前提下，外啮合的齿轮可以布置的电机数量更多。

同时通过分析主轴承在额定扭矩工况及脱困扭矩工况下的受力计算，选择合适的齿轮模数和主轴承滚柱等，保证主轴承寿命。

图9 驱动部装配图

如图10所示，主驱动密封系统分为内、外周，密封均由1组端面四指聚氨酯密封、2组轴向四指型聚氨酯密封、1组轴向VD橡胶唇型密封组成。每道密封之间形成的腔体均加注满密封油脂，保证可耐受的最大水土压力为1MPa。同时密封的冷却方式为水冷，避免密封在使用过程中由于温度过高而失效，确保密封的使用寿命。

图10 主驱动密封图

4.3 有限元ANSYS受力分析

经过对于大开口率刀盘及驱动部合理性设计，模拟盾构刀盘在掘进地质中的情况，通过ANSYS分析得到以下结果：在额定扭矩及脱困扭矩工作状态下，刀盘最大应力分别为150MPa、208MPa，最大变形量分别为3mm、3.6mm，满足正常掘进过程中的刀盘强度设计（见图11-12所示）。

图11 刀盘额定扭矩下的应力应变图

4.4 螺旋输送机设计

采用带式螺旋轴，保证大卵石顺利排出。带式螺旋轴的节距为1000mm，可通过粒径较大的卵石，最大排出粒径可达φ560mm×1100mm，可排出成都温江区域最大粒径的卵石。同时卵石在螺旋机内对螺旋轴具有一定的冲击载荷，所以为了保证螺旋轴片的强度，螺旋叶片厚度达到了170mm。

4.5 施工措施

在土仓隔板上安装了膨润土、泡沫和高分子聚合物注入接口，螺旋机筒体前端设置有1备1用2个膨润土、2个高分子聚合物注入口和1个泡沫注入口。

（1）在刀盘前部加泥加泡沫，建立土压，并减小对刀盘刀具的磨损，防止喷涌。

（2）对土仓加注膨润土浆，可有效建立土压。

（3）向螺旋机注入膨润土和泡沫，达到建立土压和减少螺旋机筒体磨损的效果。

（4）当含水量过大，需在螺旋机前部注入口注入少量高分子聚合物，便于形成土塞，解决螺旋机的喷涌。

（5）盾构机停机时，对土仓的加气孔注入压缩空气，把水逼回刀盘前部卵石层，配合加泥的注入来解决涌水问题。

5 结束语

针对成都17号线砂卵石地层地质的调研分析，总结了盾构法施工过程中的重点和难点，并针对大卵石、富水型、易坍塌的地质造成地面沉降大、盾构机刀盘刀具易磨损、螺旋机轴易卡断等问题提出了相应措施。大开口率刀盘、带式螺旋输送机轴、外啮合大功率驱动部等盾构选型及设计，能够为盾构机在温江区域乃至整个成都地区这种富水砂卵石地层的隧道施工带来新的变革。

［1］ 张帅军，孟树红，杨梅. 地铁区间隧道穿越建筑物的施工技术［J］. 西部探矿，2005，（107）.

［2］ 段浩，宋天田. 成都地铁盾构法隧道施工的难点及措施［C］. 第四届中日盾构技术交流论文集. 广州，2007：228-233.

［3］ 宋克志，袁大军，王梦恕. 大盘型滚刀与岩石相互作用研究综述［J］. 铁道工程学报，2005，（6）.

［4］ 宋天田，周顺华. 复合地层条件下盾构刀盘设计研究［J］. 地下空间与工程学报，2007，（3）.