国产11.66米泥水平衡盾构适应性改造

吴文斐

上海隧道工程股份有限公司机械制造分公司 上海 200000

1 工程概况

江南大道为杭州市主干道路，位于钱塘江南岸，线路走向基本与钱塘江一致，场区内地表水均受其影响。本工程施工范围内的主要河流为北塘河，施工时需对中兴桥进行拆复建。

（1）地质情况

盾构机穿越的土层为③-4砂质粉土、③-5砂质粉土夹粉砂、③-6粉砂、③-7砂质粉土、⑥-2淤泥质粉质粘土、⑧-2粉质粘土、⑧-3粉砂、-1粉砂、-4圆砾土。圆砾粒径以0.5～2cm为主，含量15～30%；卵石粒径5～7cm为主，最大粒径超过30cm，含量35～50%。

（2）水文情况

潜水主要赋存于场区浅部①层人工填土及其下粉性土层内，其富水性和透水性具有各向异性，特别是表部填土层，透水性良好，下部粉性土层透水性稍弱。潜水位埋深为地面下0.7～6.50m，平均水位标高为3.75m。

（3）有害气体

有害气体主要赋存在⑥2层淤泥质粉质黏土和下部⑧2层粉质黏土中（⑥2层和⑧2层均夹较多粉土、粉砂，使之成为较好的储气层），一般实测气压0.01～0.03MPa。

（4）隧道区间情况

区间长度为北线2258.6m，南线2256.6m；区间平面曲线半径最小800m；区间隧道顶覆土最大37.5m；隧道最大坡度北线4%，南线3.7%。

管片主要设计参数，管片内径10.36m，管片外径11.36m，管片宽度2.0m。

（5）工程难点

本工程的地质较为复杂，既有粘土、砂土，又有圆砾、卵石，要求盾构机对于变化的地质具有较高的适应能力。

工程中主要的难点和挑战如下：

盾构穿越粘土层，有结泥饼的风险；

盾构穿越砂性土和圆砾层，对刀盘和刀具的耐磨性能提出较高要求；

连续掘进距离较长、地下水位较高，盾构需具备气压开仓换刀功能；

盾构穿越沼气层，需要配备防沼气系统。

针对以上难点和挑战，需对盾构机配置做针对性设计，以便在工程中能够顺利应用。

2 盾构机的情况

2.1 原盾构机主要设备性能

（1）刀盘

原刀盘的结构形式为面板式软土刀盘，刮刀开挖直径11680mm，开口率20%。配置204把宽度150mm的刮刀，114把焊接式贝壳刀，1组中心鱼尾刀，2把仿形刀。不同类型的刀具呈高低布置，刮刀高120mm，贝壳刀150mm。

（2）刀盘驱动

原驱动采用了14台200kW电机，转速0～1.5rpm，额定扭矩32769kN·m，ɑ系数20.7。主轴承是一台5900mm的三排滚子轴承，设计寿命超过10000小时。内、外周密封系统采用1道齿形平面密封，3道齿形圆周密封，设计压力10bar。

（3）盾壳

原盾壳直径11660mm，前、中、后壳体板厚分别为70mm、60mm、80mm。盾尾密封采用3道钢丝刷加1道钢板刷，设计密封压力10bar。

（4）推进系统

原推进系统采用22组3联油缸，总推力达到128370kN，单位面积推力1202kN/m2，最大推进速度60mm/min，行程3000mm。推进的液压系统分为6区，每个区配有压力传感器，各区独立调节油压。

2.2 原盾构机主要设备的适应性分析

为了判断原盾构的主要设备性能是否能满足本项目使用要求，对以下设计条件做了对比。

表1 设计条件对比

（1）盾构机类型

由于本项目掘进距离较长、地下水位较高，所以需考虑气压开仓换刀措施。原盾构为泥水平衡盾构，降液位的风险较高，且未安装气压平衡系统，无法进行气压开仓作业。因此原盾构要改造成泥水气平衡盾构机[1]，增设气包舱和一套气压平衡系统，泥水系统亦进行相应的改造。

（2）刀盘

原刀盘配备的焊接式贝壳刀是针对砂性土的刀具，由于本项目会遇到圆砾和卵石，而贝壳刀不够强壮，所以损坏率可能会提高。因此考虑重新设计一个复合式刀盘[2]，贝壳刀换成撕裂刀，并采用刀盒安装的结构，使撕裂刀可以从刀盘背面更换。同时升级刮刀设计，主刃更换为大合金贴焊式，刀背镶嵌多层耐磨合金。还要考虑加强刀盘结构的耐磨保护，在正面和侧面加装耐磨板和耐磨堆焊。刀具的超挖量应满足R800m转弯。

（3）刀盘驱动

原驱动扭矩系数20.7，转速0～1.5转，在软土盾构机里属于超配的。在本项目中，随着刀盘改为复合式，原驱动的性能依旧可以满足复合式盾构的使用要求。

在上一个项目中驱动共计运转1330小时，运转率约为22.5%，主轴承剩余寿命约8670小时。本项目预计掘进7728小时（322×24小时），假设运转率不变，估计驱动将运转1740小时<<8670小时，因此主轴承寿命可以满足使用要求。

（4）推进系统

本项目的覆土深度和坡度，均小于原盾构机的设计值，且本项目管片形式和原项目相同，因此推进系统不作更改。

（5）盾壳

原切口环不具备改造、增加气包舱的条件，因此需要新设计制造一个切口环。原中间盾、盾尾按照45m顶覆土设计，而本项目最大顶覆土为37.5m，所以原结构强度满足使用要求。盾尾密封采用3道钢丝刷加1道钢板刷，设计密封压力10bar，预测最大埋深时水土压力不超过10bar，因此可以满足使用要求。

（6）后配套车架

原盾构机后配套车架的设计转弯半径为R1000m，不满足本项目的R800m。主要原因是车轮的型式不适合转弯，并且车架间牵引是花篮螺栓，调节需要靠手动，操作非常不方便。因此需要更改车轮型式和车架间牵引型式。

3 盾构机主要设备的适应性改造

（1）刀盘

重新设计制造一套复合式刀盘，增大开口率至35%。为了应对砂土和卵砾石，应加强刀盘和刀具的耐磨性能。刀盘正面和圆弧面敷设高铬合金耐磨板，硬度达到HRC60，其它耐磨板覆盖不到的区域采用硬质合金堆焊，硬度达到HRC55。刀盘背面开口周围、外圆边、搅拌棒表面采用硬质合金堆焊，硬度达到HRC55。正面刀具呈高差布置，刮刀、圆弧刮刀高175mm，焊接式撕裂刀、可更换撕裂刀高200mm。

磨损检测布置10个点，分为刮刀磨损检测、圆弧刮刀磨损检测、撕裂刀磨损检测三种功能，根据被检测刀具的不同设置不同的磨损量报警值。

人行闸内安装一套刀盘就地控制手柄，用于开仓换刀前旋转刀盘用。设计安全切换联锁，当切换到刀盘就地控制，则操作屏上不能进行刀盘正反转操作，此时操作屏上应反映出刀盘目前的旋转角度。

表2 刀盘主要参数

（2）盾壳

重新设计制造带气包舱的前盾（直径11.67m），隔舱板上配置各系统用的接口，预留备用口。切口处用硬质合金堆焊保护。为了减少粘土环境下泥浆吸口堵塞风险，同时又要考虑卵砾石环境下限制过流粒径保护排浆泵，设计了一套开口大小可变的格栅机构，网格大小能在200mm×167mm和200mm×385mm之间切换。

（3）气压平衡系统

配备完整、独立的2套气压平衡系统，1套工作，1套备用。当一套系统发生问题时可以迅速切换到第二套系统。系统全部为气动控制，无需电源，可以在含沼气的地层使用。系统工作压力8.0bar，采用SAMSON公司的气动控制器、流量控制阀、压力变送器等关键部件。气源采用3台90kw空压机，流量12.6m3/min，压力13bar，其中1台为备用。为了节约车架空间，选用水冷式空压机。

（4）泥水系统

为预防刀盘结泥饼[3]，泥水系统增配了中心冲洗功能。这套系统利用一台中心冲洗泵，从排泥管或工作舱内抽取泥水，再通过中心回转接头预留的管路泵入刀盘正面中心部位，冲散岩石粉末或粘土颗粒防止聚集，达到预防刀盘结泥饼的目的。

泥水舱设置4个进泥口，气包舱设置2个进泥口。气包舱底部设置1根主排泥管，另有1根备用排泥管直接通向泥水舱，可以在主排泥管堵塞情况下切换。泥水舱底部设置2路冲洗对着闸门方向冲洗，气包舱底部设置2路冲洗对着格栅方向冲洗。为了保证冲洗效果，中心冲洗泵流量配到400m3/h，冲洗流速达到5m/s。

增设液位监控功能，气包舱内设置11个液位开关，参与系统控制，为了防止泥浆粘附在开关上导致失灵，每个开关都自带冲洗功能。并配有液位传感器，可以反馈液位高度。

（5）防沼气系统

防沼气系统主要是通过电器控制系统，将通风系统与气体监测系统进行联动，当气体检测系统检测到沼气，将会自动报警并打开通风系统降低浓度至安全值[4-5]。

选用进口防爆型气体探测传感器，防护等级IP67，抗中毒，耐高浓度冲击，可在缺氧条件下检测。配置防爆型UPS供电，能够在断电后一定时间内测量。沼气探测头布置的位置和数量也是经过考虑的，我们认为沼气大概率会从盾尾密封、人行闸、排泥管、接管器处进入盾构内，为了能尽快探测到沼气，并全面监控盾构及后配套区域的沼气浓度，我们在这些位置设置了气体探测传感器。

通风系统除了配置常规排风机（1033m3/min）外，还增设了气动风机（33.6m3/min，4个设置在机头内，2个设置在车架接管区域），作用是打散气团，预防有害气体的局部集聚，也可以在断电情况下保障盾构机的通风。

（6）后配套车架

为适应800m转弯半径，修改所有车架的车轮型式，由原来的单列轮改为双列轮，同时减少每节车架的轮排数至两排。这样改造的优点是在轨道铺设有高差时，仍可保证所有车轮同时落地。车架左侧的连接杆全部改为油缸式，并就地安装操作开关控制伸缩，相比原先手动花篮螺栓式的调整结构，极大地方便了工人的操作。

4.小结

截至文章发稿，改造后的盾构正在杭州江南大道工地施工。平均推进速度为25～30mm/min，泥水系统、气平衡系统均工作正常。盾构工作压力在2.65bar左右，并随着埋深增加而提高，大约每环提高0.02bar，但仍未到达最大埋深处，后续将密切跟踪泥水系统和气平衡系统的工作情况。盾构始发时已处在800m转弯半径的区域，经过实际工作验证，后配套车架行走正常，无出轨现象，可以在该转弯半径下正常工作。