上海地区长距离深埋盾构设计要点探讨

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.概述

随着隧道建设的不断发展，上海地下空间的利用越来越向深层拓展。如规划中的崇明线轨道交通工程，隧道直径13m，最大覆土46m，覆土厚度与隧道直径比约3.5D（D为隧道直径），盾构机一次掘进9.8km；市域铁路工程，隧道直径13.6m，最大覆土47.4m，覆土厚度与隧道直径比约3.5D，盾构机一次掘进6.34km；苏州河段深层排水调蓄管道系统工程隧道直径11.3m，最大覆土46m，覆土厚度与隧道直径比约4D。为了满足长距离深埋大直径隧道的盾构法施工，需要探讨盾构机设计要点。本文以隧道埋深、工程地质、水文条件为主要依据，综合考虑盾构机适应性、可靠性、安全性等方面，讨论了深埋盾构设计时应该考虑的要点。

2.长距离深埋隧道工程难点

（1）长距离掘进

盾构机在长距离掘进的工作环境下，需考虑刀具耐磨性能及更换、主驱动密封的耐磨性、主轴承的工作状况、盾尾刷的耐磨性能及更换等情况。所以这种工况对于盾构机关键部件的耐久性和可靠性要求很高。另外，还要考虑在盾构机关键部件损坏以后的如何让人员介入维修。

（2）高水土压力

盾构机在深埋的工作环境下，需要考虑到高水土压力带来的主驱动密封系统耐压性能、盾尾结构耐压性能以及盾尾密封耐压性能。

（3）穿越含承压水的砂土层

上海深埋盾构机主要穿越第⑦层土（砂质粉土夹粉质粘土），该土层是上海第一承压含水层，承压水主要赋存于第⑦层粉土或砂土层中。盾构机在穿越含承压水的砂土时会遇到刀具磨损严重、开挖面失稳沉降难以控制等情况。因此要重点考虑刀具的耐磨、开挖量监测、添加剂系统等方面的设计。以及考虑极端情况下刀具更换方案。

综上所述，长距离深埋盾构设计应考虑以下几方面要点：

1）扩大盾构机可介入维修区域；

2）加强关键部件的检测及自动化预警；

3）加强关键部件的耐久性和可靠性设计；

3.深埋盾构设计要点探讨

(1)扩大盾构机可介入维修区域

刀盘开挖面、土舱/泥水舱、盾尾密封刷等与土体交界的区域，都不能在比较安全的无压施工条件下介入。通常工作人员想介入刀盘，就必须带压进入土舱/泥水舱，且舱内含有各种开挖物（土块、石块、泥浆等），对人员的健康和安全都不利。通过扩大盾构机可介入维修区域，可以让工作人员安全地介入原本不容易介入到的区域，从而实施检查、维修等工作。

图 1 盾构机非安全介入区域(带压刀盘)

图 2 盾构机非安全介入区域(常压刀盘)

① 常压刀盘

通过配置常压刀盘，可以使刀盘中心舱内部、主辐条内部变成较安全介入区域。工作人员可以常压进入刀臂，做检查和换刀等工作。但常压刀盘有造价高、开口率较低、中心位置易结泥饼的问题，而且经过数次更换的刀筒也可能发生密封失效。

② 冰冻法

上海地层中地下水位一般较高，应用冰冻法的条件较好。在刀盘、盾尾或管片上预制冰冻管，在冰冻管中循环低温盐水，利用钢材导热性好的特点使刀盘结构变成“冰冻圆盘”，而盾尾结构变成“冰冻圆环”。通过冰冻管对隔仓内土体、切口周围土体和盾尾周围土体进行冻结，使周边形成冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行检查、换刀、换盾尾刷等作业。所以通过冰冻法，可以使刀盘周围、土舱/泥水舱、盾尾密封处变为较安全介入区域。

(2)加强关键部件的检测及自动化预警

① 刀盘的检测及预警

由于上海地层黏性土含量较多，刀盘中央容易结泥饼，从而导致刀盘负载增大，贯入度减小，推进速度变慢。考虑到安全性，通常不会采取开仓的方式判断结泥饼。只通过地质情况、掘进参数综合判断。结泥饼后刀盘开口率减小，摩擦系数增大，泥饼与土摩擦会产生大量的热量，伴随刀盘结构温度升高。在刀盘中央安装温度计可以有效辅助人员判断是否结泥饼。

长距离掘进情况下，检测刀具的磨损量是非常关键的。为了能及时和准确地判断刀具磨损情况，可以在刀具和刀盘结构上安装磨损检测系统，检测点的数量和位置根据施工方的要求确定。磨损信号应能够实时传输到操作系统，并在操作屏上显示。

为了避免推力、扭矩过大造成刀盘结构、主轴承损坏，准确地判断刀盘负载情况是十分有必要的。可以通过配备刀盘负载检测系统来实现判断。这套系统是在刀盘结构上加装传感器（数量和位置根据需要排布）。传感器信号经采集器后传输到主机中进行数据处理，最终结果显示在屏幕上。

② 主驱动的检测及预警

主驱动是盾构机的核心部件（包括轴承、齿轮、密封），一旦它发生问题，盾构机将无法继续工作，因此有必要重点监控主驱动的运转状况。

判断轴承运转问题较常用的检测方法是通过噪声/振动检测。这种方法可检测轴承运转时产生的噪声和振动脉冲。在轴承正常安装、正确使用和及时润滑的情况下，不存在相当大的振动和噪声。但如果发生问题，读数会发生变化，例如，结构缺陷、轴不对中（匹配部件的耦合部分不对齐）、润滑不良等。这意味着在监测振动时，专业人员可以很容易地注意到故障风险并加以预防。

对于密封圈，我们通常较为关注其润滑情况是否良好，一个重要的判断依据是温度，当润滑脂充分润滑且冷却系统工作正常的情况下，密封圈与钢结构摩擦力小，温度不会异常升高，反之则会快速升高。所以密封圈温度检测系统是必需的，它可实时传输温度信号至PLC系统，并在操作屏上显示当前温度。

对于齿轮情况的检测，主要是通过齿轮油采样这种间接方法来做。齿轮长期工作会产生铁屑，通过判断齿轮油里的金属含量可以间接判断齿轮的磨损情况。检测方法一般是离线检测，通过驱动箱底部放油口收集齿轮油，再交给专业检测机构化验。目前国内也有齿轮油在线检测技术，直接在动力箱上安装一套检测设备，可以检测油品粘度、污染水分、磨损颗粒等指标，相比离线检测具有很高的及时性。

(3)加强关键部件的耐久性和可靠性设计

① 刀盘设计

无论是带压换刀刀盘还是常压换刀刀盘，都要考虑刀盘结构的强度、刚度，防止结泥饼的措施，刀具的寿命。刀盘强度和刚度主要通过计算机FEM来做。通过重复多次模拟和改进，使得刀盘结构设计上更加优化。

刀盘结泥饼主要发生在刀盘中心，原因较为复杂，一般认为和刀盘中心开口小有关，切下来的土不能顺利进入舱内；加上深埋隧道通常会遇到号土，这种土粘性高容易粘在刀盘上。所以刀盘中心开口应设计得足够大，使切削下来的土能顺利进入舱内，防止中心结泥饼。常压刀盘在中心开口大小上非常不利，因此需要采取中心冲洗的手段来预防结泥饼，冲洗流量一般达到P2.1泵的1/3。提高刀具的寿命一般有两种方法，一是增加刀具数量并分层布置，在辐条上尽量多地布置先行刀；二是采用双或多层合金的刀具。

图 3 分层式刀具

② 刀盘驱动设计

要提高刀盘驱动的耐久性和可靠性，关键是提高密封系统的耐压能力和使用寿命。从现有的上海深埋项目判断，密封系统应具有10bar的工作压力。密封圈可选用齿形，理论上1道就能满足10bar的工作压力，为了提高密封系统可靠性，我们通常安装2道。

密封圈的使用寿命与密封压力、工作温度、刀盘转速、材料硬度、润滑情况和土体含砂量都有关系。其中密封压力、刀盘转速、土体含砂量是由实际施工条件决定，剩下的工作温度、材料硬度、润滑情况由设计决定。

工作温度方面，为了保证密封圈的工作温度始终处于合理区间，在驱动结构上应设计冷却水腔，保证密封圈寿命。冷却水流量应根据冷却水进出口温度、驱动的发热量、换热面积，运用热传导和热对流公式进行设计。

材料硬度方面，主要考虑密封圈硬度和密封面材料硬度。根据以往的设计经验，密封圈硬度在87～93HS左右，密封面最好采用耐磨板，硬度在45～50HRC左右。正常情况下，由于密封圈的硬度低于密封面材料，密封圈的磨损量比密封面大。但有时候会发生密封面材料磨损量比密封圈大的情况，也就是“软磨硬”情况。这是由于外部硬质砂粒进入密封面与润滑油脂混合形成液态研磨料，产生了研磨效果。出现这种情况说明密封圈的润滑没有到位，更具体地说是润滑脂加注量不够，无法把砂粒赶出润滑面。

为了保证密封圈始终处于充分润滑，集中润滑系统的设计要考虑油脂加注点数量、润滑泵流量压力、系统控制模式等方面。润滑泵的流量要与加注点数量匹配，润滑泵的压力要保证油脂能从加注点打出去。系统控制上要具备强制润滑模式，以便在高含砂量的地层中防止砂粒进入密封面。

③ 盾尾设计

盾尾的整体耐压性能，特别是盾尾的结构强度、变形量和盾尾刷可靠性是我们重点考虑的对象。盾尾的结构强度和变形量一般通过有限元计算辅助设计，在加载和约束合理的情况下，计算结果通常是可信的，且可用比较法验证结果，即与其它成功应用的类似设计的计算结果比较。

为了提高盾尾刷的可靠性，可采用特殊的加强型盾尾刷。普通盾尾刷的材料大多是把很细的钢丝绑扎在一起的钢丝刷，为了止水需要向里面充填盾尾油脂。但是，油脂在推进过程中会从钢丝刷中流失，流失后由于同步注浆材料侵入到钢丝刷内固结导致钢丝刷失去弹性，降低止水效果，导致发生问题。加强型盾尾刷是事先向盾尾刷内注入填充材料，通过这个办法解决了以往的问题，提高了盾尾刷的耐久性和止水性。

4.小结

上海地区长距离深埋隧道工程的难点在于长距离掘进、高水土压力、穿越含承压水。因此盾构机的设计要考虑扩大盾构机可介入维修区域、加强关键部件的检测及自动化预警、加强关键部件的耐久性和可靠性设计三方面措施。通过分析工程难点可以得出，刀盘、刀盘驱动、盾尾三个部件是重中之重，结合三方面措施解决好这三种部件的针对性设计，是提高盾构机在上海地区长距离深埋隧道工程中适应性的关键。