地铁施工盾构机选型及施工组织

2020-08-12罗鸣

设备管理与维修 2020年14期

关键词：土压选型油缸

罗鸣

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 100176）

0 引言

暗挖隧道在地铁工程中占据较大比重，其中盾构法是关键的施工方法，具备效率高、扰动小、稳定性优良等多重特点[1]。盾构机是实现隧道安全施工作业的关键设备，作为大型机械，科学的选型方案直接影响到施工质量，甚至与现场安全状况挂钩。

1 工程概况

常州市轨道交通1 号线工程项目中，一期工程总长33.837 km（地下线31.486 km，高架线2.161 km，过渡段0.19 km）。沿线共设置29 座车站，除27 座地下站外，还包含2 座高架站。设新龙车辆段与城南停车场，并配套1 座控制中心与3 座主变电站，以满足地铁工程的用电需求。根据地铁工程运行要求，配套机电系统等相关附属设施。

2 选型依据和基本原则

（1）盾构选型兼顾的是招标文件、施工现场勘察资料、行业规范等方面内容，主要体现在盾构类型、工艺参数、配套设施等方面。

（2）盾构选型以安全性为基本前提，综合考虑效率性、经济性等要求，选择的机型应具有优良工作性能，尽可能减少辅助施工量，全面确保开挖面的稳定性[2]。

（3）盾构设备广泛用于盾构隧道施工，因此选型时需考虑此类隧道的施工状况，如长度、埋深、现场地质条件、土层渗透率、沿线地形分布特点、施工现场既有构筑物等，与各项施工条件达到均衡状态。

（4）从国内外工程案例中汲取经验，以安全第一为基本原则，尽可能引入先进技术，为盾构机工作创造安全的环境，并根据盾构选型方案选择合适的施工方法[3]。盾构机选型是一项系统性工作，涵盖多方面因素，应提升各项因素的均衡性。

3 盾构类型的确定

结合现场地质勘察资料可知广电路站至定安路站至聚湖路站区间的施工状况，该段地层土质较为松软，且分布有大量地下水，加大了盾构施工难度。为提升与施工环境的相适性，盾构选型应结合土质实际情况，并兼顾安全性、成本等方面的要求，对比分析泥水盾构与土压盾构两种方式（表1）。

根据大量盾构工程实例，结合本工程的实际施工条件，最终选择土压平衡盾构机，将其用于本标段施工，同时还适配了同步注浆系统，以达到配套施工的效果。

4 盾构机供应方案

本次施工配备了小松直径6340 mm 土压平衡盾构机，由于工程量较大，数量为2 台，该设备在淤泥质粘土等施工环境中具有适用性，可灵活调整进场时间，与本次施工进度安排相符。

5 盾构机主要功能及技术性能

5.1 总述

盾构机集多功能于一体，可满足盾构各环节施工作业要求，如开挖、支护、注浆等。

土压平衡盾构机是本段施工的关键设备，含刀盘、盾体、人员舱等配套装置；设备功能丰富，内置开挖系统、推进系统、铰接系统等。

5.2 盾壳

由三部分构成，即前体（切口环）、中体（支撑环）与盾构。

5.3 人员舱

盾构施工过程中，人员舱可为设备操作人员提供进出通道，以便完成维修和检查工作，同时也是各类工具与材料的主要运输通道。人员舱的特点在于维持土仓土压的稳定性，主要由主舱与准备舱两部分构成，利用压力门将彼此隔开。其中，主舱与中间舱采取法兰连接方式，并通过焊接手段将中间舱稳定连接在压力隔板上，使其形成整体结构，隔板上增设门结构，是人员进入土仓的重要通道。准备舱是重要逃生通道，出现紧急情况后可从该处逃出。

5.4 主驱动系统

由主轴承、液压马达、减速器和液压泵站构成。其中，主轴承上增设内齿圈，在螺栓的作用下，可实现与刀盘的稳定连接，共配备8 个液压马达，提供动力并带动内齿圈的运行，从而实现刀盘的旋转。

表1 泥水盾构和土压盾构比较

5.5 推进系统

此系统是推动盾构机运行的关键，推进机构是主要构成部分，可分为推进油缸与液压泵站两类装置。本工程所用设备推进油缸总量为32 个，等分为4 组，各自可独立调节油缸推进速度与压力，彼此联通后可实现对盾构机姿态的调整。油缸的后端顶在管片上，该方式的特点在于可提供盾构前进的反力。

5.6 出碴系统

系统的核心设备为螺旋输送机，该装置位于前体的底部。装置内部配备带轴的螺杆，通过螺旋片的作用可达到自由伸缩的效果，提升在碴土中的灵活性。螺旋片由两段构成，较为特殊的是中间部分，该处有一段并未配置螺旋片，基于此结构特点，在软岩环境下工作时可形成土塞，在其作用下达到防喷涌的效果。

螺旋输送机的运行依靠液压马达与减速机，具备无级调速的特点，转速0～21.9 r/min，有助于提升出土量的合理性。通过对转速的调节，可达到改变土仓压力的效果。由于螺旋输送机圆周设置若干个小孔，根据盾构施工要求，为提升碴土流动性，可向该处注入膨润土。

5.7 保压泵碴装置

盾构隧道工程中若遇到高水压地层施工环境，若采取常规的工艺方法（即土仓内注泡沫），极容易对螺旋输送机的工作状态造成影响，引发闸门喷碴现象。为解决此问题，可利用管道的连接作用，将保压泵连通闸门，2 个油缸可实现前后伸缩的运行效果，能够有效排土，提升碴土外排的连续性。

5.8 铰接系统

（1）正常掘进。此工作环境下，油缸全程保持锁定状态，压力油不具备流入铰接缸的条件。伴随盾壳阻力的提升，当其达到某一特定值时，活塞杆处于受拉状态，油缸活塞产生的压缩动作将直接对有杆腔的液压油造成影响，从而出现压力提升现象，伴随高油压的提升，当该值达到30 MPa（300 bar）时，压力油经过溢流阀汇聚至油箱内，最终油缸活塞杆做出外伸动作。

（2）曲线掘进。若盾构机调向超出许可范围，必须通过油缸压力释放的方式处理，油缸内的有杆腔与无杆腔均保持相同状态，即统一接回油箱，在此影响下铰接油缸浮动，能够实行对掘进姿态的灵活调整。

（3）铰接密封。铰接密封由三部分构成，以3 道密封的作用最为明显，其中的第三道密封增设了可调压板，可实现对密封松紧程度的灵活调节，前两道密封的特点在于除了具备密封作用外，还发挥出润滑效果，此功能的实现得益于手动润滑点。设置多个手动注脂点，每次开班前进行补充，各点加注量均保持为50 cm3。可调压板处设置有螺栓装置，对其采取紧固处理措施是提升铰接密封效果的关键。因多方面因素影响而出现三道密封损坏现象时，可启用应急充气密封，以弥补损坏密封的不足。

5.9 碴土改良系统

共设置两套碴土改良系统，二者连接至相同的输送管路，具体由两部分构成：①泡沫系统。由泡沫泵、电磁流量阀、管路等多部分构成，是碴土改良的重要工具；②膨润土系统。若盾构施工采取不使用泡沫剂的方式，即可将该输送管道关闭；与此同时，启用膨润土输送管道，由于设置了输送泵装置，在其作用下可通过压力将膨润土转移到指定结构，如刀盘内，此方式可达到改良碴土的效果。