快速切换式土压敞开双模盾构机针对性设计

郑敏杰

宏润建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000

1 工程概况

广佛环线南起广州南站，北至白云机场，全线长46.537km，其中隧道长45.042km。东环隧道广州南站至大石站区间隧道总长度为5224m，其中225m为明挖隧道，盾构隧道长约5000m。该项目的最小曲线半径为700m，纵坡最大坡度17‰，采用的管片外径为Φ8800mm，内径为Φ8000mm，管片环宽1800mm。根据地勘资料，盾构机所穿越的地层中以强风化泥质砂岩、强风化二长花岗岩、中风化二长花岗岩、二长花岗岩为主，局部含有中风化泥质砂岩、全风化泥质砂岩。广州南站至大石站掘进区域地质断面如图1所示。

图1 广州南站至大石站掘进区域地质断面图

2 双模式刀盘、刀具针对性设计

为了解决双模式刀盘长距离掘进刀盘磨损问题，刀梁两侧堆焊耐磨网格，刀盘面板上用焊接复合钢板，在外圈梁焊采用一圈耐磨合金块增加耐磨性。刀盘设计成与TBM相同溜渣机理，如图2所示，出渣效率高；刀盘配置6把18寸中心滚刀、53把18寸单刃滚刀正面刀间距75mm，与TBM刀盘刀间距相当，较小的刀间距破岩能力强，破岩效率高。

图2 刮渣板截面图

为了解决中风化岩层对刀具磨损作用强烈，会产生较大刀具消耗，区间内换刀频繁等问题，根据华南地区盾构使用经验，刀盘转速较高，振动较大，对中心刀箱、正面及边滚刀刀箱进行加大，降低刀箱磨坏的概率。最外同轨迹边滚刀设计为2把，土压模式时采用18寸滚刀掘进，可减少刀具更换次数。敞开模式时采用17寸边滚刀，侧向力小，可降低刀具异常损坏的概率，延长换刀距离。为了解决双模式刀盘在不同掘进模式下功能需求之间的矛盾，双模刀盘进渣刀梁与刀盘牛腿设计为一体式结构，如图3所示，可实现双向旋转开挖及出渣。

图3 双模式刀盘

两种出渣方式刀盘的设计解决了在有限的开挖断面内同时满足敞开模式掘进的破岩、溜渣和防止主机滚转的需求与土压平衡模式掘进需求之间的矛盾，有力地保证了双模式刀盘在不同地质的综合掘进性能。

3 双模式下主驱动针对性设计

当盾构机在上软下硬地层掘进时，隧道底部对滚刀的支撑力大于隧道顶部，刀盘和主驱动受偏载严重，因此刀盘与主轴承要具有足够的刚度和强度。当盾构机在全断面土层掘进时，推进速度快，可达50～60mm/min。在上软下硬地层掘进时，下硬层贯入度低，推进速度只有15～20mm/min。同样的里程，刀盘转数多，对地层的扰动相对大，特别是土仓压力不足情况下，容易引起上软层的坍塌，导致地表易发生沉降，因此主驱动扭矩要足够大，以保证土仓有足够的压力。主驱动采用4800mm直径的主轴承，配置的主轴承共有两排主推滚子，可承受较大的偏载，具有较大的刚度，有效使用寿命≥10000h。主驱动配备12组（满配14组）变频电机，驱动功率达3000kW，最大为15570kN·m，脱困扭矩为18690kN·m；最大扭矩系数为20.5，脱困扭矩系数为24.6，驱动转速为0～1.84～3.94r/mim，可以满足该项目地层的施工需求。

4 双模式快速转换功能针对性设计

双模式盾构机最大的特点为本身具有双重掘进模式功能，在遭遇不良地质时能进行模式转换施工。之前国内土压敞开式双模盾构机施工，在模式进行转换时，需要在隧道内完成拆装螺旋机与主机皮带机，需要花费大量的人力、物力和时间进行拆装。因此，设计一台能在隧道内进行模式快速转换施工的盾构机无疑具有重要意义，同样是该项目设计的重点与难点。由于以前设计的双模式盾构机在隧道内进行模式转换时，时间消耗最长的工作量集中在拆装螺旋机和主机皮带机，因此设计一台能够使螺旋机和主机皮带机共存的主机无疑是最好的解决方案，如图4所示。

图4 敞开模式下主机皮带机与螺旋机共存示意图

为了解决螺旋机在与主机皮带机共存转弯的干涉问题，螺旋机前部设计成关节轴承，这样螺旋机可与前盾有一定的相对转动。螺旋机的尾部通过特殊结构直接安装在拼装机的横梁上，该横梁设计成特殊结构，如图5所示。这样保证螺旋机在主机转弯时，既能与前盾有一定的转动，又能限制螺旋机尾部与尾盾的转动，如图6所示。

图5 拼装机横梁支撑结构图

图6 螺旋机与主机皮带机共存现场组装图

为了解决快速为刀具降温和清理土仓内的砂石粉尘的问题，前盾隔板顶部设计了11道能快速拆装的高压喷水管路，通过该管路能快速为刀盘降温和清除土仓内的砂石粉尘，如图7所示。敞开模式下，主机皮带机接渣口上部从前到后依次设置橡胶挡尘、喷水挡尘和链条挡尘三级挡尘系统以保证施工时主机里空气的清洁，如图8所示。配置1套干式除尘器和除尘风机，满足设备正常施工时的除尘需求。

图7 隔板高压喷水模拟图

图8 三级挡尘系统模拟图

5 结束语

作为一种既能在软弱地层又能在较差地层中掘进，且兼具在硬岩地层中掘进的盾构机，快速切换式土压敞开双模盾构机具有更广泛的地质适应性，同时对配套施工干扰小，施工周期短，能有效降低工程风险，是一种特别适用于隧道工程施工的装备。文章以广佛环线中广州南站至大石站区间使用的快速切换式土压敞开双模盾构机项目为依托，对双模式刀盘、刀具、主驱动、盾体、快速转换功能等方面的针对性设计经验进行了总结，旨在为以后类似项目的设计提供经验参考。