中心城区复杂地层盾构机优化设计

李艳斌

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

广深地区地质条件复杂，素有“中国地质博物馆”之称。广州地铁12号线广园新村站-恒福路站区间（以下简称广恒区间）地质具有广深地区地质特点，区间三次穿越断裂带，存在灰岩、全断面硬岩和黏土等地层。盾构需对长距离全断面硬岩，岩溶地层掘进，刀盘防结泥饼，建构筑物沉降控制等重难点进行针对性设计。盾构施工前期项目针对区间地质及周边环境，同时结合以往盾构施工经验，对盾构机进行了优化设计，同时在应用过程中，进行技术改造，提升了盾构的适应性、经济性、安全性及舒适性。

1 工程概况

广恒区间北起广园新村站，线路出广园新村站后，沿着中医药大学校区向南行进，下穿飞鹅西路往东南方向经桂花岗小学，转入广州市雕塑公园，出公园后在下塘西路东侧山坡脚设置一中间风井，最后下穿广州麓湖高尔夫乡村俱乐部高尔夫练习场，在麓湖公园内到达恒福路站。区间左线长约2 147.888 m，右线长约2 166.100 m。

2 设备基本情况

广恒区间使用两台中铁装备制造的复合式土压平衡盾构机。其主要参数见表1。

表1 盾构机主要尺寸、技术性能参数

3 盾构机优化项目及优化措施

3.1 预留TBM接口优化设计

（1）优化项目：区间长距离穿越硬岩段（约1 km），岩石最大抗压强度167 MPa，平均72 MPa。常规土压平衡盾构在硬岩地层掘进效率低，设备易磨损，刀具易损坏，工期难保障。（2）优化措施：盾构预留TBM接口，能够实现EPB/TBM双模功能，硬岩段采用螺机中心出渣方式，提升掘进效率，如图1所示。

图1 TBM模式中心螺旋机出渣

3.2 刀盘优化设计

（1）优化项目：区间地质复杂，有灰岩、花岗岩和红层，长距离硬岩掘进，为提升工序，盾构机刀盘需加强设计。

（2）优化措施：盾构采用双模刀盘结构设计，刀盘采用6主梁+6副梁结构形式，设计三道圈梁，以增强其强度和刚度。为提升刀盘破岩能力，盾构设计最大转速可达5.4 rpm。刀盘采用小刀间距设计，滚刀刀刃达48个，正面刀间距75 mm，中心刀间距90 mm。

3.3 刀盘改良喷口优化设计

（1）优化项目：盾构刀盘一般设置6个泡沫喷口，容易结泥饼，需优化喷口设置。（2）优化措施：为做好渣土改良，刀盘面板布置8路喷口，其中心区域布置4路，每路喷口均可在刀盘背部维修更换。

3.4 滚刀载荷监控系统设计

（1）优化项目：区间溶洞发育存在软硬不均地层，如何能够更便捷发现地质变化，给盾构司机提供更多提示尤为重要。（2）优化措施：盾构刀盘搭载滚刀载荷监测系统，设置4路在线状态检测点，包括滚刀磨损、受力、温度、转速检测。其有助于实时监测掌子面接触情况，判断掌子面地层，如图2所示。

图2 滚刀载荷监控系统示意图

3.5 单杠防扭转优化设计

（1）优化项目：盾构推进过程中推进油缸单杠存在扭转问题，单杠撑靴会与盾尾内壁干涉摩擦。（2）优化措施：设计一种轮式单缸防扭转装置，能够防止油缸扭转，减少对尾盾磨损。

3.6 同步双液注浆系统设计

（1）优化项目：硬岩段管片容易上浮及浆液前蹿问题。（2）优化措施：盾构配置3台注浆泵，注浆管路设置为6用4备，其顶部布置2路注浆管。通过配置同步单/双液注浆系统能加快浆液凝结，可有效控制地表沉降。

3.7 盾体防扭转优化设计

（1）优化项目：全断面岩层掘进转速高，会加大主机震动和滚转趋势，盾体容易扭转。（2）优化措施：前盾上半部对称布置2组稳定器，可有效降低盾体滚动机率。

3.8 刀盘后退撑靴优化设计

（1）优化项目：硬岩段掘进刀具容易损坏，换刀频繁。（2）优化措施：为了提高换刀效率，刀盘采用后退撑靴设计，通过铰接油缸拉力使刀盘后退从而获得新刀更换的空间，如图3所示。

图3 刀盘后退撑靴设计

3.9 超前钻机设计

（1）优化项目：区间灰岩地层，岩溶发育，盾构具备超前加固功能，意义重大。（2）优化措施：盾构配置超前钻机，利用管片拼装机液压泵站提供动力，实现钻注一体化注浆工艺。

3.10 便捷式管片吊运系统优化设计

（1）优化项目：管片吊运是盾构施工中一项重要工作，为了提升工作效率及工作安全质量，管片吊运系统设计尤为重要。（2）优化措施：为管片吊运系统达到最佳效果，盾构机设计成一站式管片吊运系统与双轨梁+喂片机共存的形式。采用这种复合形式，具有双重优势。

3.11 设备桥皮带接泥板优化设计

（1）优化项目：应用过程中发现设备桥下方存放管片，皮带机掉下来的泥会污染管片。（2）优化措施：在设备桥皮带机下方安装接泥板，防止泥浆掉落，污染管片。

3.12 渣土称重系统设计

（1）优化项目：盾构施工中，出土量控制尤为重要，超方容易造成地面塌陷，为了做好出渣量控制，在传统的渣斗算方量及龙门吊称重的方式下，盾构机采取优化设计对出渣量进行验证是有必要的。（2）优化措施：盾构采用皮带机渣土称重与体积扫描2种方法，相互验证，对出渣量进行实时监测，从而控制超欠挖。

3.13 高速剪切泵设计

（1）优化项目：断裂带主要为碎裂岩，裂隙发育，采用气压辅助模式推进，掘进过程中土仓存在漏气失压现象，存在施工风险。（2）优化措施：盾构机配置高功率剪切泵，快速拌制高密度膨润土，能够实现气压平衡掘进，同时也对土仓渣土进行改良和阻挡裂隙水起作用，降低施工风险。

3.14 土仓可视化设计

（1）优化项目：盾构机掘进过程中土仓内是无法实时监控的，需要盾构司机判断地层及渣土改良情况。（2）优化措施：为提高设备信息化水平，便于观察土仓状况，盾构采用土仓可视化设计，如图4所示。

图4 土仓可视化效果

3.15 隧道制冷系统设计

（1）优化项目：传统盾构机里面作业环境是相当艰苦的，虽然有通风机，但隧道里面很闷热，工人容易中暑。（2）优化措施：针对隧道内高温环境，为改善隧道工作环境，降低环境温度，盾构机配置通风制冷系统。同时，可利用降低温度后的新鲜风引入土仓内，提高作业人员常压进仓的舒适性，可改善温度8℃以上。

4 设计效果及推广前景

通过前期对盾构机优化设计及应用过程中的改造，明显提升了整机性能，提高掘进工效，降低故障率，降低安全风险，节约成本，改善作业环境，延长设备使用寿命。

（1）预留TBM接口优化设计，可实现EPB/TBM双模转化，硬岩段掘进效率大大提升，缩短工期，同时能够减少刀具消耗，在设备成本与常规盾构机相差不大的情况下实现双模功能，性价比极高。（2）刀盘优化设计，刀盘整体强度、刚度与耐磨性增强，更好地适应硬岩地层。（3）刀盘改良喷口优化设计，渣土改良增强，能预防结泥饼能力。（4）采用滚刀载荷监控系统设计，能够尽早发现地层变化，判断掌子面地层，减少刀具损坏，降低施工风险。（5）采用单杠防扭转设计，能有效解决单杠扭转问题，避免撑靴与盾尾干涉，减少盾尾和撑靴维修时间。（6）采用同步双液注浆系统设计，能够实现同步单、双液浆注浆自动切换，同时二次注浆及时跟上，有利于稳固管片及减少渗漏水点，提高经济效益。（7）采用盾体防扭转及刀盘后退撑靴设计，能够降低盾构机扭转安全风险，同时能够提升换刀效率，节约换刀时间与成本。（8）采用超前钻机设计，能够对不良地质洞内进行处理，降低施工风险。（9）采用便捷式管片吊运系统设计，能够提升管片吊运效率，降低设备故障影响管片吊运时间，提高经济效益。（10）采用皮带接泥板设计，能够改善作业环境，减少泥渣对管片污染，减少用水量及减少劳动力。（11）采用渣土称重系统设计，能够对渣土量实时监控，降低超欠挖安全风险。（12）采用高速剪切泵设计，能够快速拌制膨润土，及时封堵掌子面水，降低施工风险。（13）采用土仓可视化设计，可从盾体直接观察土仓情况，可以减少人员进仓次数，降低人员进仓风险。（14）采用隧道制冷系统设计，能够降低隧道温度，改善作业环境，更加人性化设计。

5 结论

盾构法施工在城市地铁隧道建设中已常规化，但广州地铁12号线使用的预留TBM接口土压平衡盾构机在国内尚属首例。针对区间重难点，以常规盾构为基础，通过在前期对盾构机优化设计及应用过程中技术改造，从盾构预留TBM接口，刀盘、渣土改良系统，防沉降，隧道制冷等方面优化盾构机设计，以最优的设备性能适应区间施工，对提高盾构施工工效，提升项目经济效益，降低设备故障率，降低安全及工期风险，改善作业环境意义重大。