针对上软下硬地层的盾构机适应性设计

2022-09-22卢杨

四川建筑 2022年4期

卢杨

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司, 山东济南 250000)

城市地铁的快速发展离不开盾构技术的不断提升[1]，在针对城市复合地层盾构施工时，许多学者根据实际工程进行了深入研究。赵先鹏等[2]对软硬不均地层的盾构法施工技术难点进行了分析，包括刀具磨损、轴线偏移和地面沉降等；李学军[3]、郑鹏飞等[4]对泥岩和砂卵石复合地层的施工现场盾构参数进行了记录，通过数据比对获得了盾构机优化参数；彭正勇等[5]以台山核电站取水隧洞通过软硬不均地层为依托，介绍了爆破注浆加固地层的盾构推进方法；谭忠盛等[6]针对软硬不均的黏性地层容易出现的“泥饼”现象及富水地层“喷涌”现象，采取盾尾环形间隙同步注浆技术，加强沉降监测，确保了施工安全；靳利安[7]、王君平[8]对于黏土地层换刀作业稳定性进行了分析，提出停机换刀的流程和注意事项；欧阳垂礼等[9]对地处不良地质条件下的城市地铁地表沉降控制措施进行了阐述，确保施工安全可靠。

以上学者对上软下硬地层盾构施工技术难点、机械参数优化、换刀及沉降控制等方面进行了较为完善的介绍，在此基础上，本文结合徐州城市地铁2号线某区段，对S906海瑞克盾构机在上软下硬地层施工进行适应性设计，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

徐州城市地铁2号线某区段包含2车站3区间，人流、车流量密集，如图1所示。地层为上软下硬的黏土层及砂岩层复合地层。为尽量减少对原有环境的影响，本文将重点介绍S906海瑞克盾构机在上软下硬地层中施工的适应性设计，包括刀盘、刀具布置形式、刀盘主驱动、螺旋输送机、渣土改良系统和掘进过程适应性分析6个方面，达到安全且高效的施工目的。

图1 盾构施工区间示意

图2 刀盘布置形式

2 刀盘、刀具布置形式

2.1 刀盘

盾构机刀盘采用轮辐式与面板式混合型刀盘，如图2所示，开口率约为30%，保证在刀盘的旋转过程中，每个方向都有足够的渣土出口。刀盘整体采用高强度钢板焊接而成，周边及中心部件采用“螺栓+焊接”的方式固定，保证了施工过程中的刚度要求。刀盘标称直径为6 480 mm，总重为55 t，具备足够掘进稳定性。

2.2 刀具

盾构机刀具根据地质特点和刀具破岩机理设计，针对上软下硬地层，刀盘上安装多种类型的刀具进行掘进开挖，包括中心滚刀、单刃滚刀、刮刀、焊接撕裂刀、先行刀、保径刮刀和磨损监测刀等。根据刀具配置形式及原理，本工程拟采用的S906海瑞克盾构机刀具配置如表1所示。

表1 S906海瑞克盾构机刀具配置

3 刀盘主驱动设计

考虑到本工程复合地质条件，S906海瑞克盾构机刀盘主驱动主轴承采用长3 m的德国罗特艾德进口轴承，为保持一定的掘进速度，需有较高转速，因此配置了大功率高转速主驱动。主驱动采用3 000 mm的三排滚柱式主轴承，8组液压马达驱动，额定扭矩为6 228 kN·m，脱困扭矩为7 447 kN·m，总功率为945 kW。

4 螺旋输送机设计

本盾构机采用双螺旋机进行输送，如图3所示，双螺旋机形式采用大扭矩液压马达驱动，扭矩大，转速高，出渣能力强，筒体内径820 mm，最大出渣粒径300 mm×590 mm。同时，双螺旋设计能有效防止喷涌，后部驱动方式密封效果好，驱动轴和螺旋叶片均有耐磨保护。

图3 双螺旋机示意

5 渣土改良系统

在盾构机掘进过程中，渣土改良系统可以将泡沫、膨润土、泥浆通过中隔板注入到土仓或刀盘(图4)，起到改善土体的流塑性和稳定开挖面的作用。

盾构机刀盘面板上设置泡沫注入口，通过活性剂和泡沫合成剂混合而成的泡沫，进入土仓和螺旋输送机内，可以提高土体的流塑性，防止“泥饼”的产生，避免机械堵塞。泡沫进入刀盘参与掘进过程，在刀具的作用下与土体充分混合，在上软下硬地层中，能够起到改善渣土和易性、防止渣土附着刀盘的作用。

膨润土浆液通过特制的膨润土注入泵(图5)输送至盾构机土仓螺旋输送机内。其中，膨润土浆液在砂性土和砂砾土地层中，可以有效改善土的流动性。

图4 聚合物注入示意

图5 膨润土注入泵

6 上软下硬地层掘进过程适应性分析

盾构机刀盘在黏土地层掘进时易结成泥饼，影响推进速度。为解决此问题，S906海瑞克盾构机在土压平衡模式掘进时，通过控制掘进速度、螺旋机转速、闸门开启程度来保证压力平衡。其中，掘进速度控制需要盾构机在保持掘进姿态的同时，铰接千斤顶行程控制在40～80 mm范围内，防止最大行程和最小行程的出现。此外，加强地表沉降监控，严格控制出土量，也能有效增强盾构机在上软下硬地层中的稳定掘进。