1.中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610000 2.中电建成都建设投资有限公司 四川成都 610000
摘要：以我公司在成都轨道交通18号线盾构施工经验为基础，结合国内外施工案例，浅析盾构机设备各系统改造，打造高品质、高性能并适用于砂卵石复合地层盾构施工的土压平衡盾构机的技术要点。
关键词：砂卵石 复合地层 盾构机 设备改造
1前言
国家十三五规划纲要指出，要拓展基础设施建设空间，实施重大公共设施和基础设施工程，到2020年我国将有近50个城市发展轨道交通，超过7000公里，覆盖我国主要大城市。随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，各地层隧道施工越来越多，在直径大运行速度高的同时，盾构机如何适应各类地层施工成为盾构施工技术中的重要部分。
根据以上情况，依托成都轨道交通19号线二期工程长距离砂卵石复合地层盾构施工，针对盾构机刀盘、主驱动、渣土改良系统等设备进行改造优化，增设中盾注泥系统，研究出一套适用于长距离砂卵石复合地层盾构施工的盾构机改造技术，降低施工中可能出现的风险因素，确保了隧道的顺利贯通，提高隧道成型质量，缩短盾构施工掘进时间，取得了较好的经济、社会效益。
2工程概况
成都轨道交通19号线二期工程起于九江北站（不含）止于合江站（预留），衔接了双流国际机场和天府新站两个门户枢纽，是天府新区核心区向西辐射双流市域的快线通道；线路全长约43.17km，设计时速快线干线140km/h，其中机场线区域运行速度高达160km/h（西南片区首次时速达到160km/h）。该线路中西航港客运中心站～西温1#风井盾构区间长2333双延米，主要穿越砂卵石、中风化泥岩，为长距离大断面复合地层掘进区间，受地质构造复杂、掘进距离长的原因，存在盾构机掘进过程中受地层影响姿态控制难、渣土改良不充分、刀具磨损快等难题。
.png)
图1：西航港客运中心站～西温1#风井区间地质纵断面
3盾构机各系统针对性改造
3.1刀盘改造
刀盘结构采用六辐条六面板的复合式刀盘，采用优质高强度钢板和耐磨材料焊接，刀盘采用2+1的分块结构，刀盘开口率为37%，中心开口率为40%。18号线掘进中风化泥岩地层，地层自稳性强，掘进地表沉降容易控制，19号线砂卵石地层，高富水、高卵石含量、含水砂卵石层自稳性差。地层单一，但多变。为避免掘进过程中刀盘周边开口位置因砂卵石自稳性差发生掉落，进而加剧地面沉降风险，特对刀盘周边开口进行减小开口率处理，中心开口率不变，切口环位置进行改造，增加可拆卸式钢板，便于控制超挖方量；采用可拆卸式钢板，改造后刀盘整体开口率减少约0.6%，周边开口率减少约2%，
1、刀盘开挖直径
为减少砂卵石地层刀盘开挖对地层扰动，将刀盘开挖直径8650mm更改为8630mm（将刀盘最外侧边缘两把滚刀S555A/S555B开挖直径由4325mm更改为4315mm）。
.png)
.png)
图2 刀具开挖示意图
.png)
图3 刀具改造原理图
2、减小刀盘大圆环周边位置开口
针对砂卵石松散系数高、自稳性差等问题，对刀盘周边开口位置进行开口量限制，减小刀盘周边切口环砂卵石进入量，防止超挖，减少地层沉降。采用焊接钢板的方式，刀盘整体开口率减少约0.6%，周边开口率减少约2%（原开口率为37%）。
.png)
图4 刀盘改造示意图
.png)
图5 刀盘改造示意图
3.2主驱动改造
刀盘扭矩是土压平衡盾构施工的关键参数之一，由于地层条件的多变性，刀盘扭矩的预测、控制难度较大。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间孔隙大，流塑性差，刀盘磨阻力大，属于盾构施工较不利地层，施工中经常出现刀盘扭矩过大，达到或超过额定扭矩的情况时有发生，有时甚至超过脱困扭矩，致使盾构长期处于超负荷工作状态，施工进度无法保证，盾构机出厂设计配置12台刀盘变频电机及减速机，额定扭矩20530KNm，最大扭矩28740KNm，功率12×250KW，针对19号线地层情况，改造增加两组电机减速机，改造后功率14×250KW，性能提升后额定扭矩为22350KNm，脱困扭矩为29820KNm，有效的避免出现扭矩不足现象。
.png)
图6 主驱动增加电机示意图：
.png)
表1 主驱动改造后扭矩曲线图：
3.3渣土改良系统改造
渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓或螺机内注入泡沫剂、膨润土泥浆及水，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺机旋转搅拌使添加剂与土渣混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。
根据国内外成功的施工经验，本工程拟采用以添加泡沫为主，膨润土为辅的外加剂施工工艺，降低刀盘、螺旋机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命，防止渣土在皮带机上打滑，提高渣土和卵石的流动性。
18号线使用泥岩地层渣土改良主要以泡沫+水改良为主，刀盘中心回转体共12路接口，由面板9路泡沫+背部3路膨润土组成。泡沫与膨润土管线可以互换。
19号线复合砂卵石地层将使用泡沫+水+膨润土进行渣土改良。中心回转体共12路接口。刀盘面板使用8路泡沫+1路面板中心部位高压冲洗（使用膨润土泵）。刀盘背部中心使用3路高压冲水（使用膨润土泵）。在6号台车新增一个10m³膨润土箱和一台膨润土泵（为2号台车膨润土箱泵送膨润土），在3号台车新增一台膨润土泵，共配置5台15m³/h的膨润土泵，膨润土泵功率均为15KW，采用变频电机控制。
.png)
.png)
表7 渣土改良注入孔示意图：
3.4中盾注泥系统设计
在台车上新增一套中盾注泥系统，配置一台泥浆泵和增稠剂注入泵，在盾构穿越重大风险源时，在中盾同步注入稠泥浆，有效防止盾尾浆液及管片后方地下水前窜至土舱内。降低砂卵石地层掘进喷涌现象，更能有效的减少地面沉降。
中盾注泥系统主要由拌和机、注泥泵、泵站、控制系统、管路等组成，通过注泥泵往中盾壳体外部注入“粘土”，起到隔离开挖仓与同步注浆区等作用。
中盾注泥系统为改良型一体式设计，自带泥浆拌制及注泥功能，注泥泵为柱塞泵，注泥泵能力50L/min。注泥设备安装于连接桥右侧，通过管路连接至中盾上半部径向注浆孔，注入拌和材料为膨润土。
.png)
图8 盾构机中盾配置注泥系统
4 结 论
成都轨道交通19号线二期工程盾构改造通过对刀盘、主驱动电机、渣土改良系统、中盾注泥系统等设备的改造创新，最终形成了“砂卵石复合地层既有盾构机设备改造技术”，该技术的应用保证了盾构机在长距离砂卵石复合地层下能安全有效的施工，有效保证了施工工期及隧道成型质量，在提高功效、节约成本创造效益的同时，也满足了现场施工质量、施工工期及安全文明环保施工等方面的要求，取得了较好的经济、社会效益，树立了企业盾构施工品牌形象。
参考文献：
[1]霍欣 成都地铁5号线盾构10标段施工难点及应对措施.科技展望2017，27，（8），20，22；
[2]杨磊 盾构机渣土改良系统改造.中国高新科技.2017，1，（2），43-46；
[3]王树英 刘正日 胡钦鑫等 一种基于现场渣土状态的土压平衡盾构渣土改良参数修正方法.中南大学.CN109344556A。
作者简介：
张高鹏：（1995-），男，甘肃陇南，现任职中国水电五局成都地铁19号线二期工程土建3工区项目盾构部高级主管，从事城市轨道交通工程技术管理工作。
何 晨：（1995-），男，四川广元，现任职中国水电五局成都地铁19号线二期工程土建3工区项目盾构部主办科员，从事城市轨道交通工程技术管理工作。