北京地鐵土壓平衡盾構設計

【摘　要】　文章敘述了北京地鐵加泥土壓平衡式盾構的設計，著重介紹了具有創新特點的盾構推進系統中的并聯油缸節點板同步器；帶預埋管的焊接式殼體的設計，集中了外置式和內置式同步注漿管、盾尾密封注漿管的優點；刀盤驅動系統采用低速大扭矩油馬達直接驅動，簡化結構，提高傳動效率設計壽命達.2萬小時。?
【關鍵詞】　土壓平衡盾構　并聯油缸節點板同步器　殼體　刀盤驅動

　　一、 前言
　　盾構法是在地層中修建隧道的一種方法，能適用任何水文地質條件（松軟的、堅硬的、有地下水的、無地下水的）下的隧道施工；而施工時又不影響地面交通，對施工地區附近的居民幾乎沒有振動和噪音的干擾，可控制地面沉降，減小對地下管線、地面構筑物及周圍環境的影響，并具有較快的施工進度和較高的工程質量。
　　根據北京地鐵五號線工程的地質報告，盾構主要穿越的是③層粉細砂、④層圓礫和⑤層粘質粉土砂質粉土，因此，決定采用加泥土壓平衡式盾構。

　　二、 加泥土壓平衡式盾構設計
　　在設計盾構的殼體、推進系統、加泥系統、刀盤驅動系統、同步注漿系統、螺旋輸送機、管片拼裝機、氣密艙、管片吊運機構、皮帶運輸機、盾尾密封、集中潤滑系統、液壓系統等部件時，充分利用當今世界先進技術，并對殼體、推進系統、加泥系統、刀盤驅動系統、同步注漿系統等的設計有所創新。
　　1、 設計參數
　　圖1為北京地鐵加泥土壓平衡式盾構總體結構示意圖。

　　盾構外徑660mm；管片外徑6000mm，內徑5400 mm，寬1500 mm；總推力35000kN；最大切削直徑6180 mm；鉸接裝置的上下、左右轉動角度均為±1.5°；刀盤最大扭矩5100 kN·m，轉速0~1.623 r/min，液壓傳動功率630kW；螺旋輸送機葉片直徑800mm，轉速~6 r/min，出土量約82m3/h；管片拼裝機自由度為6，轉速0~.8 r/min，旋轉角度±200°。
　　2、加泥系統
　　盾構在砂土、砂礫等砂質土層中推進施工時，由于土體的內聚力小，當含砂量超過某一限度時，土體的塑流性明顯變差，進入土倉內的土體因易固結而被壓密，進入螺旋輸送機內的渣土也因由于大量失水而被壓密，導致難于排出。因此，需向土倉和螺旋輸送機內注入水、膨潤土泥漿或發泡劑等添加材料，通過攪拌后，土體的性能得到改良。于是，設計時要增大土倉容積，使土倉容積達到一環管片開挖量的70％；增加土倉內攪拌棒的數量，使刀盤切削下來進入土倉的土體，能與添加劑充分攪拌，從而改善土體的流動性；通過中心回轉接頭向刀盤面板注入泥水或泡沫，以潤滑刀盤盤面，減小刀盤切削扭矩，增加土體的流動性，設計中采用４臺螺桿泵，同時向４個點注入泥水或泡沫等添加劑，不管注入點前的壓力大小，都能保證每一個點有泥水或泡沫注入。
　　3、盾構推進系統
　　根據盾構殼體與土體之間的摩擦力、盾構刀盤的正面阻力、推進中切口插入土中的阻力、管片與盾尾之間的摩擦力和后方臺車的牽引阻力，考慮一定的安全系數，求出盾構所需的總推力為35000kN。而油缸的布置，既要滿足盾構所需的總推力，又要避開管片接縫，所以在整環管片圓周內只能有6個點可布置油缸，如果在布置點上采用單個油缸（高壓固定在35Ma），那么必須增大油缸的外徑，結果是油缸布置的圓直徑與管片環的直徑不一致。于是，本設計考慮采用并聯油缸，即在1個油缸布置點上，有2個油缸并聯（共6組），共用個節點板。為解決2個并聯油缸的同步問題（每個油缸的伸出速度都有細微的差別），創新設計了并聯油缸節點板同步器，利用彈簧在彈性變化范圍內的自由變化，使并聯油缸同步。把6組油缸分成4個區，每區可分別調壓，當在拼裝管片時，每組油缸可單獨伸縮控制。
　　4、注漿管的布置
　　目前，盾構的同步注漿管、盾尾密封注漿管均有一段注漿管依附在盾構的殼體上，分為外置式和內置式兩種。外置式即把同步注漿管及盾尾密封注漿管安置在盾殼的外端，在管段外再加保護套，其優點是結構簡單，不需要加大盾構的直徑，但只適應軟土地層，且不能人工清洗管段；內置式則因在殼體板的內側開槽，安放注漿管，需增加盾殼的板厚，其優點是注漿管在盾殼內，能適應各種地層，且當注漿管堵塞時，能清洗，但其必須增大盾構的直徑，即增大了盾尾與管片外徑間的間隙，從而增加注漿量和施工成本。
　　本設計集外置式和內置式的優點，首次設計出采用帶預埋管的焊接式殼體（共有4點注漿），即先把盾構殼體板分成4塊，再按盾構殼體的長度，制成4條帶槽的殼體板（該槽供注漿用），在溝槽的外側（與土體接觸處）用耐磨鋼板焊接，在溝槽的內側開清洗孔，將帶槽的殼體板與分成4塊的殼體板按要求焊接，成為帶預埋管的焊接式殼體，這種布置注漿管的方式，在不增加盾構直徑、保證盾構殼體結構強度的前提下，能適應各種不同的土層，并能人工清洗注漿管。
　　5、刀盤驅動系統
　　刀盤驅動裝置是盾構中最重要的關鍵部件之一，其成本占盾構制造總成本的40％左右，加工、安裝精度要求高，制作難度大，在施工中又不可維修，考慮到盾構在砂土、砂礫等土層中推進施工，所以，要求盾構刀盤驅動設計使用壽命達1萬小時以上。刀盤回轉軸承由德國專業公司根據設計制造，采用內齒式三排圓柱滾子組合轉盤軸承，能同時承受軸向、徑向載荷及傾覆力矩，設計壽命達1.2萬小時，刀盤驅動極限扭矩達5100kN·m，扭矩系數為2.2；采用低速大扭矩油馬達直接驅動，簡化結構，提高傳動效率，保證在其使用壽命內能穩定、可靠工作。
　　6、刀具形式及切削方式
　　采用中間梁支承、面板式全斷面回轉切削方式，刀盤的開口率為35％。
　　割刀突出刀盤面板100mm，按全斷面切削排列；撕裂刀突出刀盤面板150mm，按螺旋式排列；中心刀由多把小割刀組成，按鼻式布置；在刀盤上還布置有圓弧刀和周邊保護刀，以保護切削刀盤的最外圈，見圖2。

　　撕裂刀超前割刀50mm，可先于割刀接觸土層，并把砂礫層搗松，以利于進土，減少刀具的磨損；在安全條件（加氣壓）下，可在刀盤倉內對撕裂刀進行換裝及檢修。
　　刀盤的中心裝有回轉接頭，回轉接頭有8路，其中4路為泥水及泡沫管路，向刀盤面板注入泥水或泡沫，以潤滑刀盤盤面，其余4路為液壓油路，為2把仿形刀的油缸進出油路。
　　7、鉸接裝置
　　本盾構設計成鉸接式盾構。將殼體分成前、后兩部分，前、后殼體之間通過鉸接油缸連接，采用后驅推動方式，在LC控制下，可實現X型和V型鉸接，在前殼體偏轉時，可以減小推進時產生的分力，以利于盾構轉彎，而后殼體仍可保證盾構后殼體與管片環的同軸度，這樣既保護盾尾刷免受損壞，又可防止盾構主體擠壓管片，致使管片碎裂損環。
　　鉸接密封裝置由3道密封圈與集中潤滑系統組成，用4個密封圈壓板把3道密封圈固定，通過集中潤滑系統，定時、定量、定壓注入密封油脂，使其保持一定的密封壓力，抵御盾構外部土體和泥水的侵入。

　　三、結束語
針對北京地鐵隧道所處的粘性土、礫砂、卵石地層而設計的土壓平衡盾構，現正在加工制造中，其性能可達到同類進口盾構的技術水平，而成本僅為進口盾構的一半，將可與進口盾構爭奪建設市場。

　　參考文獻
　　1、《北京地鐵五號線工程的地質報告》
　　2、杜文庫、聞和詠.北京地鐵五號線盾構試驗段工程盾構法施工概述【R】.中德隧道（盾構）技術研討會資料之四，2002－06
3、土木學會.隧道標準規范（盾構篇）解釋（日文版）【S】.1997－05
4、程驍、潘國慶.盾構施工技術.1990

來源：《上海隧道》2004年第4期