復(fù)雜地質(zhì)大直徑盾構(gòu)機(jī)性能特征

　1 引言
　　長(zhǎng)江是江蘇的黃金運(yùn)輸帶，也是南北之間的阻隔帶。新中國(guó)成立以來(lái)，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，江蘇段僅有一座南京長(zhǎng)江大橋過(guò)江。伴隨著城市和軌道交通的發(fā)展，江蘇沿江各地對(duì)過(guò)江通道的需求不斷加大，跨江交通需求呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2007年公路過(guò)江年平均日交通量為22萬(wàn)輛，到2017年已增至65萬(wàn)輛，增長(zhǎng)近3倍，預(yù)計(jì)2020年，有望突破100萬(wàn)輛。目前，江蘇省內(nèi)過(guò)江通道建成14座，4座在建，為加快過(guò)江通道建設(shè)，至2020年，江蘇省過(guò)江通道數(shù)量達(dá)17座。除了常規(guī)的長(zhǎng)大橋梁，為降低對(duì)長(zhǎng)江航道的影響，隧道也成為過(guò)江通道的重要選擇。
　　2 大直徑盾構(gòu)機(jī)選型
　　由于長(zhǎng)江段地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，穿越長(zhǎng)江，采用大直徑盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)選型主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告、施工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察情況及參考國(guó)內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例、招標(biāo)文件要求等，以確保盾構(gòu)施工的安全性、可靠性、適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一。
　　地質(zhì)條件復(fù)雜、盾構(gòu)區(qū)間主要穿越粉細(xì)砂、中粗砂層，石英含量高，上軟下硬地層，全斷面硬巖層（包括巖溶區(qū)域），巖層飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)到60MPa以上，隧道最高水壓達(dá)到8bar以上，與此同時(shí)，需在江底穿越斷裂帶，盾構(gòu)管片內(nèi)徑13.3m，管片厚度60cm，抗壓強(qiáng)度C60P12。綜合上述因素，宜選用開(kāi)挖直徑15m的復(fù)合泥水氣壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤(pán)具有常壓滾齒互換的功能，同時(shí)，具備帶壓進(jìn)艙作業(yè)的能力，刀盤(pán)具備伸縮功能，盾構(gòu)機(jī)配備超前探測(cè)系統(tǒng)，預(yù)留超前鉆探系統(tǒng)、超前注漿設(shè)備，并設(shè)置大功率破碎機(jī)及攪拌機(jī)（見(jiàn)表1）。
　　3 常壓滾刀（齒刀）的更換
　　盾構(gòu)隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，特別涉及斷裂帶地層、上軟下硬地段、巖溶區(qū)域、高強(qiáng)度石英石區(qū)域，這就要求常壓刀盤(pán)上的滾刀（齒刀）需要頻繁進(jìn)行更換，更換滾刀（齒刀）裝置要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、密封的可靠性、刀具檢測(cè)裝置的安裝問(wèn)題等技術(shù)難點(diǎn)。
　　3.1 換刀裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
　　為保證常壓換刀裝置的工作壽命，既能夠克服大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中刀具所承受的來(lái)自土體的反力和扭矩，又能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)直到隧道挖通，其主要材料采用高強(qiáng)度鍛造碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼，并在受力較大的內(nèi)部配合面處采取了滲碳和淬火等表面硬化工藝。
　　3.2 密封系統(tǒng)
　　常壓換刀裝置的密封在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中是無(wú)法進(jìn)行更換的，一旦常壓換刀裝置某處密封發(fā)生失效漏水，那么對(duì)于盾構(gòu)隧道施工來(lái)說(shuō)就是一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證密封的可靠性，可以采用多種密封圈、密封條和導(dǎo)向刮板，確保換刀裝置密封可靠性。
　　3.3 刀具檢測(cè)系統(tǒng)
　　刀具檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性主要靠集成的刀具檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)刀具的狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)地檢測(cè)及分析。換刀裝置包含滾刀磨損檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)檢測(cè)、應(yīng)力檢測(cè)和溫度檢測(cè)裝置，這些檢測(cè)信號(hào)（除磨損檢測(cè)信號(hào)）通過(guò)換電氣模塊無(wú)線發(fā)送到操作室接收器上，實(shí)時(shí)反映刀具運(yùn)行情況，對(duì)施工工況、刀具狀態(tài)、換刀時(shí)機(jī)會(huì)起到很大的作用[1]。
　　4 全回轉(zhuǎn)鉆注裝置
　　針對(duì)掘進(jìn)過(guò)程遇到斷層、溶洞等特殊地層，在盾構(gòu)機(jī)上配置全回轉(zhuǎn)超前鉆注一體鉆機(jī)，該鉆機(jī)可在停機(jī)狀態(tài)下，通過(guò)盾體孔洞，以8～15°的角度覆蓋盾構(gòu)刀盤(pán)前方20m左右土體，由于超前鉆機(jī)安裝在盾體后部平臺(tái)上，可進(jìn)行前后滑動(dòng)并360°旋轉(zhuǎn)，對(duì)土體全周進(jìn)行探測(cè)及注漿加固。相比于傳統(tǒng)的在拼裝機(jī)上安裝超前鉆機(jī)，操作更加方便，效率更高。
　　5 刀盤(pán)擺動(dòng)/伸縮功能
　　針對(duì)超大直徑盾構(gòu)在軟硬復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，穿越距離長(zhǎng)、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，刀盤(pán)具備通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)置上下三組擺動(dòng)油缸組及止轉(zhuǎn)油缸，通過(guò)油缸行程的變化及鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)±1.2°擺動(dòng)，有效解決刀盤(pán)的卡死、擴(kuò)徑換刀及姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題[2]。
　　6 刀盤(pán)耐磨及檢測(cè)、沖刷
　　為了滿足長(zhǎng)距離掘進(jìn)需要，刀盤(pán)正面、周邊區(qū)域、覆蓋復(fù)合耐磨板，刀盤(pán)周邊采用耐磨條耐磨板+合金鑲嵌進(jìn)行加強(qiáng)。為了對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的磨損情況進(jìn)行探測(cè)，在刀盤(pán)面板區(qū)域，特別是所有主臂的中心區(qū)域一直到周邊區(qū)域都布置條式磨損檢測(cè)裝置。
　　針對(duì)常壓刀盤(pán)，特別在復(fù)合地層中，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中容易結(jié)泥餅的情況，對(duì)刀盤(pán)中心沖刷要著重考慮刀盤(pán)配置正面中心沖刷、中心刀筒沖刷以及刀盤(pán)主臂間沖刷，沖刷流量達(dá)到1100m3/h。
　　7 泥水循環(huán)系統(tǒng)
　　針對(duì)地下復(fù)合地層復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)所選用的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，適當(dāng)需要考慮到超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中在遇到復(fù)雜地層時(shí)有可能造成掘進(jìn)困難、塌方、堵倉(cāng)等情況，因此，在泥水循環(huán)系統(tǒng)上需要充分考慮前艙的沖洗及循環(huán)功能。可根據(jù)需要設(shè)置大小循環(huán)功能及多層逆洗功能，可確保在發(fā)生堵倉(cāng)的情況下盡快恢復(fù)掘進(jìn)。
　　盾構(gòu)上配備有大循環(huán)逆洗（泥水倉(cāng)逆洗）、小循環(huán)逆洗（氣泡倉(cāng)逆洗）。大循環(huán)逆洗用于盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)斷裂帶等困難地層時(shí)，正循環(huán)模式掘進(jìn)困難，可切換至逆循環(huán)模式，推進(jìn)效率高;小循環(huán)逆洗用于氣泡倉(cāng)底部發(fā)生堵倉(cāng)和滯排時(shí)的疏通。
　　在掌子面塌方后，如果泥水倉(cāng)內(nèi)渣土較多，大逆洗無(wú)法將塌方部分渣土排出，通過(guò)在泥水倉(cāng)不同高度配備的大直徑泥漿管對(duì)泥水倉(cāng)進(jìn)行大流量多層逆洗，可快速恢復(fù)掘進(jìn)[3]。
　　8 密封系統(tǒng)
　　為確保主驅(qū)動(dòng)密封可靠性，必須逐級(jí)為密封艙和齒輪箱內(nèi)提供壓縮空氣，根據(jù)支撐壓力的大小，密封腔被施加相應(yīng)的壓縮空氣，當(dāng)支撐壓力在10bar，內(nèi)時(shí)，聯(lián)級(jí)加壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行操作加壓。
　　盾尾減小加強(qiáng)筋板的間距，同時(shí)，增加加強(qiáng)筋板的數(shù)量，在油脂管區(qū)域也增加加強(qiáng)筋板，同時(shí)，內(nèi)置冷凍管，以應(yīng)對(duì)惡劣工況下的維修、保養(yǎng)工作。
　　9 結(jié)語(yǔ)
　　以上為盾構(gòu)機(jī)選型及配置是復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑盾構(gòu)機(jī)的基本配置，在后續(xù)工程中應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)、水文條件進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化。