超大直径盾构机关键设备选型分析

超大直径盾构机关键设备选型分析

南东伟，邓俊，王高翔

中交天和机械设备制造有限公司南京分公司， 江苏，南京 211800

摘要：盾构机设备是地铁隧道、电路线缆等工程建设中的重要设备，我国中小直径盾构机发展较为成熟，而超大直径盾构机的发展正处于起步阶段，盾构机设备选型的合理性将会直接影响到整体机械的工作效率，基于此本文从超大直径盾构机关键设备的选型原则出发，探讨了设备选型的要点，提出了超大直径盾构机各类关键设备选型的策略，希望为有关部门提供参考。

关键词：超大直径；盾构机；关键设备；设备选型

引言：盾构机设备的选型应以工程设计勘测阶段数据为依据，实现降低成本的目的，确保经济性、可用性、实践性是盾构机设备选型的关键，并降低工程风险，提升施工效率与工程质量，为此应对超大直径盾构机的关键设备选型进行研究，避免盾构机设备选型不利为工程带来的各类影响，确保各类施工工程的顺利开展。

一、超大直径盾构机关键设备选型的原则

超大直径盾构机关键设备可根据地层的渗透系数与水压等方面进行选型。首先，工程施工中应针对不同的地质情况与渗透系数进行选型，渗透系数的取值范围可以影响盾构机设备的种类，如在地层渗透系数小于10-9m/s时，地层为淤泥质黏土结构，此时应选用土压盾构机械；而在地层渗透系数大于10-9m/s，小于10-4m/s时，地层包括粗砂、中砂、粉细土层，此时可选用泥水与土压两种类型的机械，依据实际情况挑选；而在地层渗透系数大于10-4m/s时，地层一般包括粗砂土层、卵石层、岩层等，此时应选用泥水结构盾构机。其次根据水压选型时，当地层水压大于0.3Mpa时，会对盾构机螺旋机形成土塞效应，容易发生喷涌情况，降低土体压力，因此不应采用土压盾构机。

二、超大直径盾构机关键设备选型的要点

以广东省珠海市兴业快线（南段）工程为例，采用盾构法施工（全长约1739.484m）。主线为双向四车道，设计速度60km/h城市快速路规模。主线盾构隧道长1739.484m盾构机采用泥水气压平衡式盾构机，刀盘开挖直径为15.76m。隧道最小埋深9.8m，最大埋深41.3米，最小平曲线半径599.5米。线路纵断面呈“V”字形，最大纵坡4‰，最小竖曲线半径为1500米，最大竖曲线半径为2500米。其中盾构下穿及侧穿建筑物包括国家安全局、学校、中国石化加油站、高压电塔、居民楼、妇幼保健院等多处重要建筑物，对施工安全保证要求尤为重要。根据勘察钻孔以及周边勘察地质资料，第四系松散层孔隙水赋存于疏松的填筑土层、海陆交互相沉积层及残积土层，此外，填筑土层赋存上层滞水，以大气降水补给为主。基岩裂隙水主要是花岗岩各风化带裂隙水，且强风化~中风化带是主要储水层段。

为此工程中在进行超大直径盾构机设备选型时，该路段土层土质不良，地面容易出现沉降，且具有大断面，对于设备的可靠性要求较高，需要在地层中掘进，也对设备的密封性提出了要求，为此容易出现管路堵塞、泵堵塞、刀盘结泥饼等现象，还容易存在钙质胶结，容易对刀盘、刀具等造成磨损影响，且需要考虑地面沉降问题，为此设备选型面临着较大的难点[1]。

三、超大直径盾构机关键设备选型的策略

（一）刀盘刀具设备

工程中刀盘可选用传统刀盘，由于超大直径盾构机的刀具线有较高的运行速度，受到磨损的影响，需要频繁换刀，且具有较高的风险，则换刀的工期较长。如果选用常压刀盘，难以满足复杂地形的要求。同时根据工程地质情况，应选用开口率为30%的复合刀盘，刀盘中心区域采用独立的渣浆泵进行冲洗可有避免黏土附着造成的堵塞情况，并为盾构掌子面提供支撑，满足盾构机的施工需求。同时还应在刀盘部位安装防结泥饼，确保幅条连接强度，有效避免开口堵塞，降低刀盘结泥概率，有效避免刀条堵塞情况。而刀具的选用应针对工程中的粉细砂、中砂土层、强中风化带等，根据区间地质资料可知，盾构掘进段特殊地层主要有：微风化花岗岩、中风化花岗岩、以及中微风化花岗岩侵入引起的软硬不均地层。

在中微风化花岗岩施工段，由于岩石完整性较好，且岩石单轴抗压强度较高，此类地层刀圈首先保证刀圈要具有良好的贯入能力；又由于该地层层石英含量较高，岩层磨砺性较大，故刀圈同时要具有良好的抗耐磨性能。

在软硬不均地层施工时需要保证刀圈贯入性（可选择贯入性良好的刃口尺寸），同时也需要保证刀圈的抗冲击性能（可采用加大刀圈腰部尺寸，增大刀圈截面积）。

综上所述，在该类地层施工建议采用易贯入的耐磨性刀圈，刃宽采用21mm左右，全断面硬岩段刀圈硬度HRC57-59；软硬不均段刀圈硬度HRC57-58，为保证刀圈能够适应两种地质结构，项目所用刀圈需做特殊截面结构。选用合金高耐磨的裂齿刀，在中心配备可更换的19′滚刀、正面及边缘配备19′滚刀、切削刀及边缘刮刀，满足施工中的换刀及掘进需求。

（二）驱动系统

超大直径盾构机的驱动系统一般可选用变频驱动系统，依靠较高的能力利用率，满足施工需求。此时应对盾构机挖掘扭矩进行测算，可通过：

其中为土层切削扭矩，kn/m；为刀盘阻力扭矩，kn/m；为刀盘外壳扭矩，kn/m；为机械损失扭矩，kn/m。其中可通过：

其中为刀盘外径；为土体单轴抗压强度；为刀盘挖掘速度，mm/min；为刀盘转数；为刀具切入深度；为水平土压；为刀具掘进砂土阻力；为刀盘外圈宽度；为轴承损失扭矩；为密封滑动阻力。通过公式可测算出正常状态下刀盘挖掘中的扭矩情况，且考虑到本工程属于中长距离连续掘进，应确保刀盘转速满足施工需求，最高转数应达到3r/min，确保土层掘进要求。

（三）推进系统

工程中超大直径盾构机的推进系统可为整体机械提供推力，为此应考虑到工程需求及机械总体所需的推进力需求。可通过：

其中为机械所需推力；为推进系统总推力，KN；为盾构机外径，m。项目中地形较为复杂，还需要承受较大的水压，为此盾构机直径应选用15m型号，最大推进系数为1300。同时考虑到巨大的推力，一般小型油缸很难满足工程掘进需求，为此应选用2500KN以上的推力油缸，工程中可将相邻油缸的挡板相互连接，将两根油缸作并为一组单独操作，提升机械的操控性能，确保满足工程需求[2]。

（四）泥水循环系统

本工程选用泥水平衡盾构机，考虑到需要面临较大的开挖直径，泥水循环系统需要高效率清渣工作，在开挖面形成泥膜，保持掘进过程中挖面的稳定性，并通过泥水循环系统将挖掘残渣排到地面，为此在选型中，应考虑到开挖面压力，严格控制送泥量，保持开挖面的稳定性，并通过检测泥水的实时密度与流量，调整自身加压状态与掘土速度，合理确保工程的安全性。同时应考虑到泥水循环系统与加压系统相互独立，使用中加压系统可控制压力，确保开挖面的稳定，可降低循环系统的工作量，为此应在内部开设气压舱，更为稳定低控制开挖面泥浆的稳定性，进一步提升工程施工的安全性。另外超大直径盾构机内部还应配备多层逆洗功能，考虑到刀盘半径距离较长，在使用中很容易受到压力损失情况，为此应将传统的分层逆洗装置替换为多层逆洗装置，在刀盘及系统内部布设多个泥水输送管路，满足对泥水仓的逆洗工作需求。

结语：总而言之，超大直径盾构机的设备选型中，应综合考量施工情况，依据土层渗透压力及水压等方面进行挑选。施工中应严格把控刀盘刀具设备、驱动系统、推进系统及泥水循环系统的设备挑选可靠性，严格依据施工需求，既可以满足施工效率，又可以起到一定的经济性，降低施工成本。

参考文献：

[1]周望. 超大直径盾构机关键设备选型分析[J]. 工程技术研究,2021,6(02):106-109.

[2]李小平. 北京地铁新机场线大直径盾构机高效掘进选型研究[J]. 市政技术,2020,38(04):168-173+177.