復(fù)雜地質(zhì)大直徑盾構(gòu)機性能特征

　1 引言
　　長江是江蘇的黃金運輸帶，也是南北之間的阻隔帶。新中國成立以來，很長時間內(nèi)，江蘇段僅有一座南京長江大橋過江。伴隨著城市和軌道交通的發(fā)展，江蘇沿江各地對過江通道的需求不斷加大，跨江交通需求呈現(xiàn)急速增長態(tài)勢。2007年公路過江年平均日交通量為22萬輛，到2017年已增至65萬輛，增長近3倍，預(yù)計2020年，有望突破100萬輛。目前，江蘇省內(nèi)過江通道建成14座，4座在建，為加快過江通道建設(shè)，至2020年，江蘇省過江通道數(shù)量達17座。除了常規(guī)的長大橋梁，為降低對長江航道的影響，隧道也成為過江通道的重要選擇。
　　2 大直徑盾構(gòu)機選型
　　由于長江段地質(zhì)、水文條件復(fù)雜，穿越長江，采用大直徑盾構(gòu)機進行施工。盾構(gòu)機選型主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察報告、施工圖紙、現(xiàn)場實際勘察情況及參考國內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實例、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、先進性、經(jīng)濟性相統(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），巖層飽和抗壓強度達到60MPa以上，隧道最高水壓達到8bar以上，與此同時，需在江底穿越斷裂帶，盾構(gòu)管片內(nèi)徑13.3m，管片厚度60cm，抗壓強度C60P12。綜合上述因素，宜選用開挖直徑15m的復(fù)合泥水氣壓平衡盾構(gòu)機，刀盤具有常壓滾齒互換的功能，同時，具備帶壓進艙作業(yè)的能力，刀盤具備伸縮功能，盾構(gòu)機配備超前探測系統(tǒng)，預(yù)留超前鉆探系統(tǒng)、超前注漿設(shè)備，并設(shè)置大功率破碎機及攪拌機（見表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、高強度石英石區(qū)域，這就要求常壓刀盤上的滾刀（齒刀）需要頻繁進行更換，更換滾刀（齒刀）裝置要考慮結(jié)構(gòu)的強度、密封的可靠性、刀具檢測裝置的安裝問題等技術(shù)難點。
　　3.1 換刀裝置結(jié)構(gòu)強度
　　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)機掘進過程中刀具所承受的來自土體的反力和扭矩，又能長期保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)直到隧道挖通，其主要材料采用高強度鍛造碳鋼和高強度合金鋼，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)掘進過程中是無法進行更換的，一旦常壓換刀裝置某處密封發(fā)生失效漏水，那么對于盾構(gòu)隧道施工來說就是一個很大的風(fēng)險。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 刀具檢測系統(tǒng)
　　刀具檢測系統(tǒng)的可靠性主要靠集成的刀具檢測系統(tǒng)，對刀具的狀態(tài)進行詳細地檢測及分析。換刀裝置包含滾刀磨損檢測、旋轉(zhuǎn)檢測、應(yīng)力檢測和溫度檢測裝置，這些檢測信號（除磨損檢測信號）通過換電氣模塊無線發(fā)送到操作室接收器上，實時反映刀具運行情況，對施工工況、刀具狀態(tài)、換刀時機會起到很大的作用[1]。
　　4 全回轉(zhuǎn)鉆注裝置
　　針對掘進過程遇到斷層、溶洞等特殊地層，在盾構(gòu)機上配置全回轉(zhuǎn)超前鉆注一體鉆機，該鉆機可在停機狀態(tài)下，通過盾體孔洞，以8～15°的角度覆蓋盾構(gòu)刀盤前方20m左右土體，由于超前鉆機安裝在盾體后部平臺上，可進行前后滑動并360°旋轉(zhuǎn)，對土體全周進行探測及注漿加固。相比于傳統(tǒng)的在拼裝機上安裝超前鉆機，操作更加方便，效率更高。
　　5 刀盤擺動/伸縮功能
　　針對超大直徑盾構(gòu)在軟硬復(fù)合地層掘進時，穿越距離長、斷面大、地質(zhì)復(fù)雜的特點，刀盤具備通過對驅(qū)動設(shè)置上下三組擺動油缸組及止轉(zhuǎn)油缸，通過油缸行程的變化及鎖緊裝置，實現(xiàn)刀盤驅(qū)動±1.2°擺動，有效解決刀盤的卡死、擴徑換刀及姿態(tài)調(diào)整問題[2]。
　　6 刀盤耐磨及檢測、沖刷
　　為了滿足長距離掘進需要，刀盤正面、周邊區(qū)域、覆蓋復(fù)合耐磨板，刀盤周邊采用耐磨條耐磨板+合金鑲嵌進行加強。為了對刀盤結(jié)構(gòu)的磨損情況進行探測，在刀盤面板區(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裝置。
　　針對常壓刀盤，特別在復(fù)合地層中，盾構(gòu)機在掘進過程中容易結(jié)泥餅的情況，對刀盤中心沖刷要著重考慮刀盤配置正面中心沖刷、中心刀筒沖刷以及刀盤主臂間沖刷，沖刷流量達到1100m3/h。
　　7 泥水循環(huán)系統(tǒng)
　　針對地下復(fù)合地層復(fù)雜地質(zhì)特點所選用的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機，適當(dāng)需要考慮到超大直徑盾構(gòu)掘進過程中在遇到復(fù)雜地層時有可能造成掘進困難、塌方、堵倉等情況，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?？筛鶕?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)生堵倉的情況下盡快恢復(fù)掘進。
　　盾構(gòu)上配備有大循環(huán)逆洗（泥水倉逆洗）、小循環(huán)逆洗（氣泡倉逆洗）。大循環(huán)逆洗用于盾構(gòu)機在通過斷裂帶等困難地層時，正循環(huán)模式掘進困難，可切換至逆循環(huán)模式，推進效率高;小循環(huán)逆洗用于氣泡倉底部發(fā)生堵倉和滯排時的疏通。
　　在掌子面塌方后，如果泥水倉內(nèi)渣土較多，大逆洗無法將塌方部分渣土排出，通過在泥水倉不同高度配備的大直徑泥漿管對泥水倉進行大流量多層逆洗，可快速恢復(fù)掘進[3]。
　　8 密封系統(tǒng)
　　為確保主驅(qū)動密封可靠性，必須逐級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，聯(lián)級加壓系統(tǒng)會自動進行操作加壓。
　　盾尾減小加強筋板的間距，同時，增加加強筋板的數(shù)量，在油脂管區(qū)域也增加加強筋板，同時，內(nèi)置冷凍管，以應(yīng)對惡劣工況下的維修、保養(yǎng)工作。
　　9 結(jié)語
　　以上為盾構(gòu)機選型及配置是復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑盾構(gòu)機的基本配置，在后續(xù)工程中應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)、水文條件進行調(diào)整及優(yōu)化。