摘要：介绍了两台小松TM625PMM盾构机在完成软土地层的掘进任务后，调往广州某标段施工。原盾构机主要为砂卵石、粘土地层设计，需要对其进行部分改造，以适应广州地层。
关键词：花岗岩，孤石，适应性，优化
引言：为提高设备周转率，施工单位对原用于砂卵石、黏土地层的盾构机计划改造为用于广州复合地层。拟掘进区间为具有珠三角代表性的硬岩复合地层，地层上软下硬，大部分区域孤石密集分布，地下水发育，对盾构机的性能要求较高。施工单位结合广州在建项目的盾构机参数及原盾构机生产厂家的建议，制定实施方案对盾构机进行了优化设计改造，以保证盾构机适用于广州复合地层。
1工程概况
1.1施工简介
广州地铁二十一号线苏元站～水西站区间盾构机从水西站始发，向西南方向沿水西路行进，下穿广州市第二中学科学城校区停车场，沿水西路行进到达暹岗站吊出。隧道为圆形隧道，最小曲线半径600m，最大坡度为15‰，隧顶覆土深度16.51～35.5m。管片外径6000mm，内径5400mm，管片厚300mm，管片宽度为1500mm。
1.2地质概况
如表1所示，盾构掘进段隧道穿越的地层主要有：全风化花岗岩<6H>、强风化花岗岩<7H>、中风化花岗岩<8H>、微风化花岗岩<9H>基岩突起和球状风化孤石。
表1 暹岗站～水西站区间盾构掘进通过隧道洞身的围岩分级表
盾构掘进地层中局部存在差异风化现象，在花岗岩残积土、全风化带、半岩半土状或坚硬土状强风化带（不包括岩块状强风化岩）中夹有中、微风化的球状风化“孤石”，孤石大小0.3~5.7m，平均1.78m，岩性为花岗岩，强度高（平均48.8~88.1Mpa），分布不规律，盾构掘进段在详勘43个勘察孔中共有27个钻孔揭露了球状风化孤石，但不排除没有钻孔的其余地段存在球状风化孤石的可能。
1.3 水文地质概况
松散岩类孔隙水各含水层主要为冲洪积砂层。部分赋存在砂质黏性土、全风化花岗岩积土柱状强风化花岗岩层，抽水试验结果显示，单孔抽水流量105.824m3/d，渗透系数0.98m/d，透水性弱。
块状基岩裂隙水主要赋存在花岗岩的半岩半土状、碎块状强风化带和中风化带裂隙中，透水性中等。块状基岩裂隙水具承压特征。承压水水头范围为9.70～19.60m，承压水水头变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响。
勘察期间测得区间稳定水位埋深为1.0～14.3m，平均6.4m。水位的变化受季节变化影响，年变化幅度为2.5～3.0m。
2地质条件对盾构机性能的要求
(1)机械主要部分应具有充分的可靠度;
(2)驱动系统应有较高的工作弹性;
(3)刀盘对复合地层有较强的适应性;
(4)刀盘有合适的开口率;
(5)配备满足地层需求的碴土改良设备;
(6)配备人仓加压系统及碎岩系统;
(7)主机有超前钻孔预留口;
(8)具有可靠的盾构铰接部分。
3现有小松盾构机主要参数
表2 小松TM625PMM盾构机主要参数表
4盾构机对本标段地层的适应性分析
4.1刀盘扭矩适应性分析
拟改造现有小松盾构机与在建项目海瑞克盾构机刀盘驱动比较如下：
表3 刀盘驱动对比表
图1刀盘扭矩—转速曲线图
根据以前广州盾构机使用的经验看，刀盘转速超过2.2rpm掘进的情况较少出现，因为出现全断面硬岩的情况较少，所以本盾构机配置能满足本工程的使用。
如果在全断面岩石层掘进，由于刀盘切深小，刀盘转速为2.2rpm，会影响掘进速度。
4.2转弯半径适应性分析
盾构机理论上满足最小转弯半径为250m。当曲线曲线半径250m时，管片在盾尾内的最小极限间隙值理论上为b=19.75mm，本标段选用的盾构机盾尾间隙为33mm。本标段的最小曲线半径为600m，盾构机通过无任何问题。
4.3不均衡地层适应性分析
推进油缸共分为4个分区，当遇到软硬不均地层时，可调节4个分区的压力，同时调节铰接油缸的行程，来保证对轴线和盾构姿态。满足要求。
4.4推进速度适应性分析
按照广州相似地层推进经验，推力一般为26000kN，盾构机最大推力为37730 kN，最大速度85mm/min，满足要求。油缸最大伸出长度2150mm，满足1.5m管片的推进要求。
4.5拼装机适应性分析
拼装机前后行程为1000mm，当管片距离推进油缸衬靴600mm时，满足1200mm宽度管片的抓取距离。当管片距离推进油缸衬靴450mm时，满足1500mm宽度管片的抓取距离。拼装机满足1.5m管片拼装要求。
4.6刀盘适应性分析
由于本标段地层中孤石密集，孤石强度一般大于70MPa，现有刀盘不能满足地层掘进要求，需要对刀盘结构和刀具配置进行改造。
小松盾构机开口率较大，进渣口较多，使整个刀盘的刚度较低，在硬岩中易发生刀盘磨损、局部变形的的现象。盾构机通过的地层较硬时，不适合采用小松盾构机掘进。小松盾构机采用滚刀+先行刀+刮刀的配置较为复杂。工程实例证明，小松盾构机的破岩效率明显较差，刀具磨损较快。
4.7壁后注浆系统适应性分析
针对盾构空推特点，壁后注浆采用“从刀盘前方吹填豆粒石+盾尾同步注浆+成型隧道二次注浆”的注浆方式。在空推段，由于盾体与初支之间的间隙较大，理论建筑空隙5.84m3/环，考虑注浆充盈系数1.2，建筑空隙为7m3/环。从刀盘前方吹填豆粒石4m3/环，盾尾同步注浆约4m3，故同步注浆系统满足要求。但需增加豆粒石喷射系统和二次注浆系统。
4.8渣土改良系统适应性分析
现有小松盾构机主要为适应粘土、砂卵地层设计，本标段盾构穿越地层主要为花岗岩全风化带<6>、花岗岩强风化带<7>、花岗岩中风化带<8>，泡沫需求量大，现有的泡沫+膨润土注入模式难以满足渣土改良要求。
4.9螺旋输送机适应性分析
本标段工程地层中孤石密集，存在未探测到的粒径大于300mm的孤石或孤石碎裂后粒径大于300mm的可能性极大，易卡住螺旋机，因此，螺旋机出渣的最大粒径300mm不适宜，要从出渣粒径和螺旋机扭矩两方面优化。
4.10人闸系统适应性分析
现有盾构机人闸系统配置不全，需要进行改造，增加一些部件：一套声力电话、消防喷淋装置、固定防爆电加热器、气体组分监测（监测的气体有 O2、CO2、CO、可燃性气体）及各类压力表等。
5盾构机优化方案
根据小松盾构机的结构性能特点和区间的水文地质状况，同时结合广州盾构施工的成功案例，需对小松盾构机进行部分改造优化其性能，以满足区间盾构施工要求。
改造的主要部件有刀盘、渣土改良系统、螺旋机和人闸。
5.1刀盘改造
5.1.1刀盘形式
原有盾构机刀盘不适应广州地层特点，拟将原有刀盘进行更换改造，采用弧拱面板式刀盘，刀盘整体开口率34%，中心开口率38%，可有效减轻刀盘中心区域结泥饼现象。此类型刀盘已在广州、深圳地区使用过，性能良好。
图2 现刀盘形式 图3 改造后刀盘形式
主体结构为弧拱面板式，采用Q345B钢材，4辐条，外圈板贴耐磨钢板。
5.1.2刀盘主参数分析
(1)刀盘的中心区域安装17英寸加强型双刃滚刀4把、刀间距为100mm；中间区域17英寸双刃滚刀8把、刀间距为73～84mm；外周区域安装了17英寸单刃滚刀20把、刀间距在35～73mm 之间。总共有32 把滚刀，44个刀刃，滚刀高于刀盘160mm。42、43、44 号刀刃在同一轨迹上，即同一轨迹上有3把刀刃，防止盾构机由于外周滚刀的过早磨损后，发生卡滞现象，引起推力增大。
图4 刀盘轨迹图
(2)刀盘辐条两侧设置有高度为90mm的66把切削刀和44把刮刀。
(3)在面板设置高度为120mm的贝壳形先行刀33把，高度为130mm的贝壳形先行刀19把。
(4)配备刀具磨损检测装置3把。
5.2渣土改造为单管单泵系统
结合本标段的地质特点，围岩的附着性较强，为避免粘仓，结泥饼等情况发生，需保证泡沫的注入量，为避免管路堵塞，将原有的分配式注入改为单管单泵。
单管单泵系统即1台水泵及1台原液泵分别将水及原液按照设置的比例送至1个混合液箱内，然后通过6台混合液注入泵、6把发泡枪及对应的刀盘注入口注入掌子面。考虑到中心区域容易结泥饼，将中心区域两路泡沫注入量加大到300L/min,其余4路220L/min，满足渣土改良要求。
两路膨润土主要注入到土仓，当需要膨润土改良掌子面时，可与泡沫注入管路互换。
5.3螺旋机改造
考虑到地层的复杂性，螺旋机改造主要从螺旋机旋转动力，土仓搅拌能力和耐磨性三方面考虑。
5.3.1增加驱动扭矩
增加1台驱动马达（包括一台110KW的电机和一台K3VG180液压泵），包括相应连接管路和电气回路。最大扭矩由143.5kNm提高到200.5kNm，最高转速由14.7rpm提高到15.5rpm，最大螺旋机出土量提高到320m3/h。
图7 螺旋机前端闸门改造示意图
5.3.3 螺旋机螺杆改造
为更好地对土仓下部的渣土进行搅拌，防止粘仓，螺旋机螺杆增加伸入土仓的长度，原来伸入长度为284mm，改造为伸入510mm。同时对螺旋机前端轴及前部叶片（三节）增加耐磨硬质堆焊。
图8 螺旋机螺杆改造前后对比示意图
5.4人行闸的改造
由于广州地质复杂，带压进仓进行作业可能性较大，所以对原有的人行闸进行改造，追加一些部件：一套声力电话、消防喷淋装置、固定防爆电加热器、气体组分监测（监测的气体有 O2、CO2、CO、可燃性气体）及各类压力表等，确保进仓作业安全。
图9 改造后的人闸效果图
6结语
盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，其选型正确与否，对盾构施工的技术水平，施工的成本和效益，起着举足轻重的关键作用。本文仅对盾构机主要结构进行设计分析选择，通过局部少量的改造，以满足经济性和使用性要求。
参考文献：
1.杨翼 丁问司，盾构机螺旋输送系统的技术改造，建筑机械, 2008(7): 96-97；
2.周璇，全断面穿越桥桩盾构机改造技术研究，城市建设理论研究，2014年5期 ；
3.常雪全，地铁施工用盾构机选型及组织设计，城市建设理论研究，2014年1期；
4.张硕极，广东省珠三角城际轨道交通盾构设备论述，科技创新与应用，2013年20期。
论文作者:魏华杰
论文发表刊物:《防护工程》2017年第32期
论文发表时间:2018/3/24
标签：盾构论文; 地层论文; 管片论文; 适应性论文; 花岗岩论文; 螺旋论文; 广州论文; 《防护工程》2017年第32期论文;