北京地鐵土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘　要】　文章敘述了北京地鐵加泥土壓平衡式盾構(gòu)的設(shè)計(jì)，著重介紹了具有創(chuàng)新特點(diǎn)的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)中的并聯(lián)油缸節(jié)點(diǎn)板同步器；帶預(yù)埋管的焊接式殼體的設(shè)計(jì)，集中了外置式和內(nèi)置式同步注漿管、盾尾密封注漿管的優(yōu)點(diǎn)；刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用低速大扭矩油馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，簡化結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率設(shè)計(jì)壽命達(dá).2萬小時(shí)。?
【關(guān)鍵詞】　土壓平衡盾構(gòu)　并聯(lián)油缸節(jié)點(diǎn)板同步器　殼體　刀盤驅(qū)動(dòng)

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

　　二、 加泥土壓平衡式盾構(gòu)設(shè)計(jì)
　　在設(shè)計(jì)盾構(gòu)的殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、氣密艙、管片吊運(yùn)機(jī)構(gòu)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、盾尾密封、集中潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件時(shí)，充分利用當(dāng)今世界先進(jìn)技術(shù)，并對殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)有所創(chuàng)新。
　　1、 設(shè)計(jì)參數(shù)
　　圖1為北京地鐵加泥土壓平衡式盾構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

　　盾構(gòu)外徑660mm；管片外徑6000mm，內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)角度均為±1.5°；刀盤最大扭矩5100 kN·m，轉(zhuǎn)速0~1.623 r/min，液壓傳動(dòng)功率630kW；螺旋輸送機(jī)葉片直徑800mm，轉(zhuǎn)速~6 r/min，出土量約82m3/h；管片拼裝機(jī)自由度為6，轉(zhuǎn)速0~.8 r/min，旋轉(zhuǎn)角度±200°。
　　2、加泥系統(tǒng)
　　盾構(gòu)在砂土、砂礫等砂質(zhì)土層中推進(jìn)施工時(shí)，由于土體的內(nèi)聚力小，當(dāng)含砂量超過某一限度時(shí)，土體的塑流性明顯變差，進(jìn)入土倉內(nèi)的土體因易固結(jié)而被壓密，進(jìn)入螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土也因由于大量失水而被壓密，導(dǎo)致難于排出。因此，需向土倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入水、膨潤土泥漿或發(fā)泡劑等添加材料，通過攪拌后，土體的性能得到改良。于是，設(shè)計(jì)時(shí)要增大土倉容積，使土倉容積達(dá)到一環(huán)管片開挖量的70％；增加土倉內(nèi)攪拌棒的數(shù)量，使刀盤切削下來進(jìn)入土倉的土體，能與添加劑充分?jǐn)嚢瑁瑥亩纳仆馏w的流動(dòng)性；通過中心回轉(zhuǎn)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(dòng)性，設(shè)計(jì)中采用４臺(tái)螺桿泵，同時(shí)向４個(gè)點(diǎn)注入泥水或泡沫等添加劑，不管注入點(diǎn)前的壓力大小，都能保證每一個(gè)點(diǎn)有泥水或泡沫注入。
　　3、盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)
　　根據(jù)盾構(gòu)殼體與土體之間的摩擦力、盾構(gòu)刀盤的正面阻力、推進(jìn)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(tái)車的牽引阻力，考慮一定的安全系數(shù)，求出盾構(gòu)所需的總推力為35000kN。而油缸的布置，既要滿足盾構(gòu)所需的總推力，又要避開管片接縫，所以在整環(huán)管片圓周內(nèi)只能有6個(gè)點(diǎn)可布置油缸，如果在布置點(diǎn)上采用單個(gè)油缸（高壓固定在35Ma），那么必須增大油缸的外徑，結(jié)果是油缸布置的圓直徑與管片環(huán)的直徑不一致。于是，本設(shè)計(jì)考慮采用并聯(lián)油缸，即在1個(gè)油缸布置點(diǎn)上，有2個(gè)油缸并聯(lián)（共6組），共用個(gè)節(jié)點(diǎn)板。為解決2個(gè)并聯(lián)油缸的同步問題（每個(gè)油缸的伸出速度都有細(xì)微的差別），創(chuàng)新設(shè)計(jì)了并聯(lián)油缸節(jié)點(diǎn)板同步器，利用彈簧在彈性變化范圍內(nèi)的自由變化，使并聯(lián)油缸同步。把6組油缸分成4個(gè)區(qū)，每區(qū)可分別調(diào)壓，當(dāng)在拼裝管片時(shí)，每組油缸可單獨(dú)伸縮控制。
　　4、注漿管的布置
　　目前，盾構(gòu)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(gòu)的殼體上，分為外置式和內(nèi)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(hù)套，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要加大盾構(gòu)的直徑，但只適應(yīng)軟土地層，且不能人工清洗管段；內(nèi)置式則因在殼體板的內(nèi)側(cè)開槽，安放注漿管，需增加盾殼的板厚，其優(yōu)點(diǎn)是注漿管在盾殼內(nèi)，能適應(yīng)各種地層，且當(dāng)注漿管堵塞時(shí)，能清洗，但其必須增大盾構(gòu)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(shè)計(jì)集外置式和內(nèi)置式的優(yōu)點(diǎn)，首次設(shè)計(jì)出采用帶預(yù)埋管的焊接式殼體（共有4點(diǎn)注漿），即先把盾構(gòu)殼體板分成4塊，再按盾構(gòu)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(cè)（與土體接觸處）用耐磨鋼板焊接，在溝槽的內(nèi)側(cè)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(yù)埋管的焊接式殼體，這種布置注漿管的方式，在不增加盾構(gòu)直徑、保證盾構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，能適應(yīng)各種不同的土層，并能人工清洗注漿管。
　　5、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
　　刀盤驅(qū)動(dòng)裝置是盾構(gòu)中最重要的關(guān)鍵部件之一，其成本占盾構(gòu)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(gòu)在砂土、砂礫等土層中推進(jìn)施工，所以，要求盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)使用壽命達(dá)1萬小時(shí)以上。刀盤回轉(zhuǎn)軸承由德國專業(yè)公司根據(jù)設(shè)計(jì)制造，采用內(nèi)齒式三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承，能同時(shí)承受軸向、徑向載荷及傾覆力矩，設(shè)計(jì)壽命達(dá)1.2萬小時(shí)，刀盤驅(qū)動(dòng)極限扭矩達(dá)5100kN·m，扭矩系數(shù)為2.2；采用低速大扭矩油馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，簡化結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，保證在其使用壽命內(nèi)能穩(wěn)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(zhuǎn)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(hù)刀，以保護(hù)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(jìn)土，減少刀具的磨損；在安全條件（加氣壓）下，可在刀盤倉內(nèi)對撕裂刀進(jìn)行換裝及檢修。
　　刀盤的中心裝有回轉(zhuǎn)接頭，回轉(zhuǎn)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(jìn)出油路。
　　7、鉸接裝置
　　本盾構(gòu)設(shè)計(jì)成鉸接式盾構(gòu)。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(qū)推動(dòng)方式，在LC控制下，可實(shí)現(xiàn)X型和V型鉸接，在前殼體偏轉(zhuǎn)時(shí)，可以減小推進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的分力，以利于盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎，而后殼體仍可保證盾構(gòu)后殼體與管片環(huán)的同軸度，這樣既保護(hù)盾尾刷免受損壞，又可防止盾構(gòu)主體擠壓管片，致使管片碎裂損環(huán)。
　　鉸接密封裝置由3道密封圈與集中潤滑系統(tǒng)組成，用4個(gè)密封圈壓板把3道密封圈固定，通過集中潤滑系統(tǒng)，定時(shí)、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(gòu)外部土體和泥水的侵入。

　　三、結(jié)束語
針對北京地鐵隧道所處的粘性土、礫砂、卵石地層而設(shè)計(jì)的土壓平衡盾構(gòu)，現(xiàn)正在加工制造中，其性能可達(dá)到同類進(jìn)口盾構(gòu)的技術(shù)水平，而成本僅為進(jìn)口盾構(gòu)的一半，將可與進(jìn)口盾構(gòu)爭奪建設(shè)市場。

　　參考文獻(xiàn)
　　1、《北京地鐵五號線工程的地質(zhì)報(bào)告》
　　2、杜文庫、聞和詠.北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程盾構(gòu)法施工概述【R】.中德隧道（盾構(gòu)）技術(shù)研討會(huì)資料之四，2002－06
3、土木學(xué)會(huì).隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（盾構(gòu)篇）解釋（日文版）【S】.1997－05
4、程驍、潘國慶.盾構(gòu)施工技術(shù).1990

來源：《上海隧道》2004年第4期