城市轨道交通地铁项目盾构区间的主要施工方案

城市轨道交通地铁项目盾构区间的主要施工方案

第1节盾构机设计

根据对本区段地质勘探报告的详细分析以及地层数据统计，本区间最大线路纵坡29‰ ,最小纵坡为4.154‰，最小竖曲线半径为3000m。区间左线覆土9.5m～11m，右线覆土约19m～26m。区间左线隧道主要穿越圆砾、砾砂<3-5>、中粗砂<3-4>、卵石<3-6>、硬塑状残积层<6-2>地层；右线隧道主要穿越残硬塑状残积层<6-2>、变质砂岩全风化带<8-1>、变质砂岩强风化带<8-2>地层。结合XXX地铁施工众多工程实例，认为本标段隧道通过的围岩岩质大部分强度比较低，适合采用盾构法施工。

1.1盾构选型要求

本工程所选的盾构机必须满足以下要求：

（1）为满足从岩石层到软土层及复合地层的切削工作等本工程盾构机采用复合型土压平衡式盾构，同时具备土压平衡掘进模式、半敞开式及敞开式掘进模式。

（2）要求刀盘结构在尽可能大的开口率条件下，强度高、刚性好，既能适应粘性土地层中土压平衡掘进时大扭矩切削排土要求工况，又能适应在岩石地层和受力不均匀复合地层的大推力工况。

（3）推进油缸和铰接油缸布置具备良好的纠偏功能，保证在不均匀复合地层中的轴线控制。

（4）具备高精度的盾构机导向测量系统。

（5）具有良好可靠的泡沫和添加剂注入系统，用于开挖面、土仓及螺旋机中土体的改良。

（6）盾构机所配置的滚刀必须有足够的破岩石能力。

（9）刀具选择及布局要求合理，安装、拆卸方式简便牢固。

（8）具备人员和材料进出用的气压人行闸，并且配有土仓自动调压装置，以适应软弱围岩中的换刀要求。

（9）螺旋机出土口须具备防喷涌的设施及保压功能，并具有排堵功能。

（10）盾构机主机的密封装置在压力状态下具有良好的防水功能。

1.2盾构设计特点要求

1.2.1针对区间地质特点的设计要求

（1）扭矩、推力设计要求大，可以使用于XXX各种粘性大砂土层和各种岩层的盾构工程。盾构机设计最大扭矩623t ?m，掘进推力可达4000t·f，主轴承直径D=30000mm，相对较大，完全适应该区间地质条件。

（2）刀盘驱动主轴承寿命大于10000小时，并且须设计有对主轴承油温、主轴承密封泄露监测等装置，能够随时发现主轴承及主轴承密封的异常情况，以采取必要的保护措施，提高主轴承运转的可靠性。

（3）有改良碴土的设计

盾构机须配备有泡沫和膨润土添加系统，可通过刀盘面板上孔道、土仓隔板上孔道，及螺旋输送机筒壁孔道分别或同时向开挖面、土仓、螺旋输送机内部多方位地注入泡沫或膨润土，并且在刀盘背面和土仓隔板上各安装有搅拌臂，用于改善碴土的塑流性和防止泥饼的产生，刀盘中心。

（4）耐磨性的加强

刀盘母体须采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的16MnR 材料制作，在刀盘外缘设有三圈可更换的耐磨条，面板外缘和正面也须采用高硬度耐磨焊丝拉网堆焊5mm厚的保护层，极大地提高刀盘母体的耐磨性，同时，所有刮刀须镶装用高强度合金钢制成的刀头，能完全满足本区间掘进中对刀盘耐磨性高的要求。

另外，土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用耐磨材料制作，在螺旋输送机的入口处、叶片和轴，盾体切口环外缘等易磨损部位也都须堆焊有耐磨层，提高这些部位的耐磨性。

（5）有良好的应对地下水的能力

盾构机须采用轴式螺旋输送器，配备有双闸门装置和保压泵碴装置，能完全满足本工程在不良地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要。另外，主轴承密封、中盾和尾盾铰接处密封、盾尾密封最大设计工作压力须达4bar,能完全满足盾构机在高水压地质条件下掘进时的防水需要。

（6）有针对不良地质段掘进时加固地层的设计和装置拼装机上安装一台超前钻机用于盾构机前方和壳体四周的地质超前钻探和钻孔注浆加固。沿盾壳周圈布置6个钻孔，在盾壳前部布置2个钻孔用于前方的超前钻探，钻机配备1米长钻杆，对位于盾构机前方的地层进行钻孔和注浆作业，进行地层的加固，确保盾构机安全可靠地通过不良地质段。

1.2.2 适应小曲线半径掘进的设计和满足管片拼装的要求

（1）盾构的中体和盾尾采用铰接装置，可满足较小半径曲线的推进转弯和纠偏。适用最小半径可达250米，满足在小曲线半径下掘进时纠偏的需要。

（2）推进油缸设计为可分组或单个控制伸缩动作，行程为2200mm，管片拼装机沿隧道轴线运动行程2000mm，旋转角度+/-200o，可保证封顶块在任何位置时管片错缝拼装的需要，须满足本工程1500mm管片的拼装要求。

1.2.3 满足本区间掘进安全性要求

满足本区间掘进安全性要求，主要从地面沉降控制及隧道掘进轴线的精确性两方面来考虑：

（1）满足地面最大隆陷值控制在+10mm，-20mm范围内。

①在土仓中须安装有4个土压传感器，能准确地监测出开挖面各方位的水土压力，并实时显示在盾构机控制室的操作面板上，以便使操作人员根据需要，合理地选择掘进参数，确保盾构机在土压平衡模式下的安全掘进。

②在注浆管路的末端须安装有浆液压力传感器，能实时检测注浆各部位浆液的压力变化情况，并将此压力信号转换成电信号以数字形式显示在注浆机的控制面板上。以便注浆操作人员根据注浆压力的变化情况，通过自动或手动控制注浆量，使管片与隧道的环向间隙能够及时被浆液填充，并达到足够饱和度。

（2）隧道掘进轴线偏差控制在±50mm以内。

①盾构机须采用先进的姿态测量系统和姿态显示系统，直观地显示出盾构机的姿态，以及自动计算出实际值与理想值的偏差。

②推进油缸分成上、下、左、右4组，各组油缸的压力可通过操纵控制台上的电位计手工调整，也可单独选择。行程、速度能被检测和显示在控制室的操作面板上，速度可以通过控制台连续调整。

1.2.4 满足本区间掘进可靠性要求

针对本工程施工特点、难点，盾构机须具有以下可靠性，可保证盾构机在本标段顺利施工。

（1）设计参数按照本区间的工程条件确定。

（2）主要部件的设计寿命大于10km，主轴承的寿命大于10000小时。

（3）盾构机为复合型土压平衡式，在土仓内上下左右配置4个具有高灵敏度的土压传感器，通过PLC能将压力传送

到操作台上的触摸显示屏显示，并且能自动地与设定土压进行比较，压力过高过低都会报警，其中一个土压传感器安装在螺旋输送机外壳里，以向操作人员显示螺旋输送机沿线的压降，检测弃土流动性的变化，能很好地控制土压平衡，减少地面沉降，适合本工程软弱及复合地层掘进的需要。

（4）刀盘开口率最小为30%，采用较大的主轴承，应适应XXX复杂多变地层，同时须提高中心部位的开口率，中央敞开式可以限制刀盘结构的磨损，既保证了刀盘的强度，又可有效适应本标段不同地层中的掘进。

（5）轴承直径须达3000mm，连接刀盘和主轴承的结构附件之间留有很大的通道，同时刀盘开口须设计成梯形，外小内大，以便弃土能容易地进入土仓。

（6）刀盘刀具不仅须设置刮刀，同时还须配置盘形滚刀，盘形滚刀适当超前，以便保护刮刀。

（7）盾构机刀盘采用液压驱动，实现无极调速，具有较大的扭矩和转速，可适应不同地层的掘进需要。

（8）刀盘上须焊接网状耐磨层，防止因刀具的过度磨损而损坏刀盘。

（9）管片安装器为6个自由度齿圈式，保证管片容易拼装及拼装的质量。管片拼装机的纵向行程可用来更换盾尾前两道密封刷。

（10）螺旋输送机配置二道闸门，通过二道闸门的开启

度改变能更好地形成土塞，设置保压泵接口，在必要时起用保压泵防止螺旋机喷涌，确保了在地下水较大地层的掘进；螺旋输送机须具有回缩功能，前端第一节螺旋部分带有焊接的耐磨衬垫，前筒体堆焊有网状耐磨层，增大易磨损部位的耐磨性。

（11）设有自动控制的膨润土及泡沫添加剂注入设备和管路，注入到开挖面、土仓、螺旋输送机中，充分改良土体。

（12）采用盾尾同步注浆系统，可及时填充管片与开挖直径之间的间隙，减小沉降。同时，为防止管片上浮，须配置二次注浆管路及一套注浆设备。

（13）配置超前钻机及钻探口，超前钻机可方便地安装在盾构机的操作平台上，可以在地质复杂区段对前方地层进行超前钻探及注浆加固。

（14）皮带输送机上须装有自动秤量系统传感器，排碴超过上限即报警。

（15）具有应对紧急突发事件的能力。如紧急停电时，螺旋机出土闸门可以通过蓄能器（断电后阀门自动打开）自动关闭，保持仓内土体的稳定。

（16）数据采集系统灵敏可靠，能将盾构机姿态、推进力、刀盘扭矩、推进速度、螺旋输送机转速等参数进行准确检测，并通过数据处理传输系统进行高效可靠地处理和存储，最后通过各种数字或图表形式显示出来。当以上过程出

现故障时，可通过在其上安装的故障自动诊断系统进行故障自动检索和显示。

（17）激光导向系统，有足够的掘进方向检测能力及纠错能力，能在各种高温、高湿度、高粉尘，振动等恶劣环境下高效可靠地运行，并具有较高的灵敏度和极小的误差。完全能够满足盾构机姿态控制精确度高的要求。

（18）具有双仓式气压人行闸设计，设置土仓自动调压装置，保证更换刀具的便利及人员的安全。

（19）盾尾设置三道钢丝刷，可通过自动和手动两种模式向盾尾密封处的环型空腔中注入专用密封油脂，以及通过改变油脂注入的压力和数量，保证盾尾的密封效果及可靠性。

1.2.5 符合环境保护要求的设计要求

（1）地表建筑物保护

盾构机具有土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高。对于控制地表沉降，盾构机具有以下设计特点：

①盾构机能够在土压平衡模式下掘进，能有效的稳定开挖面地层，通过同步注浆保证掘进后管片外表面与隧道壁的环向间隙能够及时得以填充。

②通过在土压平衡模式下掘进时使用保压泵碴和螺旋输送机双开门装置对出土的控制，可以有效防止地层水流失，

避免地层水流失造成的地面沉降。

③通过土仓密闭设计及辅助保压系统，在刀具更换等情况下也可实现掌子面的稳定。

（2）消耗的材料具有环保特点

盾构机使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均须具有生物可降解性和无毒性，泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解，属于绿色环保材料，其环保性能须完全符合欧洲标准。

1.3 刀盘、刀具的特点和适应性要求

1.3.1 刀盘的特点和适应性要求

（1）刀盘主体结构

刀盘主体结构由面板、侧板、筋板、外缘板、滚刀座、耐磨合金条和支撑臂焊接而成，整体性强。

为了便于安装更多的边缘刮刀和边缘滚刀，边缘区须采用弧面过渡，使整个刀盘呈弧拱设计，可以在有限的区域内增加刀盘的表面积，从而增加滚刀的数量，使得滚刀之间的距离缩小，并且弧面过渡的设计保证了滚刀与开挖面所形成的角度满足一定的要求，这样，改善了滚刀的安装及受力状况，提高边缘滚刀的使用寿命，降低刀具更换频率。

刀盘的开口率（30%），刀盘主体结构的高强度高刚性设计可以保证刀盘能在本工程施工期间不变形、不损坏，适宜大扭矩和大推力的作业工况。

（2）刀盘对开挖面的支护性能