盧 森

（中鐵六局集團交通工程分公司，北京 100070）

1 引言

目前我國所應(yīng)用的盾構(gòu)機類型主要為土壓平衡式盾構(gòu)，其特點是用開挖出的渣土作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，因此，要求作為支撐介質(zhì)的土渣具有良好的塑性變形、軟稠度、較小的內(nèi)摩擦角及較低的滲透率。由于一般土壤不能完全滿足上述要求，所以要進行改良，其技術(shù)要點是在刀盤前部和泥土倉中注入水、膨潤土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經(jīng)強力攪拌，改善開挖渣土的塑性、流動性，降低渣土的透水性。實際工程中，通過合理的設(shè)備配置能更好地改善土體的流塑性，減小內(nèi)摩擦角，有助于實現(xiàn)添加劑的充分攪拌，提高渣土改良的效果，保證施工的連續(xù)性。

太原鐵路樞紐西南環(huán)線東晉隧道工程具有開挖直徑大、掘進距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，在盾構(gòu)機長距離連續(xù)掘進過程中若設(shè)備配置不到位，會使設(shè)備發(fā)生過量磨損或損壞，直接導(dǎo)致渣土改良效果差、土壓難以保證等不良后果。為避免設(shè)備嚴重損壞、停機等嚴重事故，應(yīng)該在盾構(gòu)施工過程中做好渣土改良，以保證盾構(gòu)機正常掘進，而良好的設(shè)備配置與設(shè)計是渣土改良的必要前提。本文通過增大刀盤開口率，在刀盤上設(shè)置牛腿，增設(shè)泡沫噴嘴，優(yōu)化泡沫管路和噴頭處的結(jié)構(gòu)，在土倉中心區(qū)域設(shè)置主動攪拌裝置，在刀盤背面和土倉壁上焊接被動攪拌棒，螺旋輸送機（以下簡稱“螺旋機”）進土口處的土倉壁設(shè)計為凹形，螺旋機上設(shè)置改良劑噴口并增設(shè)觀察窗，設(shè)置U型攪拌槽等盾構(gòu)機設(shè)備，取得了良好效果。

2 工程概況

太原鐵路樞紐西南環(huán)線盾構(gòu)隧道設(shè)計為單洞雙線鐵路，北起西礦街，南至長風(fēng)西街，全長4 981 m。包含始發(fā)段 104 m、接收井 27 m、盾構(gòu)區(qū)間 4 850 m 三大部分，盾構(gòu)區(qū)間埋深9～24 m。沿線依次穿越西礦街、高層住宅群、迎澤西大街、閆家溝鐵路橋、虎峪河、南內(nèi)環(huán)西街、九院沙河、西中環(huán)、太原市人防主干道、民豐化工廠人防、太原市黃坡人防主干道、長風(fēng)西街等風(fēng)險源共計37處。盾構(gòu)區(qū)間縱斷面設(shè)計為11‰和3‰的單面下坡，最小曲線半徑1 200 m，橫斷面為標準圓環(huán)，隧道外徑11.7 m、內(nèi)徑10.6 m，盾構(gòu)開挖直徑12.14 m。

本工程主要地質(zhì)可大致分為3段：隧道進口段1.25 km，主要為新黃土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂層及少量圓礫地層的混合層；隧道中間段1.8 km，主要為卵石層；隧道出口段1.8 km，主要為粉土、粉質(zhì)黏土等黏性細顆粒地層。

3 關(guān)鍵設(shè)備配置設(shè)計

目前國內(nèi)盾構(gòu)施工中大部分渣土改良研究都集中在通過注入各種改良劑改變土體的流塑性，對于全面進行設(shè)備配置方面的研究較少。實際上通過合理的設(shè)備配置能夠更好地改善土體的流塑性、減小內(nèi)摩擦角，有助于實現(xiàn)添加劑的充分攪拌，更好地實現(xiàn)渣土改良效果，保證施工的連續(xù)性，以下從5方面詳細闡述。

3.1 刀盤與刀具設(shè)計

盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)機能否順利安全掘進的關(guān)鍵，由于刀盤直接與原土體接觸，刀盤的設(shè)計對能否有效改善土體流塑性至關(guān)重要。刀盤目前分輻條型、面板型、復(fù)合型3種類型。根據(jù)本工程段地層情況分析，先采用復(fù)合式刀盤，再根據(jù)后一段地層情況決定是否使用滾刀。

3.1.1 刀盤配置

刀盤的設(shè)計是有效改善土體流塑性的第一步，本項目施工全線地層包含16種類型地質(zhì)特點，整體施工難度較大，且存在長距離、大斷面砂卵石地層，盾構(gòu)機在大粒徑卵石地層掘進會導(dǎo)致刀具切削、破碎困難，切削下來的渣土塑性、流動性差，甚至導(dǎo)致出渣口堵塞、中心結(jié)泥餅等不良影響。項目部通過多次召開專家會討論，最終確定采取“以排為主，排破結(jié)合”的設(shè)計理念，首創(chuàng)了可變開口率完整直角型式復(fù)合刀盤。

刀盤結(jié)構(gòu)為8主梁+8小面板復(fù)合刀盤+6個主動攪拌臂式+8個牛腿的結(jié)構(gòu)，其開口率的大小切換可通過拆卸檔板實現(xiàn)，刀盤原始整口率52%，適合黏土、粉土地層等復(fù)合地層掘進，大大降低了刀盤結(jié)泥餅概率；增加面板后，刀盤開口率降低至48%，如圖1所示，使刀盤通過的粒徑減小至850 mm以下，從而保證螺旋機出渣安全。

3.1.2 刀具配置

（1）本盾構(gòu)區(qū)間長達4.85 km，地質(zhì)中以新黃土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂層為主的地層占比超過60%。由于刀盤直徑大，在渣土改良不理想的情況下，地層流塑性達不到要求，容易在刀盤面板和土倉中心形成泥餅，因此適宜以中心魚尾刀與撕裂刀配置為主；以卵石、圓礫、粉土、粉質(zhì)黏土、砂層地層為主的混合層占比為36%左右，渣土的摩擦阻力較大，當(dāng)渣土改良不佳時，容易造成刀盤扭矩急劇增大，導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)，因此適宜以刮刀及撕裂刀或滾刀配置為主。

（2）由于刀盤直徑達12.14 m，為保證充分切削，刀具布設(shè)采用分層式，刀具整體分5層布置；刀具采用可拆卸式和焊接式相結(jié)合的安裝方式，如圖2所示，使土體分層被切削下來，保證土體高的松散度；撕裂刀與刮刀同軌跡布置，有利于渣土在刀梁間流動，降低刀梁結(jié)泥餅概率；撕裂刀通過合理配置相鄰刀具的刀刃高差（高先行刀比高刮刀高30 mm，低先行刀比低刮刀高50 mm），以滿足不同地層的使用需求。

3.2 刀盤及土倉壁泡沫噴嘴設(shè)計

通過刀盤上的泡沫噴嘴可以把泡沫直接噴灑在掌子面上，直接有效改良渣土，增加渣土的流塑性。本工程所有泡沫噴嘴和膨潤土噴嘴共用，這樣能更好地使泡沫和膨潤土相結(jié)合并注入到土體內(nèi)。

（1）根據(jù)刀盤面積115.7 m2計算，布置16路泡沫、膨潤土噴嘴，如圖3所示，平均每7 m2就有1個泡沫噴嘴，當(dāng)然這些噴嘴都是按照刀盤的旋轉(zhuǎn)軌跡從小半徑到大半徑依次增多布置，大半徑旋轉(zhuǎn)1周行走的路線長，所以布置的泡沫噴嘴多。

圖1 刀盤可變開口率、可拆卸擋板設(shè)計示意圖

圖2 可拆卸式和焊接式撕裂刀示意圖（單位：mm）

圖3 泡沫、膨潤土噴嘴位置示意圖

（2）通過對泡沫注入口優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)泡沫管路和噴頭處的結(jié)構(gòu)設(shè)計為三通加單向閥后抽形式，如圖4所示，保證即使發(fā)生噴頭堵塞也易于在刀盤后面疏通。

（3）由于盾構(gòu)機直徑大，土倉面也大，中心渣土流動性自然就差，所以在中心土倉隔板上設(shè)置8處渣土改良注入口，從而可以隨時從土倉隔板處注入改良劑。

（4）土倉隔板除中心區(qū)域外，周邊區(qū)域同樣也會結(jié)泥餅，所以在周邊區(qū)域增設(shè)6處泥餅檢測裝置，以有效預(yù)防泥餅的形成，同時增大渣土的流塑性，減小其摩擦角。

（5）在掘進過程中，出現(xiàn)扭矩較大，渣溫較高時，可以拆除高壓水沖刷裝置的球閥，用鋼釬檢測刀盤中心土倉內(nèi)是否形成泥餅，便于及時采取輔助措施。

3.3 主動攪拌裝置設(shè)計

圖4 泡沫管路優(yōu)化設(shè)計示意圖

（1）直徑為12.14 m的盾構(gòu)機，其主軸承直徑為6.44 m，土倉中心區(qū)域大，渣土流動性差，改良效果不理想，結(jié)泥餅的概率較大，為此，土倉中心設(shè)計了圍繞主驅(qū)動中心回轉(zhuǎn)的主動攪拌裝置，如圖5所示，主動攪拌裝置設(shè)計有單獨的驅(qū)動系統(tǒng)、密封及潤滑系統(tǒng)，其與刀盤牛腿、被動攪拌棒、中心旋轉(zhuǎn)接頭相互作用，可對刀盤最容易形成泥餅的中心區(qū)域進行充分攪拌，同時結(jié)合泡沫孔、加水孔、泥餅檢測孔可以有效防止土倉中心泥餅的形成。

圖5 主動攪拌裝置示意圖

（2）在倉壁安裝3個主動攪拌裝置，每個裝置由電機、減速箱、攪拌臂等構(gòu)成，通過控制電機的轉(zhuǎn)速來控制攪拌臂的速度，每個攪拌裝置單獨控制，這樣方便土倉內(nèi)渣土的攪拌。在盾構(gòu)機掘進時，3個主動攪拌臂不停地旋轉(zhuǎn)，以此增大中心區(qū)域的渣土流動性，改變渣土的流塑性。另外，在倉壁中心部位增設(shè)有渣土改良注入口。

3.4 被動攪拌棒與土倉壁凹形設(shè)計

（1）由于土倉容積為115 m3，靠主動攪拌裝置和牛腿不能充分地攪拌，為此，在刀盤的背面焊接4個被動攪拌棒，在土倉壁上焊接2個被動攪拌棒，通過刀盤旋轉(zhuǎn)和土倉的相對運動，使土倉內(nèi)的渣土得到充分攪拌。

（2）盾構(gòu)掘進時，在土倉下部螺旋機進土口兩側(cè)容易沉積渣土，結(jié)泥餅，為此，將螺旋機進土口處的土倉壁設(shè)計為凹形，如圖6所示，凹形設(shè)計是為讓焊接的攪拌臂能夠充分攪拌螺旋機口兩側(cè)的渣土，且不會與螺旋機軸產(chǎn)生干涉。

圖6 土倉壁凹形設(shè)計

3.5 螺旋機設(shè)備改進

出渣效率對土壓平衡盾構(gòu)機長距離在復(fù)雜地層中快速、連續(xù)掘進有著決定性的影響。螺旋機是土壓平衡盾構(gòu)出渣系統(tǒng)重要的組成部分，它能夠排渣，形成土塞，保持土倉內(nèi)土壓穩(wěn)定，通過控制排渣速度實現(xiàn)動態(tài)土壓平衡，穩(wěn)定開挖面。根據(jù)不同的施工水文地質(zhì)條件，對螺旋機進行正確的配置，是盾構(gòu)機設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

（1）為持續(xù)地改良渣土，在螺旋機上設(shè)置20個改良劑的噴口，并增設(shè)10個觀察窗，以此通過注入改良劑增加渣土的流塑性，通過觀察窗隨時觀察處理螺旋機內(nèi)的渣土堵塞。

（2）為使螺旋機排出的渣土具有更好的流塑性，緩沖螺旋機出土口的壓力，在螺旋機出土口設(shè)置U型攪拌槽，如圖7所示，使排出的渣土進一步攪拌并達到更好的流塑性。渣土先在U型攪拌槽里攪拌（可以添加泡沫或膨潤土），充分攪拌后輸送到盾構(gòu)機皮帶上，然后再由連續(xù)皮帶機運出洞外，通過斜井皮帶機輸送至渣土場。U型攪拌槽解決了不同地質(zhì)情況下渣土的高效運輸、大粒徑卵石分離等技術(shù)難題，取得較好的效果。

圖7 U型攪拌槽位置示意圖

4 應(yīng)用效果

（1）大直徑土壓平衡盾構(gòu)機經(jīng)過3種不同地層掘進應(yīng)用，先后在各階段地層掘進完成后對其進行刀具的檢查，共計檢查刀具20把，具體情況如表1所示。表1數(shù)據(jù)表明，合理進行刀盤及刀具、渣土改良噴嘴、主動攪拌與被動攪拌等裝置的配置與設(shè)計，能夠保證盾構(gòu)機在復(fù)雜地層中長距離有效掘進。

（2）盾構(gòu)掘進過程中每掘進一環(huán)記錄總推力、刀盤扭矩、土倉壓力、推進速度，如圖8所示，由圖8可知，盾構(gòu)機在3 種地層掘進過程中總推力19 204～65 967 kN，刀盤扭矩 4 028～21 283 kN · m，總推力和刀盤扭矩值占盾構(gòu)機額定值近50%，表明渣土改良效果良好，適合大直徑盾構(gòu)隧道施工；土倉壓力0.54～2.38 bar，表明土倉保壓施工較好，渣土流塑性好；盾構(gòu)機參數(shù)良好，螺旋機未發(fā)生卡死故障，期間外排最大粒徑卵石尺寸為 850 mm×500 mm×490 mm，盾構(gòu)機推進速度 30 ～ 80 mm / min。

表1 3種地層掘進中刀具磨損情況 mm

（3）根據(jù)掘進過程中各參數(shù)變化對渣土改良實效性進行分析表明，盾構(gòu)機運行狀態(tài)良好，最大日進尺18 m（9 環(huán)），各項參數(shù)比較穩(wěn)定；通過刀盤及刀具、土倉、螺旋機等渣土改良和攪拌設(shè)計，順利實現(xiàn)對土體的切削，與添加劑的充分混合，使切削下來的渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力；實測改良后渣土含水率55%～60%，塌落度 130～160 mm。

（4）通過設(shè)備配置，盾構(gòu)機施工過程中無明顯故障，無需進行設(shè)備更換，并可適應(yīng)不同地層，提高了施工的連續(xù)性。

5 結(jié)論

（1）通過刀盤及刀具、土倉、螺旋機等設(shè)備的設(shè)計改進，可實現(xiàn)渣土的良好改良。

（2）采用可變開口率完整直角型式復(fù)合刀盤和刀盤上的牛腿設(shè)計，起到了很好的攪拌渣土作用。

（3）采用分層式刀具布設(shè)，達到了充分切削的效果。

（4）刀具采用可拆卸式和焊接式相結(jié)合的安裝方式，實現(xiàn)了土體的分層切削及高松散度。

（5）在土倉壁安裝主動攪拌裝置，增大了中心區(qū)域渣土的流動性。

（6）設(shè)置U型轉(zhuǎn)渣螺旋機，排出的渣土得到進一步攪拌，流塑性達到最好。

（7）實踐表明，刀具磨損、刀盤扭矩、推力、土倉壓力、推進速度均在允許范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)了渣土改良設(shè)備在大直徑、長距離、復(fù)雜地層土壓平衡盾構(gòu)機的成功裝配，為太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線東晉隧道成功實施起到了重要作用。

圖8 掘進參數(shù)統(tǒng)計圖