复杂地质大直径盾构机性能特征

　1 引言
　　长江是江苏的黄金运输带，也是南北之间的阻隔带。新中国成立以来，很长时间内，江苏段仅有一座南京长江大桥过江。伴随着城市和轨道交通的发展，江苏沿江各地对过江通道的需求不断加大，跨江交通需求呈现急速增长态势。2007年公路过江年平均日交通量为22万辆，到2017年已增至65万辆，增长近3倍，预计2020年，有望突破100万辆。目前，江苏省内过江通道建成14座，4座在建，为加快过江通道建设，至2020年，江苏省过江通道数量达17座。除了常规的长大桥梁，为降低对长江航道的影响，隧道也成为过江通道的重要选择。
　　2 大直径盾构机选型
　　由于长江段地质、水文条件复杂，穿越长江，采用大直径盾构机进行施工。盾构机选型主要依据工程地质勘察报告、施工图纸、现场实际勘察情况及参考国内外已有盾构工程实例、招标文件要求等，以确保盾构施工的安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性相统一。
　　地质条件复杂、盾构区间主要穿越粉细砂、中粗砂层，石英含量高，上软下硬地层，全断面硬岩层（包括岩溶区域），岩层饱和抗压强度达到60MPa以上，隧道最高水压达到8bar以上，与此同时，需在江底穿越断裂带，盾构管片内径13.3m，管片厚度60cm，抗压强度C60P12。综合上述因素，宜选用开挖直径15m的复合泥水气压平衡盾构机，刀盘具有常压滚齿互换的功能，同时，具备带压进舱作业的能力，刀盘具备伸缩功能，盾构机配备超前探测系统，预留超前钻探系统、超前注浆设备，并设置大功率破碎机及搅拌机（见表1）。
　　3 常压滚刀（齿刀）的更换
　　盾构隧道地质情况复杂，特别涉及断裂带地层、上软下硬地段、岩溶区域、高强度石英石区域，这就要求常压刀盘上的滚刀（齿刀）需要频繁进行更换，更换滾刀（齿刀）装置要考虑结构的强度、密封的可靠性、刀具检测装置的安装问题等技术难点。
　　3.1 换刀装置结构强度
　　为保证常压换刀装置的工作寿命，既能够克服大直径盾构机掘进过程中刀具所承受的来自土体的反力和扭矩，又能长期保持稳定的工作状态直到隧道挖通，其主要材料采用高强度锻造碳钢和高强度合金钢，并在受力较大的内部配合面处采取了渗碳和淬火等表面硬化工艺。
　　3.2 密封系统
　　常压换刀装置的密封在盾构掘进过程中是无法进行更换的，一旦常压换刀装置某处密封发生失效漏水，那么对于盾构隧道施工来说就是一个很大的风险。为了保证密封的可靠性，可以采用多种密封圈、密封条和导向刮板，确保换刀装置密封可靠性。
　　3.3 刀具检测系统
　　刀具检测系统的可靠性主要靠集成的刀具检测系统，对刀具的状态进行详细地检测及分析。换刀装置包含滚刀磨损检测、旋转检测、应力检测和温度检测装置，这些检测信号（除磨损检测信号）通过换电气模块无线发送到操作室接收器上，实时反映刀具运行情况，对施工工况、刀具状态、换刀时机会起到很大的作用[1]。
　　4 全回转钻注装置
　　针对掘进过程遇到断层、溶洞等特殊地层，在盾构机上配置全回转超前钻注一体钻机，该钻机可在停机状态下，通过盾体孔洞，以8～15°的角度覆盖盾构刀盘前方20m左右土体，由于超前钻机安装在盾体后部平台上，可进行前后滑动并360°旋转，对土体全周进行探测及注浆加固。相比于传统的在拼装机上安装超前钻机，操作更加方便，效率更高。
　　5 刀盘摆动/伸缩功能
　　针对超大直径盾构在软硬复合地层掘进时，穿越距离长、断面大、地质复杂的特点，刀盘具备通过对驱动设置上下三组摆动油缸组及止转油缸，通过油缸行程的变化及锁紧装置，实现刀盘驱动±1.2°摆动，有效解决刀盘的卡死、扩径换刀及姿态调整问题[2]。
　　6 刀盘耐磨及检测、冲刷
　　为了满足长距离掘进需要，刀盘正面、周边区域、覆盖复合耐磨板，刀盘周边采用耐磨条耐磨板+合金镶嵌进行加强。为了对刀盘结构的磨损情况进行探测，在刀盘面板区域，特别是所有主臂的中心区域一直到周边区域都布置条式磨损检测装置。
　　针对常压刀盘，特别在复合地层中，盾构机在掘进过程中容易结泥饼的情况，对刀盘中心冲刷要着重考虑刀盘配置正面中心冲刷、中心刀筒冲刷以及刀盘主臂间冲刷，冲刷流量达到1100m3/h。
　　7 泥水循环系统
　　针对地下复合地层复杂地质特点所选用的复合式泥水平衡盾构机，适当需要考虑到超大直径盾构掘进过程中在遇到复杂地层时有可能造成掘进困难、塌方、堵仓等情况，因此，在泥水循环系统上需要充分考虑前舱的冲洗及循环功能。可根据需要设置大小循环功能及多层逆洗功能，可确保在发生堵仓的情况下尽快恢复掘进。
　　盾构上配备有大循环逆洗（泥水仓逆洗）、小循环逆洗（气泡仓逆洗）。大循环逆洗用于盾构机在通过断裂带等困难地层时，正循环模式掘进困难，可切换至逆循环模式，推进效率高;小循环逆洗用于气泡仓底部发生堵仓和滞排时的疏通。
　　在掌子面塌方后，如果泥水仓内渣土较多，大逆洗无法将塌方部分渣土排出，通过在泥水仓不同高度配备的大直径泥浆管对泥水仓进行大流量多层逆洗，可快速恢复掘进[3]。
　　8 密封系统
　　为确保主驱动密封可靠性，必须逐级为密封舱和齿轮箱内提供压缩空气，根据支撑压力的大小，密封腔被施加相应的压缩空气，当支撑压力在10bar，内时，联级加压系统会自动进行操作加压。
　　盾尾减小加强筋板的间距，同时，增加加强筋板的数量，在油脂管区域也增加加强筋板，同时，内置冷冻管，以应对恶劣工况下的维修、保养工作。
　　9 结语
　　以上为盾构机选型及配置是复杂地质条件下大直径盾构机的基本配置，在后续工程中应根据不同地质、水文条件进行调整及优化。