同一地層海瑞克與三菱復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工對(duì)比分析(壓縮)

1、同一地層海瑞克與三菱復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工對(duì)比分析劉 坤，呂征舟，楊木桂 廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 摘要：本文結(jié)合六號(hào)線越秀南站-東湖站盾構(gòu)區(qū)間左右線盾構(gòu)施工過程，分析了不同盾構(gòu)機(jī)在同一地層中的施工差異。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī) 同一地層 對(duì)比1工程概況廣州地鐵越秀南站至東湖站盾構(gòu)區(qū)間線路從越秀南站過站后，繼續(xù)沿越秀南路東進(jìn)，自東濠涌高架橋66、67、68橋墩間穿過，并依次經(jīng)過富力宜居高層商住樓（1921F ）、廣州市石油公司住宅樓（6F ）西北角及在建嘉星廣場(chǎng)（29F ）后進(jìn)入綠蔭路，并在設(shè)置在綠蔭路上的盾構(gòu)吊出井（兼暗挖施工豎井）吊出。本區(qū)間左右線均包括兩組曲線，左線曲線半徑250m 、280

2、m ，右線曲線半徑250m 、280m 。線間距1132m；軌面埋深20.730.7m ；線路坡度為4。隧道埋深較深，盾構(gòu)隧道所穿越地層及隧道上部地層主要為中、微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。 圖1 越秀南站-東湖站右線地質(zhì)剖面圖 圖2 越秀南站-東湖站左線地質(zhì)剖面圖2海瑞克S244與三菱1638#盾構(gòu)機(jī)主要不同之處在廣州軌道交通六號(hào)線海珠廣場(chǎng)-東湖站盾構(gòu)區(qū)間施工中，右線采用海瑞克S244復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，左線采用三菱1638#復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。2.1刀盤結(jié)構(gòu)與刀具不同三菱盾構(gòu)機(jī)刀盤盤面主要由4根主輻條和8根副輻條構(gòu)成，采用6根箱體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)壁連接盤面和刀盤法蘭，刀盤開口率約為37%，刀盤上背面邊緣設(shè)

3、有3根主動(dòng)攪拌棒，土倉壁設(shè)有3根固定攪拌棒。海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤盤面主要由4根主輻條和4根副輻條構(gòu)成，采用4根放射狀圓柱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)壁連接盤面和刀盤法蘭，刀盤開口率約為28%，刀盤背面上設(shè)有4根主動(dòng)攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，土倉壁上也設(shè)計(jì)了4根固定攪拌棒。 圖3 海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤 圖4 三菱盾構(gòu)機(jī)刀盤（未裝刀具）海瑞克和三菱盾構(gòu)機(jī)滾刀設(shè)計(jì)均為背裝式，保證刀具在磨損后需要更換時(shí)能快速的予以更換。海瑞克滾刀形式和安裝固定方式與三菱盾構(gòu)機(jī)存在不同之處。三菱盾構(gòu)機(jī)滾刀刀軸較大，刀軸橫截面近似五邊形，刀軸面左右對(duì)稱，固定方式采用連桿和楔塊固定；海瑞克盾構(gòu)機(jī)滾刀刀軸較小，刀軸橫截面近似四邊形，刀軸面不規(guī)

4、則，固定方式采用楔塊、連桿和楔塊固定。由于三菱滾刀刀軸面左右對(duì)稱，因此刀具在兩個(gè)方向都可以進(jìn)行裝配，刀具裝反后刀刃擋圈不能朝向刀盤中心，導(dǎo)致刀具容易損壞。海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀具只能一個(gè)方向進(jìn)行裝配，因此可以保證刀具不會(huì)出現(xiàn)反裝現(xiàn)象。 圖5 海瑞克單刃滾刀 圖6 三菱單刃滾刀2.2刀盤驅(qū)動(dòng)的形式不同三菱1638#盾構(gòu)機(jī)刀盤采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過10臺(tái)90KW 的變級(jí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀盤。刀盤旋轉(zhuǎn)力通過以下方式進(jìn)行傳遞：帶減速機(jī)的電動(dòng)馬達(dá)離合器小齒輪齒輪軸承刀鼓刀盤。挖掘時(shí)最大扭矩為6870KN m ，轉(zhuǎn)速可設(shè)定為1.5rpm 或3.0rpm 。刀盤轉(zhuǎn)速為1.5rpm 時(shí)，常用5720 KN m （最高6870

5、KN m ）的一定扭矩。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為3.0rpm 時(shí)，常用2860 KN m （最高3435KN m ）的一定扭矩。海瑞克S244盾構(gòu)機(jī)刀盤采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過3臺(tái)315KW 的雙向變量液壓泵并聯(lián)帶動(dòng)8臺(tái)雙向兩速低速大扭矩液壓馬達(dá)，借助液壓動(dòng)力帶動(dòng)液壓馬達(dá)、減速器、軸承內(nèi)齒圈直接驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速可設(shè)為低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在低速模式下，刀盤可在03.0rpm 之間實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，刀盤最大標(biāo)準(zhǔn)扭矩為4500kN m ；在高速模式下刀盤可在06.1rpm 之間實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，刀盤最大標(biāo)準(zhǔn)扭矩為1970kN m 。刀盤最大脫困扭矩為5300kN m 。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)： 液壓驅(qū)動(dòng)雖然

6、傳動(dòng)效率低、噪音較大和發(fā)熱量較大，但是由于隧道工作環(huán)境惡劣、刀盤啟動(dòng)停止較為頻繁、在較硬的巖土中掘進(jìn)時(shí)刀盤承受沖擊力較大，而且液壓驅(qū)動(dòng)具有轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的功能，便于操作人員控制，所以液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比而言適應(yīng)性更強(qiáng)。2.3鉸接方式不同為了減少盾構(gòu)的長徑比，增加其靈敏度，使盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)能夠靈活的進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，特別是為了能夠順利通過較小的線路彎道，盾構(gòu)機(jī)通過鉸接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)轉(zhuǎn)彎的控制。三菱盾構(gòu)機(jī)使用主動(dòng)鉸接，即鉸接千斤頂自身采用主動(dòng)伸縮；海瑞克盾構(gòu)機(jī)使用被動(dòng)鉸接，即鉸接千斤頂行程差隨推進(jìn)千斤頂壓力差被動(dòng)形成。三菱盾構(gòu)機(jī)鉸接系統(tǒng)采用16個(gè)2000KN 的鉸接油缸，千斤頂行程190mm ，最大設(shè)

7、計(jì)牽引力可達(dá)32000KN ；海瑞克盾構(gòu)機(jī)鉸接系統(tǒng)采用14個(gè)鉸接油缸，千斤頂行程150mm ，最大回縮力為7340KN 。主動(dòng)鉸接與被動(dòng)鉸接的區(qū)別點(diǎn)在于鉸接千斤頂?shù)纳焓辗绞胶屯七M(jìn)千斤頂?shù)氖芰c(diǎn)不同，主動(dòng)鉸接的鉸接千斤頂進(jìn)行主動(dòng)伸縮使中盾和尾盾形成一定角度，推進(jìn)千斤頂受力點(diǎn)在鉸接后部；被動(dòng)鉸接的鉸接千斤頂在推進(jìn)千斤頂?shù)耐饬ψ饔孟卤粍?dòng)伸縮使中盾和尾盾形成一定角度，推進(jìn)千斤頂?shù)氖芰c(diǎn)在鉸接前部。 圖7 主動(dòng)鉸接與被動(dòng)鉸接示意圖2.4推進(jìn)系統(tǒng)不同海瑞克盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括30個(gè)推進(jìn)油缸和推進(jìn)液壓泵站。推進(jìn)油缸按照在圓周上的區(qū)域分為四組，每組78個(gè)油缸。三菱盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)采用24個(gè)推力千斤頂被劃分為4組。

8、2.5注漿系統(tǒng)不同盾構(gòu)機(jī)采用壁后同步注漿系統(tǒng)，這樣可以使管片后面的間隙及時(shí)得到充填，有效的保證隧道的施工質(zhì)量及防止地面下沉，并一定程度減少管片接縫滲漏水的可能。海瑞克盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)由德國施維英公司提供，三菱盾構(gòu)機(jī)由日本TAC 技研工業(yè)株式會(huì)社提供，三菱與海瑞克機(jī)同步注漿系統(tǒng)的基本原理相同，但構(gòu)造和控制有所不同。三菱盾構(gòu)機(jī)注漿泵采用一個(gè)雙程活塞泵引出兩條注漿管，盾尾注漿口分布在1和11點(diǎn)兩個(gè)位置。海瑞克盾構(gòu)機(jī)注漿泵采用四個(gè)單程活塞泵引出四條注漿管，盾尾注漿口分布在1、5、7和11點(diǎn)四個(gè)位置。三菱盾構(gòu)機(jī)配置了較好的注漿管路清洗系統(tǒng)，注漿孔的清洗和注漿、沖洗的孔口轉(zhuǎn)換通過油壓千斤頂來控制。將活塞千斤

9、頂伸出后，沖洗管路及注入管路線路相互連接，便可用水進(jìn)行注漿管路的沖洗。將活塞千斤頂收回便可恢復(fù)同步注漿狀態(tài)。海瑞克盾構(gòu)機(jī)采用膨潤土進(jìn)行管路清洗，通過注入膨潤土漿液將水泥漿液擠壓出注漿管路，防止水泥漿液凝固堵塞注漿管。圖8 三菱盾構(gòu)機(jī)注漿管路清洗示意圖3海瑞克S244與三菱1638#盾構(gòu)機(jī)施工過程中的對(duì)比海瑞克S244盾構(gòu)機(jī)于2003年7月出廠，先后施工廣州軌道交通三號(hào)線【天華盾構(gòu)區(qū)間】左線、五號(hào)線【員車科韻路站】左線、二八號(hào)線【會(huì)南區(qū)間中間風(fēng)井會(huì)江站，會(huì)江站石會(huì)區(qū)間中間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間】左線的施工，盾構(gòu)機(jī)累計(jì)掘進(jìn)約6550米。三菱1638#盾構(gòu)機(jī)2004年6月出廠，先后在廣州地鐵四號(hào)線【大學(xué)城小谷

10、圍】盾構(gòu)區(qū)間、【車陂南萬勝圍】盾構(gòu)區(qū)間施工，盾構(gòu)機(jī)累計(jì)掘進(jìn)約3875米。以下為越秀南站-東湖站盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比圖： (KN 200001800016000140001200010000800060004000200001152943577185越東區(qū)間左右線推力對(duì)比圖99113127141155169183197211225239253267281295309323337351365379環(huán)數(shù)圖9 越東區(qū)間左右線推力對(duì)比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為、層；21-65環(huán)為、層；66-79環(huán)、129-160環(huán)為層； 161-207環(huán)為 、層，頂部少量層； 277-366

11、環(huán)為層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為、層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為層；212-241環(huán)為層，頂部少量層；308-346環(huán)為層（KNm） 越東區(qū)間左右線扭矩對(duì)比圖3500300025002000150010005000114274053667992105118131144157170183196209222235248261274287300313326339352365378環(huán)數(shù)圖10 越東區(qū)間左右線扭矩對(duì)比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為、層；21-65環(huán)為、層；66-79環(huán)、129-160環(huán)為層；

12、161-207環(huán)為 、層，頂部少量層； 277-366環(huán)為層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為、層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為層；212-241環(huán)為層，頂部少量層；308-346環(huán)為層越東區(qū)間左右線掘進(jìn)速度對(duì)比圖50454035302520151050114274053667992105118131144157170183196209222235248261274287300313326339352365378環(huán)數(shù) 圖11 越東區(qū)間左右線掘進(jìn)速度對(duì)比圖右線：1-20環(huán)、80-128環(huán)、208-276環(huán)為、層；21-65環(huán)為、層；6

13、6-79環(huán)、129-160環(huán)為層； 161-207環(huán)為 、層，頂部少量層； 277-366環(huán)為層左線：1-47環(huán)、134-171環(huán)、289-307環(huán)、347-376環(huán)為、層；48-133環(huán)、172-211環(huán)、242-288環(huán)為層；212-241環(huán)為層，頂部少量層；308-346環(huán)為層左右線掘進(jìn)施工時(shí)，一般情況下均采用空倉掘進(jìn)模式。從以上掘進(jìn)參數(shù)來看，右線掘進(jìn)推力整體大于左線，掘進(jìn)扭矩整體小于左線，掘進(jìn)速度整體高于左線。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出三菱盾構(gòu)機(jī)在空倉掘進(jìn)模式時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率略高于海瑞克盾構(gòu)機(jī)。越東區(qū)間右線于2010年2月21日始發(fā)，3月7日開始掘進(jìn)第1環(huán)，8月23日盾構(gòu)機(jī)頂至車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)

14、。由于發(fā)生柴油車溜車事件，6月9日至7月3日重新配置水平運(yùn)輸方案，采用新購入的電瓶車進(jìn)行水平運(yùn)輸，期間盾構(gòu)機(jī)共停滯25天。右線實(shí)際掘進(jìn)時(shí)間為145天，日均掘進(jìn)約2.6環(huán)。越東區(qū)間左線于2011年12月31日始發(fā)，2012年1月2日開始掘進(jìn)第1環(huán)，5月30日盾構(gòu)機(jī)頂至車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于春節(jié)期間受渣土運(yùn)輸影響，1月20日至2月9日停機(jī)，期間盾構(gòu)機(jī)共停滯21天。右線實(shí)際掘進(jìn)時(shí)間為128天，日均掘進(jìn)約2.9環(huán)。從日掘進(jìn)環(huán)數(shù)來看，左右線掘進(jìn)效率都較低，以下為右線1-200環(huán)和左線150環(huán)-350 右線第1環(huán)-200環(huán)實(shí)際花費(fèi)94天時(shí)間，受影響時(shí)間約35天，掘進(jìn)施工效率為62.8%。左線150環(huán)-350環(huán)

15、實(shí)際花費(fèi)84天時(shí)間，受影響時(shí)間約為24天，掘進(jìn)施工效率為71.4%。圖12 右線設(shè)備故障分析圖 圖13 左線設(shè)備故障分析圖從右線掘進(jìn)影響時(shí)間與左線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備故障、開倉作業(yè)施工和盾尾及臺(tái)車清理時(shí)間都明顯多于左線。設(shè)備故障主要體現(xiàn)在水平運(yùn)輸車輛，開倉作業(yè)主要為開倉進(jìn)行泥餅清理。 3.1 “泥餅”清理影響右線在200環(huán)掘進(jìn)施工過程中，共開倉清理“泥餅”19次，影響時(shí)間約為165小時(shí)。左線清理“泥餅”2次，影響時(shí)間約為7小時(shí)?！澳囡灐钡漠a(chǎn)生的原因和地質(zhì)條件、盾構(gòu)機(jī)選型及施工方式有關(guān)。越東區(qū)間主要穿越中、微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，從地質(zhì)上來看，該地質(zhì)在掘進(jìn)過程中易形成泥餅。越東區(qū)間掘進(jìn)過程中發(fā)

16、泡劑均采用廣州盾之構(gòu)建材有限公司生產(chǎn)的發(fā)泡劑，右線還單獨(dú)使用了分散劑，但效果一般。左右線“泥餅”產(chǎn)生的次數(shù)差異主要原因是盾構(gòu)機(jī)選型。盾構(gòu)機(jī)選型是“泥餅”產(chǎn)生的主要原因，土倉結(jié)構(gòu)、發(fā)泡系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)與“泥餅”的形成密切相關(guān)。三菱盾構(gòu)機(jī)發(fā)泡系統(tǒng)在刀盤面板和土倉壁板分別設(shè)置了3根和8根泡沫管路；海瑞克盾構(gòu)機(jī)在刀盤和土倉壁板上分別設(shè)置了4根泡沫管路，刀盤上4條泡沫管路設(shè)置了8個(gè)噴射頭。三菱盾構(gòu)機(jī)發(fā)泡系統(tǒng)原液與水配比采用攪拌桶充分進(jìn)行攪拌后再與空氣進(jìn)行混合發(fā)泡，而海瑞克盾構(gòu)機(jī)發(fā)泡系統(tǒng)原液與水直接在管路內(nèi)進(jìn)行混合后再與空氣進(jìn)行發(fā)泡。三菱盾構(gòu)機(jī)和海瑞克盾構(gòu)機(jī)都設(shè)置了較為合理的泡沫系統(tǒng)，對(duì)防治“泥餅”均有一定

17、的作用。 圖14 海瑞克盾構(gòu)機(jī)泡沫管路及噴頭圖 圖14 三菱盾構(gòu)機(jī)泡沫噴頭圖攪動(dòng)系統(tǒng)中刀盤支撐柱、主動(dòng)攪動(dòng)棒和被動(dòng)攪動(dòng)棒對(duì)渣土的攪動(dòng)加強(qiáng)了渣土的流動(dòng)性。 刀盤支撐柱和主動(dòng)攪動(dòng)棒隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而攪動(dòng)土倉內(nèi)的土體。被動(dòng)攪動(dòng)棒固定在刀盤壁板上，在土體隨刀盤翻動(dòng)時(shí)，被動(dòng)的對(duì)土體進(jìn)行攪動(dòng)。三菱盾構(gòu)機(jī)在刀盤邊緣區(qū)域和土倉壁板上分別設(shè)置了3根主動(dòng)攪動(dòng)棒和3根被動(dòng)攪動(dòng)棒。海瑞克盾構(gòu)機(jī)在刀盤區(qū)域和土倉壁板上分別設(shè)置了4根主動(dòng)攪動(dòng)棒和4根被動(dòng)攪動(dòng)棒，并在被動(dòng)攪動(dòng)棒內(nèi)設(shè)置了泡沫管路。支撐柱雖然能較好的對(duì)土體進(jìn)行攪拌，但過多的設(shè)置反而會(huì)起到反作用。海瑞克盾構(gòu)機(jī)采用四根放射型圓柱體支撐柱（牛腿支撐柱），刀盤中心處無連接

18、。較少的牛腿柱和較大的中部空間使渣土在土倉中有較好的流動(dòng)性。三菱盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐梁采用六根方形支撐柱，中心處采用一個(gè)馬鞍式橫梁與中心回轉(zhuǎn)體連接。三菱盾構(gòu)機(jī)較多的支撐柱將刀盤中心區(qū)域包圍成一個(gè)相對(duì)狹小的空間，中部橫梁不僅降低了渣土的流動(dòng)性，還給渣土提供一定的堆積平臺(tái)，導(dǎo)致渣土在土倉中心區(qū)域停留聚集的幾率變大。 由于渣土的流動(dòng)不暢，直接給予了渣土顆粒重新聚集的條件。三菱盾構(gòu)機(jī)刀盤和主驅(qū)動(dòng)通過六根方形支撐柱，中心處采用一個(gè)馬鞍式橫梁與中心回轉(zhuǎn)體連接在一起。這種設(shè)計(jì)雖然能較好的傳遞扭矩和推力，但土倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)較擁擠，直接影響了土倉內(nèi)渣土的流動(dòng)性，這是導(dǎo)致“泥餅”產(chǎn)生的主要原因之一。海瑞克刀盤和主驅(qū)動(dòng)的連接

19、方式雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)剛度滿足工程使用要求，土倉內(nèi)渣土的流動(dòng)性較好，一定程度上減少了“泥餅”的產(chǎn)生。 圖14 海瑞克盾構(gòu)機(jī)刀盤背面 圖15 三菱盾構(gòu)機(jī)刀盤背面3.2盾尾及臺(tái)車區(qū)域清理影響及脫軌影響右線在200環(huán)掘進(jìn)施工過程中，盾尾及臺(tái)車區(qū)域清理影響時(shí)間約為269小時(shí)。左線影響時(shí)間約為155小時(shí)。右線在200環(huán)掘進(jìn)施工過程中，臺(tái)車脫軌16次，影響時(shí)間約為39.5小時(shí)。左線未出現(xiàn)臺(tái)車脫軌。本區(qū)間地下水類型主要有第四系孔隙水。有風(fēng)化帶的基巖風(fēng)化裂隙水，巖石單位涌水量0.10l/s.m，屬弱透水地層，僅局部地段含水量較大，部分孔單位涌水量可達(dá)0.13 l/s.m。由于噴涌影響，大量的泥漿及積水在隧道內(nèi)堆積，直接導(dǎo)致下一工序無法進(jìn)行，因此左右線均受此影響較大。臺(tái)車脫軌主要出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎小半徑段，由于轉(zhuǎn)彎半徑過小，受臺(tái)車長度影響，臺(tái)車容易發(fā)生脫軌。三菱盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車車輪采用單輪，而海瑞克盾構(gòu)機(jī)采用雙輪，且海瑞克盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車車輪輪緣