韩宝清
中铁六局集团有限公司盾构分公司 北京 100036
[摘要]本人所在公司需将为深圳地层设计的盾构机用于完成北京富水砂层标段的施工，且该承建标段下穿京哈铁路、热力隧道、运河等特大级风险源，为保证工程质量及工期要求需对各系统进行针对性改选。对比盾构机原设计思路及现标段地质水文条件，并考虑经济性原因，在掘进前我们对刀盘、螺旋输送机、膨润土、聚合物及盾尾刷系统进行了改选。在实验段掘进时，结合新出现的情况，又及时的对泡沫系统进行了全方面的改选。这样该台盾构机完全适应了该标段的地质、工期、质量要求，为北京地铁的建设准时服务的同时积累了经验。
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关键词 ]盾构机；富水砂层；针对性；改选
一、工程地质水文条件及重难点分析
1.工程地质条件：
盾构区间隧道覆土深度为10～21米，隧道洞身主要穿过的土层中有细粉砂②3层、粉细砂⑤层、圆砾⑤4层、粉土⑥2层、细中砂⑦层。结构顶板以上土层主要为细粉砂②3层。区间隧道基本在粉细砂⑤、圆砾⑤4层、细中砂⑦层中穿越。
2.水文地质
区间主要受潜水（二）层影响、局部受承压水（四）层影响。潜水（二）标高为13.65~9.05米，埋深为7.1~13.1米，含水层主要为粉细砂④3层、粉细砂⑤层、圆砾⑤4层及粉细砂⑦层等，承压水（四）层标高为6.72米，埋深为13.6米，含水层主要为粉细砂⑤层、粉土⑥2层、细中砂⑦层。
3.工程难点分析
区间下穿京哈铁路、北运河、热力隧道、东六环、杨坨村民房区等诸多特一级风险源，且位于富水砂层，沉降控制难度大，施工风险高。
二、设备针对性改造
本标段使用的海瑞克盾构机曾顺利完成深圳地铁2号线某区间左线、深圳地铁5号线某区间左右线、深圳地铁2号线东沿线某区间右线的掘进任务，盾构机出厂配置较适应深圳地区复合型地层，创造单班掘进15米、单日掘进28.5米的记录，面对本标段的全断面富水砂层，盾构机相应对各个系统做了改造，以适应该地层的特点。
1、刀盘适应性改造
为适应深圳和广州地区的复合地层及可能出现的基岩与孤石，该海瑞克盾构机刀盘在出厂时采用了全面板式，开口率28%，该刀盘配置39把滚刀，64把正面小刮刀和16把边缘刮刀，刀具呈高低错落型布置，滚刀负责破岩，刮刀负责刮落，该刀盘很好地适应了深圳地区的地质环境。
在全断面富水砂层中，该刀盘显得难以适应。首先面板开口率过小，在全断面砂层中，掘进高扭矩是必须要正视的问题，过多的接触面积就意味着更高的掘进扭矩，而且开口率过小还会直接影响到掘进效率，造成刀盘不必要的磨损；其次滚刀在这种地层中起不到任何作用，反而占据了大量的面板空间，增加了与地层的接触面积；最后在砂层中主要的切削刀具为刮刀，虽然刀盘面板布满了64把小刮刀和16把边缘刮刀，但刀具偏小，造成每把刀具强度和耐磨度下降，在长距离的砂层中磨损量可想而知，频繁地更换刀具会增加相应的安全风险及成本。
通过对地质条件的深入研究对比，盾构机刀盘采用辐条（4主4辅）式刀盘，能同时保证刀盘结构强度和刀具的安装要求。刀盘总重约为：32.3吨(不含刀具)，开口率约为41.6%。
刀具的配置表如下：
焊接的4个主动搅拌臂可以使土质改良添加剂和挖出的渣土在刀盘后面进行良好搅拌，同时刀盘上设置六个添加剂注入口，可以注入泡沫、膨润土及聚合物等改良材料，减小掘进扭矩，降低切削温度，改善渣土流动性，防止喷涌的发生。
2、螺旋输送机适应性改造
本标段使用的海瑞克盾构机为液压驱动，螺旋输送机液压泵站功率为250KW，设计扭矩为220KNM，为中心轴式设计，这种螺旋结构在实际应用中对开挖面的稳定和防止出土口喷涌等方面更有效，更适合于掘进富水断层或穿越河涌地层。本台盾构螺旋机采用中心轴螺旋式，且在中间一段空出一个螺距，简称土塞段，在螺旋机出土时，该段渣土将堆积大量的粉粒，即阻止了水的喷发，又防止石块的下沉，对复杂地层的出土起到良好的改进作用。
螺旋输送机内径900mm，螺距630mm，倾为角23°，内腔大尺寸的设计决定了能通过渣土的最大尺寸为长520mm×宽340mm。螺旋输送机最大出渣能力为400m3/h，掘进一环大约出渣为54m3，掘进速度为80mm/min时，螺旋输送机出渣速度需达到216m3/h。由于本标段为全断面砂层，螺旋输送机表面的耐磨性能的提高十分重要。本标段盾构机螺旋机以土塞段为分界线，土塞段前部的螺旋带外焊接40mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，土塞段以后的螺旋带外焊接20mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，对螺旋轴起到了良好的保护作用。在螺旋筒内壁靠近土仓段，焊接40mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，对螺旋筒起到了保护作用。
螺旋轴与螺旋筒的耐磨性，使得掘进过程中螺旋轴与螺旋筒间隙紧密不扩大，一定程度上防止螺旋机卡死现象的发生，同时降低了螺旋机的功率消耗。
螺旋机后出渣闸门配置有液压蓄能器，如果出现断电故障时，闸门会在蓄能器作用下自动关闭，防止突发状况。
2.1出渣闸门改造
有轴式螺旋机采用下出土模式，出厂只设计了一道后闸门，不能通过闸门的控制有效地防止喷涌，因此在本区间设计一道手动应急闸门，与原有闸门形成双保险，改造图如下图1所示，红圈内为添加部分。
当掘进过程中，如果喷涌严重，则可以将手动闸门关小，对喷涌的渣土有一定阻挡作用，可以一定程度上控制喷涌。
2.2观察维护窗改造
螺旋输送机下部和中部分别有一个800mm×600mm的观察维护窗，我们在中部对面和上部各增加一个400mm×300mm的维护窗，当螺旋机内部由于特殊原因无法出渣或出渣不顺畅时，可通过维护窗口进行处理。
但海瑞克盾构机螺旋机原观察窗是螺栓连接，由于观察窗约200Kg的自重与连接方式的特点，打开后靠人工关闭很困难，尤其是螺旋机内部有压的时候，要实现观察窗打开后迅速关闭几乎不可能。打开后如遇到泥沙喷涌等紧急情况，如不能迅速有效地关闭窗门，极有可能造成不可预计的后果。
为此，在本标段施工进场前将螺旋输送机观察窗改造成上下翻转开合式，配合手摇葫芦的拉力实现开合，并保留原有螺栓连接方式压紧、实现最终密封。相比未改造之前，能够较迅速有效地关闭窗门，一定程度上克服紧急情况下导致的意外后果。
此改造利用合页改变观察窗门的开启与关闭方式，利用手摇葫芦代替人工作为开启与闭合动力。合页插销可拆卸，需要时拆掉合页插销即可方便取下窗门。本设计在不损坏窗门密封和原结构的基础上，保留了螺栓连接的所有优点，克服了在紧急情况发生时原形式观察窗不可能靠人力去关闭的致命缺陷。在实际应用中，我们可以根据现实情况选择支点增加导向轮（定滑轮）装置，以改变倒链拉力的方向，我们可以将手摇葫芦放置在一个安全的地点，人员可以在安全的地方操作，避免紧急情况观察窗内喷射出泥沙对操作人员造成伤害。
3、泡沫系统改造
在本标段开始掘进过程中，海瑞克盾构机遇到了渣土改良的难题，海瑞克盾构机原泡沫系统采取单个泡沫原液泵一托四的发泡方式，即一台泡沫泵供给四条管路到刀盘及土仓内，泡沫剂注入泵运送量为5-300l/h，满足掘进供应量要求。本标段的地层属于砂层，颗粒细小，如果在掘进中不注意泡沫的开关顺序，就有可能造成管路失压，泡沫喷嘴前的单向阀只能挡住大颗粒物，这时土仓内的细颗粒会由泡沫喷口进入到泡沫管路内，囤积到一定程度就会造成泡沫管路的堵塞，当其中一条管路阻塞时，泡沫会往低压力的其他管路流动，造成这条管路越堵越多，最后没有一点流量，无法达到改良土体的作用。
本标段刚开始掘进过程中，四条泡沫管路只有两条有流量，不仅在泡沫量上无法达到掘进要求，造成切削温度高，掘进扭矩大等严重后果，而且仅有的两条管路也存在流量不稳定情况，严重影响到后期掘进。
在不利条件下，泡沫系统改造势在必行，改造为采用单管单泵的供给方式，每路泡沫均可独立工作，不受土仓压力和管道阻力的影响，发泡方式由原来的管路中混合直接发泡变为在混合箱充分混合后由泡沫泵泵送发泡，在不增加泡沫消耗量的条件下，发泡效果更好，降低堵管风险，混合液的酸碱度得以稀释后，可以延长泡沫泵的使用寿命。
由原来的一台泡沫原液泵和一台泡沫水泵改为1台泡沫原液泵和4台泡沫混合液泵，其中每台泡沫混合液泵一一对应刀盘上4个泡沫注入口。控制方式由原来通过调节每一路上的电动调节阀来控制流量改为通过调节4台泡沫混合液泵的频率来调节每一路泡沫的流量。
此次改造共增加了4台泡沫混合液泵（NM038BY02S12B，2.2kw变频电机）、1个泡沫混合箱（2m3）、2台电机减速机（0.75KW）、2个小型音叉液位开关（SC24100 24VDC）、1套管路、1套接头。去除原泡沫水泵控制回路，新增加4路独立泡沫混合液泵控制回路，包括母线转接器、断路器、变频器等，混合液搅拌控制回路。独立的控制系统包括控制模块、上位机、配电柜，与原有电控制不冲突。
泡沫系统改造后对掘进的影响是明显的，不仅掘进扭矩降低，而且油温也随之下降，保证了掘进的连续性。
4、膨润土系统改造
本标段地层为全断面砂层，通过地质报告查到地层中的细颗粒含量较少，导致渣土和易性很差，极易发生喷涌，在这种情况下，膨润土在渣土改良中可以起到重要作用。
海瑞克盾构机原配置的膨润土泵为螺杆式的定量泵，运输能力为30m3/h，工作压力为8bar。这种定量泵不仅不好控制流量调节，而且这种泵送方式也极易堵管。
经过改造，现改为大排量的挤压泵。膨润土输出流量通过变频控制，挤压泵的泵送结构形式为脉冲式，通过增大挤压泵压力，还能够达到自行疏通管路的目的，有效的保证渣土改良效果，也降低了堵管的风险。
将原设备上的膨润土螺杆泵去除，换用大排量（18.5kw)挤压泵，将泵安装在二号台车尾部，保留原来输送管路。同时还配备出口压力传感器一个，变频器一台，配备手动操作系统控制盒，带调节速度调节旋钮、流量显示器、压力显示器一个（安装于主控室）。
5、分散剂（聚合物）系统改造
掘进初期，由于泡沫系统的缺陷，造成土仓内渣土和易性一直未达到土压平衡盾构机出土的最佳状态，渣土时干时稀，在地层中含有少量粘土的情况下，还有可能形成泥饼。而随着隧道断面不断向下，地下水越来越丰富，伴随有发生喷涌的可能。针对这种情况，单一的改良方式并不足以很好地改良土体，根据渣土的和易性实验，适当的加入分散剂或聚合物，以达到流畅出土的目的。
分散剂可以吸附于凝结土体颗粒的表面，使凝聚的土体颗粒表面更易于润湿。在凝结土体颗粒的表面形成吸附层，使凝结土体颗粒表面产生排斥力，提高形成立体浸渗效果的速度，致使凝结土体表面与水产生较强的亲和力，在上述微观的作用力下，使凝结土体系均匀分散开来，从而达到迅速解散凝结泥饼的聚合力及粘附刀盘的作用力。
分散剂与粘性较高的土体进行搅拌混合后，在分散剂产生的排斥力，及强力的渗透作用下进入土体内部，可以对其粘性强质土体的进行离散，从而降低其粘附性，达到防止粘性过强的土质粘附刀盘，并使其土质具有良好的塑流状态。
聚合物的工作原理与分散剂相反，可以将含水量大的土体形成果冻状，流塑性强，易于螺旋机的排除，还可达到止水目的。
海瑞克盾构机未配置分散剂（聚合物）系统，原有的管路也因为需要注入泡沫和膨润土而显得缺乏，将原来的膨润土螺杆泵改为分散剂（聚合物）系统的动力泵，在二号台车尾部新增加分散剂（聚合物）箱和管路，在特殊地段可以根据需要向土仓及螺旋机内注入。
6、盾尾密封改造
本标段盾构区间从玉带河大街站直接到郝家府站，全长2209m，中间没有吊出井，且地层含水量较大，盾尾刷损坏后会导致地层中的水直接进入盾体，所以对盾尾刷的质量要求非常高，鉴于以上情况，本段区间采用加强型盾尾刷。这种加强型尾刷在钢丝密度及耐磨性上均有所提高，且加长最后一道铁板，更有效的保护第二道钢丝不被浆液侵蚀，增加其使用寿命。
结束语
通过对该盾构机进行一系列的改造，使盾构机对于本工程地层有了更好的适应性，取得了较好的效果。
通过对膨润土系统、泡沫系统及分散剂系统的改造，使海瑞克盾构机渣土改良功能强大，通过渣土改良，有效地克服了全断面砂层盾构掘进的种种困难，成功完成了整个隧道的施工。同时对刀盘及刀具改造后，结合良好的渣土改良效果，成功实现盾构全断面富水砂层掘进2209m不换刀。
本工程掘进过程中，螺旋机经常发生喷涌，在对螺旋机闸门进行改造后，使螺旋机控制出土的能力增强，成功克服了螺旋机喷涌情况下出渣难以控制的难题。
而对盾尾刷改造，采用加强型尾刷后，盾尾漏浆情况得到了有效的缓解，对地表沉降的控制起到了重要的作用，也保证了整个隧道掘进过程中不更换尾刷，保证了整个工程的质量、安全及工期要求。