同一地层海瑞克与三菱复合式土压平衡盾构机施工对比分

1、同一地层海瑞克与三菱 复合式土压平衡盾构机施工对比分析 刘 坤，吕征舟，杨木桂 广州轨道交通建设监理有限公司 摘要：本文结合六号线越秀南姑-东湖站盾构区间左右线盾构施工过程，分析了不同盾构机在同 地层中的 施匸差异。 关键词：盾构机同一地层对比 1工程概况 广州地铁越秀南站至东湖站盾构区间线路从越秀南站过站后，继续沿越秀南路东进，口 东潦涌高架桥66扒67扒68#桥墩间穿过，并依次经过富力宜居高层商住楼（1921F）、 广州市石油公司住宅楼（6F）西北角及在建嘉星广场（29?）后进入绿荫路，并在设置在绿 荫路上的盾构吊出井（兼暗挖施工竖井）吊出。 木区间左右线均包扌舌阿组曲线，左线曲线半径25

2、0m、280m,右线曲线半径250m、280m。 线间距1广32m：轨而埋深20. 730. 7m；线路坡度为4%）。隧道埋深较深，盾构隧道所穿越 地层及隧道上部地层主要为中、微风化粉砂质泥岩。 图1越秀南站东湖站右线地质剖面图 图2越秀南站东湖站左线地质剖而图 2海瑞克S244与三菱1638#盾构机主要不同之处 在广州轨道交通六号线海珠广场-东湖站盾构区间施工中，右线采用海瑞克S244复合式 土压平衡盾构机，左线采用三菱1638#复合式土压平衡盾构机。 2.1刀盘结构与刀具不同 三菱盾构机刀盘盘而上要由4根主辐条和8根副辐条樹成，采用6根箱体结构的转壁连 接盘而和刀盘法兰，刀盘开口率约为37

3、%,刀盘上背而边缘设有3根主动搅拌棒，土仓樂设 有3根固定搅拌棒。 海瑞克盾构机刀盘盘而主要由4根主辐条和4根副辐条构成，采用4根放射状圆柱结构 的转樂连接盘而和刀盘法兰，刀盘开口率约为28%,刀盘背而上设有4根主动搅拌棒，可以 随着刀盘一起转动，同时，土仓壁上也设计了 4根固定搅拌棒。 图3海瑞克盾构机刀盘 图4三菱盾构机刀盘（未装刀具） 海瑞克和三菱盾构机滚刀设计均为背装式，保证刀具在磨损后需要更换时能快速的予以 更换。海瑞克滚刀形式和安装固定方式与三菱盾构机在不同之处。三菱盾构机滚刀刀轴较 人，刀轴横截而近似五边形，刀轴而左右对称，固定方式哭用连杆和楔块固定；海瑞克盾构 机滚刀刀轴较小，

4、刀轴横截而近似四边形，刀轴而不规则，固定方式采用楔块、连杆和楔块 固定。由于三菱滚刀刀轴而左右对称，因此刀具在两个方向都可以进行装配，刀具装反后刀 刃挡圈不能朝向刀盘中心，导致刀具容易损坏。海瑞克盾构机刀具只能一个方向进行装配, 因此可以保证刀具不会岀现反装现象。 图5海瑞克单刃滚刀 图6三菱中刃滚刀 2. 2刀盘驱动的形式不同 三菱1638#盾构机刀盘采用电机驱动，通过10台90KW的变级电动机带动刀盘。刀盘旋 转力通过以下方式进行传递：带减速机的电动马达离合黙小齿轮f齿轮轴承一刀鼓刀 盘。挖掘时最人扭矩为6870KNm,转速可设定为1. 5rpm或3. Orpm。刀盘转速为1. 5rpm时

5、, 常用5720 KN -m (最高6870 KN -m)的一定扭矩。当刀盘转速为3. Orpm时，常用2860 KNm (最高3435KNm)的一定扭矩。 海瑞克S244盾构机刀盘采用液压驱动，通过3台315KW的双向变呈液压泵并联带动8 台双向两速低速大扭矩液压马达，借助液压动力带动液压马达、减速器、轴承内齿圈直接驱 动刀盘旋转。海瑞克盾构机刀盘转速可设为低速和高速运转。在低速模式下，刀盘可在0 3. Orpntt间实现无级变速，刀盘最大标准扭矩为4500kNm：在岛速模式卜刀盘可在0 6. lrpm之间实现无级变速，刀盘最人标准扭矩为1970kN叽刀盘最人脱困扭矩为5300kNnu 电机

6、驱动和液压驱动的优缺点: 优点 缺点 海瑞克刀 盘 (1) 工作平稳可靠。 (2) 可以无级调速。 (3) 安全系数高。 (1) 使用液压传动对维护有较高要求。 (2) 液压传动在能呈转化的过程中，由管路输送 中的损失和内力消耗，故系统效率较低。 (3) 汕管散热址较人，对隧道内匸作环境有所影响。 (4) 用油做工作介质，有一定环境污染，在工作而 存在火灾隐患。 三菱刀盘 (1) 结构简单易于控 制。 (2) 传动效率较高。 (3) 环境污染小。 (1) 无法实现无级变速只能以固定转速转动刀盘。 (2) 刀盘切换旋转方向时，需关闭全部电机，30 秒内不能重新启动。 (3) 抗冲击能力较差，当突

7、然过载或急停时，易发 生较大的冲击，对设备有一定损伤。 液压驱动虽然传动效率低、噪音较人和发热星较人，但是由于隧道作环境恶劣、刀盘 启动停止较为频繁、在较硬的岩土中掘进时刀盘承受冲击力较大，而且液压驱动具有转速连 续可调的功能，便于操作人员控制，所以液压驱动与电机驱动相比而言适应性更强。 2.3S接方式不同 为了减少盾构的长從比，增加其灵敏度，使盾构在掘进时能够灵沾的进行姿态调整，特 别是为了能够顺利通过较小的线路弯道，盾构机通过饺接系统实现盾构掘进转弯的控制。三 菱盾构机使用主动较接，即狡接斤顶口身采用主动伸缩：海瑞克盾构机使用被动餃接，即 钱接干斤顶行程差随推进千斤顶压力差被动形成。 三菱

8、盾构机较接系统采用16个2000KN的狡接油缸，千斤顶行程190mm,最大设计牵引 力可达32000KN：海瑞克盾构机餃接系统采用14个较接汕缸，千斤顶行程150mm,最大回缩 力为 7340KN。 主动狡接与被动餃接的区别点在于狡接干斤顶的伸收方式和推进千斤顶的受力点不同, 主动饺接的饺接千斤顶进行主动伸缩使中盾和尾盾形成一定角皮，推进于斤顶受力点在钱接 后部:被动狡接的狡接斤顶在推进斤顶的外力作用卜被动伸缩使中盾和尾盾形成-定角 度,推进千斤顶的受力点在较接询部。 特点 主动较接 1、千斤顶载荷大，外形尺寸较大，布置的数暈相对较多，使得盾构机的内部空 间较为拥挤。 2、当盾构机进入曲线段时

9、,主动铁接需进行专门的钱接操作，相对r被动钱接 操作较复杂。 3、曲线段施匚时，推进千斤顶行程差不发生变化，管片均匀受力，不会影响 管片质量。 4、主动较接的刀盘可以利用狡接油缸进行轻微收回，对更换刀具有利。 被动较接 1、千斤顶载荷小，其外形尺寸也小，布置的数屋相对较少，盾构机的内部空间 显得宽敝，对维护保养工作十分有利。 2、隧道曲线段施匸时，推进千斤顶的行程差直接影响饺接千斤顶的行程差， 推进千斤顶行程差较大时一定程度上影响到管片安装。 3、曲线施工时，推进油缸会随行程变化而IA外摆动，推进千斤顶中心线与管 片中心线的角度会产生变化从而增加外侧水平分力，降低了千斤顶的有效推 力。 4、曲

10、线段施工时较接角度变化依靠推进千斤顶产生行程差而进行变化，而 推进千斤顶行程差的是控制汕压差而产生的，管片两侧受力人小差异可能导致 管片破损、朋角。 图7上动铁接与被动狡接示倉图 2. 4推进系统不同 海瑞克盾构机推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的 区域分为四组，每组78个汕缸。三菱盾构机推进系统采用24个推力干斤顶被划分为4组。 海瑞克 三菱 油缸数量 30 （单、双缸各10组）； 24 最大伸出量 2000mm 1950mm 工作压力 30Mpa 35MPa 总推力 34210KN 36000KN 最大伸出速度 80mm/min （空载） 80mm/min （

11、空载） 最人缩回速度 1400mm/min 1600mm/min 2. 5注浆系统不同 盾构机采用哦后同步注浆系统，这样可以使管片后而的间隙及时得到充填，有效的保证 隧道的施工质暈及防止地面下沉，并一定程度减少管片接缝渗漏水的可能。 海瑞克盾构机注浆系统由徳国施维英公司提供，三菱盾构机由日本TAC技研匸业株式会 社提供，三菱与海瑞克机同步注浆系统的基木原理相同，但构造和控制有所不同。三菱盾构 机注浆泵采用一个双程活塞泵引出两条注浆管，盾尾注浆口分布在1和11点两个位置。海 瑞克盾构机注浆泵采用四个单程活塞泵引出四条注浆管，盾尾注浆口分布在1、5、7和11 点四个位置。 三菱盾构机配置了较好的注

12、浆管路清洗系统，注浆孔的清洗和注浆、冲洗的孔口转换通 过油压斤顶来控制。将活塞F斤顶伸出后，冲洗管路及注入管路线路相互连接，便町用水 进行注浆管路的冲洗。将活塞千斤顶收回便可恢复同步注浆状态。 海瑞克盾构机采用膨润土进行管路消洗，通过注入膨涧土浆液将水泥浆液挤压出注浆管 路，防止水泥浆液凝固堵塞注浆管。 15时网填注入状态 3海瑞克S244与三菱1638#盾构机施工过程中的对比 海瑞克S244盾构机于2003年7月出厂，先后施匸广州轨道交通三号线【天华盾构区 间】左线、五号线【员车科韵路站】左线、二八号线【会南区间中间风井会江站，会江 站石会区间中间风井盾构区间】左线的施匸，盾构机累计掘进约6

13、550米。三菱1638#盾 构机2004年6月出厂，先后在广州地铁四号线【大学城小谷|书1】盾构区间、【车陂南万胜 1科】盾构区间施工，盾构机累计掘进约3875米。以卜为越秀南站-东湖站盾构区间掘进参数 对比图： 越*区间左右线推力对比图 (KN) 20000 18000 10000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 I 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 379 环敷 图9越东区间山右线推力

14、对比图 右练 1-20 环.80-128 环.208-276 环为8人 9层；21-65 环为7、8层：66-79 环、129-160 环为8层* 161-207 环为8人9层，顶部少S7fei： 277-366环为9层 左给 卜47 环.134-171 环.289-307 环.347-376 环为8 9圮：48-133 环、172-211 环、242-288 环为8层212-241 环为8fei .顶部少崑7层；308-346环为9层 KN.)越东区间左右线扭矩对比图 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 M 27 40 53 66 79 92 105

15、118 131 M4 157 170 183 196 209 222 225 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 378环数 图10越东区间左右线扭矩对比图 右线：】-20 环.80-128 环.208-276 环为8. 9层：265 环为7. 8层：66-79 环.129-160 环为8层：161-207 环为8人9层，顶部少量7层：277-366环为9层 左线：卜47 环 134-171 环.289-307 环.347-376 环为8 9层：48*133 环、172-211 环.242-288 环为8层：212-241 环为8层.顶部少308-3

16、46环为9层 越东区间左右线掘进速度对比图 501510353025201510 10 53 66 79 92 105 118 131 M l 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 378环数 图11越东区间公右线掘进速度对比图 右线：1-20 环、80-128 环、208-276 环为8、9层21-65 环为7、8层=6679 环、129-160 环为8层：161-207 环为8、9层，戎部少量7肚 277-366环为9层 左给 1-47 环、134-171 环、289-307 环.347-37

17、6 环为8 9层：48-133 环.172-211 环.242-288 环为8层x 212-241 环为8层，顶部少7： 308-346环为9层 左右线掘进施匸时，一般情况下均采用空仓掘进模式。从以上掘进参数来看，右线掘进 推力整体人于左线，掘进扭矩整体小于左线，掘进速度整体高于左线。根据以上数据可以看 岀三菱盾构机在空仓掘进模式时，盾构机掘进效率略高于海瑞克盾构机。 越东区间右线于2010年2月21 H始发，3月7日开始掘进第1环，8月23 H盾构机顶 至车站川护结构。由F发生柴油车溜车爭件，6月9日至7月3日甫新配置水平运输方案， 采用新购入的电瓶车进行水平运输，期间盾构机共停滞25天。右

18、线实际掘进时间为145天, 日均掘进约2. 6环。 越东区间左线于2011年12月31日始发，2012年1月2 H开始掘进第1环，5月30 H盾构机顶至车站憎护结构。由于春节期间受渣土运输影响，1月20 FI至2月9 H停机， 期间盾构机共停滞21天。右线实际掘进时间为128天，H均掘进约2.9环。 从日掘进环数来看，左右线掘进效率都较低，以卜为右线1-200坏和左线150环-350 环施工过程中主要影响时间统计表。 右线 左线 J5构机及共配套设备故障时间 364. 75小时 146. 5小时 开仓作业施工 165小时 47小时 盾尾及台车区域淸理 269小时 155小时 渣土池满影响 40

19、小时 91小时 总计 838. 75小时（约35天） 439.5小时（约25夭） 右线第1环-200环实际花费94犬时间，受彩响时间约35天，掘进施匸效率为62. 8%。 左线150环-350坏实际花费84天时间，受彩响时间约为24犬，掘进施工效率为71.4%O 柴油T故障 拼装机故障 故障 台弔th轨 皮帯输送机故障 龙门吊故障 爾电湧片泊 砂浆斗故障 千斤贞故障 皮布输送机故埠 26.5小时 8% 拼装机故障 52. 25小讯 15% 千斤顶故障 13. 5小时 119小时 31% 42小时 台弔川轨 39. 5小时 12% 龙门吊故卑 20小时 6% 越东右线1-200环施工故障分析图

20、砂派斗敗障 阀电源林“響 16. 54H 5 图12右线设备故障分析图 越东区间左线150-350环施丁故障分析图 电境转盘故障 5. 6小时 4% 电統午故障 水半运输午脱轨 48小时 水平运絵车睨枕 排污系统故障 以轨菜故障 拼装机故障 龙门外故障 口电做T故障 龙门制i 7. 5小 5、 拼装机故障 13小时 9% 戏轨荣故障 30. 5小时 22% 排污系统故障 30. 5小时 22% 图13左线设备故障分析图 从右线掘进影响时间与左线对比发现，盾构机及其配套设备故障、开仓作业施工和盾尾 及台车消理时间都明显多于左线。设备故障主要体现在水平运输车辆，开仓作业主要为开仓 进行泥饼清理。

21、3.1 “泥饼”清理影响 右线在200环掘进施工过程中，共开仓清理“泥饼” 19次，影响时间约为165小时。 左线消理“泥饼” 2次，影响时间约为7小时。 “泥饼”的产生的原因和地质条件、盾构机选型及施工方式有关。越东区间主要穿越中、 微风化粉砂质泥岩，从地质上来看，该地质在掘进过程中易形成泥饼。越东区间掘进过程中 发泡剂均采用广州盾之构建材有限公司生产的发泡剂.右线还单独使用了分散剂，但效果一 般。左右线“泥饼”产生的次数差异主要原因是盾构机选型。 盾构机选型是“泥饼”产生的主要原因，土仓结构、发泡系统和搅拌系统与“泥饼”的 形成密切相关。 三菱盾构机发泡系统在刀盘而板和土仓毬板分别设置了

22、3根和8根泡沫管路:海瑞克盾 构机在刀盘和土仓壁板上分别设置了 4根泡沫管路,刀盘上4条泡沫管路设買了 8个喷射头。 三菱盾构机发泡系统原液与水配比采用搅拌桶充分进行搅拌后再与空气进行混介发泡，而海 瑞克盾构机发泡系统原液与水直接在管路内进行混合后再与空气进行发泡。三菱盾构机和海 瑞克盾构机都设置了较为合理的泡沫系统，对防治“泥饼均有一定的作用。 图14海瑚克盾构机泡沫管路及喷头图图14三菱盾构机泡沫喷头图 搅动系统中刀盘支撐柱、主动搅动棒和被动搅动棒对杳上的搅动加强了渣上的流动性。 刀盘支撐柱和主动搅动棒随着刀盘的转动而搅动土仓内的土体。被动搅动棒固定在刀盘堆板 上，在土体随刀盘翻动时，被动

23、的对土体进行搅动。三菱盾构机在刀盘边缘区域和土仓唯板 上分别设置了 3根主动搅动棒和3根被动搅动棒。海瑞克盾构机在刀盘区域和土仓壁板上分 别设置了 4根上动搅动棒和4根被动搅动棒，并在被动搅动棒内设置了泡沫管路。支捋柱虽 然能较好的对土体进行搅样，但过多的设置反而会起到反作用。海瑞克盾构机采用四根放射 型圆柱体支撐柱（牛腿支撐柱），刀盘中心处无连接。较少的牛腿柱和较大的中部空间使渣 上在上仓中有较好的流动性。三菱盾构机刀盘支掠梁采用六根方形支捋柱，中心处采用一个 马鞍武横梁与中心回转体连接。三菱盾构机较多的支掠柱将刀盘中心区域包用成-个相对狭 小的空间，中部横梁不仅降低了渣土的流动性，还给渣土

24、提供一定的堆积平台，导致渣土在 土仓中心区域停留聚集的儿率变人。由于渣土的流动不畅，直接给予了渣土颗粒重新聚集 的条件。 三菱盾构机刀盘和主驱动通过六根方形支撑柱，中心处采用一个马鞍式横梁与中心回转 体连接在一起。这种设计虽然能较好的传递扭矩和推力，但上仓内部结构较拥挤，直接影响 了土仓内渣土的流动性，这是导致泥饼”产生的主要原因之一。海瑞克刀盘和主驱动的连 接方式虽然相对简单，但结构刚度满足工程使用要求，土仓内渣土的流动性较好，一定程度 上减少了 “泥饼”的产生。 图15三菱盾构机刀盘背面 图14海瑞克盾构机刀盘背面 3. 2盾尾及台车区域清理影响及脱轨影响 右线在200环掘进施工过程中，盾尾及台车区域清理影响时间约为269小时。左线影响 时间约为155小时。右线在200环掘进施匸过程中，台车脱轨16次，影响时间约为39.5 小时。左线未出现台车脱轨。 本区间地下水类型主要有第四系孔隙水。有风化带的基岩风化裂隙水，岩石单位涌水虽 0. 101/s.m,属弱透水地层，仅局部地段含水童较大，部分