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(压缩)

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站-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一地层中的施工差异。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，自东濠涌高架桥66、67、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（29F ）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。本区间左右线均包括两组曲线，左线曲线半径250m 、280

2、m ，右线曲线半径250m 、280m 。线间距1132m；轨面埋深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-东湖站左线地质剖面图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面主要由4根主辐条和8根副辐条构成，采用6根箱体结构的转壁连接盘面和刀盘法兰，刀盘开口率约为37%，刀盘上背面边缘设

3、有3根主动搅拌棒，土仓壁设有3根固定搅拌棒。海瑞克盾构机刀盘盘面主要由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壁连接盘面和刀盘法兰，刀盘开口率约为28%，刀盘背面上设有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存在不同之处。三菱盾构机滚刀刀轴较大，刀轴横截面近似五边形，刀轴面左右对称，固定方式采用连杆和楔块固定；海瑞克盾构机滚刀刀轴较小，刀轴横截面近似四边形，刀轴面不规

4、则，固定方式采用楔块、连杆和楔块固定。由于三菱滚刀刀轴面左右对称，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出现反装现象。 图5 海瑞克单刃滚刀 图6 三菱单刃滚刀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器小齿轮齿轮轴承刀鼓刀盘。挖掘时最大扭矩为6870KN ·m ，转速可设定为1.5rpm 或3.0rpm 。刀盘转速为1.5rpm 时，常用5720 KN 

5、3;m （最高6870 KN ·m ）的一定扭矩。当刀盘转速为3.0rpm 时，常用2860 KN ·m （最高3435KN ·m ）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 的双向变量液压泵并联带动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03.0rpm 之间实现无级变速，刀盘最大标准扭矩为4500kN ·m ；在高速模式下刀盘可在06.1rpm 之间实现无级变速，刀盘最大标准扭矩为1970kN ·m

6、 。刀盘最大脱困扭矩为5300kN ·m 。电机驱动和液压驱动的优缺点： 液压驱动虽然传动效率低、噪音较大和发热量较大，但是由于隧道工作环境恶劣、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。2.3铰接方式不同为了减少盾构的长径比，增加其灵敏度，使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整，特别是为了能够顺利通过较小的线路弯道，盾构机通过铰接系统实现盾构掘进转弯的控制。三菱盾构机使用主动铰接，即铰接千斤顶自身采用主动伸缩；海瑞克盾构机使用被动铰接，即铰接千斤顶行程差随推进千斤顶压力

7、差被动形成。三菱盾构机铰接系统采用16个2000KN 的铰接油缸，千斤顶行程190mm ，最大设计牵引力可达32000KN ；海瑞克盾构机铰接系统采用14个铰接油缸，千斤顶行程150mm ，最大回缩力为7340KN 。主动铰接与被动铰接的区别点在于铰接千斤顶的伸收方式和推进千斤顶的受力点不同，主动铰接的铰接千斤顶进行主动伸缩使中盾和尾盾形成一定角度，推进千斤顶受力点在铰接后部；被动铰接的铰接千斤顶在推进千斤顶的外力作用下被动伸缩使中盾和尾盾形成一定角度，推进千斤顶的受力点在铰接前部。 图7 主动铰接与被动铰接示意图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

8、按照在圆周上的区域分为四组，每组78个油缸。三菱盾构机推进系统采用24个推力千斤顶被划分为4组。2.5注浆系统不同盾构机采用壁后同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉，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德国施维英公司提供，三菱盾构机由日本TAC 技研工业株式会社提供，三菱与海瑞克机同步注浆系统的基本原理相同，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

9、配置了较好的注浆管路清洗系统，注浆孔的清洗和注浆、冲洗的孔口转换通过油压千斤顶来控制。将活塞千斤顶伸出后，冲洗管路及注入管路线路相互连接，便可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清洗，通过注入膨润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。图8 三菱盾构机注浆管路清洗示意图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，先后施工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】左线的施工，盾构

10、机累计掘进约6550米。三菱1638#盾构机2004年6月出厂，先后在广州地铁四号线【大学城小谷围】盾构区间、【车陂南万胜围】盾构区间施工，盾构机累计掘进约3875米。以下为越秀南站-东湖站盾构区间掘进参数对比图： (KN 01152943577185越东区间左右线推力对比图图9 越东区间左右线推力对比图右线：1-20环、80-128环、208-276环为<8>、<9>层；21-65环为<7>、<8>层；66-79环、129-160环为<8>层； 161-207环为 <8>、<9>层，顶部少量<7>

11、层； 277-366环为<9>层左线：1-47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，顶部少量<7>层；308-346环为<9>层（KNm） 越东区间左右线扭矩对比图图10 越东区间左右线扭矩对比图右线：1-20环、80-128环、208-276环为<8>、<9>层；21-65环为<7>、<8>层；66-79环、129-160环为<8

12、>层； 161-207环为 <8>、<9>层，顶部少量<7>层； 277-366环为<9>层左线：1-47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，顶部少量<7>层；308-346环为<9>层越东区间左右线掘进速度对比图50454035302520151050 图11 越东区间左右线掘进速度对比图右线：1-20环、80-128环、208-276环为

13、<8>、<9>层；21-65环为<7>、<8>层；66-79环、129-160环为<8>层； 161-207环为 <8>、<9>层，顶部少量<7>层； 277-366环为<9>层左线：1-47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，顶部少量<7>层；308-346环为<9>层左右线掘进施工时，

14、一般情况下均采用空仓掘进模式。从以上掘进参数来看，右线掘进推力整体大于左线，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出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日始发，3月7日开始掘进第1环，8月23日盾构机顶至车站围护结构。由于发生柴油车溜车事件，6月9日至7月3日重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日开始掘进第1环，5月30日盾构机顶至车站围护结构。由于春节期间受渣土运输

15、影响，1月20日至2月9日停机，期间盾构机共停滞21天。右线实际掘进时间为128天，日均掘进约2.9环。从日掘进环数来看，左右线掘进效率都较低，以下为右线1-200环和左线150环-350 右线第1环-200环实际花费94天时间，受影响时间约35天，掘进施工效率为62.8%。左线150环-350环实际花费84天时间，受影响时间约为24天，掘进施工效率为71.4%。图12 右线设备故障分析图 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清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。 3.1

16、“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。左线清理“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面板和土仓壁板分别设置了3根和8根泡沫管路；海瑞克盾构机

17、在刀盘和土仓壁板上分别设置了4根泡沫管路，刀盘上4条泡沫管路设置了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合发泡，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 海瑞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撑柱、主动搅动棒和被动搅动棒对渣土的搅动加强了渣土的流动性。 刀盘支撑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壁板上，在土体随刀盘翻动时，被动的对土体进行搅动。三菱盾构机在刀盘边缘区

18、域和土仓壁板上分别设置了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根主动搅动棒和4根被动搅动棒，并在被动搅动棒内设置了泡沫管路。支撑柱虽然能较好的对土体进行搅拌，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撑柱（牛腿支撑柱），刀盘中心处无连接。较少的牛腿柱和较大的中部空间使渣土在土仓中有较好的流动性。三菱盾构机刀盘支撑梁采用六根方形支撑柱，中心处采用一个马鞍式横梁与中心回转体连接。三菱盾构机较多的支撑柱将刀盘中心区域包围成一个相对狭小的空间，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几率变

19、大。 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，但土仓内部结构较拥挤，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14 海瑞克盾构机刀盘背面 图15 三菱盾构机刀盘背面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环掘进施工过程中，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，岩石单位涌水量<0.10l/s.m，属弱透水地层，仅局部地段含水量较大，部分孔单位涌水量可达0.13 l/s.m。由于喷涌影响，大量的泥浆及积水在隧道内堆积，直接导致下一工序无法进行，因此左右线均受此影响较大。台车脱轨主要出现转弯小半径段，由于转弯半径过小，受台车长度影响，台车容易发生脱轨。三菱盾构机台车车轮采用单轮，而海瑞克盾构机采用双