第3章大直径盾构的专项选型设计技术 3.1概述 根据目前大直径盾构的应用情况可知，大直径盾构大多面临大埋深、高水压及长距离掘进等问题，需要根据地层条件对以下几个方面进行专项选型设计。 1. 出土方式 对于土压平衡盾构，大埋深、高水压地层条件下需要对螺旋输送机进行选型设计。需通过螺旋输送机尺寸的改变(加长、增大直径)及螺旋输送机的布置与调整(双螺旋或多螺旋)等手段，提高设备平衡较高水土压力的能力。 对于大直径泥水盾构而言，一旦泥水处理系统处理量不够，极易造成漫浆； 长距离掘进时，泥浆的泵送、过筛、旋流、沉淀等程序将会变得相对困难，考虑到环境保护因素，对处理设备需要的场地较大。为保证泥水处理系统优质高效进行，泥水处理系统关键设备的选型至关重要。 2. 刀盘结构形式 刀盘集开挖功能和支撑功能为一体，其结构形式的选择、开口率的设置及刀具配置直接关系到大直径盾构能否正常开挖掘进。此外，大直径盾构长距离掘进对刀盘、刀具耐磨性的要求极高，需要根据地层特征进行耐磨设计。通过专项设计研究，解决换刀难题。 3. 主轴承及密封的选型设计 主轴承及其密封寿命能否满足超长距离掘进要求关系到刀盘驱动装置能否正常工作。如果在施工过程中主轴承的密封失效，将造成主轴承润滑油泄漏或泥水及渣土等进入主轴承或齿轮箱，对主轴承、大小齿轮等刀盘驱动系统设备带来灾难性的后果，刀盘不能正常旋转开挖，那么盾构掘进无法正常进行，同时也给工程施工带来不可估量的损失。 4. 土体改良系统 土体改良是为了使土压平衡盾构切削下来的渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。对于软硬不均的复合地层或地下水丰富的地层等，如何进行土体改良对大直径盾构施工至关重要，土体改良效果的成功与否将直接影响到盾构机的掘进速度、掘进模式、掘进成本，严重时也将影响到工程的成败。 5. 辅助设备 随着浅部地下空间资源的逐步开发殆尽，未来越来越多的盾构工程将修建于深埋区域。因此，传统的通风、运输设备不一定能满足深埋大直径盾构的需求，必须根据工程的具体条件进行专项设计和研究，而且随着城市中心区域可利用资源的逐步减少，狭小区域辅料和渣土的运输问题也将是深埋大直径盾构工程需要考虑的问题之一。 3.2螺旋输送机的选型设计技术 螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分(图3.2.1)。它将刀盘切削下来的渣土排出土舱，同时保持舱内的土压力，维持开挖面土体的稳定。在保持刀盘转速及推进速度不变的情况下，通过对舱内土压力的实时反馈来控制螺旋输送机转速，可将其土压力控制在设定的范围内，使得排土量基本稳定，达到控制地表沉降的目的。 图3.2.1盾构螺旋输送机位置 3.2.1螺旋输送机的作用 螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要组成部分，它主要由圆筒状机壳和中心螺旋杆组成，其主要功能如下。 (1) 从有压力的密封土舱内将开挖下来的渣土排出。 (2) 渣土在螺旋输送机内形成密封土塞，阻滞土舱内的水土自由流出，以保持土舱内土压的稳定。 (3) 通过改变螺旋输送机转速、出土口开口度，调节排土量，即调节密封舱内土压力，使其与开挖面水土压力保持动态平衡。 (4) 螺旋输送机的排土和保压作用的发挥对土压平衡盾构机的施工安全与效率有如下重要影响： ① 盾构施工中的土压平衡包括土舱内外与螺旋输送机的压力平衡和进、出土量的平衡，其通过螺旋输送机排土量的控制来实现。 ② 渣土进入螺旋输送机后，依靠自身重力及与螺杆、叶片和筒壁界面间的摩擦作用来抵抗土舱内的水土压力，保持出渣过程的稳定性。 ③ 渣土性质对螺旋输送机的排土和保压效果有较大影响，主要通过向刀盘前方和向土舱内添加改良材料的方法对渣土进行流塑化改良。 ④ 从螺旋输送机结构分析，可从减小螺距、采用间断式螺杆或双螺旋输送机3个方面进行改造，以增加保压效果。 3.2.2螺旋输送机的类型 螺旋输送机是土压平衡盾构的排土装置，也是土压平衡盾构的重要组成之一。它具有排渣、形成土塞保持土舱内土压稳定、通过控制排土速度实现动态土压平衡稳定开挖面的功能。根据不同的施工水文地质条件，对螺旋输送机进行正确地配置选型是盾构方案设计过程中的关键环节之一。若配置不当，将会造成喷涌、磨损、无法在掘进中途维修等严重后果，导致盾构施工无法正常进行。目前，螺旋输送机主要分为无轴带式螺旋和有轴带式螺旋两种，如图3.2.2和图3.2.3所示。盾构开挖砂卵石地层时，需按排土能力考虑输送机形式和尺寸大小。尤其在透水性好的土质条件下使用无轴螺旋输送机时，需要认真研究止水性等压力保持能力。 图3.2.2无轴带式螺旋输送机 图3.2.3有轴带式螺旋输送机 在砂卵石和地下水较少的地层可用有轴带式螺旋机，有轴带式螺旋机利于防止富水砂卵石地层的喷涌，在同直径情况下，受中心轴限制，能输出的卵石粒径较小。无轴带式螺旋输送机卵石输排能力主要受螺旋输送机内径及螺距限制，内径越大、螺距越大，能输出的卵石粒径越大，但不利于防止喷涌。螺旋输送机内径受盾构直径及所选用的主轴承直径限制，螺距主要受自身强度限制。理论上，内径1000mm的无轴带式螺旋能输出直径330mm左右的球形卵石、330mm×570mm左右的长条形卵石。此外，在砂卵石地层中进行盾构施工，对设计加工阶段的螺旋输送机的磨损问题也应充分重视。施工过程中，盾构到达接收井后须及时检查更换螺旋前端和螺旋钢筒内侧的耐磨条或堆焊耐磨材料。螺旋钢筒磨损严重者，需及时补焊，甚至更换。然而在一些地质条件比较复杂、地层水土压力较大的地区，一节螺旋输送机无法平衡舱内压力，双螺旋输送机接续平衡土压力在大直径盾构施工中广泛采用。目前大直径盾构选用的螺旋输送机有超长螺旋(图3.2.4)、串联双螺旋(图3.2.5)及并联双螺旋(图3.2.6) 3种设计。在软土地层，渗透系数小于10-4MPa时，并不需要采取很多特殊的措施来防止喷涌，也不需要采用双螺旋螺旋输送机； 在渗透系数大于10-4MPa时，地下水压力较大，为了保持开挖面的稳定，可以采用超长螺旋来平衡水土压力。总体来说，在软土地层，对双螺旋设计使用并不广，在某些工程也会对螺旋输送机进行双螺旋设计，但是在实际施工中使用的情况并不多见。 图3.2.4超长螺旋 图3.2.5串联双螺旋 图3.2.6并联双螺旋 双螺旋输送器是在单级螺旋输送器的基础上再增加一级螺旋输送器，每级螺旋输送器具备独立的驱动系统，既可联动控制也可每级独立操作。由于大直径盾构刀盘直径很大，在设计时常会考虑使用双螺旋螺旋输送机： 一是提高渣土的输送速度，二是更好地平衡掌子面稳定性。 渣土进入螺旋输送机后，依靠自身重力及与螺杆、叶片与筒壁界面间的摩擦作用抵抗土舱内的水土压力，保持出渣过程中的稳定性。当地层渗透性较大、水头较高时，螺旋输送机内的渣土变稀或结构破坏从而导致失稳，可能发生喷涌事故。 对于螺旋输送机结构本身而言，可从减小螺旋片螺距或采用双螺旋输送机两个方面进行改造，从而增加保压效果。减小螺旋输送机螺旋片螺距，增大螺旋输送槽的长度，以增加渣土在螺旋输送机内的输送长度，增加螺旋输送过程中的压降。但根据螺旋输送机结构设计要求，螺距与螺旋输送机和螺杆的直径相关，且直接关系出土效率，实际很少使用减小螺距的方法。在双螺旋输送机结构中，两段螺旋输送机的螺距相同，并且均可单独控制。正常情况下，两段螺旋输送机的转速相同，在两段螺旋间不积聚渣土，可以正常出渣。当土舱压力过大或土偏稀可能发生喷涌时，可以对两段螺旋输送机的转速进行调节，使后端的螺旋输送机转速小于前端。由于前端螺旋输送机输出的渣土多于后端螺旋输送机，渣土很快在两段螺旋输送机间积聚形成土塞，从而有效防止喷涌。 在复合地层，如上海、广州地层复杂，地下水丰富，对盾构掌子面稳定提出了很高的要求。渗透系数小于10-4MPa时，大多需要采取超长螺旋措施来防止喷涌，对于是否采用双螺旋螺旋输送机并没有太高的要求，为安全起见，可以进行双螺旋设计； 在渗透系数大于10-4MPa时，地下水压力较大，为了保持开挖面的稳定，可以采用超长螺旋来平衡水土压力，但是大多需要对螺旋输送机进行双螺旋设计。双螺旋输送机又分为并联双螺旋和串联双螺旋，其选择需要具体工程具体分析。如果地层水土压力小于0.3MPa，可以使用串联双螺旋设计，这样选取适用于对出土要求不是太高的情况； 如果地层压力大于0.3MPa，常见于上海地层，还有很多穿江隧道，水土压力太大，仅仅串联双螺旋或超长双螺旋设计并不能解决掌子面稳定性，这种情况就要使用并联双螺旋设计，其优点就是在地下水丰富的地层，能够在短时间出土来平衡水土压力，未来这种设计应用会越来越广泛。对螺旋输送机选型参数确定在3.2.5节有详细论述。 3.2.3螺旋输送机的防喷涌设计 当盾构在富含地下水的地层掘进时，如果地下水压过大则会发生喷涌现象，从而影响盾构的正常施工。盾构螺旋输送机的防喷涌设计如下。 1. 双闸门设计 螺旋输送机通过液压马达带动减速机驱动，其转速可以在一定范围内调节，从而可以很好地控制出土量。调节螺旋输送机的出土速度是控制土舱压力的重要方法之一。螺旋输送机的排土闸门可设计为双层闸门形式，分别可以单独关闭，在需要时可以关闭后门以处理喷涌等紧急情况。 2. 保压泵渣系统设计 保压泵渣装置是为了解决排土喷涌问题而设计出的一套辅助设备。当地层中含水量大，开挖舱内的压力较大，螺旋输送机出口无法正常出渣而发生喷涌时，将保压泵渣系统通过密闭的管道和螺旋输送机的侧门用法兰连接，在保持螺旋输送机出口压力的状态下通过泥浆泵将螺旋输送机输出的泥浆及渣浆泵送至渣土车，从而达到防止喷涌并正常掘进的目的。 3. 双节螺旋设计 通常一台土压平衡盾构中只配备一节螺旋输送机，但在一些水土压力较大的地区采用土压平衡盾构时，一节螺旋输送机难以平衡地层水土压力，可利用双节串联螺旋输送机来解决土压平衡问题。 3.2.4螺旋输送机的影响参数 螺旋输送机内土体的力学状态是研究土压平衡盾构平衡开挖面水土压力的重要环节。因此其数学力学模型的建立，可以帮助人们有效研究螺旋输送机各种力学参数和开挖土体参数相关性。图3.2.7是简化的螺旋输送机力学模型，为计算简便，取通过螺旋输送机中轴线即与水平方向成α角的Ox为轴线。以O点为坐标原点，x值逐渐变大。图3.2.7中符号含义如下： L为螺旋输送机长度，α为螺旋输送机倾角，R为螺旋输送机半径，x为微元体距螺旋输送机顶部沿x轴方向的距离，dx为微元体沿x轴方向的宽度。螺旋输送机内土体微元体受力图如图3.2.8所示。 图3.2.7简化的螺旋输送机力学模型 图3.2.8螺旋输送机内土体微元体受力图 图3.2.8中，P为微元体所受压力，为微元体右上方土体在自重作用下沿x轴方向的分力，dP为P在x方向上的压力增量，则有 P=γπR2xsinα(3.2.1) G为微元体自重，则有 G=γR2dx(3.2.2) f1、f2为AB、CD界面所受摩擦力，则有 f1=μN1(3.2.3) f2=μN2(3.2.4) 式中： N1为AB界面所受压力； N2为CD界面所受压力； μ为土体与螺旋输送机侧壁的动摩擦系数。 微元体在二轴方向受力平衡，∑x=0，则有 P+dP－P－f1－f2－Gsinα=0(3.2.5) 计算可得 P=μγπRx2sinα+γπR2x(μcosα+sinα)(3.2.6) 式(3.2.6)满足如下边界条件： 当x=0时，P=0(若不满足，则会在螺旋输送机出土口发生渣土喷涌)； 当x=L时，便得出螺旋输送机底部所能承受的压力最大值为 PL=μγπRL(Lcosα+Rsinα)+γπR2Lsinα(3.2.7) 由式(3.2.7)可知，影响大小的参数共有5个，可归为以下两类。 （1) R、α、L为设备参数，在盾构制造前考虑最不利地层条件进行设计，是盾构螺旋输送机的重要参数。 （2) μ、γ为开挖土体的性质参数，其取值主要随开挖土体性质的不同而不同： 在改良前，μ值一般可选择0.5，γ值一般可取16~22kN/m3。在改良后，μ、γ均有所降低。对μ、γ的调节，既是实际施工中的渣土处理问题，也是盾构选型的依据之一。 螺旋输送机是土压平衡盾构的关键组成部分，直接影响到土压平衡的建立，关系到开挖土体的稳定。特别是城市楼群密集、管线复杂的地区，对土体稳定平衡的要求很高，螺旋输送机对于安全施工发挥着重要的作用。 通过建立螺旋输送机数学力学模型，可以得出以下结论。 (1) 螺旋输送机底部所能承受的最大压力PL的影响因素有螺旋机长度L、半径R、倾角α、渣土的重度γ、渣土与螺旋输送机外壳的动摩擦系数μ。 (2) 上述参数可以分为两组参数： 设备参数(α、R、L)和渣土性质参数(μ、γ)。设备参数需要在进行施工之前予以考虑，而渣土性质参数受施工现场土质控制，并且在施工工程中是可调的。 (3) 土压平衡盾构施工中，螺旋输送机不仅可排除开挖舱内的渣土，还可以控制螺旋输送机底部压力，进而维持盾构开挖面土压平衡的作用。螺旋输送机的安装角度、机内渣土性质、排土量等是影响螺旋输送机尺寸的重要因素。 3.2.5螺旋输送机相关参数的确定 1. 螺旋输送机输送能力的确定 刀盘每小时切削量为 Q1=π4D2v1×60k(3.2.8) 式中： Q1为每小时刀盘切削量； D为刀盘直径； v1为最大推进速度； k为土的松散系数。 根据刀盘切削能力确定螺旋输送机直径： D0≥2.5KQ1Cφ(3.2.9) 式中： D0为螺旋叶片外径； K为物料综合系数； C为倾角系数； φ为填充系数。 螺旋输送机转速不能超过极限转速，即 n≤nj=AD(3.2.10) 式中： A为物料的综合特定系数。 螺旋输送机输送量为 Q=15π(D2－d2)tnη(3.2.11) 式中： t为螺旋机螺距； d为螺旋轴直径； η为排土效率。 2. 螺旋输送机转矩计算 水平输送需要的马力为 N1=kQL270(3.2.12) 式中： k为土的松散系数，砂土取4； L为螺旋输送机长度。 垂直输送需要的功率为 N2=QLsinθ270(3.2.13) 式中： θ为螺旋机倾角。 克服转动摩擦需要的功率为 N3=Wcosθ·Dμn(3.2.14) 式中： W为螺旋输送机叶片和机内土砂质量； μ为回转摩擦系数。 螺旋输送机总转矩为 T=716g(N1+N2+N3)n(3.2.15) 考虑到砂砾的输送，螺旋输送机所配置的力矩至少为计算值的1.5倍，根据实际情况而定。 3. 液压马达设计计算 马达的最大输出转速为 nm=n1ij(3.2.16) 式中： n1为螺旋输送机最大转速； ij为齿轮箱传动比。 螺旋输送机最大转矩为10kN·m，则马达的输出转矩为 Tm=T1ijηj(3.2.17) 式中： Tm为螺旋输送机驱动转矩； ij为齿轮传动比； ηj为齿轮机械效率。 根据液压马达所需最大转速和输出转矩来选择马达。 马达实际所需要的最大流量为 qm=nmVgm1000ηmv(3.2.18) 式中： Vgm为马达排量； ηmv为马达量效率。 4. 出泥口闸门液压缸的计算 出泥口闸门液压缸选用单出杆液压缸，出泥口闸门关闭时液压缸所需流量为 qc=π4D2Pv(3.2.19) 关门时工作压力为 pc=Fπ4D2P(3.2.20) 开门时工作压力为 pc=Fπ4(D2P－d2p)(3.2.21) 5. 液压泵和电动机功率计算 泵的排量为 Vgp=qm+qc1500ηpv(3.2.22) 式中： ηpv为泵容积效率。 泵的实际输出功率为 N=pmaxqp(3.2.23) 式中： pmax为泵的最大工作压力； qp为泵的实际输出流量。 电动机的输出功率为 NE=Nηpmηpv(3.2.24) 式中： ηpm为泵的机械效率。 一般，根据式(3.2.24)来选择确定电动机型号。 3.3泥水处理系统的选型设计 泥水处理系统(图3.3.1)作为泥水盾构主要的系统之一，其选择合理与否，对该工程的顺利施工、进度、投资关系重大。也就是说，要使盾构正常运转，就要保证泥浆的顺利快速循环，如同人体的血液，是必须持续不间断的。 图3.3.1泥水处理系统 换句话说，该系统是泥水盾构施工不可缺少的配套系统，只有其优质高效运行，才能为盾构掘进提供保证，同时节约制浆材料的消耗和电力消耗。因此要选用一套适合工程地质条件、进度、环境保护要求的泥水分离设备，确保将排泥管带出来的渣土快速有效分离，同时降低泥浆密度，回收给盾构机循环使用。泥水处理厂如图3.3.2所示。 图3.3.2泥水处理厂 3.3.1泥水处理系统的构成 泥水处理系统可分成泥水制造调整系统、分离系统、压滤系统，如图3.3.3所示。 图3.3.3泥水处理系统 1. 泥水制造调整系统 泥水制造调整系统的主要功能是制造新鲜泥浆和补充调制浆。对于补充调制浆，就是将经泥水处理设备处理后未达到送泥水指标的浆液，由调浆系统补充调制浆，以达到送泥水的指标。因废浆或泥浆损耗过多造成的送泥水量不够，需补充所需用量的泥浆。该系统由泥水拌制系统和浆液调整系统组成(图3.3.4和图3.3.5)。 泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆储备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加水设备组成。 浆液调整系统由调整池、剩余池、调整池拌器、剩余池搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、送浆泵、补液泵、分配阀和加水设备组成，该系统主要是对浆液密度和黏度进行调整。 (1) 密度的调整 盾构持续掘进时，地层中含有部分泥水分离设备分离不了的微细颗粒，该颗粒在浆液累积，会导致浆液密度逐渐升高，此时需要对浆液密度进行处理或者对浆液进行部分丢弃并补充新浆，或者采用更精细的分离设备对浆液中的微细颗粒进行处理。 (2) 黏度的调整 为获得高质量浆液，需要对泥浆的黏度进行调整。黏度的调整通过添加一些辅助材料的方式实现。 回收的浆液经过盾构机反复应用后，浆液的密度、黏度指标会不断发生变化，需要再次把切削土砂形成的混合泥浆通过新浆分系统进行浆液技术指标的调整。