上海地区长距离深埋盾构设计要点探讨

1.概述

随着隧道建设的不断发展，上海地下空间的利用越来越向深层拓展。如规划中的崇明线轨道交通工程，隧道直径13m，最大覆土46m，覆土厚度与隧道直径比约3.5D（D为隧道直径），盾构机一次掘进9.8km；市域铁路工程，隧道直径13.6m，最大覆土47.4m，覆土厚度与隧道直径比约3.5D，盾构机一次掘进6.34km；苏州河段深层排水调蓄管道系统工程隧道直径11.3m，最大覆土46m，覆土厚度与隧道直径比约4D。为了满足长距离深埋大直径隧道的盾构法施工，需要探讨盾构机设计要点。本文以隧道埋深、工程地质、水文条件为主要依据，综合考虑盾构机适应性、可靠性、安全性等方面，讨论了深埋盾构设计时应该考虑的要点。

2.长距离深埋隧道工程难点

（1）长距离掘进

盾构机在长距离掘进的工作环境下，需考虑刀具耐磨性能及更换、主驱动密封的耐磨性、主轴承的工作状况、盾尾刷的耐磨性能及更换等情况。所以这种工况对于盾构机关键部件的耐久性和可靠性要求很高。另外，还要考虑在盾构机关键部件损坏以后的如何让人员介入维修。

（2）高水土压力

盾构机在深埋的工作环境下，需要考虑到高水土压力带来的主驱动密封系统耐压性能、盾尾结构耐压性能以及盾尾密封耐压性能。

（3）穿越含承压水的砂土层

上海深埋盾构机主要穿越第⑦层土（砂质粉土夹粉质粘土），该土层是上海第一承压含水层，承压水主要赋存于第⑦层粉土或砂土层中。盾构机在穿越含承压水的砂土时会遇到刀具磨损严重、开挖面失稳沉降难以控制等情况。因此要重点考虑刀具的耐磨、开挖量监测、添加剂系统等方面的设计。以及考虑极端情况下刀具更换方案。

综上所述，长距离深埋盾构设计应考虑以下几方面要点：

1）扩大盾构机可介入维修区域；

2）加强关键部件的检测及自动化预警；

3）加强关键部件的耐久性和可靠性设计；

3.深埋盾构设计要点探讨

(1)扩大盾构机可介入维修区域

刀盘开挖面、土舱/泥水舱、盾尾密封刷等与土体交界的区域，都不能在比较安全的无压施工条件下介入。通常工作人员想介入刀盘，就必须带压进入土舱/泥水舱，且舱内含有各种开挖物（土块、石块、泥浆等），对人员的健康和安全都不利。通过扩大盾构机可介入维修区域，可以让工作人员安全地介入原本不容易介入到的区域，从而实施检查、维修等工作。

图 1 盾构机非安全介入区域(带压刀盘)

图 2 盾构机非安全介入区域(常压刀盘)

① 常压刀盘

通过配置常压刀盘，可以使刀盘中心舱内部、主辐条内部变成较安全介入区域。工作人员可以常压进入刀臂，做检查和换刀等工作。但常压刀盘有造价高、开口率较低、中心位置易结泥饼的问题，而且经过数次更换的刀筒也可能发生密封失效。

② 冰冻法

上海地层中地下水位一般较高，应用冰冻法的条件较好。在刀盘、盾尾或管片上预制冰冻管，在冰冻管中循环低温盐水，利用钢材导热性好的特点使刀盘结构变成“冰冻圆盘”，而盾尾结构变成“冰冻圆环”。通过冰冻管对隔仓内土体、切口周围土体和盾尾周围土体进行冻结，使周边形成冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行检查、换刀、换盾尾刷等作业。所以通过冰冻法，可以使刀盘周围、土舱/泥水舱、盾尾密封处变为较安全介入区域。

(2)加强关键部件的检测及自动化预警

① 刀盘的检测及预警

由于上海地层黏性土含量较多，刀盘中央容易结泥饼，从而导致刀盘负载增大，贯入度减小，推进速度变慢。考虑到安全性，通常不会采取开仓的方式判断结泥饼。只通过地质情况、掘进参数综合判断。结泥饼后刀盘开口率减小，摩擦系数增大，泥饼与土摩擦会产生大量的热量，伴随刀盘结构温度升高。在刀盘中央安装温度计可以有效辅助人员判断是否结泥饼。

长距离掘进情况下，检测刀具的磨损量是非常关键的。为了能及时和准确地判断刀具磨损情况，可以在刀具和刀盘结构上安装磨损检测系统，检测点的数量和位置根据施工方的要求确定。磨损信号应能够实时传输到操作系统，并在操作屏上显示。

为了避免推力、扭矩过大造成刀盘结构、主轴承损坏，准确地判断刀盘负载情况是十分有必要的。可以通过配备刀盘负载检测系统来实现判断。这套系统是在刀盘结构上加装传感器（数量和位置根据需要排布）。传感器信号经采集器后传输到主机中进行数据处理，最终结果显示在屏幕上。

文章来源：《上海中医药大学学报》 网址: http://www.shzyydxxb.cn/qikandaodu/2021/0421/1037.html