北京地铁土压平衡盾构设计
【摘 要】 文章叙述了北京地铁加泥土压平衡式盾构的设计，着重介绍了具有创新特点的盾构推进系统中的并联油缸节点板同步器；带预埋管的焊接式壳体的设计，集中了外置式和内置式同步注浆管、盾尾密封注浆管的优点；刀盘驱动系统采用低速大扭矩油马达直接驱动，简化结构，提高传动效率设计寿命达.2万小时。?
【关键词】 土压平衡盾构 并联油缸节点板同步器 壳体 刀盘驱动
一、 前言
盾构法是在地层中修建隧道的一种方法，能适用任何水文地质条件（松软的、坚硬的、有地下水的、无地下水的）下的隧道施工；而施工时又不影响地面交通，对施工地区附近的居民几乎没有振动和噪音的干扰，可控制地面沉降，减小对地下管线、地面构筑物及周围环境的影响，并具有较快的施工进度和较高的工程质量。
根据北京地铁五号线工程的地质报告，盾构主要穿越的是③层粉细砂、④层圆砾和⑤层粘质粉土砂质粉土，因此，决定采用加泥土压平衡式盾构。
二、 加泥土压平衡式盾构设计
在设计盾构的壳体、推进系统、加泥系统、刀盘驱动系统、同步注浆系统、螺旋输送机、管片拼装机、气密舱、管片吊运机构、皮带运输机、盾尾密封、集中润滑系统、液压系统等部件时，充分利用当今世界先进技术，并对壳体、推进系统、加泥系统、刀盘驱动系统、同步注浆系统等的设计有所创新。
1、 设计参数
图1为北京地铁加泥土压平衡式盾构总体结构示意图。
盾构外径660mm；管片外径6000mm，内径5400 mm，宽1500 mm；总推力35000kN；最大切削直径6180 mm；铰接装置的上下、左右转动角度均为±1.5°；刀盘最大扭矩5100 kN·m，转速0~1.623 r/min，液压传动功率630kW；螺旋输送机叶片直径800mm，转速~6 r/min，出土量约82m3/h；管片拼装机自由度为6，转速0~.8 r/min，旋转角度±200°。
2、加泥系统
盾构在砂土、砂砾等砂质土层中推进施工时，由于土体的内聚力小，当含砂量超过某一限度时，土体的塑流性明显变差，进入土仓内的土体因易固结而被压密，进入螺旋输送机内的渣土也因由于大量失水而被压密，导致难于排出。因此，需向土仓和螺旋输送机内注入水、膨润土泥浆或发泡剂等添加材料，通过搅拌后，土体的性能得到改良。于是，设计时要增大土仓容积，使土仓容积达到一环管片开挖量的70％；增加土仓内搅拌棒的数量，使刀盘切削下来进入土仓的土体，能与添加剂充分搅拌，从而改善土体的流动性；通过中心回转接头向刀盘面板注入泥水或泡沫，以润滑刀盘盘面，减小刀盘切削扭矩，增加土体的流动性，设计中采用４台螺杆泵，同时向４个点注入泥水或泡沫等添加剂，不管注入点前的压力大小，都能保证每一个点有泥水或泡沫注入。
3、盾构推进系统
根据盾构壳体与土体之间的摩擦力、盾构刀盘的正面阻力、推进中切口插入土中的阻力、管片与盾尾之间的摩擦力和后方台车的牵引阻力，考虑一定的安全系数，求出盾构所需的总推力为35000kN。而油缸的布置，既要满足盾构所需的总推力，又要避开管片接缝，所以在整环管片圆周内只能有6个点可布置油缸，如果在布置点上采用单个油缸（高压固定在35Ma），那么必须增大油缸的外径，结果是油缸布置的圆直径与管片环的直径不一致。于是，本设计考虑采用并联油缸，即在1个油缸布置点上，有2个油缸并联（共6组），共用个节点板。为解决2个并联油缸的同步问题（每个油缸的伸出速度都有细微的差别），创新设计了并联油缸节点板同步器，利用弹簧在弹性变化范围内的自由变化，使并联油缸同步。把6组油缸分成4个区，每区可分别调压，当在拼装管片时，每组油缸可单独伸缩控制。
4、注浆管的布置
目前，盾构的同步注浆管、盾尾密封注浆管均有一段注浆管依附在盾构的壳体上，分为外置式和内置式两种。外置式即把同步注浆管及盾尾密封注浆管安置在盾壳的外端，在管段外再加保护套，其优点是结构简单，不需要加大盾构的直径，但只适应软土地层，且不能人工清洗管段；内置式则因在壳体板的内侧开槽，安放注浆管，需增加盾壳的板厚，其优点是注浆管在盾壳内，能适应各种地层，且当注浆管堵塞时，能清洗，但其必须增大盾构的直径，即增大了盾尾与管片外径间的间隙，从而增加注浆量和施工成本。
本设计集外置式和内置式的优点，首次设计出采用带预埋管的焊接式壳体（共有4点注浆），即先把盾构壳体板分成4块，再按盾构壳体的长度，制成4条带槽的壳体板（该槽供注浆用），在沟槽的外侧（与土体接触处）用耐磨钢板焊接，在沟槽的内侧开清洗孔，将带槽的壳体板与分成4块的壳体板按要求焊接，成为带预埋管的焊接式壳体，这种布置注浆管的方式，在不增加盾构直径、保证盾构壳体结构强度的前提下，能适应各种不同的土层，并能人工清洗注浆管。
5、刀盘驱动系统
刀盘驱动装置是盾构中最重要的关键部件之一，其成本占盾构制造总成本的40％左右，加工、安装精度要求高，制作难度大，在施工中又不可维修，考虑到盾构在砂土、砂砾等土层中推进施工，所以，要求盾构刀盘驱动设计使用寿命达1万小时以上。刀盘回转轴承由德国专业公司根据设计制造，采用内齿式三排圆柱滚子组合转盘轴承，能同时承受轴向、径向载荷及倾覆力矩，设计寿命达1.2万小时，刀盘驱动极限扭矩达5100kN·m，扭矩系数为2.2；采用低速大扭矩油马达直接驱动，简化结构，提高传动效率，保证在其使用寿命内能稳定、可靠工作。
6、刀具形式及切削方式
采用中间梁支承、面板式全断面回转切削方式，刀盘的开口率为35％。
割刀突出刀盘面板100mm，按全断面切削排列；撕裂刀突出刀盘面板150mm，按螺旋式排列；中心刀由多把小割刀组成，按鼻式布置；在刀盘上还布置有圆弧刀和周边保护刀，以保护切削刀盘的最外圈，见图2。
撕裂刀超前割刀50mm，可先于割刀接触土层，并把砂砾层捣松，以利于进土，减少刀具的磨损；在安全条件（加气压）下，可在刀盘仓内对撕裂刀进行换装及检修。
刀盘的中心装有回转接头，回转接头有8路，其中4路为泥水及泡沫管路，向刀盘面板注入泥水或泡沫，以润滑刀盘盘面，其余4路为液压油路，为2把仿形刀的油缸进出油路。
7、铰接装置
本盾构设计成铰接式盾构。将壳体分成前、后两部分，前、后壳体之间通过铰接油缸连接，采用后驱推动方式，在LC控制下，可实现X型和V型铰接，在前壳体偏转时，可以减小推进时产生的分力，以利于盾构转弯，而后壳体仍可保证盾构后壳体与管片环的同轴度，这样既保护盾尾刷免受损坏，又可防止盾构主体挤压管片，致使管片碎裂损环。
铰接密封装置由3道密封圈与集中润滑系统组成，用4个密封圈压板把3道密封圈固定，通过集中润滑系统，定时、定量、定压注入密封油脂，使其保持一定的密封压力，抵御盾构外部土体和泥水的侵入。
三、结束语
针对北京地铁隧道所处的粘性土、砾砂、卵石地层而设计的土压平衡盾构，现正在加工制造中，其性能可达到同类进口盾构的技术水平，而成本仅为进口盾构的一半，将可与进口盾构争夺建设市场。
参考文献
1、《北京地铁五号线工程的地质报告》
2、杜文库、闻和咏.北京地铁五号线盾构试验段工程盾构法施工概述【R】.中德隧道（盾构）技术研讨会资料之四，2002－06
3、土木学会.隧道标准规范（盾构篇）解释（日文版）【S】.1997－05
4、程骁、潘国庆.盾构施工技术.1990
来源：《上海隧道》2004年第4期
