盾构

在软土和软岩地层中修建隧道时,用盾构法进行开挖和衬砌拼装的专用机械设备(图1), 其外壳通常为圆筒形的装配式或焊接式金属结构,也有配合隧道使用要求而做成矩形、马蹄形或半圆形等外形的。盾构的种类较多,但其基本构造均由壳体、推进设备、衬砌拼装机等组成。

图

盾构壳体

沿盾构长度方向分为切口环、支承环和盾尾三部分。前面是切口环,设有刃口,施工时切入土层,具有开挖和支撑土体的功能。其长度在手掘式盾构中,应考虑掩护工人开挖地层的安全和方便,一般为1.2~2.5米左右。 在机械化盾构中,只考虑容纳开挖机具。中部为支承环,是盾构的主要受力结构,盾壳的外荷载均由其承受。在小盾构中是一个刚度较大的圆环结构,在大中型盾构中则是一个钢制构架。推动盾构前进的千斤顶均设置在支承环的内周。在大中型盾构中通常把液压动力设备、配电盘、盾构操纵台等均安装在支承环的空间内。支承环的长度决定于盾构千斤顶的长度,它又与衬砌环的宽度有关,一般比最大衬砌环宽度长0.2~0.3米,约为1.8~2.2米。后部为盾尾,是由盾构外壳钢板延长构成,在盾尾的掩护下拼装隧道衬砌。盾尾末端设有盾尾密封装置,以防止泥水和注浆材料从盾尾与衬砌之间的空隙内流入。目前,普遍采用的盾尾密封装置有钢丝刷型和橡胶型两种。盾尾长度应保证盾构千斤顶活塞杆缩回后,能掩护1.5~2.5环衬砌宽度加千斤顶的顶铁厚度和0.1~0.2米的余量。切口环、支承环和盾尾长度之和为盾构长度。盾构的内径应比隧道衬砌外径略大,其空隙一般为衬砌外径的0.8%左右。 盾构长度与直径之比(L/D)称为盾构灵敏度。 它与盾构操纵的灵活性有着很大影响,其值越小,盾构操作越灵活,一般小盾构(D=2~3米)的灵敏度约为1.5左右;中型盾构(D=3~6米)约为 1.0左右;大盾构(D>6.0米)约为 0.75左右。常用的盾构直径约在3.0~10.0米之间。至80年代初,世界上最大的盾构为直径12.84米的手掘式盾构。

推进设备160;

由盾构千斤顶和液压装置组成。后者又由输油泵、高压油泵、控制油泵及一系列管路和操纵阀件构成。简单的液压控制设备是用手动高压操纵阀直接控制千斤顶活塞杆的伸缩,可省去控制油路和电磁阀等装置,简单、可靠、易行,但安全性较差。盾构千斤顶是盾构推进和调整方向的主要设备。千斤顶必须具有足够的顶进能力,以克服盾构推进时所遇到阻力。这些阻力主要有:

(1)盾构外表面与地层间的摩擦力;

(2)盾构内表面与衬砌间的摩擦力;

(3)盾构前面地层的正面阻力。盾构千斤顶一般沿支承环内周均匀分布,其数量与管片或砌块的分块有关,一般至少为管片数目的两倍或按管片的偶数倍增加,以便在盾构推进时保证管片均匀受压。盾构千斤顶由缸体、活塞和活塞杆、支承顶铁等部分组成。盾构推进时,由液压装置的高压油泵通过管路和操纵阀体使高压油进入千斤顶缸体,而使活塞杆根据需要伸出或缩回。盾构千斤顶使用的油压一般为30~40兆帕,每只千斤顶顶力约为1~2兆牛。盾构中除推进用千斤顶外,还可根据需要设置正面支撑千斤顶和工作平台伸缩千斤顶。盾构中的液压装置除了对上述三种千斤顶供油之外,同时用作衬砌拼装机械的油马达和提升设备的液压供油。

衬砌拼装机

其形式由盾构直径的大小、衬砌构件的材料和形式、出土方式等因素决定。拼装机要具有抓住衬砌构件后能在盾构内作环向转动、径向伸缩和纵向前后移动的功能,以便使衬砌构件就位,其动力有液压、电动和手动。常用的拼装机有下列几种:

杠杆式拼装机160;

由举重臂和驱动机构组成。举重臂的一端是钳住构件的装置,另一端是平衡重,借以平衡衬砌构件的重量,使举重臂易于环向转动。举重臂的中间是液压伸缩杆,可作径向伸缩。拼装机的旋转用油马达直接传动,也有用液压千斤顶推动齿条和齿轮使之传动的。根据盾构直径的大小,可安装单臂式或双臂式的拼装机。后者主要用于大型盾构。

中空轴回转式拼装机

举重臂安装在盾构中心的空心筒体上,筒体内可安装刮板运输机,供开挖面出土之用。回转部分采用油马达或变速电机驱动。举重臂的伸缩由千斤顶来推动。此种拼装机能在拼装衬砌的同时进行开挖面的出土工作。

环向回转式拼装机

在支承环的环梁上或盾构千斤顶顶铁附近的盾尾壳体上装设支承托辊,在托辊上装设环形大转盘,转盘上设举重臂。拼装衬砌时,环形转盘用油马达使之回转,举重臂的径向伸缩和纵向前后移动由千斤顶来推动。这种拼装机工作面宽敞,中间可安装出土设备,衬砌拼装和出土可同时进行。

盾构类型

按其构造和开挖地层的方法可分为:

手掘式盾构

施工时用人工开挖土体,没有复杂的开挖和出土的机械设备。开挖面可根据地层条件,采用敞胸开挖,或采用正面支撑开挖,以防止土层坍塌。在松散的砂土层中掘进时,还可按砂土休止角将开挖面分成几层,构成棚式盾构。手掘式盾构具有构造简单、配套设备较少,造价低等优点。

挤压式盾构

在盾构的前端用胸板封闭以挡住土体,使不致发生地层坍塌和水土涌入盾构内部的危险。盾构向前推进时,胸板挤压土层,土体从胸板上的局部开口处挤入盾构内,因此可不必开挖,使掘进效率提高,劳动条件改善。这种盾构称为半挤压式盾构,或局部挤压式盾构(图2)。在特殊条件下,可将胸板全部封闭而不开口放土,构成全挤压式盾构。在挤压式盾构的基础上加以改进,可形成一种胸板为网格的网格式盾构(图3), 其构造是在盾构切口环的前端设置网格梁,与隔板组成许多小格子的胸板;借土的凝聚力,用网格胸板对开挖面土体起支撑作用。当盾构推进时,土体克服网格阻力从网格内挤入,把土体切成许多条状土块,在网格的后面设有提土转盘,将土块提升到盾构中心的刮板运输机上并运出盾构,然后装箱外运。挤压式盾构和网格式盾构仅适用于软塑地层。

图 图 半机械式盾构

在手掘式盾构的前端,装上反铲挖土机或螺旋切削机以代替人工开挖。如土质坚硬可装上软岩切削头来开挖土层。

机械式盾构

在盾构前面的刃口处,装上和盾构直径相应的切削刀盘,以实现全断面的切削开挖。如地层能够自立,或采取辅助措施后能自立时,可用开胸的机械式盾构;如地层较差,又不采取辅助措施时,则需采用闭胸的机械式盾构。这类盾构在实际使用中主要有:

(1)局部气压盾构。在盾构的切口环和支承环间设密封隔墙,使形成密封舱,在舱内通入压缩空气,用气压稳定开挖面土体。局部气压盾构的优点是操作人员可在常压下工作。但由于出土装置、盾尾密封装置和衬砌接缝间的漏气等技术上的难题不易解决,故使用不多。

(2)泥水加压盾构。是在局部气压盾构基础上发展而成(图4)。由于局部气压盾构存在连续出土和漏气问题,并在同样压力差和空隙条件下,漏气量比漏水量大80倍之多,因此在局部气压盾构的密封舱内通入泥水以代替压缩空气,利用泥水压力来稳定开挖面土体,同时避免盾尾和衬砌接缝等处产生漏气。盾构掘进时,转动开挖面大刀盘以切削土层,切削下来的土可利用泥水通过管道送往地面处理,从而解决了密封舱内的连续出土问题。由于泥水盾构既能抵抗地下水压,又无压缩空气的泄漏和喷发问题,故对隧道埋深的适应性较大;弃土可采用管道输送,安全可靠,效率较高。缺点是配套设备较多,施工费用和设备投资较高。

(3)土压平衡式盾构。也称泥良友故蕉芄梗诙芄骨锌诨泛椭С谢芳渥坝忻芊飧舭澹苟芄箍诿婀钩梢幻芊獠眨淝岸耸且桓鋈厦媲邢鞯拇蟮杜蹋靡钥诘夭恪C芊飧舭宓闹屑渥坝幸惶ǔね残温菪耸浠量谏柙诿芊獠漳诘闹行幕蛳虏浚鐾量谠诿芊獠胀(图5)。土压平衡的作用,是用刀盘切削下来的土充填整个密封舱,并保持一定的压力去平衡开挖面土压力。螺旋运输机的出土量要密切配合刀盘切削速度,使密封舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松;同时配合千斤顶顶进速度,以达到平衡开挖面地层侧压力的效果。土压平衡式盾构,既避免了局部气压盾构的缺点,又省略了泥水加压盾构的泥水输送和处理设备,乃是一种很有发展前途的新颖盾构。(见彩图)

图 图 土压平衡式盾构