土压平衡式盾构机盾尾的结构改进

盾构机的盾尾在掘进过程中起到保护管片拼装、防止地层中水涌入隧道的重要作用。盾构机使用地点发生变化后，隧道管片的外径不同将使盾尾不能起到很好的保护作用。为适应多种施工环境，本文提出对盾尾结构改进的方案。

天津城建隧道股份有限公司自有一台Φ6.24?m土压平衡式盾构机，原设计适用于软弱地层施工。经专家论证，该机的平衡方式、动力性等皆能适应沈阳工程。但沈阳地铁隧道管片的直径与该机的原设计不同。该机直径6.24?m，盾尾钢丝刷处厚度16?mm，盾尾厚度45?mm，原拼装管片外径6?100?mm，内径5?600?mm，盾尾与管片正常间隙25?mm。沈阳地铁一号线隧道管片外径6?000?mm，内径5?400?mm，盾尾与管片的间隙为75?mm(见图1)。间隙量过大会造成拼装管片错台严重，并且导致盾尾密封部位密封不严，影响施工安全。为此研究决定对盾构机的盾尾部分进行改造。

图1 未改造时盾尾间隙情况

1.盾尾强度与变形量的校核

对沈阳地铁地层埋深和附加应力条件下的强度和变形量进行计算，壳体产生的应力内、外侧最大89.3?MPa，小于容许应力160?MPa。所以壳体可以满足沈阳工程掘进的安全要求，盾尾不需要更换或加强，可以直接在原盾尾上进行改造。

2.盾尾与管片间隙的确定

隧道最小300?m曲率半径和盾构机在全断面砂砾层中纠偏所需要的盾尾和管片之间的合理间隙是重要的数据。得到了这个间隙，就可以对盾尾进行相应的结构变动。

图2 曲线掘进盾尾与管片间隙量δ

图3 管片楔形角β

根据图2，盾尾与管片在曲线掘进和蛇行中的最小间隙量x1=δ/2。δ=（R-D0/2）·（1-cosβ），式中β=0.46°（见图3），R=300?m，D0=6?m。经计算，δ≈9.57?mm，x1≈5?mm。管片精度及拼装误差x2=5?mm，盾尾变形x3=5?mm，其他因素x4=10?mm。所以，盾尾总间隙25?mm。也就是说，在管片外径6?m的基础上，加上2倍的盾尾总间隙即为6.05?m。6.05?m之外的部分就需要设计结构来支撑管片，同时由于原盾尾钢刷也不能正常工作，其工作行程应为20～40?mm，因此对盾尾钢刷也要进行相应改动。

确定了盾尾的基本尺寸后，经过比选，采用3道18号槽钢加工至适合尺寸弯曲成环状，贴于盾尾上进行焊接，这样可以确保盾尾钢刷与管片的间隙。并在盾尾前部盾构缸靴板之间的缝隙中焊接方形钢管（50?mm×50?mm×3.2?mm），如图4所示。

图4 改造后管片与盾尾之间的间隙

3.盾尾长度的确定

盾尾长度需根据管片在盾构机内的组装长度、盾尾密封的形状和层数确定。另外，考虑到曲线施工等因素，还需要有一些富裕量。即根据经验公式1T=1j+1s+1p+C(式中，1T盾尾长度，1j千斤顶安装长度，1s管片宽度，1p盾尾密封安装长度，C余量)进行计算，以满足管片拼装和掘进的要求。

4.双液注浆系统的安装

根据沈阳工程的地质状况，为保证地面和周围建筑安好，必须使用同步注浆系统。但原盾构机未使用双液同步注浆系统，只能在盾尾改造前安装该系统。盾尾本身有一定的加工精度，如果直接用气割开槽会导致盾尾变形和尺寸偏差，使得安装同步注浆系统的位置不易保证，因此只能通过采用相应的工装以保证盾尾开槽和安装的进行，如图5所示。工装采用30?mm厚的钢板，先开工艺槽并焊接在盾构机的前中体上，而后再进行开槽，这样可以确保盾尾不变形；开槽最好在中后体组装的情况下进行。

图5 同步注浆注入管路的添加方法

5.实际使用效果

该盾构机经过改造，成功应用于沈阳地铁一号线滂江街至小十字街站区间隧道的施工。在经过左、右两条线3?000余米掘进过程中，未发现管片由于盾尾间隙设置不合理产生破损、盾尾漏水和纠偏困难等现象。

(作者刘永强地址：天津市城建隧道股份有限公司  300400)

责任编辑：Amanda