盾构法以其施工环境影响小、施工速度快、自动化程度高、劳动强度低、隧道结构质量易于保证等优点，广泛应用于城市轨道交通区间隧道施工中 ^[1]。隧道施工过程中穿越复杂多变的地质条件，尤其对同一工程，在不同地段或者同一断面，盾构可能穿越既有软土类又有卵砾石类和岩石类的复合地层，对盾构刀盘刀具的选型及其地层的适应性提出了很高要求 ^[2]。针对盾构选型问题，国内外众多学者开展了相关研究。刘金祥等 ^[3]总结盾构在砂性土层掘进出现的问题，采取针对性措施，同时发现当砂性土层的标贯击数>45击时，盾构刀盘所需材质耐磨性比一般砂性土层高;黄新淼等 ^[4]运用统计分析法，统计了2008—2017年16座城市30个区间盾构选型及关键参数选取情况，分析相关参数与地层、相关参数内部间的差异性和规律性，并将得到的结论成功运用于成都地铁18号线土建1标盾构选型;蒋磊等 ^[5]针对长沙地铁3号线越江隧道穿越湘江岩溶发育存在的施工风险，对盾构机各关键部位进行设计与改进;田四明等 ^[6]依托太原市铁路枢纽西南环线东晋隧道盾构设计与施工实例，从工程地质、水文地质、周边环境及风险控制方面，有针对性地选择盾构机类型和确定盾构机相关技术参数;尚艳亮等 ^[7]针对无水砂层土压平衡施工中的盾构选型问题，研究盾构选型对地表沉降的影响，并总结选型关键影响因素;蒋超 ^[8]以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为依托，根据盾构区间大直径、高水压、地质条件复杂、独头掘进和长距离掘进等显著特点，分析了复合地层采用常压换刀的必要性，并提出利用螺旋出土器携渣能力强的特点解决泥水盾构舱内岩体滞排问题。

　　 上述研究成果为本文的研究工作奠定了良好的工程基础，但是针对大直径泥水盾构、上软下硬、浅覆土复杂地质条件的研究相对较少，故以上成果不能完全适应于本工程的盾构选型依据。

　　 环城北路—天目山路提升改造工程01标段包含2个明挖工作井、1个盾构区间、1个过街通道、1个人行天桥和2个匝道。1号井和2号井区间采用盾构法施工，隧道设计为南北双线隧道，北线隧道长度为1 757m，南线隧道长度为1 755m。盾构隧道设计为双向4车道和2个紧急停车带。盾构区间采用1台直径13.46m的气垫式泥水平衡盾构机掘进施工，最小转弯半径R=2 000m，盾构隧道线路纵断面上采用动力“V”字坡，最大坡度30‰，洞顶覆土7.6～13.0m。盾构隧道外径为13m，内径为11.9m，管片厚0.55m，环宽2m，如图1所示。

　　 根据工程地质特点，从破岩能力、施工工效、制造成本和防结泥饼角度考虑，最终选择常规刀盘。常规刀盘开口率达31%，中心开口较大便于渣土流动;刀盘背部设计有中心冲刷喷口，装配315kW的P0.1泵，最大流量可达1 000m³/h，解决泥饼问题;针对性设计了具备可伸缩摆动功能的主轴承，利用刀盘前后抖动泥饼掉落;配置土仓可视化系统，便于观测土仓内情况。

　　 3)针对上软下硬地层存在的滞排堵仓现象，设计了大流量泥水循环系统，刀盘底部设计搅拌棒，对泥水仓底部进行搅拌防止滞排，同时，泥水仓和气垫仓底部设置多道冲刷喷口，可根据地层情况增压冲刷，降低底部滞排概率。

　　 盾构在中风化凝灰岩中掘进时刀盘会发生严重磨损，为增加面板耐磨性，对刀盘面板进行全方位耐磨处理。刀盘面板无刀位区域采用耐磨复合钢板全覆盖、大圆环外侧为合金块+高铬高锰耐磨钢板、大圆环后端面焊接耐磨复合钢板。为掌握面板的磨损情况，面板设置磨损监测系统。

　　 盾构刀盘主驱动系统具备可伸缩摆动功能，摆动球铰更能适应软硬不均地层，伸缩主驱动系统能够提高刀盘结构动作的灵活性，整体主驱动结构带动刀盘的伸缩摆动特性，有利于隧道施工中刀具的更换及刀盘防卡、脱困等，驱动该装置的液压油缸在正常掘进过程中可反馈有效的刀盘推力，有利于更好地监测刀盘运行状态，防止出现过大推力对滚刀轴承的破坏，最大程度减少施工风险。

　　 针对盾构区间穿越地层的复杂性，应综合考虑刀具配置对各地层的适应性，具体方案如下。

　　 1)滚刀45.72cm中心双刃滚刀6把，50.80cm单刃滚刀81把，刀高均为200mm，共87把滚刀，93刃。中心双刃滚刀和单刃滚刀的间距为90cm，弧形区域刀间距依次递减，可保证刀盘有效开挖直径，减少边缘滚刀更换次数，同时较高的刀高可降低软弱土层结泥饼的风险。

　　 刀圈作为滚刀的重要组成部分，在盾构掘进过程中直接与岩层相互作用。在黏土地层中容易糊住滚刀与刀箱间隙，且难以为滚刀自转提供充足的启动扭矩，在软硬结合面及孤石段易因剧烈撞击造成刀圈断裂，所以本区间地层情况下容易导致滚刀异常损坏。针对此类地层对滚刀刀圈进行改进，通过比对分析，滚刀刀圈采用重型镶齿刀圈，如图3所示。

　　 针对带压换刀、维修或检查存在的风险，采用前置式泥浆门将气仓与泥水仓隔离，前置式泥浆门相比后置式泥浆门，在关闭状态下，泥水仓压力使门板处于压紧状态，密闭性能更加可靠。提升油缸设置有内置式行程传感器，可以实时监控泥浆门开合情况。在泥浆门设置开、闭时机械保护装置，防止误操作，确保带压进仓人员安全。

　　 中体布置有推进系统，采用油缸直径350mm，活塞杆直径270mm，长3 000mm的推进油缸54根，3×18根油缸进行组合，采用全部油缸自由编组控制，更方便盾构姿态调整。同时，推进油缸配置有浮动支撑装置，有利于保护推进油缸和管片。中盾圆周预留10个倾斜式超前加固通道，拼装机预留超前钻机安装位置进行注浆，中盾径向预留10个膨润土孔。

　　 尾盾在盾体的最后部，其主要作用首先是实现从移动的盾体到不动的管片之间的安全和连续过渡，其次是为拼装管片提供足够的空间，提供盾尾同步注浆和盾尾密封的管路。盾尾密封设计采用3道尾刷和1道钢板束，盾尾间隙45mm。3道油脂腔共18×3个注脂点位，平均间距2 302mm，可自动和手动控制，每个点位实现压力监控及注入量控制，油脂填充确保密封安全。

　　 管片吊机采用机械抓取，具备旋转功能，在1号拖车底部设置管片运输车，可直接输送至管片安装机位置，管片拼装机采用真空吸盘抓取，安全性好、效率高。

　　 管线延伸系统采用卧式软管装置，维护方便，故障率低，能够保证泥水管线延伸工作的安全、洁净。该系统位于最后1节拖车上，由伸缩延伸管、管线延伸车、铺管吊机、管线存放区域组成。为减少延伸工作的次数，该系统最大延伸长度设计为8m。盾构掘进时配套系统和主机一起向前行进，管线延伸车一端和泥水管回路相连接，另一端和最后安装的一条管路相连，在隧道开挖过程中，管线延伸车向后滑动，伸缩单元从而延伸。

　　 盾构通过同步注浆系统对管片背后与掌子面的间隙及时填充，采用10用8备同步注浆管路，注浆管内嵌于尾盾壳体内，采用4台KSP12同步注浆泵进行注浆，注浆能力48m³/h，顶部设置2个同步注浆口，掘进中可以从拱顶进行填充同步注浆液，防止地面下沉和隧道渗水。

　　 配置二次注浆系统，可对管片背部进行二次补浆，二次注浆的目的主要是在盾构后边形成封闭环，使盾构建立有效的泥浆压力，以确保盾构出加固体后的地面稳定，避免出现塌陷而影响地面交通安全。同时也可对洞门处各项施工产生的孔隙进行封堵，防止洞门渗漏水。注浆结束的标准为泥浆压力正常建立后洞门不漏浆且盾尾管片二次注浆孔打开后不渗水。

　　 根据本标段地质情况和掘进距离，泥水循环系统配置1台进浆泵、2台排浆泵。泥浆泵采用重型渣浆泵，充分考虑泵的耐磨性能。进浆泵和所有中继泥浆泵均可实现本地和主控室单独控制。该盾构泥水循环工作模式主要分为旁通模式、掘进模式、维修保压模式、逆冲洗模式、管路延伸零排放收浆模式等。

　　 环流系统钢管采用管壁加厚设计;弯头内部堆焊耐磨层，外部焊接外包钢板;气垫仓底部采用复合钢板设计，盾体内排浆管段采用耐磨钢板设计。

　　 隧道存在上软下硬地层，该地层岩石易在仓底堆积，导致滞排，影响施工效率;同时隧道在黏土地层掘进，易产生滞排问题。

　　 进浆泵和所有中继泥浆泵均可实现本地和主控室单独控制，主进浆泵和主排浆泵电机采用水冷变频电机，同时管道采用大流量泥水循环系统;刀盘底部搅拌棒可对泥水仓底部渣土进行搅拌，避免渣土沉积导致滞排问题;泥水仓和气垫仓底部设置多道冲刷喷口，可根据地层情况增压冲刷设备，从而降低底部滞排概率。

　　 P0.2增压泵取浆可来自排浆管路，增加主机段循环冲刷流量900m³/h，增加后的进仓流量为3 000m³/h、主机排浆流量为3 400m³/h，对提高冲刷效果、降低泥饼概率、减小渣土滞排都有较好效果。

　　 压力平衡模式为气垫式，控制精度高;避免常规气垫式泥水盾构气垫仓堵仓滞排问题;更多新鲜浆液进入泥水仓，也可减少泥饼产生。

　　 气垫仓逆冲洗模式，即通过气仓内底部排浆管输入，气仓中部管路排除清理底部渣土堆积。泥水仓逆冲洗模式，即通过土仓内底部直排管输入，土仓中部管路排除清理土仓底部渣土堆积。

　　 保压系统采用气垫式泥水平衡控制方式，波动小，压力控制精度相对较高。采用萨姆森四回路自动、手动控制保压系统，压力波动响应快、压力控制精度高。采用大阀和小阀并联进气阀和排气阀形式，通过PI控制器分段控制大、小阀门开度，当压力波动大时，2个阀同时开启，提高进、排气速度;当压力波动小时，只开启小阀，提高进排气控制精度。避免压力波动过大造成地表沉降。

　　 采用VMT全自动激光导向系统，由全站仪、激光靶、控制盒、显示屏、PIC控制系统等组成，精度为1s，不间断实时测量。

　　 为进一步确保盾构沿正确方向掘进，校准导向系统的可靠性，需每周2次对VMT导向系统数据进行人工测量复核，转弯段和上软下硬段增加人工测量校核次数。

　　 可探测刀盘前方30m>1m的障碍物。实际探测过程中，通过震源在隧道边墙激发产生声波信号，声波信号在地层中传播，当遇到波阻抗差异界面时，反射的声波信号被布置在隧道边墙上的高灵敏传感器所接收。通过进一步处理分析，能够反映隧道工作面前方的地质情况，并对软弱带、破碎带、断层、空洞、孤石等不良地质体的位置和规模进行判断。

　　 盾构机作为专业隧道施工设备，需根据工程特点、周边环境、地质条件等因素进行适应性选型，使盾构机满足施工安全性、经济性和耐久性。本文以环城北路—天目山路提升改造工程01标段盾构项目工程为依托，针对大直径、浅覆土、上软下硬地层特点，依据盾构选型的基本原则，对盾构机各部分进行适应性分析，确定了盾构机主要技术参数和相关配置。