懷平生， 安宏斌， 白曉嶺， 漆偉強(qiáng)， 楊志勇

(1. 中鐵十二局集團(tuán)國際工程有限公司， 北京 100176； 2. 中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030000； 3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

近些年來，國內(nèi)隧道施工的技術(shù)水平飛速發(fā)展，盾構(gòu)施工在我國城市交通的建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。隨著“一帶一路”倡議的實(shí)行，越來越多企業(yè)走向海外，以以色列為代表的泛地中海區(qū)域國家的盾構(gòu)隧道施工缺乏類似地層盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)僅能提供一定借鑒，這給盾構(gòu)施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。

如今國內(nèi)的隧道施工技術(shù)以及盾構(gòu)制造技術(shù)日益成熟，國內(nèi)企業(yè)逐步向海外擴(kuò)大市場。在新加坡地鐵湯申線T209標(biāo)采用2臺(tái)國產(chǎn)泥水盾構(gòu)，成功克服了地層富水量大、巖石強(qiáng)度高、地質(zhì)軟硬不均及突變等困難。肖曉春[1-2]分別對新加坡復(fù)合地層采用泥水平衡盾構(gòu)施工開挖面的穩(wěn)定性以及泥水壓力設(shè)定進(jìn)行了探討，以及對馬來西亞吉隆坡石灰?guī)r地層采用盾構(gòu)法施工修建SMART隧道工程做了詳細(xì)分析。在孟加拉國卡納普里河底隧道工程中，地層以粉細(xì)砂為主，極易發(fā)生砂層液化、刀盤結(jié)泥餅、切削面坍塌、排泥口堵塞等，由我國自主研發(fā)的直徑12.12 m泥水平衡盾構(gòu)，順利完成該地層的隧道施工。中國鐵建針對莫斯科寒冷的氣候和上軟下硬的復(fù)合地層，量身打造的盾構(gòu)成功應(yīng)用于莫斯科第三換乘環(huán)線。國內(nèi)部分學(xué)者結(jié)合地層條件和施工環(huán)境進(jìn)行了盾構(gòu)選型方面的研究。楊志勇等[3]對北京地鐵7號(hào)線8標(biāo)化工廠污染地層進(jìn)行了盾構(gòu)選型的分析，考慮地層污染情況，優(yōu)選出了泥水平衡盾構(gòu)施工。尚艷亮等[4]分析了石家莊6個(gè)區(qū)間12臺(tái)盾構(gòu)的地表沉降數(shù)據(jù)，得出了適合無水砂層的最佳盾構(gòu)機(jī)型。侯凱文等[5]針對南寧地鐵2號(hào)線隧道穿越黏土層、硬巖層以及上軟下硬等地層開展了盾構(gòu)動(dòng)力設(shè)備、刀盤和刀具的相關(guān)研究。郭彩霞等[6]依據(jù)大粒徑卵礫漂石地層，開展了盾構(gòu)適應(yīng)性分析，并將盾構(gòu)進(jìn)行改造升級。葉康慨[7]、張雙亞等[8]根據(jù)北京地下直徑線工程地質(zhì)條件，從盾構(gòu)與地層滲透性、顆粒級配、黏土含量的關(guān)系，對盾構(gòu)選型進(jìn)行了詳細(xì)描述。王全華[9]針對蘇州軌道交通2號(hào)線工程特點(diǎn)，對比分析了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的優(yōu)劣，確定了土壓平衡盾構(gòu)具備更好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、適應(yīng)性和環(huán)保性。李茂松[10]針對盾構(gòu)在富水砂層中施工，對土壓平衡盾構(gòu)的刀盤結(jié)構(gòu)和刀具布置進(jìn)行了改造，使盾構(gòu)掘進(jìn)速度提升了4倍。陳仁朋等[11]、王旭等[12]都針對復(fù)雜地層刀盤的地質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行了理論計(jì)算和設(shè)計(jì)研究。蔣磊等[13]針對長沙地鐵3號(hào)線盾構(gòu)穿越礫巖夾泥質(zhì)砂巖復(fù)合地層、斷裂破碎帶和復(fù)雜巖溶地層，對盾構(gòu)各關(guān)鍵部位進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)。吳和北等[14]、曹智等[15]對成都砂卵石地層盾構(gòu)選型和施工關(guān)鍵參數(shù)的理論計(jì)算做了詳細(xì)分析。

盡管國內(nèi)外盾構(gòu)選型有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和案例可以借鑒，但是特拉維夫紅線輕軌是以色列第1條地鐵，特有的庫卡地層具有石英含量高、強(qiáng)度大、透水性強(qiáng)，且上覆地層還有粉細(xì)砂，沉降不易控制，在該地層施工未有類似盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。因此，對該地層進(jìn)行盾構(gòu)選型研究，以期為今后以色列地區(qū)盾構(gòu)施工及其他海外項(xiàng)目提供一些參考。

1 工程背景

以色列特拉維夫紅線輕軌項(xiàng)目是該城市的第1條地鐵項(xiàng)目，東標(biāo)段的5、6號(hào)線采用2臺(tái)盾構(gòu)施工。1號(hào)盾構(gòu)施工6號(hào)線，在車輛段始發(fā)，在Em Hamoshavot車站接收；并整體過站后再始發(fā)，直接下穿1/5/2/6豎井和Aharanovitz車站，最后在Ben Gurion車站接收；然后，拆機(jī)轉(zhuǎn)場至Shenkar車輛段，始發(fā)掘進(jìn)至1/5/2/6豎井，最后接收拆機(jī)。2號(hào)盾構(gòu)施工5號(hào)線，在Depot車輛段始發(fā)，在Em Hamoshavot車站接收并整體過站再始發(fā)；盾構(gòu)在1/5/2/6豎井接收后過站始發(fā)，下穿Aharanovitz車站，最后在Ben Gurion車站接收；拆機(jī)轉(zhuǎn)場至Shenkar車輛段，始發(fā)掘進(jìn)至1/5/2/6豎井接收。線路經(jīng)過特拉維夫城市中心，需要穿越鐵路、房屋、高架橋等重要建筑物，沉降控制嚴(yán)格，且地下管線復(fù)雜、地表交通繁忙、建筑物密集。線路平面位置如圖1所示。

圖1 線路平面位置圖

2 地層特性分析

2.1 盾構(gòu)穿越地質(zhì)

(a) Depot—Em Hamoshavot區(qū)間地質(zhì)剖面圖

(b) 5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間地質(zhì)剖面圖

2.2 庫卡地層特性

庫卡是一種少部分膠結(jié)的顆粒土，它可以細(xì)分為4類，強(qiáng)度最高的庫卡層稱為K-4，強(qiáng)度最低的層稱為K-1，對其具體描述見表1。

為評價(jià)其磨蝕性，對11塊庫卡巖樣進(jìn)行了炭黑磨蝕性試驗(yàn)，得到磨蝕性指數(shù)范圍為0.6～2.7，平均值為1.6，如圖3所示。因此，庫卡土層可以被認(rèn)為是具有一定磨蝕性的土層。

圖3 磨蝕試驗(yàn)分析圖

對庫卡巖樣進(jìn)行電鏡掃描，測試其成分含量，結(jié)果表明庫卡主要由方解石、石英、鐵白云巖組成。方解石含量占40%～60%，石英含量占20%～30%，剩下的主要以鐵白云巖為主，測試結(jié)果如圖4所示。

表1 庫卡地層圍巖描述

圖4 庫卡成分分析

庫卡地層石英含量較高，磨蝕性強(qiáng)，對刀具的磨損大，而且?guī)炜ň哂幸欢ǖ膹?qiáng)度，所以盾構(gòu)需配置耐磨滾刀；庫卡地層具有極強(qiáng)的滲透性，滲透系數(shù)高達(dá)5×10-4m/s，隧道大部分都在地下水位以下，在該地層中掘進(jìn)還需做好渣土改良的工作。

2.3 其他地層特性

其他類土質(zhì)包括砂層、混合顆粒土、貧黏土和重黏土。砂層主要是由細(xì)到中等的砂子組成，無黏性，含水率平均值約為13%，干容重的平均值為15.3 kN/m3；混合顆粒土含有0%～15%的礫石，晶粒尺寸小于0.06 mm的含量為5%～50%，含水率測定結(jié)果平均值為20%；重黏土具有高塑性，天然含水量在11%～61%，平均值為32%。具體土質(zhì)劃分和描述見表2。

表2 其他圍巖描述

3 選型分析

3.1 盾構(gòu)類型比選

由于盾構(gòu)需要先后穿越完全不同的2種地質(zhì)，為盾構(gòu)選型增加了很大困難。從車輛段至Em Hamoshavot車站的盾構(gòu)區(qū)間以黏土為主，適合用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)；而剩余區(qū)間地質(zhì)以庫卡和富水粉細(xì)砂為主，滲透系數(shù)在5×10-6～5×10-4m/s，泥水平衡盾構(gòu)更為合適。因此，需對2種盾構(gòu)進(jìn)行比選分析。

泥水平衡盾構(gòu)適用于淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等各類軟土地層及復(fù)合地層，特別是在滲透系數(shù)大且水頭較高的江河中優(yōu)越性較大。泥水平衡盾構(gòu)通過泥水管道將泥土輸出，可連續(xù)輸送，輸送速度快而均勻，但設(shè)備運(yùn)行成本大，故障率高；土壓平衡盾構(gòu)施工配合皮帶機(jī)長距離連續(xù)輸送渣土，施工效率將大幅度提高。泥水平衡盾構(gòu)泥漿循環(huán)分離費(fèi)時(shí)，泥漿管理難，雖然加入合適的添加劑后能增加流動(dòng)性和止水性，可提高掘進(jìn)效率，但土壓平衡盾構(gòu)添加劑管理更加容易。經(jīng)過綜合評估成本、工期、場地條件等因素，本工程選擇土壓平衡盾構(gòu)。

Pane等[1]將已報(bào)道的24例e19a2BCR-ABL CML患者分為兩組，15例單純的e19a2攜帶者血液學(xué)和臨床特征與CML-N相似，另外9例有主要路徑ACAs患者臨床表現(xiàn)與典型CML相似，前者的中位生存期為190個(gè)月，后者為37個(gè)月。Fabarius等[49]進(jìn)行1 348例Ph染色體陽性的CML患者臨床試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，t(9；22)(q34；q11)、t(v；22)、-Y、平衡或不平衡次要路徑ACAs、主要路徑ACAs患者分別為1 175例(87.2%)、74例(5.5%)、44例(3.3%)、17例(1.3%)、 21例(1.6 %)，其中t(9； 22)、t(v； 22)、-Y、

3.2 盾構(gòu)刀盤及刀具布置

3.2.1 刀盤

刀盤和刀具選擇的合理性直接影響到盾構(gòu)掘進(jìn)的速度和效果。刀盤結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，確保盾構(gòu)在特殊地質(zhì)條件下也能順利掘進(jìn)施工。由于庫卡地層具有高耐磨性和一定強(qiáng)度，需要在刀盤設(shè)計(jì)時(shí)選用足夠強(qiáng)度、剛度以及耐磨性的材料。本工程刀盤設(shè)計(jì)采用中心支撐和面板式刀盤，刀盤總質(zhì)量80 t，開挖直徑為7 550 mm，開口率為38%。針對地層磨蝕性強(qiáng)，刀盤面板焊接12 mm厚耐磨鋼板，并設(shè)置3個(gè)磨損監(jiān)測裝置；儀表區(qū)域采用40 mm厚鋼格柵設(shè)計(jì)。

3.2.2 刀具布置

刀盤共布置19把43.18 cm雙刃滾刀，刀間距為100 mm，滾刀可以從刀盤背面進(jìn)行更換。同時(shí)，在刀盤上安裝3個(gè)磨損監(jiān)測傳感器。布置有120把切刀，16把撕裂刀，16把邊緣刮刀，1把中心魚尾刀。盾構(gòu)現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)現(xiàn)場照片

3.3 小半徑曲線盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)

盾構(gòu)前盾長3 685 mm，直徑7 510 mm；中盾(包括鉸接接頭)長3 870 mm，直徑7 500 mm；尾盾(包括鉸接接頭)長3 950 mm，直徑7 490 mm。本工程設(shè)計(jì)的線路在5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間的轉(zhuǎn)彎半徑是220 m，在豎井1/5/2/6接收前40 m的轉(zhuǎn)彎半徑為190 m，盾構(gòu)在小半徑施工將面臨轉(zhuǎn)向困難、超挖、卡盾等問題。為了有效解決盾構(gòu)在小半徑曲線掘進(jìn)問題，盾構(gòu)鉸接采用雙鉸接設(shè)計(jì)，如圖6所示。在盾構(gòu)前盾與中盾之間安裝一個(gè)主動(dòng)鉸接，調(diào)向性能好，轉(zhuǎn)向彎曲角度大。將其置于盾構(gòu)偏前處，使盾體前部長度尺寸縮短，減小土體摩擦阻力及鉸接千斤頂?shù)妮d荷。在中盾與尾盾之間安裝一個(gè)被動(dòng)鉸接，雖然彎曲角度小，但結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，可以將盾尾部分拖掛在后面。

采用單鉸接型式盾構(gòu)極限轉(zhuǎn)彎半徑為200 m，但采用雙鉸接型式后，盾構(gòu)極限轉(zhuǎn)彎半徑可達(dá)到150 m，有效地滿足了工程中最小轉(zhuǎn)彎半徑190 m的線路要求。

圖6 盾構(gòu)鉸接示意圖(單位： mm)

3.4 盾構(gòu)其他系統(tǒng)

3.4.1 螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)

螺旋輸送機(jī)長度為16 m，功率為315 kW，轉(zhuǎn)速在0～22 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為195 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩為224 kN·m。在滲透性好的砂層和庫卡地層中，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況改變閘門開度，保證渣土在螺旋輸送機(jī)中形成“土塞效應(yīng)”，防止出現(xiàn)噴涌。

3.4.2 渣土改良系統(tǒng)

盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)采用單管單泵的設(shè)計(jì)，安裝有8個(gè)泡沫發(fā)生器，在砂層中加入泡沫，可降低渣土的內(nèi)摩擦角，不僅可以減少刀盤和刀具的磨損，而且還能有效地降低轉(zhuǎn)矩。配備1個(gè)功率為5.5 kW的膨潤土注入泵，在富水砂層中還可注入高分子聚合物，吸收渣土中的水分，改善其流塑性，防止噴涌的發(fā)生。

4 盾構(gòu)主要參數(shù)

4.1 主要參數(shù)的確定

盾構(gòu)主驅(qū)采用9組變頻電機(jī)，使用管片規(guī)格為： 管片外徑為7.2 m，內(nèi)徑為6.5 m，厚度為350 mm，環(huán)寬1.5 m，曲率半徑小于300 m時(shí)采用1.2 m寬的管片。盾構(gòu)適應(yīng)縱向的坡度不宜小于6%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為150 m。根據(jù)詳細(xì)的地層特性分析及針對性設(shè)計(jì)，盾構(gòu)的主要參數(shù)見表3。

表3 盾構(gòu)主要參數(shù)

4.2 刀盤轉(zhuǎn)矩理論計(jì)算

4.2.1 地層物理力學(xué)參數(shù)

土體物理力學(xué)參數(shù)選取第2區(qū)間始發(fā)后約110 m處的鉆孔勘探結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，土層參數(shù)見表4。

表4 地層物理力學(xué)參數(shù)

4.2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算

盾構(gòu)在推進(jìn)過程中，刀具切削土體會(huì)產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩T1；切削下來的土體從刀盤開口進(jìn)入土艙，開挖面土體因刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而剪切破壞，產(chǎn)生剪切渣土轉(zhuǎn)矩T2；刀盤正面與土體產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生摩阻轉(zhuǎn)矩T3；刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，刀盤外周與土體發(fā)生摩擦，刀盤側(cè)面的摩阻轉(zhuǎn)矩為T4；刀盤背面與渣土相互摩擦產(chǎn)生摩阻轉(zhuǎn)矩T5(假定土艙內(nèi)渣土壓力為刀盤正面?zhèn)认驂毫Φ?0%)；刀盤切削下來的渣土進(jìn)入土艙后，通過刀盤支撐梁攪拌成為均勻的流塑性土體，產(chǎn)生攪拌阻力轉(zhuǎn)矩T6。轉(zhuǎn)矩計(jì)算見表5。

表5 刀盤轉(zhuǎn)矩計(jì)算

按照表中公式計(jì)算得刀盤總轉(zhuǎn)矩T=T1+T2+T3+T4+T5+T6=5 129.91 kN·m，考慮一定的其他因素，再將轉(zhuǎn)矩乘以儲(chǔ)備系數(shù)1.2，得到T總=5 129×1.2=6 154.8 kN·m。其中各公式選用的參數(shù)值見表6。

表6 轉(zhuǎn)矩參數(shù)選用表

表6(續(xù))

表6中，Qu=c+p0tanφ。其中c為改良后的渣土黏聚力，取1 kPa；p0為刀盤中心處土體的靜止土壓力；φ為改良后渣土的內(nèi)摩擦角，取5°。pr=(pe1+pe2+qe1+qe2)/4，其各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算見表7。

表7 部分盾構(gòu)受力計(jì)算

表7中W0為地表荷載，取10 kPa；D為盾構(gòu)直徑，取7.55 m；γt為地下水位上部的土體平均容重，取19.5 kN/m3；γ′為地下水位下部的土體平均容重，取19 kN/m3；H0為地下水位高度，取17.5 m；Hw為地下水位至拱頂高度，取1 m；拱頂埋深按18.5 m計(jì)算；λ為土層側(cè)壓力系數(shù)，可根據(jù)地層物理力學(xué)參數(shù)表得知。

4.3 盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩

盾構(gòu)在第1個(gè)區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩滿足掘進(jìn)要求。在第2個(gè)區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)進(jìn)入5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間的砂層中掘進(jìn)后的轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示。由于額定轉(zhuǎn)矩僅5 265 kN·m，盾構(gòu)施工時(shí)的轉(zhuǎn)矩基本在3 000～4 000 kN·m，盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩明顯不足，掘進(jìn)速度為10～20 mm/min，盾構(gòu)掘進(jìn)速度慢、效率低。為解決該問題，增加了2組驅(qū)動(dòng)電機(jī)，盾構(gòu)額定轉(zhuǎn)矩達(dá)到6 435 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩達(dá)到9 331 kN·m，盾構(gòu)掘進(jìn)速度提高到40～50 mm/min，轉(zhuǎn)矩值在5 000～6 000 kN·m，在砂層中掘進(jìn)效果良好，這與理論計(jì)算值較為接近。

(a) 先行盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩曲線圖

(b) 后行盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩曲線圖

5 結(jié)論與建議

庫卡地層巖石強(qiáng)度大，石英含量最高達(dá)60%，致使刀具嚴(yán)重磨損，換刀頻繁，所以合理的刀具配置、合適的刀盤開口率對掘進(jìn)速度至關(guān)重要；在該地層中，盾構(gòu)所需轉(zhuǎn)矩和推力大，轉(zhuǎn)矩高，建議在該地層盾構(gòu)需配置足夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使盾構(gòu)擁有足夠的轉(zhuǎn)矩。

1)實(shí)踐證明，在以色列富水粉砂及庫卡地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工，合理的選型是采用面板式刀盤配備雙刃滾刀，能保證盾構(gòu)在砂層和庫卡地層中順利掘進(jìn)。

2)采用了雙鉸接的方式。前盾與中盾采用主動(dòng)鉸接，中盾與尾盾采用被動(dòng)鉸接的方式，有效解決了盾構(gòu)在190 m和220 m小半徑曲線掘進(jìn)難題。

3)本工程中，國外設(shè)計(jì)單位給定的土壓力設(shè)計(jì)值高達(dá)0.3 MPa，掘進(jìn)過程中盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩大，土艙溫度高，掘進(jìn)速度低。在以后的施工中還需進(jìn)一步對庫卡地層盾構(gòu)土壓力的設(shè)定進(jìn)行正確的理論計(jì)算分析。