高洪吉

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 引言

盾構(gòu)法已經(jīng)成為我國地鐵區(qū)間隧道建設(shè)的主要工法。盾構(gòu)設(shè)備與工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境的適應(yīng)性對(duì)工程能否安全、順利完成具有重大的影響，因此盾構(gòu)選型至關(guān)重要。

尚艷亮[1]等通過對(duì)石家莊多個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出刀盤開口率越小盾構(gòu)施工引起地表沉降越小的結(jié)論；侯凱文[2]通過南寧地鐵在復(fù)雜地層推進(jìn)過程中盾構(gòu)關(guān)鍵部位的選型設(shè)計(jì)及參數(shù)分析，得出了適合復(fù)雜地層的盾構(gòu)選型方案；蔣超[3]通過佛莞城際獅子洋隧道盾構(gòu)的選型研究，提出了加強(qiáng)螺旋出土器出渣解決土艙內(nèi)土體排出困難的問題；陳饋[4]等對(duì)深圳大直徑盾構(gòu)的選型進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化；郭彩霞[5]針對(duì)北京典型無水卵礫地層進(jìn)行盾構(gòu)選型，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，提高了掘進(jìn)速度、降低了運(yùn)行成本；江華[6]等對(duì)北京4個(gè)標(biāo)段的盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行總結(jié)，得出了增大開口率以及進(jìn)行渣土改良能有效減小刀盤扭矩的結(jié)論；李潮[7]將理論模型與實(shí)際相結(jié)合，提出刀盤各面與地層的摩擦阻力扭矩約占總扭矩的80%；陳仁朋[8]通過理論分析，修正了刀盤推力以及扭矩的計(jì)算公式，并通過深圳地鐵驗(yàn)證了公式的合理性；江玉生[9]等通過對(duì)刀盤扭矩形成機(jī)理的分析，總結(jié)了扭矩與地層參數(shù)的關(guān)系；沈林沖[10]等通過對(duì)杭州富水地層盾構(gòu)選型進(jìn)行研究，總結(jié)出復(fù)雜條件下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵要點(diǎn)；樂貴平[11]通過對(duì)北京地區(qū)地層分析，提出了盾構(gòu)機(jī)配置要求及關(guān)鍵點(diǎn)選配要求；丁志誠[12]等結(jié)合廣州地鐵實(shí)際情況，對(duì)全斷面滾刀以及全斷面先行刀適用情況進(jìn)行分析；張帥坤[13]針對(duì)豫機(jī)城際鐵路工程線路設(shè)計(jì)、工程及水文地質(zhì)特點(diǎn)，全面分析了盾構(gòu)設(shè)備選型情況，并對(duì)重點(diǎn)部件進(jìn)行介紹。

本文依托新機(jī)場(chǎng)線最長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道工程，對(duì)該工程的盾構(gòu)選型進(jìn)行研究。

2 工程背景及重難點(diǎn)

2.1 工程概況

北京新機(jī)場(chǎng)線07標(biāo)段2號(hào)風(fēng)井-3號(hào)風(fēng)井區(qū)間是全線最長(zhǎng)的盾構(gòu)隧道，左線全長(zhǎng)3 832.39 m，右線全長(zhǎng)3 847.44 m，最大坡度為5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道管片外徑8.8 m、內(nèi)徑7.9 m，環(huán)寬1.6 m。

盾構(gòu)隧道埋深8～16 m，地下水位埋深22.9 m，盾構(gòu)施工不受地下水影響。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為卵石圓礫層，局部拱頂含有粉細(xì)砂和粉土，如圖1所示。盾構(gòu)隧道埋深范圍內(nèi)原狀土顆粒級(jí)配曲線，如圖2所示。

圖1 2號(hào)風(fēng)井-3號(hào)風(fēng)井區(qū)間地質(zhì)剖面

圖2 砂卵石地層顆粒級(jí)配及地層情況

2.2 工程重難點(diǎn)分析

結(jié)合本區(qū)間隧道工程工期要求、地層條件及施工環(huán)境條件，分析得出本區(qū)間盾構(gòu)選型的重難點(diǎn)。

(1)本區(qū)間管片外徑8.8 m，且盾構(gòu)穿越全斷面卵石地層，盾構(gòu)刀盤扭矩較普通地鐵盾構(gòu)(6 m外徑管片)有大幅增加，應(yīng)選擇合理的刀盤型式并對(duì)扭矩進(jìn)行檢算，確保配備合理的驅(qū)動(dòng)功率，保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)。

(2)本區(qū)間盾構(gòu)穿越地層為砂卵石層，由于地層缺少細(xì)顆粒，渣土和易性差，對(duì)渣土改良要求較高；渣土改良系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)，必須確保刀盤和土艙內(nèi)布置合理的泡沫注入口和膨潤(rùn)土注入口。

(3)面對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越全斷面砂卵石地層，在刀具方面應(yīng)考慮合理化的布置形式，通過優(yōu)化刀具的高差、間距、軌跡等來延長(zhǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)距離。

3 盾構(gòu)選型要點(diǎn)

首先對(duì)盾構(gòu)類型進(jìn)行選擇，本區(qū)間隧道穿越地層主要為無水砂卵石地層，地層滲透系數(shù)大，如采用泥水平衡盾構(gòu)，泥膜建立困難，泥漿在地層中流失嚴(yán)重。且泥水平衡盾構(gòu)出渣方式?jīng)]有土壓平衡盾構(gòu)直接，效率較慢。本工程工期非常緊張(要求雙線盾構(gòu)在11個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)洞通)，不適宜采用泥水平衡盾構(gòu)，因此選用土壓平衡盾構(gòu)施工。在盾構(gòu)類型確定后，再對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的主要參數(shù)進(jìn)行選擇。

3.1 刀盤型式選擇

刀盤型式可分為面板式、輻條式和輻條面板式3種，3種刀盤的差別主要體現(xiàn)在刀盤的開口率上。面板式刀盤開口率在20% ～35%，輻條面板式刀盤開口率35% ～50%，輻條式刀盤開口率一般在50%以上。砂卵石地層刀盤開口率越大渣土進(jìn)入土艙越順暢，刀盤與開挖面的接觸面積越小，刀盤扭矩也越小。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為同樣的砂卵石地層，刀盤開口率增大10%，刀盤扭矩減小8% ～10%。因此為降低刀盤扭矩，減小刀具的磨損，應(yīng)采用輻條式刀盤。

針對(duì)以砂卵石為主的地層特點(diǎn)，最終選擇開口率60%的輻條式刀盤。刀盤正面和開口部位焊接有耐磨層，外周焊接25 mm厚的復(fù)合耐磨鋼板，以減少砂卵石地層中掘進(jìn)刀盤的磨損。刀盤背面設(shè)有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，提高土體的塑性和流動(dòng)性，刀盤構(gòu)造如圖3所示。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤驅(qū)動(dòng)參數(shù)確定

為保證盾構(gòu)順利掘進(jìn)，刀盤驅(qū)動(dòng)輸出功率必須滿足盾構(gòu)施工過程中的刀盤總扭矩。刀盤總扭矩主要由切削阻力扭矩、正面的摩擦阻力扭矩、側(cè)面的摩擦阻力扭矩、背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩4個(gè)部分組成:

式中，T1為刀盤切削阻力扭矩(kN·m)；T2為刀盤正面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T3為刀盤側(cè)面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T4為刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩(kN·m)。

式中，D為刀盤外徑(m)；v為掘進(jìn)速度(mm/min)；N為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)；qv為周圍土體的單軸抗壓強(qiáng)度(kPa)。

式中，K0為側(cè)向土壓力系數(shù)；η為刀盤開口率；γ為刀盤周圍土體的容重(kN/m3)；f為土與刀盤表面間的摩擦系數(shù)；H為刀盤所在位置距地表的深度(m)。

式中，Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；B為刀盤外沿寬度(m)。

式中，H0為攪拌葉片覆土深度(m)；Db為攪拌葉片直徑(m)；Lb為攪拌葉片長(zhǎng)度(m)；Rb為攪拌葉片到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)中心的距離(m)。

結(jié)合本工程具體情況，計(jì)算總扭矩為11 449.43 kN·m，一般安全系數(shù)選取1.2，本工程因?yàn)樵谌珨嗝媛咽貙又芯蜻M(jìn)，且工期較緊，應(yīng)配置更大的驅(qū)動(dòng)扭矩，因此安全系數(shù)確定為1.4，配置扭矩不應(yīng)低于11 449.43×1.4＝16 029.202 kN·m。最后選擇配置12個(gè)變頻電機(jī)，額定扭矩17 960 kN·m，脫困扭矩19 760 kN·m。

3.3 渣土改良系統(tǒng)選擇

盾構(gòu)機(jī)主要穿越無水砂卵石地層，細(xì)顆粒含量少，渣土改良困難。渣土改良效果不好，極易造成渣土流塑性差，土艙內(nèi)壓力難以建立，地表發(fā)生塌陷。另外，由于地層富含砂卵石，施工過程中刀盤扭矩大，刀具磨損嚴(yán)重。因此，盾構(gòu)施工過程中需重點(diǎn)關(guān)注渣土改良效果，同時(shí)盾構(gòu)選型過程需結(jié)合渣土改良材料自身性質(zhì)對(duì)改良材料注入系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行確定。

北京地區(qū)無水砂卵石地層一般采用膨潤(rùn)土＋泡沫的渣土改良方式。泡沫的主要作用是增加潤(rùn)滑性，減少土體與刀盤、刀具的摩擦，降低刀盤扭矩；膨潤(rùn)土的主要作用是補(bǔ)充細(xì)顆粒，增加渣土的和易性。因此，泡沫口的注入位置應(yīng)主要位于刀盤前方，而膨潤(rùn)土的注入位置應(yīng)分布于刀盤前方與土倉內(nèi)部。為確保渣土改良材料能均勻地注入到刀盤前方土體，刀盤分布9個(gè)注入孔，其中6個(gè)孔為泡沫注入口，用于對(duì)掌子面土體進(jìn)行改良；3個(gè)孔為膨潤(rùn)土＋泡沫共用口，可根據(jù)施工情況選擇不同改良材料。同時(shí)刀盤向后設(shè)置1個(gè)膨潤(rùn)土注入口，土倉后壁向前設(shè)置1個(gè)膨潤(rùn)土注入口，對(duì)刀盤中心位置進(jìn)行沖刷，如圖4所示。

圖4 注入口布置位置

3.4 刀具型式及布置

針對(duì)該區(qū)間以卵石為主的地層條件，采用切刀、先行刀、保徑刀、超挖刀以及中心魚尾刀相結(jié)合的方式進(jìn)行配置。

切刀布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，刀高125 mm，如圖5a、圖5b所示。貝殼刀分為兩種，其中刀高為145 mm的先行刀51把，刀高為175 mm的先行刀75把，高低差配置見圖5a、圖5b。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)先行刀首先切削土體，對(duì)掌子面土體進(jìn)行疏松，之后切刀切削經(jīng)過疏松的土體，從而達(dá)到減小切刀磨損的目的。中心魚尾刀布置1把，刀高450 mm，如圖5c所示。在刀圈周圍設(shè)置保徑刀66把，用于切削外周的土體，保證開挖面的直徑。在刀盤的邊緣布置超挖刀2把，最大超挖量50 mm。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)或轉(zhuǎn)彎、糾偏時(shí)，通過超挖刀切削土體所創(chuàng)造的空間，保證盾構(gòu)在超挖少、對(duì)周邊土體干擾少的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎、糾偏。

圖5 主要刀具型式(單位：mm)

3.5 同步注漿系統(tǒng)

同步注漿作為盾構(gòu)施工的重要步驟，必須結(jié)合工程特點(diǎn)配備同步注漿系統(tǒng)。盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)形成的理論空隙為:

式中，D1為盾構(gòu)開挖直徑，取9.15 m；D2為管片外徑，取8.8 m；L為管片長(zhǎng)度，取1.6 m。

故每環(huán)理論注漿量為7.89 m3，考慮漿液擴(kuò)散，填充系數(shù)取1.5～1.8，則每環(huán)實(shí)際注漿量為11.84～14.2 m3。假定盾構(gòu)以最大推進(jìn)速度80 mm/min連續(xù)掘進(jìn)，按照最大填充率1.8計(jì)算，所需同步注漿泵送能力為42.61 m3/h。在確定參數(shù)時(shí)考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)置3臺(tái)雙柱塞泵，注漿能力45 m3/h，滿足正常掘進(jìn)需求。同步注漿管路設(shè)置時(shí)，在盾尾分6路，在施工過程中可在不同位置注入以滿足盾尾空隙填充要求(見圖6)。

圖6 注漿管路布置示意

4 施工結(jié)果分析

選取900～1 100環(huán)進(jìn)行扭矩統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。最小扭矩為6 080 kN·m，最大扭矩為12 108 kN·m，基本符合計(jì)算值。扭矩計(jì)算過程中假設(shè)地層為全斷面砂卵石地層，摩擦系數(shù)較大，而900～1 000環(huán)盾構(gòu)實(shí)際穿越時(shí)存在較厚的粉質(zhì)黏土層，地層加權(quán)摩擦系數(shù)較小，因此施工扭矩較小，1 000～1 100環(huán)穿越地層時(shí)粉質(zhì)黏土層逐漸消失，扭矩基本符合計(jì)算值，說明扭矩計(jì)算的合理性。同時(shí)，整個(gè)施工過程中扭矩均小于設(shè)備額定扭矩，說明盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)設(shè)備選型合理。

圖7 900～1 100環(huán)施工扭矩變化曲線

對(duì)盾構(gòu)施工效率進(jìn)行分析(見圖8)，區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程順利，平均每天掘進(jìn)9.4環(huán)(15.04 m)，若排除盾構(gòu)施工過程中刀具檢修及其他原因?qū)е碌耐C(jī)時(shí)間，盾構(gòu)每天掘進(jìn)12.5環(huán)(20.00 m)，盾構(gòu)最快日掘進(jìn)25環(huán)。對(duì)900～1 300環(huán)施工過程中隧道上方地表13個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，地表最大累計(jì)沉降21.43 mm，平均累計(jì)沉降12.05 mm(控制值30 mm)。綜上所述，盾構(gòu)設(shè)備選型取得了良好的效益。

圖8 2號(hào)風(fēng)井-3號(hào)風(fēng)井盾構(gòu)施工進(jìn)度

5 結(jié)束語

針對(duì)新機(jī)場(chǎng)線2號(hào)風(fēng)井-3號(hào)風(fēng)井區(qū)間大直徑盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，從扭矩計(jì)算、刀具型式、刀盤布置、渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等方面對(duì)盾構(gòu)選型進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)最終選擇的盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行說明。通過對(duì)掘進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)掘進(jìn)效率、地表沉降控制等方面進(jìn)行分析，證明了本工程盾構(gòu)選型的合理性，可供今后類似工程參考借鑒。