田金坤

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構法以其施工高效、安全可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)勢[1-2]，而被廣泛應用于各種交通隧道、能源輸送、煤礦斜井等隧道工程建設中。在此期間，很多隧道工程在施工建設過程中遇到了一些地質條件復雜、規(guī)律預見性差的地層，尤其是在對施工要求嚴苛的越江隧道建設中遇到的問題更甚。面對這些復雜多變的施工環(huán)境，選配相適應的盾構機就顯得尤為重要。

本文基于泥水平衡盾構機的工作原理，在結合鐵建重工集團對盾構機地層適應性設計經驗的基礎上，提供一種適合長距離越江燃氣管道工程施工的盾構設備，旨在保證盾構施工安全可靠，提高盾構效率，節(jié)約施工成本。

2 工程概況及施工難點分析

岳陽越江隧道工程為潛江～韶關輸氣管道工程穿越長江的一部分，本工程采用盾構法施工(線路位置示意見圖1)，盾構段全長約3.48 km。

勘測結果揭示擬建區(qū)間穿越地層以中微風化泥質、砂質板巖結構為主，單軸極限抗壓強度為24～34 MPa；另外，擬建區(qū)間范圍內分布有9處且最大寬度約為70 m的斷層破碎帶，受長江水力補給，地下水量大，約1.83×10-4m/s，根據國內外施工經驗[3-5]，擬采用泥水平衡盾構機盾構施工，盾構隧道直徑約φ3.81 m。

由于本工程存在一次性施工距離長、水壓高及斷層多等特點。盾構施工難點具體如下:

(1)中～微風化泥質砂質板巖抗壓強度較高，破巖有一定難度；

(2)有石英巖脈侵入的局部區(qū)域，造成軟硬不均；

(3)板巖中以綠泥石泥質板巖為主，巖石破碎后遇水具有粘性；

(4)隧道穿越粉細砂層，砂層富含地下水，地層不穩(wěn)，有涌水涌砂風險等。

因此，需要根據本工程地質水文及隧道尺寸要求，對盾構機進行針對性選型設計研究。

3 盾構機選型設計

根據本工程盾構施工重難點，在借鑒大量類似盾構施工經驗的基礎上，對盾構機的控制模式、刀盤刀具、破碎模式、環(huán)流系統(tǒng)及姿態(tài)調整等進行針對性選型設計，以求達到所選盾構機高度匹配本工程施工的目的。

3.1 控制模式選型設計

泥水平衡盾構機掘進時，控制其開挖面壓力平衡的模式主要有直接控制式和間接控制式兩種[6]。綜合考慮本工程地質條件、隧道結構尺寸、地面沉降控制要求等因素，本盾構優(yōu)先選用帶氣墊艙的間接控制加直排模式，即盾體切口環(huán)采用雙艙設計、排漿管直接從開挖艙與氣墊艙之間的集渣腔中抽排渣漿，其結構示意如圖2所示。

圖2 切口環(huán)雙艙設計結構示意

3.2 刀盤刀具選型設計

由于本盾構段巖層中綠泥石泥質板巖破碎后遇水具有粘性，為防范刀盤刀具固結泥餅和很好地平衡開挖面壓力，刀盤采用“以排為主、碎排兼具”的設計思路[7]，設計成復合式刀盤，其主要設計參數及其功能如表1所示，其結構示意如圖3所示。

表1 刀盤主要設計參數及其功能

圖3 刀盤結構示意

3.3 破碎模式選型設計

目前泥水平衡盾構機配備的破碎模式主要有錐式破碎與顎式破碎兩種模式[8]，根據以往工程經驗，在大直徑泥水平衡盾構上，因為空間大，常配置顎式碎石機，直接破碎倉內大顆粒巖石。但在小直徑泥水平衡盾構上，排漿管直徑相對較小，在卵石含量較高地層，氣墊艙內液壓缸驅動的顎式碎石機無法及時將卵石破碎到渣漿泵的輸送能力以下粒徑，容易導致氣墊艙內淤積、泥漿管路堵管、渣漿泵頻繁損壞等故障，進而導致整機掘進速度大大降低，嚴重時甚至會導致地面塌陷。

因此，小直徑泥水平衡盾構機更多地選擇與刀盤支腿相配合的錐式破碎模式，其結構示意如圖4所示，破碎筋板與刀盤支腿間距按一定規(guī)律分布，配合柵格板上的倒錐式柵格孔可將渣塊破碎至80 mm以下。

圖4 錐式破碎結構示意

3.4 環(huán)流系統(tǒng)選型設計

環(huán)流系統(tǒng)是泥水平衡盾構機的關鍵組成部分，其選型設計的優(yōu)劣，直接決定了泥水平衡盾構機的渣漿輸送、掌子面平衡及泥餅沖刷等性能，因此，需重點對其進行針對性選型設計。

3.4.1 環(huán)流系統(tǒng)參數設計

根據所研究的擬建隧道地質水文及工程情況，輸入的環(huán)流系統(tǒng)設計條件如表2所示。

表2 環(huán)流系統(tǒng)設計條件

(1)進漿體積濃度計算

環(huán)流系統(tǒng)的進漿體積濃度可由式(1)計算:

將設計條件值代入式(1)可得進漿體積濃度為CV1:

(2)泥漿極限流速計算

當泥漿管道直徑d≤0.2m時，為確保泥漿管道內顆粒無沉淀的極限流速一般由Durand公式(2)計算:

式中，VL為臨界沉淀流速(m/s)；K為與泥漿濃度CV相關的系數，當粒徑超過2 mm時，K=1.34[9]。

將設計條件值代入式(2)可得管道內泥漿極限流速為:

另外，根據卵石啟動流速研究可得，當管道內泥漿流速超過1.6 m/s時，能夠攜帶直徑18 cm(大于破碎粒徑8 cm)的少量卵石，因此排漿管內不會出現堵塞現象。

(3)進、排漿理論流量計算

由極限流速及設計條件，可計算出排漿流量Q2:

由容積公式(3)可計算得到進漿流量Q1:

則將設計條件及計算值代入式(3)，可得進漿流量Q1為:

(4)排漿體積濃度計算

當已知進漿體積濃度、進/排漿流速時，可由質量公式(4)，計算出排漿體積濃度CV2:

將設計條件值代入式(4)可得排漿體積濃度CV2為:

(5)排漿比重計算

將計算值代入式(1)，可得排漿比重γ2為:

γ2=(G2-1) ×CV2+1=1.25 t/m3

排漿比重γ2小于1.4 t/m3[10]，設計合理。

(6)進、排漿實際流量選定

考慮到泥漿逃逸及設計富余量，最終選取進漿流量為350m3/h，排量流量為400m3/h；同時，可計算得到進漿流速V1=3.10 m/s，排漿速度V2=3.54 m/s。

3.4.2 泥漿泵的選型

(1)進、排泵揚程計算

泥漿在管路中輸送時，其沿程損失可根據式(5)和式(6)計算:

式中，hf管路沿程損失(m)；L為排漿管道總長度(m)；d為管道直徑(m)；V為泥漿流速(m/s)；λ為沿程阻力系數；S為泥漿比重；C為管路系數，此處取值120。

將設計條件及上述計算值代入式(6)，可得排漿管沿程阻力系數λ2為:

將λ2值代入式(5)，可得排漿管路沿程損失系數hf2:

則排漿泵所需要的揚程TH2為:

式中，取開挖面壓力P2=0，預留富余量δ=10%。

同理，可計算出進漿泵需要的揚程TH1為:

(2)泥漿泵選定

根據某泥漿泵廠家提供泵的選型手冊，在綜合考慮泵的通用及經濟型的前提下，選定的泥漿泵如表3所示。

表3 泥漿泵選型

3.5 姿態(tài)調整選型設計

工程實踐表明，盾構機掘進時姿態(tài)調整難易程度與盾構靈敏度(主機長度L與盾體直徑DT比值)有著密切的關系，其經驗值如表4所示。當靈敏度大于1.5時，盾構姿態(tài)調整困難，通常需設置鉸接機構[11]。本盾構靈敏度約2.65，且在曲線段掘進，通過參考大量工程實踐和綜合對比下，本工程盾構采用主動鉸接設計。盾構機部分參數配置及選型設計如表5所示。

表4 盾構機靈敏度經驗值

表5 盾構機部分參數配置及選型設計

3.6 其他選型設計

盾構機掘進過程中，安全性能尤為重要。在57 m水壓頭下，為保證盾構安全可靠，密封系統(tǒng)必不可少，其中主驅動密封采用一道端面聚氨酯密封、一道徑向聚氨酯密封及一道唇形密封，主動鉸接處設置一道橡膠密封和一道聚氨酯唇形密封，盾尾三道鋼絲刷加一道鋼板束并在密封腔中注入油脂進行密封；同時，在長距離、小斷面隧道掘進時，合理的通風條件是作業(yè)人員身心健康的另一保障[12]，因此，對通風及除塵系統(tǒng)也進行了針對性選型設計等。

4 工程應用

經選型設計的盾構機(如圖5所示)，自始發(fā)以來，運行穩(wěn)定，并創(chuàng)造了最高月進尺達348 m的記錄。其刀盤配合錐式破碎模式對渣塊的破碎效果良好，所選型的環(huán)流系統(tǒng)完全匹配盾構排渣功能(出渣現場如圖6所示)，設備整體運行狀況與設計初衷吻合，驗證了各個系統(tǒng)的選型與設計符合工程實際，對本工況項目地質具有良好的適應性，滿足擬建隧道的特殊施工設計需求。

圖6 施工現場出渣

5 結束語

本文結合某天然氣輸送項目中岳陽越江隧道工程特點，對盾構機選型及設計進行了針對性研究分析，最終所選盾構機及掘進方法已經在實際工程中得到很好的應用與驗證，具有較好的推廣與應用前景，對今后類似盾構機選型及工程施工具有一定的指導意義。