淺談地鐵盾構(gòu)機(jī)的選型

范海龍

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

1 盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介

1．1 盾構(gòu)機(jī)的用途

盾構(gòu)機(jī)是一種用于隧道暗挖施工，具有金屬外殼，殼內(nèi)裝有主機(jī)和輔助設(shè)備，既能支承地層的壓力，又能在地層中整體掘進(jìn)，進(jìn)行土體開挖、碴土排運(yùn)和管片安裝等作業(yè)，使隧道一次成形的機(jī)械。

盾構(gòu)機(jī)的工作原理如下：由一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)組件依靠外殼支承，沿隧道軸線一邊對(duì)土壤進(jìn)行切削一邊向前推進(jìn)，在盾殼的保護(hù)下完成掘進(jìn)、排碴、襯砌工作。

盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等具體特征來“量身定做”的一種非標(biāo)設(shè)備。盾構(gòu)機(jī)不同于常規(guī)設(shè)備，其核心技術(shù)不僅僅是設(shè)備本身的機(jī)電設(shè)計(jì)，還在于設(shè)備通過不同的設(shè)計(jì)如何滿足工程地質(zhì)施工的需求，因此，盾構(gòu)機(jī)的選型正確與否決定著盾構(gòu)施工的成敗。

1．2 盾構(gòu)機(jī)的類型

一般將盾構(gòu)機(jī)的類型分為軟土盾構(gòu)機(jī)、硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）、復(fù)合盾構(gòu)機(jī)3種。軟土盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是僅安裝切削軟土用的切刀和括刀，無開巖的滾刀。TBM主要用于山嶺隧道。復(fù)合盾構(gòu)是指既適用于軟土又適應(yīng)于硬巖的一類盾構(gòu)，主要用于復(fù)雜地層的施工，其主要特點(diǎn)是刀盤既安裝用于軟土切削的切刀和括刀，又安裝破碎巖石的滾刀，或安裝破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。地鐵盾構(gòu)機(jī)就是一種復(fù)合盾構(gòu)機(jī)。

1．3 盾構(gòu)機(jī)的組成

地鐵施工可供選擇的復(fù)合盾構(gòu)機(jī)機(jī)型只有兩種，即土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)由以下部分組成：①刀盤（分為面板式、輻條式、復(fù)合式3種）；②刀盤驅(qū)動(dòng)（分為電機(jī)和液壓兩種）；③刀盤支承（主軸承）；④膨潤土添加系統(tǒng)和泡沫系統(tǒng)，⑤螺旋輸送機(jī)；⑥皮帶輸送機(jī)；⑦同步注漿系統(tǒng)；⑧盾尾密封系統(tǒng)；⑨管片安裝機(jī)；⑩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；○11導(dǎo)向系統(tǒng)。

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)由以下部分組成：①刀盤（分為面板式、輻條式、復(fù)合式3種）；②刀盤驅(qū)動(dòng)（分為電機(jī)和液壓兩種）；③刀盤支承（主軸承）；④泥水處理站；⑤環(huán)流系統(tǒng)；⑥同步注漿系統(tǒng)；⑦盾尾密封系統(tǒng)；⑧管片安裝機(jī)；⑨數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；⑩導(dǎo)向系統(tǒng)。

2 盾構(gòu)機(jī)的選型

2．1 盾構(gòu)機(jī)選型的原則

盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)主要遵循下列原則：①應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，首先應(yīng)滿足施工安全的要求；②安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一，在安全可靠的情況下，考慮技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性；③滿足隧道外徑、長度、埋深、施工場(chǎng)地和周圍環(huán)境等要求。

2．2 盾構(gòu)機(jī)選型的依據(jù)

盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)為主要依據(jù)，綜合考慮周圍環(huán)境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、埋深、線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構(gòu)筑物等環(huán)境條件，以及周圍環(huán)境對(duì)地面變形的控制要求等因素，同時(shí)，參考國內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例及相關(guān)的盾構(gòu)技術(shù)規(guī)范、施工規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)盾構(gòu)類型、驅(qū)動(dòng)方式、功能要求、主要技術(shù)參數(shù)以及輔助設(shè)備的配置等進(jìn)行研究。選型時(shí)的主要依據(jù)如下：

（1）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件：顆粒分析及粒度分布；單軸抗壓強(qiáng)度；含水率；礫石直徑；液限及塑限；黏聚力；內(nèi)磨擦角；土粒子相對(duì)密度；孔隙率及孔隙比；地層反力系數(shù)；壓密特性；彈性波速度；孔隙水壓；滲透系數(shù)；地下水位（最高、最低、平均）；地下水位的流速和流向；河床變遷情況等。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)：隧道長度、隧道平縱斷面形狀和尺寸等。

（3）周圍環(huán)境條件：地上及地下建筑物分布；地下管線埋深及分布；沿線河流、湖泊、海洋的分布；沿線交通情況；施工場(chǎng)地條件；氣候條件；水電供應(yīng)情況等。

（4）隧道施工工程籌劃及節(jié)點(diǎn)工期要求。（5）宜用的輔助工法。（6）技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2．3 盾構(gòu)機(jī)選型主要步驟

盾構(gòu)選型主要步驟如下：

（1）在對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周圍環(huán)境、工期要求、經(jīng)濟(jì)性等充分研究的基礎(chǔ)上選定盾構(gòu)的類型；對(duì)敞開式、閉胸式盾構(gòu)進(jìn)行比選 。

（2）在確定選用閉胸式盾構(gòu)后，根據(jù)地層的滲透系數(shù)、顆粒級(jí)配、地下水壓、環(huán)保、輔助施工方法、施工環(huán)境、安全等因素對(duì)土壓平衡盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)進(jìn)行比選。

（3）根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)勘探資料，對(duì)盾構(gòu)各主要功能部件進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)（如刀盤驅(qū)動(dòng)形式、刀盤結(jié)構(gòu)形式、刀具種類與配置、螺旋輸送機(jī)的形式與尺寸、沉浸墻的結(jié)構(gòu)、泥漿門的形式、破碎機(jī)的布置與形式、送泥管的直徑等）；并根據(jù)地質(zhì)條件等確定盾構(gòu)的主要參數(shù)，主要包括：刀盤直徑、開口率、轉(zhuǎn)速、扭矩、驅(qū)動(dòng)功率；推力；掘進(jìn)速度；螺旋輸送機(jī)功率、直徑、長度；送排泥管直徑；送排泥泵功率、揚(yáng)程等。

（4）根據(jù)地質(zhì)條件選擇與盾構(gòu)掘進(jìn)速度相匹配的盾構(gòu)后配套施工設(shè)備。

2．4 盾構(gòu)模式的選擇

在選擇盾構(gòu)模式時(shí)，除對(duì)土質(zhì)、地下水進(jìn)行調(diào)查以外，還要對(duì)用地環(huán)境、豎井周圍環(huán)境以及安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行充分考慮。

土壓平衡盾構(gòu)主要適用于粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工。在黏性土層掘進(jìn)時(shí)，由刀盤切削下來的土體進(jìn)入土倉后由螺旋輸送機(jī)輸出，在螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成壓力梯降，以保持土倉壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。在盾構(gòu)向前推進(jìn)的同時(shí)，螺旋輸送機(jī)排土，使排土量等于開挖量，即可使開挖面的地層始終保持穩(wěn)定。排土量通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和出土閘門的開度予以控制。當(dāng)含砂量超過某一限度時(shí)，泥土的流塑性明顯變差，土倉內(nèi)土體因固結(jié)作用而被壓密，導(dǎo)致渣土難以排送，需向土倉內(nèi)注水、泡沫、泥漿等添加材料，以改善土體流塑性。在砂性土層施工時(shí)，由于砂性土流動(dòng)性差、摩擦力大、滲透系數(shù)高以及地下水豐富等原因，土倉內(nèi)壓力不易穩(wěn)定，須進(jìn)行渣土改良。

泥水平衡盾構(gòu)通過施加高于開挖水土壓力的泥漿壓力保持開挖面的穩(wěn)定。除泥漿壓力外，合理地選擇泥漿的狀態(tài)也可增加開挖面的穩(wěn)定性。泥水盾構(gòu)比較適合于河底、江底、海底等高水壓條件下的隧道施工。泥水盾構(gòu)使用送排泥泵通過管道從地面直接向開挖面進(jìn)行送排泥，開挖面完全封閉，具有高安全性和良好的施工環(huán)境，既不對(duì)圍巖產(chǎn)生過大的壓力也不會(huì)受到圍巖壓力的反壓，對(duì)周圍地基影響較小，一般不需輔助施工。特別是在開挖斷面較大時(shí)，其壓控制地表沉降方面優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。

2．5 刀盤結(jié)構(gòu)形式的選擇

刀盤主要具有開挖、支撐掌子面和攪拌3大功能。

刀盤的結(jié)構(gòu)形式一般有面板式和輻條式兩種。泥水盾構(gòu)一般都采用面板式刀盤；土壓平衡盾構(gòu)則根據(jù)土質(zhì)條件的不同可采用面板式和輻條式。對(duì)于輻條式刀盤，在輻條之間安裝可拆卸的面板即變?yōu)槊姘迨降侗P。

液壓驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速靈活、控制簡(jiǎn)單、液壓馬達(dá)體積小和安裝方便等特點(diǎn)，但液壓驅(qū)動(dòng)效率低、發(fā)熱量大。變頻驅(qū)動(dòng)具有發(fā)熱量小、效率高、控制精確等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣。雖然目前中小型盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動(dòng)較常采用液壓驅(qū)動(dòng)，大直徑盾構(gòu)較常采用變頻驅(qū)動(dòng)，但由于變頻驅(qū)動(dòng)效率高，從節(jié)能方向及發(fā)展趨勢(shì)來看，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是刀盤驅(qū)動(dòng)今后的發(fā)展方向。

3 施工輔助設(shè)備的選擇

盾構(gòu)機(jī)及后配套拖車上設(shè)備以外的設(shè)備稱為施工輔助設(shè)備。施工輔助設(shè)備因圍巖條件、施工環(huán)境及施工方法的不同而不同，一般包括材料堆放場(chǎng)、渣土運(yùn)輸設(shè)備、材料運(yùn)輸設(shè)備、電力設(shè)備、照明設(shè)備、通信設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、豎井升降設(shè)備、給排水設(shè)備、消防設(shè)備、砂漿拌和設(shè)備、地基加固設(shè)備、起重設(shè)備、始發(fā)（到達(dá)）與調(diào)頭設(shè)備、泥水處理設(shè)備等。施工輔助設(shè)備應(yīng)結(jié)合工程的特點(diǎn)和施工環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化配備。

一次通風(fēng)宜采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)管采用軟管，管徑根據(jù)隧道斷面、長度、出渣方式確定。根據(jù)計(jì)算風(fēng)量和風(fēng)壓，結(jié)合通風(fēng)方式及通風(fēng)設(shè)備的布置，選擇風(fēng)機(jī)。長距離通風(fēng)時(shí)，為滿足風(fēng)壓的要求，宜采用相同型號(hào)的風(fēng)機(jī)等距離間隔串聯(lián)方式。施工區(qū)域的風(fēng)速不宜低于0．3m／s。

［1］ 張鳳祥，朱合華，傅德銘．盾構(gòu)隧道［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］ 竺維彬．復(fù)合地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006．

［3］ 水利部科技推廣中心．全斷面巖掘進(jìn)機(jī)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2005．

［4］ 周文波．盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．