成都地鐵7號線火神區(qū)間盾構(gòu)選型與關(guān)鍵參數(shù)計算分析

吳和北，管會生，張 瑀

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通建設(shè)也在蓬勃發(fā)展。城市軌道交通工程的開展使得盾構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，但盾構(gòu)作為一種專用設(shè)備，一般對單一地層更具適應(yīng)性，因此盾構(gòu)的合理選型對于地鐵隧道工程的順利實施至關(guān)重要。

成都地鐵于2005年12月正式開建，目前已規(guī)劃的線路達(dá)到14條，在運營的線路2條，后期建設(shè)工程仍然非常龐大。成都地鐵隧道工程地質(zhì)復(fù)雜，盾構(gòu)在大面積含水砂卵石地層施工比較困難，存在適應(yīng)性不足等問題。成都地鐵7號線隧道工程地質(zhì)既有含水砂卵石層又有膨脹泥巖，給盾構(gòu)的選型設(shè)計和施工操作帶來了很大的挑戰(zhàn)。

針對砂卵石地層隧道工程盾構(gòu)選型和參數(shù)確定問題，國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)做了大量研究工作。陳東海等針對砂卵石地層的地質(zhì)特點，分析了盾構(gòu)刀盤等主機(jī)系統(tǒng)選型的原則以及開挖面穩(wěn)定機(jī)制和土艙壓力控制方式［1－5］;潘濤等以成都地鐵1號線和2號線隧道工程為對象，分析了成都特殊含水砂卵石地層下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵問題，并針對盾構(gòu)刀盤、主驅(qū)動、開口率、渣土改良、螺旋輸送機(jī)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究，同時對比分析國外盾構(gòu)和國產(chǎn)盾構(gòu)對成都地區(qū)地層的適應(yīng)性，指出盾構(gòu)國產(chǎn)化的可行性［6－8］;管會生等對盾構(gòu)施工過程中的盾構(gòu)受力進(jìn)行分析，得出刀盤回轉(zhuǎn)阻力和盾構(gòu)推進(jìn)阻力的計算方法［9－11］。上述學(xué)者針對砂卵石地層中盾構(gòu)選型和施工已做了很多研究工作，并也取得了一定成果，但是并沒有針對成都地鐵隧道工程中某個區(qū)間進(jìn)行較為系統(tǒng)完善的選型分析和參數(shù)確定研究。因此，有必要針對成都地鐵7號線某區(qū)間根據(jù)地質(zhì)特征對盾構(gòu)工法及盾構(gòu)主機(jī)各個系統(tǒng)進(jìn)行選型分析，并根據(jù)刀盤回轉(zhuǎn)阻力和盾構(gòu)推進(jìn)阻力的理論計算來確定盾構(gòu)的最大推力和刀盤額定驅(qū)動扭矩。

本文通過對成都地鐵7號線火車南站至神仙樹區(qū)段地質(zhì)水文條件的詳細(xì)分析，針對盾構(gòu)施工時可能出現(xiàn)的開挖面失穩(wěn)、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴(yán)重和涌水涌砂等問題，對盾構(gòu)形式、刀盤、出碴系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的選型設(shè)計提出合理建議;并根據(jù)盾構(gòu)在砂卵石地層施工時刀盤回轉(zhuǎn)阻力和推進(jìn)阻力的計算方式，結(jié)合實際的地層參數(shù)，給出盾構(gòu)主推力和刀盤驅(qū)動扭矩的建議設(shè)定值，并通過實際施工實測值進(jìn)行合理驗證。

1 工程概述

本區(qū)間隧道起于火車南站西端，下穿廣和一街及廣和二街，進(jìn)入南站公園，下穿成昆鐵路(普通鐵路)、在建的成綿樂客專(無砟軌道)、西環(huán)鐵路及機(jī)場高速立交，進(jìn)入紫瑞大道，下穿肖家河，進(jìn)入神仙樹站東端，擬建工程地理位置見圖1。擬建工程左線隧道全長1 709.302 m，右線隧道全長1 703.514 m，為2 條平行的單線圓形隧道，線間距13～16 m，外徑約6 m;隧頂高程485.93 ～469.8 m，隧底高程 479.73 ～463.6 m，隧道埋深12.5 ～32.0 m。

1)地質(zhì)特征。段內(nèi)均為第四系(Q)地層覆蓋。地表多為第四系全新統(tǒng)人工填筑()以雜填土為主，其下為全新統(tǒng)沖積層()黏性土、粉細(xì)砂;第四系上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積()黏性土、卵石土夾砂透鏡體;下伏白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖。

2)水文特征。段內(nèi)地表水系為肖家河，水流由北向南，隧道于YDK22+725～+740處下穿肖家河，屬川西平原岷江水系，具豐富的地表徑流。地下水主要有3種類型:賦存于填土層的上層滯水、第四系砂卵石層的孔隙水及基巖裂隙水。地下水位埋深5.0～9.8 m，穩(wěn)定水位高程493.722 ～488.560 m。

圖1 成都地鐵7號線火神區(qū)間工程地理位置Fig.1 Plan layout of South Railway Station-Shenxianshu Station section on No.7 Line of Chengdu Metro

2 工法選型

該區(qū)間隧道地表房屋密集，道路、管線眾多，交通繁忙，區(qū)間隧道頂板上覆土層厚12～26 m，不適宜采用明挖法施工。區(qū)間隧道洞身主要穿越卵石土層，自穩(wěn)性差，透水性強，地下水位較高，水量十分豐富，故不宜采用礦山法施工。建議本區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法不僅施工進(jìn)度快，而且無噪音、振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較小、施工質(zhì)量易于控制，且防水效果好。

地層滲透系數(shù)是盾構(gòu)選型的一個重要因素［12］。當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)＜10－7m/s時，可以選用土壓平衡盾構(gòu);當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)為10－7～10－4m/s時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)或者泥水平衡盾構(gòu);當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)＞10－4m/s時，應(yīng)該選用泥水平衡盾構(gòu)。該隧道區(qū)間的地層滲透系數(shù)為 5.8 ×10－6～2.3 ×10－4m/s，因此可以選用土壓平衡盾構(gòu)或者泥水平衡盾構(gòu)。

由于泥水平衡盾構(gòu)需要設(shè)置泥水管理和處理設(shè)備，占用施工場地大，影響交通，且對周圍環(huán)境污染嚴(yán)重［13］。同時，泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進(jìn)較困難，尤其是很難處理大粒徑砂卵石，容易導(dǎo)致刀盤被卡，掌子面坍塌;而土壓平衡盾構(gòu)可以較好地處理大粒徑的砂卵石，可以降低發(fā)生故障概率，避免坍塌［1］。本區(qū)間位于成都市二環(huán)與三環(huán)路之間，屬于較繁華地帶，地面交通設(shè)施與建筑物較多，且隧道圍巖局部為卵石土夾透鏡體砂層，均勻性差，零星分布有高強度、大粒徑的卵石、漂石;因此，不宜采用泥水平衡盾構(gòu)，而選擇土壓平衡盾構(gòu)完成本隧道區(qū)間的施工。

3 盾構(gòu)部件選型

結(jié)合該區(qū)間的地質(zhì)和水文特征，采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行隧道施工時，容易出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴(yán)重和涌水涌砂等問題。在進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)計時，需要針對上述可能出現(xiàn)的施工問題對盾構(gòu)的各個系統(tǒng)及部件進(jìn)行選型設(shè)計，從而減小施工故障發(fā)生的可能性，保證工程的順利完成。

3.1 開挖系統(tǒng)

該隧道區(qū)間范圍內(nèi)分布第四系全新統(tǒng)沖積層松散－稍密粉細(xì)砂層，位于卵石土之上，經(jīng)判定為液化土層，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掌子面的自立性差，因此不宜采用開放型的輻條式刀盤。面板式刀盤不僅可以增加掌子面的自穩(wěn)能力，同時可以限制進(jìn)入土艙內(nèi)的卵石大小，防止大粒徑卵石堆積在土艙下部，影響掘進(jìn)和排碴。

由于盤形滾刀在卵石地層中具有較高的切削效率，可以將卵石從開挖面土層中松動下來，同時可以將粒徑大于刀盤面板開口尺寸的漂石破碎。因此，刀盤選型考慮采用同時安裝有切刀和滾刀的復(fù)合式刀盤。為了保護(hù)切刀避免其先切削到大粒徑卵石，需要在刀盤上安裝先行刀，增加切削刀具的使用壽命。

盾構(gòu)在卵石層中掘進(jìn)時，刀盤和刀具會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，因此必須采用高耐磨性的刀具，并在刀盤面板焊接含有耐磨合金成分的耐磨條，以提高刀盤的耐磨性能。刀具的安裝方式采用背裝式，可以從土艙內(nèi)進(jìn)行刀具的更換。同時在不同區(qū)域的刀具上設(shè)置磨損檢測裝置，對刀具的磨損狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，及時更換損壞的刀具。

3.2 出碴系統(tǒng)

盾構(gòu)出碴方式采用中心軸式螺旋輸送機(jī)，需要保證螺旋直徑和節(jié)距能滿足通過刀盤開口的最大粒徑卵石的排出。為了減少輸送砂卵石時對螺旋輸送機(jī)及其葉片造成的磨損，可采用在葉片表面和外側(cè)進(jìn)行堆焊或焊接耐磨條的方式，提高筒體內(nèi)壁和螺旋葉片的耐磨性能。

隧道穿越卵石土夾透鏡體砂層，透水性強，地下水位較高，水量十分豐富，在掘進(jìn)過程中可能出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)出碴口發(fā)生噴涌情況，導(dǎo)致土艙內(nèi)壓力急劇下降，并引起開挖面失穩(wěn)，從而發(fā)生地面塌陷事故。為了防止噴涌的發(fā)生，可以設(shè)置雙級螺旋輸送機(jī)，通過單獨控制二級螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速和起停，可有效防止噴涌的發(fā)生。另外，也可以在施工的時候向土艙內(nèi)注入膨潤土、高分子聚合物，改善碴土的和易性、增加碴土的黏度，以形成有效的土塞，可以實現(xiàn)堵水和防止噴涌的效果［7］。

3.3 碴土改良系統(tǒng)

在砂卵石地層中推進(jìn)，如果碴土不經(jīng)過改良，在推進(jìn)推力的作用下很容易在刀盤背面及土艙內(nèi)壁結(jié)“泥餅”［6］，對施工造成很大困難，因此要求盾構(gòu)要具有一套有效的碴土改良系統(tǒng)。采用泡沫劑作為土體改良材料，可以增加開挖面砂土的流塑性和止水性，降低土艙內(nèi)土體的粘著性，防止碴土粘附在刀盤和土艙內(nèi)壁。

3.4 密封系統(tǒng)

該隧道區(qū)間地下水量豐富，砂卵石層透水性強，地下水位較高，最高靜止水壓可達(dá)260 kPa。因此密封系統(tǒng)要求具有較高的密封性能，能夠滿足300 kPa以上的高水壓條件下的密封要求。主軸承密封可采用唇形密封，并具有自動潤滑功能。盾尾密封(見圖2)采用4道鋼絲刷密封或3道鋼絲刷密封加1道鋼板束密封。鋼板束的作用是防止管片壁后注漿流向盾殼。

圖2 盾尾密封示意圖Fig.2 Shield tail sealing

3.5 超前探測及支護(hù)系統(tǒng)

超前地質(zhì)探測系統(tǒng)可用來在一定的超前距離內(nèi)探明前方地質(zhì)狀況和大漂石。通過地質(zhì)超前探測，能及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置和圍巖的完整性以及含水的可能性，以便對可能出現(xiàn)的大卵石及其他不良地質(zhì)情況做好提前應(yīng)對方案。

隧道施工時，開挖面容易產(chǎn)生涌水，造成細(xì)顆粒物質(zhì)大量流失，引起開挖面失穩(wěn)和地面沉降、變形。通過超前支護(hù)系統(tǒng)對開挖面前方土體進(jìn)行加固處理，封閉地下水、加固開挖面地層穩(wěn)定性，以確保施工和周邊建筑物安全。

4 盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)確定

4.1 盾構(gòu)推力與刀盤扭矩的計算模型

1)盾構(gòu)總推力。盾構(gòu)推進(jìn)阻力主要包括:盾構(gòu)推進(jìn)時的正面阻力F1(包括開挖面對刀盤面板的作用力和刀具的掘進(jìn)阻力)、盾殼與圍巖的摩擦阻力F2、盾尾與管片的摩擦力F3、后配套臺車的牽引阻力F4及盾構(gòu)曲線段施工時的變向阻力

因此，盾構(gòu)主機(jī)推力

式中:D為盾構(gòu)開挖直徑;Ds為管片外徑;σ為開挖面水平土壓力;η為刀盤開口率;Fn為切刀受到的垂直力;n1為盤形滾刀的數(shù)目;n2為切刀的數(shù)目;n3為邊緣刮刀的數(shù)目;n4為盾尾內(nèi)管片的數(shù)目;n5為盾尾密封刷的數(shù)目;μ1為圍巖與鋼的摩擦系數(shù);μ2為盾尾與管片的摩擦系數(shù);μ3為后配套臺車車輪與鋼軌的摩擦系數(shù);Ws為一環(huán)管片的自身重力;Wb為后配套的自身重力;W為盾構(gòu)主機(jī)的自身重力;L為盾殼的長度;λ為水平側(cè)向土壓系數(shù);bs為盾尾密封刷與管片的接觸長度;b為管片的寬度;PT為盾尾密封的壓強;Rc為盾構(gòu)曲線半徑;K為地基反力系數(shù)。

2)盾構(gòu)刀盤驅(qū)動扭矩。盾構(gòu)刀盤回轉(zhuǎn)阻力矩主要包括:刀具切削土體時的切削阻力矩T1，刀盤正面與開挖面土體之間的摩擦阻力矩T2，刀盤背面與土艙內(nèi)土體的摩擦阻力矩T3，刀盤開口內(nèi)土柱的剪切阻力矩T4，刀盤外圍與周圍土體之間的摩擦阻力矩T5，刀盤土艙內(nèi)的攪拌阻力矩T6及刀盤驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械摩擦損耗扭矩

因此，盾構(gòu)刀盤驅(qū)動扭矩

式中:Ft為刀具受到的沿開挖面方向的力;R為刀盤上刀具的安裝半徑;c為土體的黏聚力;σres是為保證開挖面穩(wěn)定，控制土艙壓力時的預(yù)留壓力;μ0為土體與土體之間的摩擦系數(shù);t為刀盤的寬度;Db為攪拌棒的直徑;Rb為攪拌棒的安裝半徑;Lb為攪拌棒的長度;n為攪拌棒的數(shù)目。

T7為刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械摩擦損耗扭矩，包括主軸承的摩擦阻力矩、驅(qū)動密封系統(tǒng)的摩擦阻力矩和機(jī)械傳動的損耗扭矩。T7在影響刀盤回轉(zhuǎn)阻力矩中所占的比例很小，一般＜5%，在計算時，為了安全考慮，可按5%計算。

4.2 實例分析

盾構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of shield machine

根據(jù)表1中的盾構(gòu)參數(shù)以及工程地質(zhì)參數(shù)，利用4.1節(jié)給出的推進(jìn)阻力和回轉(zhuǎn)阻力矩的計算公式，利用MATLAB軟件可以計算出該區(qū)間的盾構(gòu)最大推進(jìn)阻力為 10 659kN，刀盤最大回轉(zhuǎn)阻力矩為4 072 kN·m(見圖3和圖4)。在確定盾構(gòu)最大推力和裝備扭矩時，考慮到施工中可能出現(xiàn)的特殊地質(zhì)情況，將推力的安全系數(shù)設(shè)為2.5，扭矩的安全系數(shù)設(shè)為1.5。因此，該區(qū)間隧道施工用盾構(gòu)的最大推力的理論值為26 648 kN，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的裝備扭矩理論值為6 108 kN·m。

本隧道區(qū)間實際施工使用的盾構(gòu)為S365土壓平衡盾構(gòu)，其最大推力為34 210 kN，額定刀盤驅(qū)動扭矩為5 980 kN·m。與盾構(gòu)推力和刀盤驅(qū)動扭矩的理論值對比發(fā)現(xiàn)，理論計算結(jié)果與實際施工所用盾構(gòu)的參數(shù)接近，具有一定的參考價值。

采集成都地鐵7號線神仙樹至火車南站區(qū)間0～200環(huán)施工過程中的推力和扭矩隨掘進(jìn)距離的變化關(guān)系，并與理論計算值進(jìn)行比較，如圖5和圖6所示。

圖3 盾構(gòu)推進(jìn)阻力計算值Fig.3 Calculated value of shield advance resistance

圖4 刀盤回轉(zhuǎn)阻力矩計算值Fig.4 Calculated value of rotating torque of cutter head

圖5 盾構(gòu)總推力理論值與實測值比較Fig.5 Comparison and contrast between calculated thrust and measured thrust

圖6 刀盤驅(qū)動扭矩理論值與實測值比較Fig.6 Comparison and contrast between calculated cutter head driving torque and measured cutter head driving torque

通過圖5和圖6可以看出，理論計算結(jié)果與現(xiàn)場施工實測數(shù)據(jù)相比偏小，但是在一定的范圍之內(nèi)，考慮到理論計算時的簡化和施工過程中的不可預(yù)見因素，理論值具有較高的參考價值。

5 結(jié)論與討論

成都地鐵7號線火神區(qū)間隧道工程下為粉質(zhì)黏土夾雜卵石層，含水量豐富，地層滲透能力強，適合采用土壓平衡盾構(gòu)完成本區(qū)間的施工。

采用盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定性差，容易發(fā)生涌水事故，在砂卵石層施工時易造成刀具和刀盤的磨損。針對可能出現(xiàn)的開挖面失穩(wěn)、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴(yán)重和涌水涌砂等問題，對該區(qū)間隧道工程土壓平衡盾構(gòu)的各個系統(tǒng)進(jìn)行了選型分析，提出了選型建議。刀盤采用復(fù)合式刀盤，在刀盤面板和刀具表面焊接耐磨條。通過設(shè)置雙級螺旋輸送機(jī)和土體改良的方法防止螺旋機(jī)噴涌以及刀盤結(jié)泥餅的發(fā)生。為了提高盾尾密封的密封性能，采用4道鋼絲刷密封或者3道密封刷加1道鋼板束密封。同時為了提前預(yù)測砂卵石中可能出現(xiàn)的大漂石等不良地質(zhì)情況，配備超前探測及支護(hù)系統(tǒng)。

在盾構(gòu)推進(jìn)阻力和刀盤回轉(zhuǎn)阻力計算方法基礎(chǔ)上，通過實際的地質(zhì)參數(shù)，計算出該區(qū)間內(nèi)最大的推進(jìn)阻力為10 659 kN，最大刀盤回轉(zhuǎn)阻力矩為4 072 kN·m，選取合適的儲備系數(shù)，確定盾構(gòu)最大推力和刀盤裝備扭矩的建議值分別為26 648 kN和6 108 kN·m。實際工程中盾構(gòu)的最大推力為34 210 kN，額定刀盤驅(qū)動扭矩為5 980 kN·m，與理論建議值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者比較接近。結(jié)合實際施工過程中的推力和扭矩變化情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實測值與理論值的偏差在允許范圍之內(nèi)，從而驗證了盾構(gòu)最大推力和刀盤裝備扭矩的理論計算值具有較高的參考價值。

本文研究結(jié)果可以為成都地區(qū)其他地鐵隧道工程的盾構(gòu)選型設(shè)計提供依據(jù)，同時也可為國內(nèi)外其他相似地形條件采用盾構(gòu)法施工提供參考。后期可根據(jù)7號線實際施工中出現(xiàn)的故障案例對本論文所得成果進(jìn)行驗證和修正。

6 致謝

該論文由西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院管會生教授指導(dǎo)完成，特此致謝。

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