天然氣隧道過江工程中的盾構(gòu)機(jī)選型

裘水根

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

擬建設(shè)的上海天然氣主干網(wǎng)（上海浦東—長(zhǎng)興島—崇明島）管道工程需2次穿越長(zhǎng)江，設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法施工。其中長(zhǎng)興島—崇明島的北港過江工程盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度為8.236 km，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為3.4 m，建成后將為崇明島和長(zhǎng)興島提供低能耗、低污染、低排放的天然氣（圖1）。

圖1 長(zhǎng)興島—崇明島的盾構(gòu)隧道示意

2 工程水文地質(zhì)情況

本工程隧道穿越的主要地層有：④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤2粉砂、⑤3-1粉質(zhì)黏土、⑤3-2灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土與黏質(zhì)粉土互層。根據(jù)本場(chǎng)址附近的長(zhǎng)興島水文觀測(cè)站的潮位資料，實(shí)測(cè)最高潮位5.88 m，實(shí)測(cè)最低潮位－0.29 m，平均高潮位3.30 m。地下水位潛水含水層年平均水位在地表下0.5～ 0.7 m。

3 工程難點(diǎn)

3.1 超長(zhǎng)距離

本工程隧道具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、隧道內(nèi)徑小的鮮明特點(diǎn)。隧道總長(zhǎng)為8 236.862 m，內(nèi)徑僅3.4 m，一次性推進(jìn)完成，盾構(gòu)推進(jìn)絕大部分在長(zhǎng)江底，隧道距離長(zhǎng)江水面深約35 m，地下水壓高。同時(shí)隧道推進(jìn)需穿越⑤2層、⑤3-2層微承壓水層，高壓地下水的施工環(huán)境對(duì)盾構(gòu)耐磨損、耐高壓和壽命等方面提出了極高的要求。

3.2 小直徑

狹小的隧道斷面與超長(zhǎng)的距離給隧道內(nèi)通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)榷紟砹司薮蟮睦щy，通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)必須兼顧施工的需求量和隧道內(nèi)布置空間的局限性，每一分空間都彌足珍貴。運(yùn)輸斷面的縮小，還給長(zhǎng)距離快速施工的運(yùn)輸保障提出了巨大挑戰(zhàn)。

3.3 高速施工

本工程的建設(shè)周期約為41個(gè)月，除了工作井和隧道主體施工外，還要在隧道內(nèi)鋪設(shè)天然氣管道，以及預(yù)留隧道內(nèi)或?qū)⑻畛浼託饣炷恋臅r(shí)間。因此，留給隧道施工的工期就相對(duì)較緊。

4 盾構(gòu)機(jī)類型選擇

天然氣過江管北港過江隧道工程最大坡度為4.0%，最大深度處絕對(duì)高程為－36.698 m，最小平曲線半徑為3 000 m，最小縱曲線半徑為3 000 m，管片外徑為 3 960 mm、管片內(nèi)徑為3 400 mm，通用環(huán)楔形管片。隧道最高潮位5.88 m，最大水深8.91 m，土層高度33.668 m，最大水土合算壓力0.676 MPa。

地層滲透系數(shù)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的選型是一個(gè)很重要的因素。當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于10-7m/s時(shí)，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在1×10-7～1×10-4m/s之間時(shí)，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水式盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于1×10-4m/s時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)[1]。

此外相對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)，泥水平衡式盾構(gòu)有如下優(yōu)勢(shì)：泥水傳遞快且均勻、開挖面平衡土壓力的控制精度高，對(duì)開挖面周圍土體干擾少，地面沉降量控制精度高；盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工，減少渣土運(yùn)輸車輛，進(jìn)度快，刀盤、刀具磨損小，適合長(zhǎng)距離施工；刀盤扭矩小，更適用于軟弱的淤泥質(zhì)黏土層，特別適合于地層含水量大、上方有水體的過江隧道和海底隧道。并且根據(jù)現(xiàn)有類似的工程成功經(jīng)驗(yàn)考慮盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性，如日本東京灣天然氣隧道、伊勢(shì)灣輸氣隧道等，均采用了泥水盾構(gòu)機(jī)。因此根據(jù)地質(zhì)條件、水文條件以及本工程長(zhǎng)距離推進(jìn)的特殊性, 選擇泥水盾構(gòu)對(duì)工程的適應(yīng)性更強(qiáng)、可靠性更高、風(fēng)險(xiǎn)更低。

5 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)組成部分及技術(shù)參數(shù)的選型

5.1 刀盤切削系統(tǒng)

刀盤采用軟土刀盤，刀盤起到支撐掌子面、穩(wěn)定掌子面的作用。根據(jù)廠商對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)理念的不同，可以選用面板式或輻條式刀盤。其中：面板式刀盤剛度、強(qiáng)度好，對(duì)開挖面有一定的支撐作用，但是容易結(jié)成泥餅；輻條式刀盤泥漿流動(dòng)性好，刀盤扭矩小，刀具磨損較小。設(shè)計(jì)面板式刀盤開口率30%左右，輻條式開口率40%左右。刀盤背部設(shè)置一定數(shù)量的攪拌棒，將泥倉內(nèi)切削下來的渣土與膨潤(rùn)土泥漿充分?jǐn)嚢?，防止泥倉內(nèi)結(jié)泥餅。刀盤正面以及泥倉內(nèi)應(yīng)設(shè)置若干高壓注漿注入口，進(jìn)一步防止刀盤以及泥倉內(nèi)泥餅的形成。

切削刀具包括中心刀、刮刀等，刀盤的外圈焊接高強(qiáng)度的耐磨板，所有刀具均采用高耐磨的材料，以確保刀具的高耐磨性，原則上刀具設(shè)計(jì)壽命滿足長(zhǎng)10 km的隧道不需換刀的要求。

5.2 刀盤扭矩的計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)所需扭矩可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2]確定：

式中：T——盾構(gòu)機(jī)所需扭矩，kN·m；

a——扭矩系數(shù)，泥水盾構(gòu)為8～20，土壓平衡盾構(gòu)為10～25；

D——盾構(gòu)的外徑。

根據(jù)公式計(jì)算得出盾構(gòu)機(jī)所需扭矩為636.056～1 481.760 kN·m。

根據(jù)本工程的地質(zhì)水文以及長(zhǎng)距離施工的特點(diǎn)，所使用的盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)扭矩T0=1 935 kN·m，脫困扭矩T1=2 322 kN·m，按盾構(gòu)機(jī)所需扭矩的最大值計(jì)算，安全系數(shù)分別為：S1=T0/T=1.3和S2=T1/T=1.6。盾構(gòu)機(jī)盤配備的扭矩完全滿足該工程需要。

5.3 推進(jìn)系統(tǒng)

本工程施工工期緊，為了滿足施工效率的要求，設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸最大推進(jìn)速度100 mm/min，推進(jìn)油缸按上、下、左、右分為4組，對(duì)每組油缸進(jìn)行單獨(dú)控制，方便管片的拼裝。

盾構(gòu)的推力主要由盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力、刀盤上的水平推力、切土所需要的推力、盾尾與管片之間的摩阻力、后方臺(tái)車的阻力等5部分組成[3]。經(jīng)計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)總推力約為19 300 kN。

5.4 鉸接系統(tǒng)

本工程泥水盾構(gòu)外徑設(shè)計(jì)4 200 mm，相比大直徑盾構(gòu)，為了布置盾構(gòu)機(jī)所需要的設(shè)備，包括人倉、驅(qū)動(dòng)、鉸接、推進(jìn)等系統(tǒng)，盾構(gòu)機(jī)本體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，盾構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為10 000 mm，其靈敏度為2.38，傳統(tǒng)地鐵盾構(gòu)靈敏度一般為1.3左右，因此為了提高盾構(gòu)機(jī)的操作性能以適應(yīng)曲線段施工，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)增加主動(dòng)鉸接系統(tǒng)[4]。

5.5 泥水循環(huán)系統(tǒng)

泥水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)推進(jìn)能力為8 cm/min，泥水盾構(gòu)通過泥水循環(huán)系統(tǒng)將泥水經(jīng)過管道輸送至泥水倉，達(dá)到一定壓力后形成泥膜，保持開挖面的穩(wěn)定，并把切削下來的土砂變成高濃度泥水，通過排泥管道輸送至盾構(gòu)外部。

泥水循環(huán)系統(tǒng)為了防止泵吸口因孤石等原因堵塞，通過采用限制刀盤開口尺寸防止大石塊進(jìn)入泥倉，或者通過在進(jìn)漿口前增加格柵裝置、開挖倉底部增加碎石裝置的措施來達(dá)到避免孤石堵塞泵吸口的目的。

泥水循環(huán)方式包括旁通模式、開挖模式、反循環(huán)模式、隔離模式和長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)模式。旁通模式用于盾構(gòu)機(jī)不進(jìn)行開挖時(shí)，可執(zhí)行其他功能；開挖模式用于盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)；反循環(huán)模式使開挖倉內(nèi)的泥漿逆向流動(dòng)，在開挖倉阻塞時(shí)，用于清理盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的排漿管道；隔離模式下，隧道內(nèi)的泥漿管道系統(tǒng)與地面系統(tǒng)處于完全隔離的狀態(tài)，用于隧道泥漿管延長(zhǎng)時(shí)的情況。

5.6 管片拼裝系統(tǒng)

管片外徑為3 960 mm、管片內(nèi)徑為3 400 mm，分6塊，最大質(zhì)量為2.2 t。管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足襯砌的安裝需要，拼裝機(jī)應(yīng)具備6個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)管片的平移、回轉(zhuǎn)、升降、仰俯、橫搖和偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，各個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

此外，為了提高施工效率，省去了管片拼裝機(jī)對(duì)管片進(jìn)行對(duì)中、就位和拼裝時(shí)的人工操作，盾構(gòu)施工中的管片拼裝機(jī)可設(shè)置微調(diào)機(jī)構(gòu)，采用偏轉(zhuǎn)液壓缸和俯仰液壓缸的伸縮進(jìn)行微調(diào)動(dòng)作。

5.7 同步注漿系統(tǒng)

同步注漿是通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管進(jìn)行的，漿液在盾尾空隙及時(shí)填充，防止土體沉降，在地層穩(wěn)定性差時(shí)，同步注漿的重要性會(huì)更加突出和明顯。結(jié)合施工效率，同步注漿箱設(shè)計(jì)為5 m3，滿足推進(jìn)8 cm/min的速度下2環(huán)的注漿量，其壁后注漿填充率為180%。

5.8 后配套系統(tǒng)

盾構(gòu)后配套設(shè)備包括若干節(jié)后續(xù)臺(tái)車，包含了盾構(gòu)操作室、進(jìn)泥泵、排泥泵、有害氣體檢測(cè)、油脂壓注系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、變壓器、高壓電纜卷盤和泥水管路接管系統(tǒng)等。

5.9 測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)

為保證盾構(gòu)機(jī)能嚴(yán)格按設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)，必須及時(shí)觀測(cè)盾構(gòu)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，從而調(diào)整盾構(gòu)各施工參數(shù)，指導(dǎo)盾構(gòu)正確、安全地推進(jìn)。

現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)廠商采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如VMT等測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)，在盾構(gòu)機(jī)出洞前將自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量出的盾構(gòu)姿態(tài)與盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際姿態(tài)進(jìn)行比較，在確保自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)準(zhǔn)確后方可掘進(jìn)，以保證盾構(gòu)姿態(tài)的正確。

6 針對(duì)高水壓、長(zhǎng)距離推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)選型的研究

盾構(gòu)機(jī)所有的配置必須按一次性掘進(jìn)10 km的工況設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，盾構(gòu)機(jī)必須具備月掘進(jìn)500 m以上的能力，并且按此掘進(jìn)能力配備所有的輔助設(shè)備和附屬設(shè)施等配套設(shè)備。

在技法上，傳統(tǒng)青花瓷主要是以白地繪青花為主，此外還會(huì)添加貼花、鏤空和雕塑等技法進(jìn)行裝飾并且傳統(tǒng)青花瓷在瓷器的裝飾構(gòu)圖上也具有鮮明的特征。如多層次裝飾，就是在器物（多為圓器）的整體造型上從上至下依次分層，每一層出現(xiàn)的裝飾花紋雖不同的但并沒有讓人感覺凌亂。這當(dāng)然不是傳統(tǒng)青花瓷表現(xiàn)之一，再如伊朗阿迪比爾寺收藏的元青花菱花口大盤，他不僅有帶狀裝飾，還會(huì)與雕塑刻畫相結(jié)合，集各類裝飾技法與一身?？偟膩碚f，傳統(tǒng)青花瓷多種技法的相互交織不僅使它最后的呈現(xiàn)豐富且在運(yùn)用上達(dá)到成熟。

為了提高設(shè)備的耐久性，使盾構(gòu)機(jī)能夠滿足長(zhǎng)距離、高速安全推進(jìn)施工的要求，在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)過程中將采用如下的措施。

6.1 滿足長(zhǎng)距離推進(jìn)，確保耐久性

6.1.1 采用中心驅(qū)動(dòng)方式

中心驅(qū)動(dòng)方式可以使得唇口密封的線速度較小，發(fā)熱量小，使得密封有較長(zhǎng)的壽命，在長(zhǎng)距離推進(jìn)過程中不易損壞，且密封裝置應(yīng)有溫度檢測(cè)及顯示，具有高溫報(bào)警、連鎖及相應(yīng)的安全保護(hù)措施。

6.1.2 采用3層高度刀具系統(tǒng)

本次天然氣隧道工程由于推進(jìn)距離長(zhǎng)，常規(guī)盾構(gòu)的刀盤刀具磨損會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重，且本次工程屬于越江隧道，在江底下作業(yè)，使用泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。因此在推進(jìn)過程中進(jìn)行換刀作業(yè)的難度相當(dāng)大且風(fēng)險(xiǎn)極大。

考慮使用新型刀具排布方式，保證推進(jìn)過程中的刀具磨損在可控范圍內(nèi)。增加刀具層數(shù)、每道軌跡上的刀具數(shù)量以及刀具合金部分高度，即增加耐磨量，改進(jìn)合金材質(zhì)，采用耐沖擊性和耐磨性好的合金。

為了防止在長(zhǎng)距離推進(jìn)過程中刀具的損壞，本盾構(gòu)機(jī)將采用3層刀具系統(tǒng)，各層刀具高度相差60 mm，并且在刀盤面板上設(shè)置堆焊層，相關(guān)部位的個(gè)別刀具具備磨損報(bào)警功能。

6.1.3 刀具更換

6.1.4 使用多道防水密封，防止密封損壞

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)水土壓力最大0.8 MPa，在長(zhǎng)距離推進(jìn)過程中，唇口密封和盾尾密封由于長(zhǎng)時(shí)間使用容易發(fā)生損壞，因此本盾構(gòu)機(jī)將采用4道唇口密封和4道盾尾油脂密封，在各道唇口密封之間定時(shí)加注，集中潤(rùn)滑，在盾尾密封鋼絲刷之間加注盾尾油脂。上述措施將使設(shè)備密封能力大大增強(qiáng)。

4道盾尾密封可以有效防止外部泥水進(jìn)入隧道內(nèi)部，最內(nèi)側(cè)2道盾尾刷可以進(jìn)行更換，具有良好的安全可靠性和耐久性。

6.2 滿足高速施工

6.2.1 推進(jìn)油缸速度

為了滿足單環(huán)推進(jìn)＋拼裝的時(shí)間要求（管片寬度1.35 m，推進(jìn)＋拼裝耗時(shí)36～41 min），推進(jìn)油缸的伸出速度被設(shè)定為最大100 mm/min（同一級(jí)別工程一般為80 mm/min），要求在拼裝管片時(shí)，5根推進(jìn)油缸同時(shí)收縮，行程1 950 mm的推進(jìn)油缸在1 min內(nèi)全部收縮完成。

6.2.2 提高刀盤和拼裝機(jī)轉(zhuǎn)速

刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為最大3.0 r/min（同級(jí)別工程一般設(shè)為2.0 r/min）。

拼裝機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1.8 r/min（同級(jí)別工程一般設(shè)為1.0～1.5 r/min）。

6.2.3 設(shè)置2節(jié)管片儲(chǔ)運(yùn)臺(tái)車

管片儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)至少能達(dá)到不少于2環(huán)管片的存儲(chǔ)量，具有機(jī)械化連續(xù)輸送管片的功能，管片可輸送至拼裝機(jī)能直接抓取的位置，以滿足高速推進(jìn)的要求。

7 結(jié)語

本文根據(jù)上海市天然氣主干網(wǎng)北港過江隧道（長(zhǎng)興島—崇明島）規(guī)劃線路地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)方案，通過全面收集和分析目前國(guó)內(nèi)外天然氣管道隧道施工技術(shù)，對(duì)小直徑超長(zhǎng)距離天然氣過江隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。根據(jù)本隧道的工程情況和盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性，參考附近區(qū)域類似工程成功經(jīng)驗(yàn)，建議本工程選用泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，并從應(yīng)對(duì)長(zhǎng)距離推進(jìn)、高水壓和軸線控制等方面對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的選型，并研究和提出了相應(yīng)的措施。