城市軌道交通盾構(gòu)法施工盾構(gòu)機(jī)選型原則研究

陳林

四川廣正科技有限公司 四川 成都 610000

引言

軌道交通是城市交通體系建設(shè)的重要組成部分。為盡可能利用和開發(fā)城市空間，滿足市政發(fā)展需求，地下空間的資源開發(fā)尤為重要。城市地下工程，例如地鐵軌道﹑軌道交通施工工程中，盾構(gòu)施工技術(shù)因其安全﹑高效以及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)成為目前普遍的軌道交通施工方法。盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)用水平依靠三大要素，即襯砌﹑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)和穩(wěn)定開挖面。其中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)作為支撐設(shè)備，作用突出。我國(guó)軌道工程施工中，盾構(gòu)機(jī)的選擇應(yīng)考慮到各方面的因素，選用適合我國(guó)地區(qū)地層特征的盾構(gòu)機(jī)型，這將關(guān)系到施工過(guò)程中的盾構(gòu)技術(shù)實(shí)施水平以及施工成本和經(jīng)濟(jì)效益。

1 盾構(gòu)機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)概述

盾構(gòu)施工技術(shù)于1818年開始發(fā)展并應(yīng)用于軌道交通施工中，發(fā)展至今，已經(jīng)形成了多種形成了各種盾構(gòu)工程方法和盾構(gòu)設(shè)備類型。我國(guó)于20世紀(jì)中期以來(lái)才引進(jìn)了盾構(gòu)施工技術(shù)，雖然應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較晚，但由于可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較多，因此發(fā)展迅速，再加上我國(guó)盾構(gòu)自主研發(fā)技術(shù)的進(jìn)步和優(yōu)化，尤其是近十年來(lái)，應(yīng)用廣泛。

就施工性能本身而言，盾構(gòu)施工的關(guān)鍵是施工設(shè)備，也就是盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)作為盾構(gòu)法主要機(jī)械設(shè)備[1]，屬于軌道交通大型挖掘機(jī)械設(shè)備，主要負(fù)責(zé)地下掘進(jìn)和襯砌，輔助施工人員完成隧道全斷面施工，同時(shí)保證不破壞地面狀態(tài)。盾構(gòu)機(jī)工作原理就是通過(guò)機(jī)械控制完成隧道內(nèi)部土質(zhì)層挖掘，因此，設(shè)備形狀與施工隧道的橫截面一致，但機(jī)械尺寸略大于隧道進(jìn)入地面的尺寸。機(jī)械設(shè)備利用壓入地面的鋼桶，使其作為外殼，保護(hù)掘削機(jī)。因此，準(zhǔn)確來(lái)講，盾構(gòu)機(jī)的組成包含外殼﹑作業(yè)空間以及內(nèi)部作業(yè)部件。盾構(gòu)具體結(jié)構(gòu)包括7個(gè)主要部件，即切削刀盤驅(qū)動(dòng)﹑盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)﹑拼裝機(jī)系統(tǒng)﹑螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)﹑加泥控制系統(tǒng)﹑盾尾密封系統(tǒng)﹑ 動(dòng)力臺(tái)車及配套設(shè)備系統(tǒng)。

從性能上來(lái)講，盾構(gòu)適用于軟土﹑礫石﹑硬巖等不同地質(zhì)構(gòu)造的地下軌道交通暗挖工程，可以支撐地層壓力的同時(shí)，還可以快速﹑高效完成掘進(jìn)和完成襯砌施工，掘進(jìn)性能和施工穩(wěn)定性均較好。在施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)用可有效保障圍巖的穩(wěn)定性，技術(shù)人員充分利用盾構(gòu)的鋼殼支護(hù)作用完成軌道交通段的挖掘工作，在施工進(jìn)度計(jì)劃內(nèi)完成規(guī)定長(zhǎng)度，確保人員安全及地層穩(wěn)固性，既具備安全性﹑又能夠保證施工進(jìn)度和質(zhì)量。

盾構(gòu)技術(shù)施工具有多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①盾構(gòu)的應(yīng)用對(duì)施工場(chǎng)地周邊環(huán)境以及施工地面交通影響小，場(chǎng)地占用比例小，不會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生噪音威脅，保證施工過(guò)程中居民的正常生活，可應(yīng)用在各類施工環(huán)境中。②盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化性能好，可以實(shí)現(xiàn)較高的施工精確度，節(jié)省人力資源。盾構(gòu)掘金機(jī)的運(yùn)行主要依靠機(jī)械系統(tǒng)﹑測(cè)量系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)，可依據(jù)場(chǎng)地地層特質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)工作，并嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)，減少軌道交通施工的軸線偏差。此外，盾構(gòu)軌道交通將采用先進(jìn)的設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)，需要嚴(yán)格控制軌道交通的軸線偏差。同時(shí)，盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)對(duì)襯砌管片的制作進(jìn)行控制，現(xiàn)階段可將管片偏差控制在0.5mm的范圍內(nèi)。③盾構(gòu)機(jī)的使用具有專用性，施工速度較快。由于施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的使用要掌握軌道交通斷面參數(shù)為前提。因此在完成軌道交通施工后，盾構(gòu)機(jī)不再重復(fù)使用。④盾構(gòu)機(jī)使用安全性高，便于操作，不受軌道交通長(zhǎng)度限制。由于盾構(gòu)機(jī)自身可進(jìn)行挖掘工作，因此在同一地層頂進(jìn)時(shí)，可保持同等頂力，沒(méi)有掘進(jìn)長(zhǎng)度的限制。并且可在盾構(gòu)掩護(hù)下進(jìn)行挖土和襯砌任務(wù)，施工安全性較高。

但同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，這主要表現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)只能向前推進(jìn)，不能后退。因此，如果在軌道交通施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題或故障，將直接影響軌道挖掘環(huán)節(jié)的施工進(jìn)度，帶來(lái)較大消極影響。因此，盾構(gòu)機(jī)機(jī)型的選擇和關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定工作就極其重要。

2 盾構(gòu)機(jī)分類和使用范圍

根據(jù)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照盾構(gòu)機(jī)空間結(jié)構(gòu)劃分，可通過(guò)開挖面和作業(yè)室之間是否存在隔墻構(gòu)造，將其分為密閉式盾構(gòu)﹑半敞開式盾構(gòu)和全敞開式盾構(gòu)。其中，密閉式盾構(gòu)機(jī)又具體分為土壓式和泥水式。土壓式盾構(gòu)還包括土壓盾構(gòu)和泥漿盾構(gòu)。半敞開式盾構(gòu)主要是擠壓式。全敞開式盾構(gòu)則分為機(jī)械式﹑半機(jī)械式﹑手掘式這三類。劃分依據(jù)還可是機(jī)械工作原理和開挖方式，將開挖方式作為劃分依據(jù)時(shí)，可以將盾構(gòu)機(jī) 分為網(wǎng)格式﹑敞開式以及機(jī)械式3種[2]。

首先，土壓盾構(gòu)機(jī)主要采用控制刀盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割操作，開挖倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的土壤，將其作為掌子面，通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)速度和輸土量調(diào)整倉(cāng)內(nèi)的水土壓力，維持開挖面狀態(tài)。盾構(gòu)的掘進(jìn)速度要與盾構(gòu)掘進(jìn)同步注漿能力相匹配，且確保滿足盾構(gòu)施工工期要求[3]。該盾構(gòu)主要適用于塑性流動(dòng)性軟黏土，這類土質(zhì)層沙礫含量少，方便掘進(jìn)。

土壓盾構(gòu)機(jī)適用范圍非常廣，可用于多種土質(zhì)隧道的挖掘，包括洪積黏土層﹑砂質(zhì)土地層﹑沙礫地層﹑卵石地層等。設(shè)備內(nèi)配有添加材料（高吸水樹脂﹑發(fā)泡劑CMC﹑黏土等）﹑攪拌部件和強(qiáng)力攪拌的輔助材料。泥土加壓盾構(gòu)的機(jī)刀盤帶有強(qiáng)力型攪拌葉，便于輔助強(qiáng)制攪拌。添加材料隨挖掘過(guò)程撒入土沙，將其混合為塑性流動(dòng)性和防滲性的泥土，使盾構(gòu)與開挖面的水壓﹑土壓保持平衡狀態(tài)，穩(wěn)定開挖面，保證安全性。

其次，泥水式盾構(gòu)機(jī)可應(yīng)用于軟弱砂質(zhì)土層﹑沙礫層等，適用范圍廣。泥水式盾構(gòu)機(jī)主要是利用泥漿施工，將挖掘后存儲(chǔ)的土砂混合水后，形成泥漿，然后再輸出到施工地面，使土砂中的泥水和沙礫﹑土粒等分離，再將分離的泥水按照一定比例進(jìn)行調(diào)配，最后輸出到開挖面。此類盾構(gòu)雖應(yīng)用范圍受限小，但由于泥水分離設(shè)備體型較大，在隧道內(nèi)占用太多面積，因此近幾年使用頻率不高。除此之外，泥漿盾構(gòu)機(jī)使用頻率也較低，其工作原理是在開挖土沙中添加輔助材料混合成泥漿，但通常應(yīng)用于巨礫層，范圍受限。

3 盾構(gòu)機(jī)選型影響因素及原則方法分析

3.1 影響因素

在選擇盾構(gòu)機(jī)機(jī)型前，要著重考慮的因素有：軌道交通施工周期和進(jìn)度計(jì)劃﹑施工場(chǎng)地安全情況﹑周圍地質(zhì)水文環(huán)境以及施工成本等。在選擇機(jī)型時(shí)，必須綜合分析各類數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工合同，嚴(yán)格選取型號(hào)和零部件。同時(shí)，排除可能影響施工質(zhì)量的干擾因素，這也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

盾構(gòu)施工選型的主要影響因素可歸納為：地層條件﹑盾構(gòu)機(jī)支撐能力﹑地下水含水量和水壓﹑軌道交通長(zhǎng)度﹑電纜形狀﹑施工后設(shè)備適用性。

此外，由于我國(guó)城市城市化建設(shè)速度加快，盾構(gòu)機(jī)械建設(shè)承載力面臨飽和趨勢(shì)，逐步下降。因此，選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)還應(yīng)考慮到工程綜合效益和盾構(gòu)施工成本。

3.2 施工用盾構(gòu)機(jī)選型

3.2.1 選型原則。在軌道交通施工工程中，企業(yè)必須提前分析工程設(shè)計(jì)和施工場(chǎng)地情況，明確盾構(gòu)機(jī)選擇依據(jù)，理清機(jī)型選擇思路。在選擇盾構(gòu)機(jī)時(shí)，依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，可以根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)，估算不同類型盾構(gòu)機(jī)的施工效果，利用現(xiàn)代化模擬技術(shù)，如BIM，通過(guò)建模直觀了解盾構(gòu)機(jī)使用情況，通過(guò)數(shù)據(jù)綜合考慮，依照分析結(jié)果對(duì)各類機(jī)械進(jìn)行評(píng)分，最后選擇綜合得分最高的盾構(gòu)機(jī)。選型時(shí)需注意，盾構(gòu)機(jī)的選擇必須符合施工場(chǎng)地開挖面的形狀﹑尺寸，分析其能否準(zhǔn)確輔助開挖，保障開挖面的穩(wěn)定性。其次在機(jī)器適用與否的基礎(chǔ)上結(jié)合環(huán)境﹑工期﹑成本應(yīng)急輔助工作方法，進(jìn)而選擇出比較合適的盾構(gòu)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)按照重要性來(lái)排列的話，可分為：①施工地質(zhì)水文條件，包含粒徑﹑成層﹑抗拉等各項(xiàng)參數(shù)﹑開挖面自立性﹑地下水位﹑隧道深度﹑隧道斷面；②施工地周圍環(huán)境條件，附近管線和建筑結(jié)構(gòu)；③工程工期﹑造價(jià)；④設(shè)計(jì)線路﹑平面豎向曲線形狀[4]；⑤輔助工具。除此之外，還應(yīng)考慮盾構(gòu)本身的性能，這也是選擇合適盾構(gòu)的關(guān)鍵要素，包括盾構(gòu)扭矩及刀盤功率﹑盾構(gòu)推力和盾構(gòu)直徑（一定意義上決定了隧道施工的成本[5]）。

盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)遵循實(shí)際性原則﹑安全性原則和適用性原則。

3.2.2 選型方法。選擇盾構(gòu)機(jī)機(jī)型時(shí)，制定選型方案是重要環(huán)節(jié)，可以利用以下幾點(diǎn)方法選擇：①根據(jù)地層滲透系數(shù)選型。地質(zhì)勘查中，地層滲透是關(guān)鍵參數(shù)，因此選型時(shí)可將地層滲透系數(shù)作為依據(jù)。針對(duì)滲透系數(shù)超過(guò)10-4m/s的情況，可選用泥水盾構(gòu)機(jī)；②根據(jù)顆粒級(jí)配選型。地基土壤中的粉土和粘力含量影響機(jī)盾構(gòu)機(jī)機(jī)型的選擇。施工地基土中的沙礫﹑粉土含量大于40%時(shí)，可形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，水流塑體不易滲透，易使掌子面維持平衡狀態(tài)。這樣的情況可使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；③根據(jù)水土壓力選型。盾構(gòu)施工過(guò)程中，內(nèi)部和外部水土壓力的平衡是關(guān)鍵點(diǎn)。若內(nèi)外部水土壓力產(chǎn)生差異，數(shù)值達(dá)到0.3MPa時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇泥水盾構(gòu)機(jī)。因?yàn)橥翂憾軜?gòu)機(jī)在面對(duì)不平衡的水土壓力時(shí)，螺旋機(jī)容易產(chǎn)生土塞現(xiàn)象，可能導(dǎo)致掘進(jìn)效率低下。

對(duì)于沙質(zhì)土類地層來(lái)說(shuō)，這類地層自立性能較差，則應(yīng)首先選取密閉式盾構(gòu)進(jìn)行施工。針對(duì)沙質(zhì)土這類的地層，一般地下水豐富﹑滲透性強(qiáng)，因此大多采用泥水平衡盾構(gòu)類型進(jìn)行施工，但如果地下水壓力值相對(duì)較高，一般來(lái)講高于0.1Mpa，那么為保證施工的安全性，則優(yōu)先采用密封型盾構(gòu)，條件允許的話也可選擇另外的輔助方法協(xié)助施工，例如氣壓或者降水等。

沙礫和軟巖這類地層，土質(zhì)強(qiáng)度高，自立性也高，因此要考慮盾構(gòu)機(jī)本身掘進(jìn)的穩(wěn)定性，同時(shí)做好防護(hù)，選擇半機(jī)械式或敞口機(jī)械式盾構(gòu)最為合適。如果沙礫地層中的沙礫直徑較小，則可選擇多種適合的盾構(gòu)施工。自立性較強(qiáng)的沙礫地層，為確保施工過(guò)程中的安全性，減少經(jīng)濟(jì)成本，通常選擇土壓平衡盾構(gòu)施工，但也可以根據(jù)情況采用半機(jī)械式盾構(gòu)或者手掘式掘進(jìn)，但同時(shí)應(yīng)將施工進(jìn)度考慮在內(nèi)。對(duì)于黏性土地層，選擇土壓平衡盾構(gòu)施工成本較低。

對(duì)于礫石直徑較小的地層，可考慮各種盾構(gòu)隧道施工（采用泥水平衡盾構(gòu)時(shí)，應(yīng)額外設(shè)立輔助工具，例如鱷式碎石機(jī)，粉碎堅(jiān)硬石塊后再輸出泥漿）。如果礫石直徑較大，除手工挖或半機(jī)械盾構(gòu)外，應(yīng)考慮土壓力平衡盾構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合盾構(gòu)法施工具有速度快﹑影響小的特點(diǎn)，盾構(gòu)法施工技術(shù)已經(jīng)是多數(shù)城市軌道交通工程建設(shè)中常見的施工類型。因此，盾構(gòu)機(jī)作為盾構(gòu)法施工的專用大型機(jī)械，適用范圍受到施工場(chǎng)所地形﹑地層條件的限制，同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)本身的關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)和調(diào)整也至關(guān)重要，零部件的配置會(huì)不同程度影響到施工效果。由于盾構(gòu)機(jī)成本高，施工前分析施工地層特征，收集數(shù)據(jù)，選擇適用性強(qiáng)的盾構(gòu)機(jī)機(jī)型是影響盾構(gòu)法施工質(zhì)量和效果的關(guān)鍵。同時(shí)，必須考慮我國(guó)交通建設(shè)形勢(shì)和承包建設(shè)單位經(jīng)濟(jì)承受能力。