適應(yīng)兩種工程條件下盾構(gòu)機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析盾構(gòu)網(wǎng)(2009-10-20)

新聞來源：盾構(gòu)網(wǎng)

摘要本文根據(jù)天津和沈陽(yáng)地鐵工程實(shí)際特點(diǎn)，提出適合兩個(gè)地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機(jī)根本配置的技術(shù)要求，同時(shí)就盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式、扭矩和刀盤布置等關(guān)鍵技術(shù)問題提出設(shè)計(jì)思路。力求在兩種不同工程條件下盾構(gòu)機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理優(yōu)化、科學(xué)配置，滿足兩種不同工程條件下施工需要，減少投資、節(jié)約本錢。本文就此問題進(jìn)行探討。

中鐵四局集團(tuán)公司先后中標(biāo)天津、沈陽(yáng)地鐵工程工程施工，為使工程施工順利進(jìn)行，經(jīng)過慎重決策決定購(gòu)置兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)投人天津施工，完工后對(duì)盾構(gòu)機(jī)局部進(jìn)行簡(jiǎn)單改造再投人沈陽(yáng)地鐵施工。為完成此任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種機(jī)型適應(yīng)兩種地質(zhì)施工條件，筆者對(duì)天津和沈陽(yáng)兩地區(qū)地質(zhì)特征、盾構(gòu)機(jī)機(jī)型及適應(yīng)工程地質(zhì)的特點(diǎn)等進(jìn)行了分析，提出滿足要求的盾構(gòu)機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

一、天津、沈陽(yáng)地區(qū)地質(zhì)情況簡(jiǎn)介及地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式

1.1工程地質(zhì)及水文條件

天津區(qū)間地下水位較高，埋深一般在1~2m可見潛水，埋深約20m有承壓水。從地表向下1~2m為人工填土；3~7m為Qaal陸相河流沉積層，黃褐—灰黃色粘性土，可塑—軟塑。而放淤區(qū)、坑塘、古河道填土厚度不等，土質(zhì)很差。7~12m為淺海沉積層Q，Zalm，灰色粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂，土中含有貝殼和黑色有機(jī)質(zhì)，土質(zhì)較好；12~30m為中部陸沉積層Q4Ia1~Q30a1有黑色沼澤沉積層，自15m以下大致情況呈黃褐色粘土，可塑到硬塑狀態(tài)，土質(zhì)致密，性質(zhì)穩(wěn)定等；30m以下為下部陸相層Qs’al粘性土硬塑，粉細(xì)砂中密到密實(shí)。

沈陽(yáng)區(qū)間地層主要有：

(1)第四系人工堆積層：以雜填土為主，局部見素填土；

(2)渾河老扇：沖洪積為主，上部為沖洪積粉質(zhì)粘土，局部為粉土，向下為砂土及碎石土，粒度由細(xì)變粗，埋深和厚度變化大，常見有粗細(xì)不同的夾層和透鏡體；

(3)第四系冰債物：以碎、礫石為主，含20%~30%的粘性土，原巖呈強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化；隧道主要位于強(qiáng)透水的中、粗砂、礫砂、圓礫層中，其綜合滲透系數(shù)k=82.lm/d，地下水豐富一極豐富，同時(shí)隧道穿過地層為密實(shí)狀態(tài)，穿越的礫砂層、圓礫層含5.0%~35.0%的卵石，最大顆粒直徑約100mm，母巖成份為中、微風(fēng)化花崗巖和石英巖等，強(qiáng)度較高(表l)。

表1

1.2地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式

天津與沈陽(yáng)兩地區(qū)地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式根本相同，管片環(huán)設(shè)計(jì)為5+l模式，分標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)三種形式，采用CSO鋼筋混凝土預(yù)制，寬度1200mm，厚度350mm。管片間采用螺栓連接，環(huán)向每個(gè)接縫有2個(gè)螺栓，共12個(gè)，縱向共設(shè)16個(gè)螺栓。管片環(huán)寬為12m。管片環(huán)與環(huán)之間采用錯(cuò)縫拼裝方式，管片端采用平面式，環(huán)向設(shè)置凹凸樺槽(表2)。

表2

二、適應(yīng)兩種工程條件下盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根本原那么

由于兩個(gè)地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，隧道結(jié)構(gòu)形式相同，筆者認(rèn)為適應(yīng)天津和沈陽(yáng)兩種工程條件下地鐵隧道盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)的配置及參數(shù)設(shè)計(jì)要以沈陽(yáng)地質(zhì)條件(礫砂)進(jìn)行，考慮到天津主要地段中含有粉細(xì)砂、砂層，因此，刀盤刀具的布置及對(duì)開挖面的土體改善設(shè)備(泡沫及膨潤(rùn)土等添加劑注人設(shè)備)需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，盾構(gòu)機(jī)外徑根據(jù)天津管片外徑小62O0mm、寬度1200mm進(jìn)行，因此，天津使用后，只需對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具、殼體外形尺寸等進(jìn)行改造就能滿足沈陽(yáng)地鐵的施工，為此提出用于本工程盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循的幾項(xiàng)根本原那么。

(l)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)水平先進(jìn)，滿足兩種工程條件下施工需要；

(2)盾構(gòu)機(jī)首先應(yīng)滿足天津地區(qū)隧道所穿越地層不同地質(zhì)與水文條件的施工需要，之后僅對(duì)盾構(gòu)機(jī)局部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改造就能夠滿足沈陽(yáng)地鐵施工的需要，盾構(gòu)機(jī)需能滿足從砂層到軟土層的土壓平衡盾構(gòu)，改造方案要經(jīng)濟(jì)可行，易于實(shí)現(xiàn)；

(3)要求盾構(gòu)機(jī)對(duì)控制地表沉降配備足夠的功能和具有良好的操控性能。

三、本工程盾構(gòu)機(jī)選型需要重點(diǎn)考慮的要素

盾構(gòu)選型合理與否直接影響盾構(gòu)推進(jìn)的成敗，也關(guān)系到盾構(gòu)設(shè)備費(fèi)用投人。盾構(gòu)選型首先要適應(yīng)工程水文地質(zhì)條件，還要綜合考慮其它選型條件，如頂進(jìn)線性(頂進(jìn)曲率半徑)、斷面尺寸、地面沉降的控制、扭矩系數(shù)及工程所處的周邊環(huán)境與工期要求，合理選擇盾構(gòu)機(jī)，對(duì)保證施工質(zhì)量，保護(hù)地面與地下建筑物平安和加快施工進(jìn)度是至關(guān)重要的。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)受到千斤頂推力和土體對(duì)盾構(gòu)的反作用力，盾構(gòu)推進(jìn)是在不斷調(diào)整這兩個(gè)力的相對(duì)關(guān)系之中向前推進(jìn)，由于土質(zhì)軟硬誤差或土質(zhì)變化都會(huì)影響控制盾構(gòu)軸向高程的技術(shù)指標(biāo)；盾構(gòu)掘進(jìn)切削斷面內(nèi)的粘土粒含量、含砂率及卵石直徑都會(huì)對(duì)盾構(gòu)排土機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)的正確設(shè)計(jì)、刀盤、刀具和排土機(jī)構(gòu)的耐磨性都有重要影響；地下水位、承壓水大小、施工深度也都影響到盾構(gòu)機(jī)防水密封的合理設(shè)計(jì)，這說明盾構(gòu)結(jié)構(gòu)必須要適應(yīng)工程水文地質(zhì)條件。以上分析都關(guān)系到設(shè)備投資費(fèi)用，盾構(gòu)施工各條隧道所在位置的地層情況是復(fù)雜的，即使同一條隧道也會(huì)遇到不同地層情況，因此，天津地區(qū)選用盾構(gòu)機(jī)，除了適應(yīng)具體工程條件外還要考慮今后到沈陽(yáng)等其它地區(qū)的普遍地質(zhì)狀況，還應(yīng)考慮到施工中會(huì)遇到一定粒徑卵石等。

3.1工程地屬條件對(duì)盾購(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)配置的影響

粘性土及粉土層天津地區(qū)屬于該種性質(zhì)的地質(zhì)，盾構(gòu)機(jī)在此地層中施工時(shí)，一般較容易控制，但常會(huì)發(fā)生刀盤粘附導(dǎo)致增大阻力和螺旋輸送機(jī)的粘附堵塞，因而需要注重考慮刀盤形式、開口率、刀具、加泥位置等解決方法。

3.1.2砂性土層

盾構(gòu)機(jī)在砂性土層中施工比在粘土層施工稍為困難。砂性土一般摩擦阻力大，滲透性好，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)擠壓下水分很快排出，土體強(qiáng)度提高，故不僅盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)摩擦阻力大，而且開挖面土壓力也較大，常會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩和總推力缺乏。另外，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)刀具切削下來的砂土不易攪拌成均勻的塑流體，特別是在無水砂性土層中施工，有時(shí)甚至實(shí)現(xiàn)不了與開挖面土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡的需要，操作不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)開挖面上方的局部坍塌。砂性土層對(duì)刀具磨損較嚴(yán)重，并伴有損壞盾尾密封系統(tǒng)的現(xiàn)象。因此盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)將設(shè)備的推力、刀盤的扭矩、形式、開口率，以及加泥加泡沫系統(tǒng)等內(nèi)容作為重點(diǎn)統(tǒng)籌考慮。

3.1.3粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、中細(xì)砂互層

對(duì)于此類地層，盾構(gòu)機(jī)施工比擬容易，有時(shí)甚至不用加泥只需加水即能順利施工。

3.1.4中砂、粉質(zhì)粘土、砂卵石互層

對(duì)于此類地層，盾構(gòu)機(jī)施工比砂性土層困難，而遠(yuǎn)比砂卵石層容易，所需注重問題與前三項(xiàng)類似，但因?yàn)閹最惖刭|(zhì)交互的原因，情況有較大變化。

四、盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇

4.1盾構(gòu)機(jī)機(jī)型確實(shí)定

根據(jù)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀及盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為泥水式平衡盾構(gòu)機(jī)和加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，均能滿足天津、沈陽(yáng)地鐵隧道的施工，但究竟采用那一種機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)更合理，必須從盾構(gòu)機(jī)的工作原理、適用地質(zhì)領(lǐng)域的寬窄、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及對(duì)環(huán)境的影響等綜合均衡比擬之后，才能做出正確的選擇。

泥水式平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理是通過向密封艙內(nèi)加人泥水(漿)來平衡開挖面的水、土壓力，其開挖面的平衡穩(wěn)定性及控制地面沉降性能較好，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間較大，特別是大直徑隧道施工具有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但施工棄土需進(jìn)行泥水別離處理，設(shè)備系統(tǒng)繁雜，占地面積大，價(jià)格昂貴。加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理那么是向密封艙內(nèi)加人塑流化改性材料，與開挖面切削下來的土體經(jīng)過充分?jǐn)嚢瑁纬删哂幸欢ㄋ芰餍院屯杆缘偷乃芰黧w，同時(shí)通過伺服控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂速度與螺旋輸送機(jī)向外排土的速度相匹配，經(jīng)艙內(nèi)塑流體向開挖面?zhèn)鬟f設(shè)定的平衡壓力，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)始終在保持動(dòng)態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進(jìn)。由于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)可以根據(jù)不同地層的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)和配制出與之相適應(yīng)的塑流化改性劑(如泡沫等)，極大地拓寬了該類機(jī)型的施工領(lǐng)域，特別是在砂卵石地層中施工優(yōu)勢(shì)最為明顯。故近年來該機(jī)成為盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用的主流機(jī)型，在隧道工程中得到廣泛應(yīng)用。加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)不同地質(zhì)條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至軟巖)的能力最強(qiáng)，特別是在砂礫地層(最大粒徑超過5mm)中的應(yīng)用占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。鑒于兩種機(jī)型技術(shù)特性的比擬結(jié)果，筆者認(rèn)為，對(duì)于天津、沈陽(yáng)地鐵隧道盾構(gòu)法施工，加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬合理，選型時(shí)宜優(yōu)先考慮。

五、加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的根本結(jié)構(gòu)技術(shù)配置

就天津和沈陽(yáng)兩地區(qū)地鐵隧道工程特點(diǎn)，筆者重點(diǎn)分析盾構(gòu)機(jī)的根本結(jié)構(gòu)技術(shù)配置選擇和要求。

5.1盾構(gòu)機(jī)刀盤形式

盾構(gòu)機(jī)刀盤形式按照工程地質(zhì)條件和施工控制要求，大致可分為面板式和輻條式(復(fù)合式刀盤由這兩種形式派生而出)刀盤兩種形式。針對(duì)天津的地質(zhì)條件以及目前地鐵隧道埋深25m左右的情況，采用什么形式的刀盤將直接影響盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效果，而且造價(jià)相差約為盾構(gòu)機(jī)造價(jià)的4%~8%。因此筆者對(duì)兩種形式的刀盤特性進(jìn)行了比擬(表3)。

比擬結(jié)果說明，采用輻條式刀盤既能滿足工程施工需要，保證有較好的掘進(jìn)性能，又能節(jié)省設(shè)備投資。采用輻條式刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要充分考慮粘土及砂層的掘進(jìn)要求以滿足兩種地質(zhì)掘進(jìn)特點(diǎn)：

(1)具有足夠的剛度和強(qiáng)度用于支撐開挖面和承受掘進(jìn)中的推力及扭矩；

(2)盡可能保證盤面上有足夠的刀具數(shù)量、種類和適宜的安裝位置有效開挖，并且保證足夠的壽命；

(3)適宜的刀盤開口率(40%左右)以保證碴土進(jìn)人土倉(cāng)的順暢性；

(4)刀盤配置較多的先行刀，提高刀盤的耐磨性；

(5)刀盤上合理配置添加劑注人口，保證添加劑均勻的注人到開挖面。為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，對(duì)刀盤進(jìn)行以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

①刀盤主體為面板式，鋼板焊接結(jié)構(gòu)；

為保證刀盤主體結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度要求，刀盤由輻條、面板、側(cè)板、筋板、外緣板、后蓋板、耐磨合金條和支撐梁焊接而成，為使刀盤對(duì)本工程中的粘土、砂層等土質(zhì)都能很好地適應(yīng)，考慮到如果在粘性土層中施工，可能會(huì)產(chǎn)生粘性土粘附在刀盤及縫隙上從而引起堵塞，刀盤設(shè)計(jì)為6根輻條加封板型輻條面板(見圖1)，中間支持方式，在各輻條及面板上設(shè)置了切削刀具及先行刀，可以順時(shí)針或逆時(shí)針回轉(zhuǎn)對(duì)開挖面進(jìn)行掘削的構(gòu)造。為了防止中央部位的堵塞，在有限中央部位盡可能增加開口。圖l刀盤結(jié)構(gòu)圖

②刀盤對(duì)開挖面的支護(hù)性能；

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)其原理主要是依靠土倉(cāng)中的受壓碴土與開挖面水土壓力保持平衡，但刀盤面也可以起到一定的平衡開挖面穩(wěn)定的作用，為此，輻條設(shè)計(jì)為6條，設(shè)定開口幅度550mm，開口率40%，刀盤60%的面積可用于支撐開挖面的穩(wěn)定。但當(dāng)開挖面失穩(wěn)時(shí)刀盤支撐面積只是起到緩慢坍塌的作用，并不能真正支撐開挖面的穩(wěn)定，所以在整個(gè)施工過程中必須要在土倉(cāng)中建立穩(wěn)定的土壓以平衡開挖面的水土壓。

③刀盤的抗磨損性能。

結(jié)合天津地質(zhì)條件含砂量大的特點(diǎn)，刀盤設(shè)計(jì)需充分考慮地層對(duì)刀盤具有較大的磨損性，因此，在刀盤上配置了先行刀、在刀盤面板外周、攪拌棒、刀盤邊緣板和滾刀刀座等處磨損量較大部位堆焊了大量的網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金，安裝有刀盤外周保護(hù)刀具，大大提高了刀盤的耐磨性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

在刀盤上配置了用于軟土層切削的刀具包括正面切削刀、周邊刮刀、中心切削刀、先行刀，可以切削破碎天然單軸抗壓強(qiáng)度在10MPa以下的各類風(fēng)化巖和軟土，考慮到本工程在砂礫層和軟弱的土質(zhì)中使用，參照許多同類土質(zhì)的施工實(shí)例，本工程采用耐沖擊性及耐磨性優(yōu)越的刀具。

5.2刀盤驅(qū)動(dòng)方式

刀盤驅(qū)動(dòng)方式是盾構(gòu)機(jī)的重要組成局部，承當(dāng)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面土體攪拌密封艙內(nèi)土體的任務(wù)。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是盾構(gòu)機(jī)消耗功率較大的部件之一。過去為了保證刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體的能力和效果，盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)方式多為液壓驅(qū)動(dòng)。但隨著變頻電機(jī)技術(shù)的不斷開展，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)越來越多的采用變頻技術(shù)，而且由于其具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)價(jià)格也在不斷下降，應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)呈擴(kuò)大的趨勢(shì)。變頻驅(qū)動(dòng)具有一般液壓驅(qū)動(dòng)所不能比的優(yōu)點(diǎn)，筆者對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤常用驅(qū)動(dòng)方式特性比擬見表4。

表4刀盤3種驅(qū)動(dòng)方式比擬

由表4可以看出采用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)效率高、噪音小、發(fā)熱量小和占用較少的設(shè)備空間，并且在地質(zhì)變化較大、刀盤啟動(dòng)停止較為頻繁和在較硬的巖土中掘進(jìn)時(shí)刀盤承受較大沖擊力等狀況下，變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)完全能滿足要求。所以選用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是較為合理的，且變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)具有轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)的功能，更便于操作人員控制。

刀盤采用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有良好的對(duì)應(yīng)地質(zhì)的轉(zhuǎn)速與扭矩輸出曲線，刀盤轉(zhuǎn)速在0.30~1.1rpm時(shí)，恒扭矩輸出，在1.1一2.2rpm時(shí)，恒功率輸出，因此，能滿足各種地質(zhì)條件對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速的要求，例如，在高扭矩時(shí)需要低轉(zhuǎn)速(如粘土層)，在低扭矩時(shí)需要高轉(zhuǎn)速(如礫砂層)，符合天津與沈陽(yáng)地質(zhì)特點(diǎn)。刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩一轉(zhuǎn)速輸出特性見圖2。

圖2刀盤扭矩一轉(zhuǎn)速輸出特性圖

因?yàn)榇笾睆蕉軜?gòu)機(jī)前盾空間較大，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)空間設(shè)置限制少，低噪音、適中的工作溫度、對(duì)施工環(huán)境的影響極少的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，為了提高效率，減低起動(dòng)扭矩，簡(jiǎn)化前方臺(tái)車設(shè)備，改善隧道內(nèi)環(huán)境等，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)切削刀盤是首選。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻控制可使刀盤變速運(yùn)轉(zhuǎn)，隨施工狀況和土質(zhì)的軟硬自行調(diào)整，所以能廣泛適應(yīng)各種土質(zhì)。筆者從盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)效率的上下，后續(xù)配備設(shè)備的多少，設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)的難易以及作業(yè)人員工作環(huán)境的優(yōu)劣等方面綜合考慮，認(rèn)為本項(xiàng)工程隧道施工用盾構(gòu)機(jī)，刀盤的驅(qū)動(dòng)方式采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式能夠滿足天津和沈陽(yáng)兩地掘進(jìn)要求。

5.3盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)力矩

盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)力矩確定原那么是需滿足天津和沈陽(yáng)兩種地質(zhì)條件的掘進(jìn)要求，按照略有儲(chǔ)藏，在最惡劣的條件下設(shè)計(jì)計(jì)算驅(qū)動(dòng)力拒。

盾構(gòu)機(jī)刀盤所需扭矩的計(jì)算

根據(jù)日本小松公司的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)，切削刀的切削抵抗系數(shù)在粘土、淤泥質(zhì)粘土土層(水土不別離)中最大(見表：切削阻力系數(shù))。因此采用最惡劣的粘土?淤泥質(zhì)粘土土層(水土不別離)以及隧道上方的土體松弛高度以全覆土來計(jì)算盾構(gòu)機(jī)各主要參數(shù)。

表

切削阻力系數(shù)

計(jì)算條件參數(shù)(按水、土不別離情況計(jì)算)(l)土質(zhì)

粘土、淤泥質(zhì)粘土

(2)覆土H

30m

(3)土的單位體積質(zhì)量

水位上部

1.9t/

(4)土的單位體積質(zhì)量

水位下部

1.9.gt/

(5)標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)值N

0

(6)內(nèi)摩擦角Φ

0

deg

(7)地面載荷S

6t/

(8)側(cè)方土壓系數(shù)Kl

0.7

(9)松弛土的粘著力c

49.05kN/

(10)盾構(gòu)機(jī)外徑d

6.34m

(n)盾構(gòu)機(jī)半徑r

3.17m

(12)殼體長(zhǎng)L

9.005m

(13)盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量G

260t

(14)掘削斷面積A

31.57

(15)刀盤開口率ξ

40%

(16)刀盤半徑rc

3.15m

(17)刀盤厚1

0.4m

(18)切削阻力系數(shù)(見表)

es1.2

(19)切削刀刃寬度Bo

12cm

(20)切深t

23cm

(21)切削刀刃的前角θ

0.262rad

(22)主刀具數(shù)量(安裝總數(shù)的一半)nt

40個(gè)

(23)主刀具平均安裝半徑(d/4)

Rk

1.585m

(24)刀盤支撐梁數(shù)na

6個(gè)

(25)刀盤支撐梁平均安裝半徑ra

1.56m

(26)刀盤支撐梁外徑da

0.46m

(27)刀盤支撐梁長(zhǎng)度la

0.712m

所需扭矩計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩(T)是由刀具的切削阻力矩(Tl)、刀盤面板與地層間的摩擦阻力矩(T2)、刀盤面板

外周與地層間的摩擦阻力矩(T3)、攪拌翼的阻力矩(T4)組成。

(l)刀具的切削阻力矩Tl

一個(gè)切削刀刃所需的阻力矩Ha根據(jù)日本村山?田經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

(2)刀盤面板與地層間的摩擦阻力矩T2

(3)刀盤面板外周與地層間的摩擦阻力矩T3

(4)攪拌翼的阻力矩T4

(5)所需扭矩T

(6)裝備扭矩余量

裝備扭矩To(100%時(shí))515IkN?m{526tf.m}

平安率S=T0/T=1.4倍

裝備扭矩To(120%時(shí))618IkN?m{63ltfm}

平安率S=T0/T=1.7倍

由計(jì)算可知，本盾構(gòu)機(jī)配置了充分的扭矩。并且，本盾構(gòu)機(jī)在100%扭矩時(shí)(=526tf.m)是理論計(jì)算的1.4倍，有充足的余量，特別是在120%扭矩時(shí)(=631tf.m)是理論計(jì)算的1.7倍，足以保證工程的需要。

5.4加泥及加泡沫系統(tǒng)

加泥系統(tǒng)是加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的根本配置。正是采用該系統(tǒng)，對(duì)于不同地質(zhì)的條件，通過添加塑流化改性材料，改善盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)切削土體的塑流性，既可實(shí)現(xiàn)平衡開挖面水、土壓力又能向外順暢排土，大大拓寬了盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)范圍。天津大局部地區(qū)應(yīng)用盾構(gòu)法施工時(shí)，僅采用加泥系統(tǒng)就可滿足隧道施工的要求。為此，在刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮改善砂層的塑流性、止水性的結(jié)構(gòu)及措施。

由于砂層塑流性、止水性差，在掘進(jìn)中會(huì)產(chǎn)生排土不暢或造成砂層固結(jié)，造成土倉(cāng)土壓不穩(wěn)定以及推力增大，為了防止這種現(xiàn)象出現(xiàn)，采用以下措施來改善砂層掘進(jìn)中碴土的塑流性、止水性差特性：

(l)為了防止“砂層塑流性差〞現(xiàn)象的發(fā)生，刀盤配置自動(dòng)泡沫和添加劑注人系統(tǒng)，可根據(jù)需要向開挖面注人泡沫和膨潤(rùn)土及其他聚合物，改善碴土的流動(dòng)性；

(2)為了防止砂層流塑性、止水性差的現(xiàn)象發(fā)生，在掘進(jìn)中會(huì)產(chǎn)生排土不暢或造成砂層固結(jié)，造成土倉(cāng)土壓不穩(wěn)定以及推力增大，刀盤開口的設(shè)計(jì)使碴土進(jìn)人土倉(cāng)的通道流暢；土倉(cāng)空間較大，中心障礙物少，外表平滑，可有效增加添加劑與碴土的混合效率；為防止粘粒含量大的飽和粘性土粘著盾構(gòu)刀盤或造成管路堵塞，通過添加水、膨潤(rùn)土或泡沫來改善土體的粘性，降低其對(duì)施工設(shè)備的不利影響。

(3)刀盤上設(shè)置攪拌棒，隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，輔以倉(cāng)壁上的固定攪拌棒可起到攪拌碴土的功能，對(duì)土倉(cāng)中的廢棄土體進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，使注人在開挖面上或土倉(cāng)中的添加材料(加泥、水、氣泡)與切削下來的土體在土倉(cāng)中進(jìn)行充分的攪拌，提高土體的塑性流動(dòng)性，使在園滑土倉(cāng)中的廢棄土體具有良好的流動(dòng)性和止水性。

由于天津地鐵規(guī)劃所穿越地層有大量的砂土及砂卵石地層，而且不少地區(qū)地下水位較低，甚至隧道穿越無水砂卵石地層，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)在這種地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)時(shí)，僅考慮采用加泥措施來改善切削土體流動(dòng)性往往效果不佳，密封艙內(nèi)切削土體寓析嚴(yán)重，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常堵塞不能正常掘進(jìn)，而且加泥量過大降低了掘進(jìn)效率，增加施工費(fèi)用。為適應(yīng)前述地質(zhì)環(huán)境的施工，可在加泥的根底上增加泡沫系統(tǒng)。利用加人泡沫改善土體粒狀構(gòu)造，吸附在土體顆粒之間的氣泡可以減少土體顆粒的摩擦，增加切削土體的粘聚力，同時(shí)降低土體滲透性，到達(dá)既能平衡開挖面土壓又能連續(xù)向外順暢排土的目的。實(shí)際施工中，根據(jù)地質(zhì)的變化，加泥或加泡沫或同時(shí)加人泥漿和泡沫的混合液，施工效果良好。

5.5螺旋輸送機(jī)

螺旋輸送機(jī)是加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的重要組成局部，主要有以下三個(gè)功能：

(l)將盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)開挖出來的土體向外連續(xù)排出；

(2)切削土體在螺旋輸送機(jī)內(nèi)向外排出過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分散失，保持密封艙內(nèi)土壓穩(wěn)定；

(3)將盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)土壓值的上下，自動(dòng)(也可手動(dòng))與設(shè)定土壓值比擬，隨時(shí)調(diào)整向外排土速度，控制盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)土壓平衡過程，確保盾構(gòu)機(jī)連續(xù)正常向前掘進(jìn)。

根據(jù)螺旋輸送機(jī)的構(gòu)造不同，可分為有中心軸的螺旋桿式螺旋輸送機(jī)和無中心軸的帶式螺旋輸送機(jī)。比擬國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)法施工的業(yè)績(jī)，可認(rèn)為前者適用于一般性土、砂運(yùn)輸，后者適用于較大顆粒的砂卵石和塊石的運(yùn)輸。在本工程中，考慮到在砂層中施工，所以采用對(duì)止水性更為有利的有軸螺旋機(jī)，出土口在螺旋機(jī)尾部設(shè)置了二道閘門。螺旋機(jī)的輸出扭矩按照在粘性土及砂性土中最大要求考慮：

根據(jù)日本小松公司的工程實(shí)績(jī)，粘性土及砂性土中的扭矩系數(shù)α=100~200，盾構(gòu)機(jī)所需回轉(zhuǎn)扭矩為：

T=α×D3=(100~200)×0.653

=27.5~54.9kN?m

根據(jù)上述計(jì)算及小松公司的經(jīng)驗(yàn)，螺旋輸送機(jī)配置扭矩：

T=85.7kN?m(α=312)

實(shí)踐證明，螺旋機(jī)扭矩完全能滿足天津和沈陽(yáng)地鐵施工要求。

5.6壁后同步注漿系統(tǒng)

壁后注漿技術(shù)在盾構(gòu)法隧道施工中的有著重要作用：

(l)同步填充盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中管片逐漸脫出盾尾所產(chǎn)生的間隙；

(2)改善管片結(jié)構(gòu)防水和抗?jié)B性能；

(3)促進(jìn)隧道管片結(jié)構(gòu)及早穩(wěn)定；

(4)限制隧道結(jié)構(gòu)蛇行。

當(dāng)隧道覆土深度不大、地面建筑物結(jié)構(gòu)性差、沉降控制要求嚴(yán)格、以及隧道穿越地層地質(zhì)不良、穩(wěn)定性差時(shí)，必須采用壁后同步水泥一水玻璃雙液注漿。所注人漿液不僅要求能夠同步及時(shí)填滿整個(gè)盾尾間隙，而且要求漿液迅速固結(jié)到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，滿足抵抗土體變形下沉的需要；當(dāng)施工環(huán)境條件與前相反時(shí)，那么可采用壁后同步單液(包括惰性)注漿，也能到達(dá)及時(shí)飽滿填充盾尾間隙的要求和控制沉降的目的，這樣做，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上比擬合理。砂層中由于滲透系數(shù)較大，同步漿液容易向砂層中滲透，因此可以采用雙液注漿，在淤泥質(zhì)、粉質(zhì)粘土可以采用單液注漿，針對(duì)天津、沈陽(yáng)地質(zhì)條件、地鐵隧道的埋深和隧道穿越地區(qū)地面建筑物的狀況，為了滿足天津和沈陽(yáng)兩地區(qū)對(duì)壁后注漿的不同要求，筆者認(rèn)為，在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)時(shí)，需采用既能單液注漿也能雙液注漿的設(shè)計(jì)。

盾構(gòu)法隧道施工中能否及時(shí)填充盾尾間隙，是控制土體沉降的關(guān)鍵。通常每環(huán)漿量為建筑空隙200%~250%，建筑空隙v按下式計(jì)算。

實(shí)際每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量為3.32~4.15。

六、刀具的選擇

6.1刀具形狀和刀具布置

刀具形狀及刀具布置方式是否適合應(yīng)用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)機(jī)的切削效果、出土狀況和掘進(jìn)速度。

6.1.1刀具形狀及其作用

刀具的形狀必須適應(yīng)施工地質(zhì)的特點(diǎn)，并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同，因此應(yīng)對(duì)刀具進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)刀具時(shí)需考慮以下幾個(gè)要素。

第一，刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證切削土體的流動(dòng)性；第二，通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進(jìn)磨損，提高刀具的耐久勝；第三，適應(yīng)城市繁華地區(qū)施工的需要，盡可能減少刀具切削土體過程對(duì)周邊土體及環(huán)境的干擾，如振動(dòng)、噪音等；第四，如何從材料和設(shè)計(jì)方面，降低盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)，保證盾構(gòu)機(jī)刀具長(zhǎng)距離掘進(jìn)的可靠性。

(1)刀具類型確實(shí)定。

盾構(gòu)機(jī)刀具按切削原理分為切削刀和滾刀兩種類型。切削刀的切削原理主要是盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時(shí)，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對(duì)開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進(jìn)方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來，一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進(jìn)。當(dāng)穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量到達(dá)一定比例時(shí)，可采用滾刀型刀具。另在地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強(qiáng)度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯(cuò)頻繁出現(xiàn)的情況，也可以采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。天津地區(qū)一般采用切削刀而不需要采用滾刀型刀具。

(2)主要刀具形狀及作用。

切削刀在刀盤上配置了用于軟土層切削的刀具包括80把正面切削刀、12把周邊刮刀、1把中心切削刀、60把焊接式先行刀，切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如下圖。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°~20°之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。針對(duì)天津市地層特點(diǎn)，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。

先行刀

先行切削土體的刀具為先行刀。刀具切削土體時(shí)，先行刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的切削條件。天津地鐵盾構(gòu)機(jī)刀盤上配置了60把先行刀及12把周邊先行刀，先行刀高于面板110mm，比主切削刀(80mm高)高30mm，切削時(shí)，先對(duì)開挖面進(jìn)行切削，減輕對(duì)主切削刀及面板的磨損，可顯著增加切削土體的流動(dòng)性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率。在松散地層，尤其是砂卵石地層使用效果十清楚顯。先行刀形狀示意見圖4。

6.1.2刀具布置

根據(jù)天津地鐵隧道施工中可能碰到的主要地質(zhì)條件，刀具按照牙型交錯(cuò)連續(xù)排列的原理布置，確保盾構(gòu)機(jī)刀具的切削軌跡布滿開挖全斷面。刀具牙型交錯(cuò)連續(xù)排列布置將刀盤分成內(nèi)、中、外三局部，80把主切削刀配置：內(nèi)部1條掘削軌跡上配置l把切削刀，中間部1條掘削軌跡上配置2把切削刀及外周部1條掘削軌跡配置3把切削刀；60把先行刀配置：內(nèi)部1條掘削軌跡上配置1把先行刀、中間部1條掘削軌