淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型（下）
7 北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵問題
7.1 盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩系數(shù)
盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩系數(shù)(α)是盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要參數(shù)，其值選用是否得當(dāng)直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)能否正常掘進(jìn)。眾所周知，影響盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩的因素較多，在此不贅述。根據(jù)日本《隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解釋》中有關(guān)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備部分的內(nèi)容，盾構(gòu)機(jī)刀盤裝配扭矩M可用以下簡化式計(jì)算：
式中 M - 盾構(gòu)機(jī)裝備扭矩/(kN.m)
α- 扭矩系數(shù)
D - 盾構(gòu)機(jī)外徑
對于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，日本經(jīng)過大量工程實(shí)踐已給出 的經(jīng)驗(yàn)值，取值范圍在8～23之間。根據(jù)北京市地質(zhì)條件，以及我集團(tuán)公司在北京市砂卵石地層采用盾構(gòu)法施工近8km的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為砂土地層，特別是在砂卵石地層中盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)切削圍巖(砂卵石)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩較大，施工中常出現(xiàn)刀盤扭矩瞬間過大的現(xiàn)象。很有必要結(jié)合北京市地質(zhì)條件的特點(diǎn)，對日本提出的 值進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)與日本盾構(gòu)機(jī)制造商進(jìn)行技術(shù)交流和爭論，取得共識。認(rèn)為將盾構(gòu)機(jī)刀盤最大扭矩系數(shù) 值提高到25以上，不僅更適應(yīng)北京地區(qū)砂卵石地層的隧道施工，也間接提高了盾構(gòu)機(jī)的使用壽命，技術(shù)經(jīng)濟(jì)更為合理。
7.2 刀具布置和刀具形狀
刀具布置和刀具形狀在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應(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。
7.2.1 刀具布置
對于全斷面切削的輻條式刀盤，從盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史看，刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯(cuò)連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯(cuò)連續(xù)排列方式。我集團(tuán)公司采購的盾構(gòu)機(jī)，其刀具布置就是采用該方式。兩種刀具布置方式見圖13。
根據(jù)北京市地鐵隧道施工中可能碰到的三種主要地質(zhì)條件，刀具布置時(shí)應(yīng)按照牙型交錯(cuò)連續(xù)排列的原理，確保盾構(gòu)機(jī)刀具的切削軌跡布滿開挖全斷面；另針對不同切削要求(包括不同地質(zhì)的要求)，需設(shè)置切削刀、超前刀、盤圈貝型刀、魚尾刀、仿型刀等幾種刀具。按照各種刀具的特點(diǎn)及作用，經(jīng)過分析比較，各種刀具可采用圖14的布置方式。
7.2.2 刀具形狀及其作用
如前所述，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)對刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對北京地鐵隧道穿越三種主要地層的特點(diǎn)，刀具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)要素。
①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性。
②通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進(jìn)磨損，提高刀具的耐久性。
③適應(yīng)城市繁華地區(qū)施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉(zhuǎn)刀具切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的干擾，如振動、噪音等。
④如何從材料和設(shè)計(jì)方面，對解決盾構(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)提出切實(shí)可行的措施，保證盾構(gòu)機(jī)刀具長距離掘進(jìn)的可靠性。
(1) 刀具的類型及切削原理
目前盾構(gòu)機(jī)刀具按切削原理劃分，一般公認(rèn)有滾刀和切削刀兩種類型(根據(jù)隧道圍巖性質(zhì)不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進(jìn)一步細(xì)分)。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)雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達(dá)到一定比例時(shí)，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質(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，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。北京地區(qū)一般不需要采用滾刀型刀具，至少在西四環(huán)向東的北京市大部分地區(qū)不需要。
切削刀的切削原理則主要是盾構(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。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
(2)主要刀具形狀及作用
①切削刀
切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖15所示。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。針對北京市地層特點(diǎn)，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。切削刀切削土體的示意見圖16。
②超前刀(也稱先行刀)
顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設(shè)計(jì)中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時(shí)，超前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。據(jù)其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。超前刀刀具形狀及與切削刀協(xié)同切削土體的示意見圖17。
③盤圈貝型刀
盤圈貝型刀實(shí)質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時(shí)，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進(jìn)擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據(jù)筆者在日本的施工經(jīng)驗(yàn)，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體(砂卵石)的難題。盤圈貝型刀示意見圖18。
④魚尾刀
采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運(yùn)動圓月逐漸減小，中心點(diǎn)理論上可以視為零。換言之密封艙內(nèi)切削土體的運(yùn)動長度也是由外至內(nèi)逐漸變小，相應(yīng)土體流動狀態(tài)也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5 m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設(shè)計(jì)一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，色尾刀的設(shè)計(jì)和布置可應(yīng)用兩個(gè)技巧：其一讓盾構(gòu)機(jī)分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5 m)土體，而后擴(kuò)大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設(shè)計(jì)與其他切削刀不在一個(gè)平面上，一般魚尾刀超前600 mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn) 時(shí)隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運(yùn)動的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構(gòu)機(jī)整體掘進(jìn)水平。
⑤仿形刀
盾構(gòu)機(jī)一般設(shè)計(jì)兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時(shí)，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達(dá)到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之間。盾構(gòu)機(jī)在曲線段推進(jìn)、轉(zhuǎn)彎或糾偏時(shí)，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機(jī)在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實(shí)現(xiàn)曲線推進(jìn)和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏，因而盾構(gòu)機(jī)需設(shè)置仿形刀。
7.3 轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機(jī)構(gòu)
經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，地鐵施工用盾構(gòu)機(jī)的靈敏系數(shù)(機(jī)長/外徑)一般不大于1.5，不用鉸接機(jī)構(gòu)也能滿足轉(zhuǎn)彎和糾偏的需要。但考慮到在北京市內(nèi)施工控制地面沉降的要求較高，施工中可能有(或已碰到)障礙物，需要提前(或盡量減少與障礙物相撞的范圍)繞開障礙物，需要轉(zhuǎn)彎(甚至較小半徑轉(zhuǎn)彎)掘進(jìn)。此時(shí)使用鉸接機(jī)構(gòu)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和減少對盾構(gòu)機(jī)周邊土體的擾動，對控制沉降有利。用轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機(jī)構(gòu)，還可以依據(jù)曲線隧道的有使關(guān)參數(shù)，預(yù)先計(jì)算出每段曲線中每環(huán)管片應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度，盾構(gòu)機(jī)曲線推進(jìn)前啟動鉸接機(jī)構(gòu)，使之符合曲線前進(jìn)方向的要求，限定盾構(gòu)機(jī)在設(shè)定的曲線上推進(jìn)。為增強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎功能，以適應(yīng)北京地鐵隧道施工的需要，應(yīng)為盾構(gòu)機(jī)配備轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機(jī)構(gòu)。
7.4 洞內(nèi)超前注漿加固隧道前方土體及氣壓封閉開挖面系統(tǒng)
(1)氣壓封閉開挖面系統(tǒng)
在北京市采用密閉式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工時(shí)，掘進(jìn)前方若碰到障礙物，一般不易處理，但施工中很難避免。為此，宜在盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段，考慮與人孔結(jié)合，配備氣壓艙。一旦遇到異常情況(如障礙物等)不能由地面進(jìn)行處理時(shí)，可在隧道內(nèi)進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)密封艙里進(jìn)行處理。
(2)洞內(nèi)超前注漿加固隧道前方土體系統(tǒng)
當(dāng)盾構(gòu)法隧道穿越地段的地面建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較差，或建筑物特別重要時(shí)，對盾構(gòu)機(jī)控制沉降的性能要求很高。特別是對于隧道前進(jìn)方向有重要構(gòu)筑物(如已運(yùn)行地鐵、油庫等)相鄰以及土體由于城市特殊水的原因變軟，或有大量不規(guī)則空隙的情況，筆者認(rèn)為還應(yīng)考慮在隧道內(nèi)對開挖面前方土體注漿加固的輔助措施，即在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)預(yù)先設(shè)計(jì)多個(gè)注漿加固孔(按可全斷面注漿的要求設(shè)計(jì))，同時(shí)配備盾構(gòu)機(jī)內(nèi)專用注漿設(shè)備，一旦施工需要，立即安裝注漿設(shè)備，對開挖面前方土體實(shí)施超前注漿加固。設(shè)計(jì)超前注漿深度一般為3～4 m，最大注漿加固土體斷面直徑可達(dá)12m。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)超前注漿加固土體見圖20。
盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工時(shí)，可以根據(jù)遇到的不同情況，單獨(dú)應(yīng)用機(jī)內(nèi)超前注漿加固土體系統(tǒng)和氣壓密封系統(tǒng)，還可將兩者聯(lián)合使用，以進(jìn)一步提高隧道施工的安全性和可靠性。
7.5 盾構(gòu)機(jī)總推力及分區(qū)油壓控制系統(tǒng)
根據(jù)日本資料，盾構(gòu)機(jī)的總推力與開挖面的土壓阻力、盾構(gòu)機(jī)外圓周摩擦等6個(gè)因素有關(guān)。
在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)時(shí)，一般在考慮6個(gè)因素的基礎(chǔ)上，增加一定比例的富余推力。根據(jù)我集團(tuán)公司在北京市砂卵石地區(qū)盾構(gòu)法施工的經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)阻力較大。為滿足北京地區(qū)砂卵石地層隧道施工盾構(gòu)機(jī)推力的需要，盾構(gòu)機(jī)的總推力宜適當(dāng)增大，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)斷面單位面積上推力大于1200 kN(即盾構(gòu)機(jī)總推力/盾構(gòu)機(jī)外徑圓面積)較為合適。
推進(jìn)系統(tǒng)為盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)提供動力，直線段掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)千斤頂?shù)暮狭碚撋蠎?yīng)在盾構(gòu)機(jī)的軸心；曲線段掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)千斤頂?shù)耐七M(jìn)合力作用點(diǎn)則應(yīng)該位于最有利于盾構(gòu)機(jī)曲線掘進(jìn)的位置上(盾構(gòu)機(jī)加工制造時(shí)千斤頂位置已固定的條件下進(jìn)行調(diào)鏈)。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)施工時(shí)，為控制出現(xiàn)較大偏差，推進(jìn)操作時(shí)實(shí)際上是隨時(shí)在對盾構(gòu)機(jī)的態(tài)勢進(jìn)行糾偏和調(diào)整。為便于推進(jìn)千斤頂分區(qū)編組或自由編組，實(shí)現(xiàn)適時(shí)糾偏，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為分區(qū)油壓控制，確保推進(jìn)千斤頂?shù)暮狭M足曲線掘進(jìn)及糾偏的要求。
7.6 屑構(gòu)機(jī)在砂卵石地層掘進(jìn)的耐磨損(耗)措施
根據(jù)我集團(tuán)公司在北京市砂卵石地層進(jìn)行盾構(gòu)法施工的經(jīng)驗(yàn)，北京地區(qū)砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤、刀具、密封艙內(nèi)壁以及螺旋輸送機(jī)的磨損(耗)比較大，特別是在石英砂含量較多、卵石(礫石)粒徑較大的情況下，磨損極為嚴(yán)重。為保證盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)刀具切削正常，實(shí)現(xiàn)長距離掘進(jìn)，筆者查閱國內(nèi)外有關(guān)刊物關(guān)于砂卵石地層施工的技術(shù)資料，并請教國內(nèi)外有關(guān)盾構(gòu)技術(shù)專家，提出盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取以下措施。
(1)使用耐磨及韌性好的礦用刀具材料，除在刀具刀口部分考慮嵌入超硬材料(如碳化鎢合金等)外，切削土砂(卵石)沿刀具向后流動所經(jīng)過的刀具表面也適當(dāng)給予加強(qiáng)。
(2)考慮采用主副刀聯(lián)合切削土體，設(shè)計(jì)主副切削刀(主副超前刀)。其基本思想是利用主副刀不同的切削高度差(高差值約為20mm，可經(jīng)過磨損計(jì)算確定)，延長刀具使用壽命。當(dāng)主切削刀(主超前刀)的高度磨損大于20mm后，副切削刀(副超前刀)開始工作。這樣．延長了刀具的磨損長度，大大提高了刀具整體抗磨損(耗)能力。圖21為主副切削刀布置示意圖。
(3)在盾構(gòu)機(jī)刀盤盤圈后端、密封艙內(nèi)壁以及螺旋輸送機(jī)內(nèi)均采用耐磨材料，并考慮便于維修和更換的措施。
7.7 減少屑構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力的措施
根據(jù)不同地質(zhì)條件，以及N(標(biāo)準(zhǔn)貫人錘擊數(shù))值的大小，切削刀最大切削軌跡外徑、刀盤盤圈外徑和盾構(gòu)機(jī)外徑三者的尺寸之間有細(xì)微的差別，若處理不當(dāng)，將增大推進(jìn)阻力，給盾構(gòu)機(jī)整機(jī)推進(jìn)性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區(qū)地層特點(diǎn)，筆者認(rèn)為為減少盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力，除盾構(gòu)機(jī)設(shè)有加泥加泡沫系統(tǒng)外，還應(yīng)采用以下兩項(xiàng)措施：
(1)設(shè)計(jì)主切削刀最大切削軌跡外徑略大于盾構(gòu)機(jī)外徑，既減少盾構(gòu)機(jī)刀盤盤圈和盾構(gòu)機(jī)外周的摩擦阻力，又不會影響盾構(gòu)機(jī)控制土體沉降的能力和效果。
(2)調(diào)整刀具切削土體深度，合理設(shè)置刀盤盤圈刀具(貝型刀)，喊少切削阻力。根據(jù)刀盤盤圈刀具切人土體深度的計(jì)算公式，可計(jì)算出刀具切人土體的深度(表5)。
由表5可知，刀具布置可顯著影響刀具切削土體的深度。為減少推進(jìn)阻力、切削噪音和切削振動，應(yīng)選擇合適的刀具切削深度。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)高速推進(jìn)時(shí)，切削深度以10～15mm為好；一般速度推進(jìn)時(shí)，切削深度則以4～8mm為好。故在刀盤盤圈上布置5～7把刀具較為理想。
8 結(jié) 語
隨著北京市申奧成功，北京市對整個(gè)城市的交通體系重新進(jìn)行了規(guī)劃，確立了以軌道交通為今后重點(diǎn)發(fā)展的思路。北京市的軌道交通遠(yuǎn)期規(guī)劃已達(dá)1000km以上，僅2008年以前就要完成近200km的軌道工程的建設(shè)任務(wù)，隧道工程量巨大。而盾構(gòu)施工技術(shù)以其對城市環(huán)境影響小、隧道工程質(zhì)量易于保證以及施工速度快等優(yōu)勢，必然在今后的城市隧道施工中被大量采用。盾構(gòu)機(jī)作為盾構(gòu)法施工的大型專用機(jī)械設(shè)備，其選型正確與否，無論是對于盾構(gòu)施工的技術(shù)水平，還是對于盾構(gòu)施工的成本和效益，均起著舉足輕重的關(guān)鍵作用。因此，應(yīng)高度重視盾構(gòu)機(jī)的選型工作。對于北京地區(qū)隧道施工用盾構(gòu)機(jī)的選型，因筆者較早涉及，有一點(diǎn)體會和摸索了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，本文作為拋磚引玉，希望與國內(nèi)同行探討和共同做好此項(xiàng)工作。
另外，北京市在奧運(yùn)會之前，計(jì)劃建設(shè)地鐵五號線、四號線、十號線、九號線以及奧運(yùn)支線等地鐵線路，工程開工強(qiáng)度大。為滿足隧道施工的需要，筆者估計(jì)，近幾年剛北京市至少需要10～15臺盾構(gòu)機(jī)。根據(jù)筆者三年多在北京市盾構(gòu)施工(以及機(jī)械化頂管施工)的經(jīng)驗(yàn)，施工企業(yè)、國內(nèi)大型重工業(yè)企業(yè)和科研單位攜起手來，共同開發(fā)盾構(gòu)機(jī)，我國一定能設(shè)計(jì)和制造出適應(yīng)北京地區(qū)地質(zhì)條件的盾構(gòu)機(jī)，為北京市乃至全國的地鐵建設(shè)作出貢獻(xiàn)。
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文章出處：《現(xiàn)代隧道技術(shù)》
樂貴平 (北京市政集團(tuán))
