淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型(中)

6 加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的基本技術(shù)（配置）

前節(jié)已詳細(xì)闡明了采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性，下面針對北京市地鐵隧道工程，筆者試提出盾構(gòu)機(jī)的基本技術(shù)(配置)選擇和要求。

6.1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。針對北京的地質(zhì)條件以及目前地鐵隧道埋深不超過25 m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％。因此筆者對兩種型式的刀盤特性進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明，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(比較結(jié)果詳見表3)。

6.2構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動方式

刀盤驅(qū)動方式是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，其承擔(dān)驅(qū)動刀盤旋轉(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)動系統(tǒng)也是盾構(gòu)機(jī)內(nèi)務(wù)系統(tǒng)中消耗功率較大的設(shè)備之一。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)動方式多設(shè)計(jì)為液壓驅(qū)動。但隨著變頻電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸在盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)中被采用，而且由于其具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)價(jià)格也在逐年下降，應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)呈不斷擴(kuò)大的趨勢。筆者從盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動效串的高低，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)為北京地區(qū)隧道施工用盾構(gòu)機(jī)，其刀盤的驅(qū)動方式以采用變頻電機(jī)驅(qū)動方式為好。盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動方式特性比較見表4。

6.3盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐方式

盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐方式如圖6所示，一般有中心支撐，中間支撐和周邊支撐三種方式。采用何種方式，主要依據(jù)盾構(gòu)機(jī)的直徑和工程的地質(zhì)條件。中心支撐方式主要用于中小直徑(直徑≤φ7.5m以下)的盾構(gòu)機(jī)，其對地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好．中間支撐方式則主要用于中大直徑(直徑在Φ4.5～φ17.4m之間，有工程實(shí)績)的盾構(gòu)機(jī)，當(dāng)直徑不太大、地質(zhì)條件為粘性土?xí)r，刀盤采用中間支撐方式易在支撐的中心部分粘附，并逐漸擴(kuò)大形成俗稱"泥餅"的現(xiàn)象，造成出土不暢與盾構(gòu)機(jī)的阻力增大。因北京市有大量的粘土層，若盾構(gòu)機(jī)刀盤采用中間支撐方式，需對此給予充分注意和采取有效對策。周邊支撐方式則比較靈活，即可用于小直徑盾構(gòu)機(jī)，也可用于大直徑盾構(gòu)機(jī)，但也同樣存在刀盤支撐位置處易于粘附的問題，需要采取相應(yīng)的解決措施。上述三種盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐方式中，前兩種目前在盾構(gòu)機(jī)中廣泛應(yīng)用，后一種使用尚不多。故筆者僅對中心支撐方式與中間支撐方式進(jìn)行比較。

根據(jù)筆者盾構(gòu)法隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，以及查閱有關(guān)技術(shù)資料和與盾構(gòu)機(jī)制造商進(jìn)行專題研討，對于外徑為46.50 m左右的盾構(gòu)機(jī)，單就刀盤支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度(含剛度)而言，盾構(gòu)機(jī)刀盤采用中心支撐方式或中間支撐方式均能滿足北京地區(qū)隧道施工要。但是針對北京地鐵隧道的規(guī)劃線路和可能碰到的地質(zhì)條件，這兩種支撐方式對盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)切削土體的攪拌狀態(tài)(反映切削土體在密封艙內(nèi)的流動特性與平衡土壓力的控制效果)、刀盤密封性能(反映主軸的使用壽命)等方面有較大的差異，若處理不當(dāng)，會對盾構(gòu)機(jī)的使用造成不利影響。筆者結(jié)合北京市地質(zhì)情況，對前述兩個(gè)方面進(jìn)行了比較。

6 .3.1 盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)切削土體攪拌狀態(tài)

(1) 中間支撐方式

如圖7所示，由于中心支座的存在，將盾構(gòu)機(jī)密封艙分隔成兩個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域直徑約為3.5m，占密封艙內(nèi)相當(dāng)大的空間。當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，支座中心區(qū)域以外部分的土體流動順暢，易于攪拌；中心區(qū)域內(nèi)的土體流動較差，當(dāng)切削土體粘性較大或者所加泥漿攪拌不良并長期積聚于中心區(qū)域時(shí)，中心區(qū)域土體逐漸增多最終形成"泥餅"，完全喪失流動性。內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域的土體流動性差異較大，土體攪拌混合的效果難以確保。綜上所述，刀盤采用中間支撐方式的盾構(gòu)機(jī)在粘性土(包括粉細(xì)砂)中施工時(shí)，若處理不好，密封艙內(nèi)切削土體攪拌效果不易滿足要求，并可能會因粘附堵塞形成"泥餅"，造成出土不暢、阻力增大、開挖面土壓控制不穩(wěn)定。因而，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果受到影響，且對控制地面沉降不利。

(2) 中心支撐方式

如圖8所示，盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體時(shí)，密封艙內(nèi)土體的流動空間和被直接攪拌的范圍大，土體流動順暢，土體攪拌混合效果良好，引起堵塞的可能性較小，開挖面土壓控制穩(wěn)定。因而，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效果較好，改善了盾構(gòu)機(jī)控制地面沉降的性能。

6.3.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤密封性能

盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)時(shí)，其刀盤一方面旋轉(zhuǎn)切削土體．一方面隨著盾構(gòu)機(jī)向前方頂進(jìn)。中心支撐主軸和中間支撐主軸轉(zhuǎn)動圈外周是不同的，即在相同轉(zhuǎn)速下，密封材料所密封的長度不同。因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘進(jìn)長度以及相同掘進(jìn)速度的條件下，對密封系統(tǒng)的磨耗完全不同(詳見圖9)。按照盾構(gòu)機(jī)刀盤的轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度的計(jì)算公式，可以求出兩者差異。計(jì)算公式如下：

(5)式表明，中心支撐的主軸轉(zhuǎn)動圈外周長度僅為中間支撐的0.3倍，因此就密封系統(tǒng)的使用壽命而言，盾構(gòu)機(jī)刀盤采用中心支撐比采用中間支撐有利。

根據(jù)比較與分析結(jié)果，從①盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)的土體的攪拌效果，確保在粘土、砂、砂卵石地層中推進(jìn)均不易發(fā)生粘附堵塞；②開挖面平衡土壓控制穩(wěn)定，地面沉降控制效果良好；③可延長盾構(gòu)機(jī)的使用壽命，降低工程造價(jià)等方面綜合考慮，筆者認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)刀盤支撐方式采用中心支撐方式優(yōu)于中間支撐方式。

6.4 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)的基本配置。正是采用該系統(tǒng)，對于不同地質(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。北京市東邊大部分地區(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。

由于北京市地鐵規(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)筆者的經(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)，而且加泥量過大掘進(jìn)效率降低，施工費(fèi)用增加。為適應(yīng)前述地質(zhì)環(huán)境的施工，可在加泥的基礎(chǔ)上增加泡沫系統(tǒng)。利用加入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，達(dá)到既能平衡開挖面土壓又能連續(xù)向外順暢排土的目的。我集團(tuán)公司在北京市無水砂卵石地層施工時(shí)，根據(jù)地質(zhì)的變化，加泥或加泡沫或同時(shí)加入泥漿和泡沫的混合液，施工效果良好。

6.5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)的重要組成部分，主要有以下三個(gè)功能：

(1) 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)土壓值的高低，自動(也可手動)與設(shè)定土壓值比較，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)。比較國內(nèi)外盾構(gòu)法施工的業(yè)績，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。雖然目前國內(nèi)在盾構(gòu)機(jī)用帶式螺旋運(yùn)輸機(jī)的加工制造方面經(jīng)驗(yàn)不多、技術(shù)尚不成熟，但國外已經(jīng)大量采用，有相當(dāng)豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。對于北京市地鐵隧道施工，必然要遇到砂土層和砂卵石地層，同時(shí)還可能遇到少量的大顆粒卵石或漂石，為盡可能增加盾構(gòu)機(jī)最大排出卵石(礫石) 的能力，宜采用帶式螺旋運(yùn)輸機(jī)。

6.6 皮帶運(yùn)輸機(jī)

皮帶運(yùn)輸機(jī)與螺旋箱送機(jī)相接，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)切削土體由螺旋輸送機(jī)向外排出后，經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到出碴斗車，再運(yùn)往工作豎井外。盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)一方面向外運(yùn)土，另一方面兼作吊運(yùn)管片的承重結(jié)構(gòu)。因此，皮帶運(yùn)輸機(jī)的長度要根據(jù)水平出土運(yùn)輸?shù)氖┕そM織而定，地鐵施工用皮帶運(yùn)輸機(jī)的長度一般為40m左右；另外，皮帶運(yùn)輸機(jī)的托架必須滿足吊運(yùn)5000kg的要求。

6.7 壁后同步注漿系統(tǒng)

隨著盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，廣大工程技術(shù)人員逐漸深刻地認(rèn)識到壁后注漿技術(shù)在盾構(gòu)法隧道施工中的重要作用，若進(jìn)行歸納，可以指出有以下幾個(gè)作用：

(1)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(簡稱盾尾間隙，一般在60～100mm之間)。

(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。

壁后同步注漿最重要的作用是第一項(xiàng)，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。針對北京市地質(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，筆者認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)應(yīng)具備單(包括惰性)、雙液注漿的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，確保地面建筑物的安全。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)，必須采用壁后同步雙液注漿。所注入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)達(dá)到設(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)，則可采用壁后同步單液(包括惰性)注漿，也能達(dá)到及時(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)上比較合理。

6.8 盾尾密封系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)盾尾密封系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。追溯盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐，盾構(gòu)法隧道施工所發(fā)生的安全事故常常不在盾構(gòu)機(jī)頭而在盾尾。盾構(gòu)機(jī)盾尾密封一般有剛性密封和柔性密封。由于剛性密封對管片生產(chǎn)和管片拼裝質(zhì)量要求較高，逐漸被柔性密封取代。對于北京地區(qū)的具體情況，盾構(gòu)機(jī)采用內(nèi)注密封油脂式鋼絲刷柔性密封系統(tǒng)即可滿足隧道施工要求。鋼絲刷密封系統(tǒng)柔度適中，適應(yīng)性強(qiáng)，對管片及管片拼裝質(zhì)量要求一般。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，向盾尾連續(xù)注入優(yōu)質(zhì)盾尾密封油脂，可保證在0.5MPa的壓力下，盾尾不會出現(xiàn)滲漏水和滲漏泥漿。

6.9 管片正圓器

在直徑大于5 m以上的盾構(gòu)法隧道中，拼裝完好的管片在脫出盾尾后會產(chǎn)生下沉變形，影響管片最終拼裝質(zhì)量。由于北京地區(qū)隧道施工要求較高，為保證管片在脫出盾尾后的最終拼裝質(zhì)量，建議采用管片正圓器對管片變形進(jìn)行矯正和限制。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，上下支撐式管片正圓器正圓效果較好，其示意見圖10。

6.10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)

為提高盾構(gòu)機(jī)施工技術(shù)水平，國外已開發(fā)出性能優(yōu)越的管理軟件，其中盾構(gòu)機(jī)挖掘數(shù)據(jù)管理軟件是應(yīng)用最廣泛的軟件系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)，可輸出周報(bào)、日報(bào)、環(huán)報(bào)以及掘進(jìn)100 mm為單位的挖掘管理數(shù)據(jù)；有各種參數(shù)設(shè)定、測量、掘進(jìn)、報(bào)警以及歷史曲線和動態(tài)曲線等施工應(yīng)用畫面；所有采集數(shù)據(jù)均能保存下來，供日后分析和判斷。

6.11 全自動監(jiān)測與導(dǎo)向系統(tǒng)

隨時(shí)掌握與分析盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程的各種參數(shù)，是現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的一個(gè)主要部分，也是指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)正常、順利掘進(jìn)不可缺少的條件。如6.10節(jié)所述，先進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)是目前盾構(gòu)機(jī)的基本配置。為更好地把握盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的各種狀態(tài)，筆者注意到日本最新開發(fā)出的盾構(gòu)機(jī)全自動監(jiān)測與導(dǎo)向新技術(shù)。這一套配有高精度陀螺儀的全自動監(jiān)測與導(dǎo)向系統(tǒng)擁有以下功能：

(1)自動監(jiān)削掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)的各種狀態(tài)，包括盾構(gòu)機(jī)的傾斜、轉(zhuǎn)動、方位及位置。

(2)將(1)項(xiàng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)全部收集、顯示、打印與保存。

(3)自動監(jiān)測結(jié)果可隨時(shí)與事先輔入的數(shù)據(jù)，如隧道設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行比較。

(4)自動監(jiān)測結(jié)果可以和盾構(gòu)機(jī)的其他推進(jìn)技術(shù)參數(shù)同屏顯示。

若采用這套全自動監(jiān)測系統(tǒng)，無論是具體的操作人員還是工程管理技術(shù)人員都能在各自的位置上隨時(shí)掌握盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的各種狀態(tài)，可以與事前輸入的隧道軸線相比較，也可以隨時(shí)對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)詢價(jià)，該系統(tǒng)價(jià)格不高，因而我集團(tuán)公司在購買φ6.14m盾構(gòu)機(jī)時(shí)，引進(jìn)了這套系統(tǒng)，使我集團(tuán)公司的盾構(gòu)機(jī)在操作性能和控制技術(shù)得到大大提高。

6.12 盾尾間隙自動測量系統(tǒng)

按照目前盾構(gòu)機(jī)盾尾密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，盾構(gòu)機(jī)一般均存在盾尾間隙。間隙的大小則根據(jù)盾構(gòu)法隧道曲線段施工曲率半徑的大小、管片安裝所需空間以及管片安裝不當(dāng)出現(xiàn)蛇行(此項(xiàng)目與施工隊(duì)伍的施工技術(shù)水平有關(guān))等因素來確定。為盡可能排除或減少盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中盾尾間隙處出現(xiàn)管片外周與盾殼內(nèi)側(cè)相互擠壓，降低推進(jìn)阻力，進(jìn)一步提高管片拼裝質(zhì)量，筆者建議為盾構(gòu)機(jī)增加一項(xiàng)盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，其價(jià)格不貴但使用效果較好。采用盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，在施工中可自動連續(xù)測量盾尾間隙的大小，適時(shí)判斷管片與盾尾之間的相對位置，并與其他盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)技術(shù)參數(shù)結(jié)合，達(dá)到綜合控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的目的。盾尾間隙自動測量示意見圖1l。

6.13 球面壓力傳感器

控制開挖面土壓平衡的土壓計(jì)，是盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)土壓平衡控制的關(guān)鍵元件之一，其精度一般較高。但在砂卵石地層中施工時(shí)，粒徑較大的砂卵石，頻繁撞擊土壓計(jì)，對土壓計(jì)的質(zhì)量要求很高。為防止土壓計(jì)失效，筆者建議將其設(shè)計(jì)為球面壓力傳感器，施工中萬一出現(xiàn)損壞，可以在機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓力計(jì)的更換。球面壓力傳感器更換示意見圖12。

文章出處：《現(xiàn)代隧道技術(shù)》
樂貴平 　(北京市政集團(tuán))