北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型

1、摘要：根據(jù)北京地區(qū)工程地質(zhì)和條件，以及北京市地鐵施工的特點，提出適用于北京地區(qū)地鐵施工用的盾構(gòu)機型和盾構(gòu)機基本配置的技術要求，同時還就盾構(gòu)機扭矩、刀具形狀與布置及作用等技術關鍵點進行了討論。此外還提出，施工企業(yè)、國內(nèi)重工業(yè)企業(yè)及科研單位三看聯(lián)合起來共同攻關，可以設計和制造出滿足北京地區(qū)地鐵施工用的盾構(gòu)機。關鍵詞：北京地鐵盾構(gòu)機造型砂卵石磨損1 前言為承接北京地鐵隧道施工任務，我集團公司于2002年10月參加了北京市地鐵五號線盾構(gòu)法施工標段的投標，由筆者執(zhí)筆編寫投標書中盾構(gòu)機選型部分內(nèi)容。在完成此任務的過程中，筆者對北京地區(qū)地質(zhì)特征、盾構(gòu)機機型及適應工程地質(zhì)的特點等進行了思考，感到國內(nèi)大型重工業(yè)

2、企業(yè)如果深刻認識到北京地區(qū)地質(zhì)的特點，在設計方面針對關鍵問題有正確的解決辦法，再加上精心制造，完全有能力設計和制造出滿足北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機。為此，筆者將北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型的有關資料進行整理，同時結(jié)合我集團公司購買北京市地鐵五號線施工用盾構(gòu)機(外徑6.14 m)時的一些基本考慮，勉湊一文，供國內(nèi)同行參考，為促進我國盾構(gòu)技術的發(fā)展貢獻一點微薄之力。2 北京地區(qū)地質(zhì)情況簡介及地鐵隧道形式2.1 工程地質(zhì)及條件北京市地處永定河洪沖積扇的中上部，第四系松散土層及砂卵石層遍布全區(qū)，其地質(zhì)沉積層的相變十分明顯，如西部單一的砂卵石層向東很快漸變成粘性土和粉細砂互層的多層狀態(tài)。在北京市

3、采用盾構(gòu)法進行隧道施工時，將碰到以下幾類極具北京地質(zhì)特征的地層：(1)粘性土及粉土層(粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土)。(1)砂性土層(粉細砂、中細砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。(3)砂卵石地層(一般粒徑35mm，西部515mm，最大層厚超過40m以上)。(4)粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、中細砂互層，中砂、粉質(zhì)粘土、砂卵石互層。北京市的地下水一般指上層滯水、潛水和淺層地下水，另有一類、河期滲漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。2.2 地鐵隧道形式北京市地鐵隧道覆土厚度約為816m，埋深約為1422m。一般考慮采用節(jié)能型車站，隧道線形既有平曲線又有豎曲線。地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。隧

4、道可分為普通環(huán)和通用環(huán)兩種形式(圖1，圖2)。普通環(huán)形式為常用的標準環(huán)+左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)環(huán)(楔形環(huán))方式，在直線段使用標準環(huán)，曲線段采用楔形環(huán)。目前國內(nèi)大部分城市地鐵隧道均采用此種普通環(huán)拼裝方式。通用環(huán)形式是歐州常用的管片拼裝方式，該方式只有1種楔形環(huán)，通過其不同組合實現(xiàn)直線和曲線管片拼裝。兩種結(jié)構(gòu)形式管片均由6塊組成，本次北京市地鐵五號線盾構(gòu)施工標段即采用通用環(huán)拼裝方式。3 地鐵施工用盾構(gòu)機選型基本原則筆者經(jīng)過對國際國內(nèi)盾構(gòu)施工技術的調(diào)查分析，針對北京市地鐵隧道盾構(gòu)法施工，認為盾構(gòu)機選型時應遵循以下幾項基本原則。（1）盾構(gòu)機技術水平先進可靠，并適當超前，符合我國國情（2）所選盾構(gòu)機應滿足北京市地鐵

5、各條隧道所穿越地層不同地質(zhì)與條件的施工需要，特別是要滿足在2008年前必須完成的隧道工程施工的需要。（3）能夠滿足淺埋或超淺埋地鐵隧道施工以及穿越大量房屋之下施工的需要，即要求盾構(gòu)機對控制地表沉降配備足夠的功能和具有良好的操作性能。（4）盾構(gòu)機能夠適應北京市地下構(gòu)筑物眾多的特點，必要時可實現(xiàn)隧道（盾構(gòu)機）內(nèi)清楚或撤換障礙物的施工。（5）盾構(gòu)機在設計方面應考慮北京市地鐵隧道施工需要多次拆卸、多次組裝和可能應用于多項隧道工程的實際特點。4 盾構(gòu)機選型考慮要素及注意點4.1 工程地屬條件(1)粘性土及粉土層盾構(gòu)機在此地層中施工時，一般較容易控制，但常會發(fā)生刀盤粘附導致增大阻力和螺旋輸送機的粘附堵塞，

6、因而盾構(gòu)機選型時應注重在刀盤形式、開口率、刀具、加泥位置等考慮解決方法。(2)砂性土層盾構(gòu)機在砂性土層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)機推進擠壓下水分很快排出，土體強度提高，故不僅盾構(gòu)機推進摩擦阻力大，而且開挖面土壓力也較大，常會導致盾構(gòu)機刀盤扭矩和總推力不足。另外，盾構(gòu)機密封艙內(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，有時甚至實現(xiàn)不了與開挖面土壓力保持動態(tài)平衡的需要，操作不當會出現(xiàn)開挖面上方的局部坍塌。再有，北京地區(qū)砂性土中石英含量較大，刀具磨損較嚴重，并伴有損壞盾尾密封系統(tǒng)的現(xiàn)象。因此盾構(gòu)機選型時，應將設備的推力、刀盤的扭矩、

7、形式、開口率，以及加泥加泡沫系統(tǒng)等內(nèi)容作為重點統(tǒng)籌考慮。(3)砂卵石地層北京地區(qū)的砂卵石地層一般級配良好，含砂率在2540之間盾構(gòu)機在此地層中施工遠比在砂性土層中施工困難：首先是盾構(gòu)機密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較困難，甚至盾構(gòu)機實現(xiàn)不了土壓平衡的功能；其次是大粒徑砂卵石不但切削或破碎困難，而且切削下來的碴土經(jīng)螺旋輸送機向外排出也十分困難；再次是刀盤(刀具)和螺旋輸送機以及密封艙內(nèi)壁磨損嚴重，而且盾構(gòu)機掘進過程中產(chǎn)生的震動和噪音對周邊環(huán)境影響較大等等。因此盾構(gòu)機選型時，必須從如何解決上述三個問題出發(fā)，對刀盤支撐方式、刀盤形式，刀具形狀及布置方式，加泥加泡沫系統(tǒng)等方面認真研究，保證所選機型適應砂卵石地

8、層的施工。(4)粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、中細砂互層對于此類地層，盾構(gòu)機施工比較容易有時甚至不用加泥只需加水即能順利施工。(5)中砂、粉質(zhì)粘土、砂卵石互層對于此類地層，盾構(gòu)機施工比砂性土層困難，而遠比砂卵石層容易，所需注重問題與前三項類似，但因為幾類地質(zhì)交互的原因，情況有較大變化。4.2 工程水文條件對于采用密閉式盾構(gòu)機技術施工，除工作井施工需要考慮降水外，區(qū)間隧道盾構(gòu)機施工時對地下水只需稍加注意即可(對于密封以下的水壓力，就目前盾構(gòu)機技術水平已很容易)。對于城市特殊水，因其產(chǎn)生原因和作用于土體的狀況復雜多變，不易一概而論。有些情況其對地層土體物理力學性能的影響較大，如土體被特殊水長期浸泡變軟或由于

9、管道滲漏其周圍土體不斷被水帶走后形成不規(guī)則空穴等等，給盾構(gòu)施工沉降控制造成很大困難。因此盾構(gòu)機選型肘對城市特殊水的影響需特別加以考慮。4.3 曲線施工根據(jù)城市地鐵的使用要求以及城市網(wǎng)的，地鐵隧道必然存在曲線部分，而節(jié)能型車站通常為進站上坡出站下坡，也有坡度較大的豎曲線部分；另外地鐵隧道線形設計或施工時，常為避開既有構(gòu)筑物，不得已改變線形，也會出現(xiàn)曲線。因此盾構(gòu)機所裝備的功能，應滿足曲線推進的要求。設計在曲線段一般采用楔形管片，但為減少曲線施工對土層的干擾，筆者認為除采用楔形管片外，設計盾構(gòu)機時還可以考慮采用油壓分區(qū)控制、實現(xiàn)千斤頂可自由編組；或采用仿形刀裝置、鉸接機構(gòu)等功能綜合解決。4.4 地

10、下構(gòu)筑物眾多北京是一個擁有一千多萬人口的特大城市，地下修建了大量的構(gòu)筑物，如上下水管道、煤氣、熱力、電力、通訊、人防工程等。北京又是一個古老的城市，除地下可能有大量文物外，舊繁華市區(qū)還可能存在一些年代久遠、損壞嚴重、存在嚴重滲滑的各種管道。而由于歷史的原因，北京市城市建設檔案管理相對滯后，很難弄清地下各種構(gòu)筑物的分布狀況。工程時，因鉆孔距離的局限，隧道沿線總存在的空當，實際上還存在地鐵隧道上方地面現(xiàn)有大量房屋，不能實施。因此盾構(gòu)法施工過程中，會遇到各種障礙物或異物，并且往往不具備從地面進行處理的條件，給盾構(gòu)掘進施工帶來意想不到的困難。盾構(gòu)機選型時，應考慮北京地下構(gòu)筑物眾多的現(xiàn)實，提出相應的解決

11、辦法。4.5 淺覆土及隧道穿越物下方 隧道穿越建筑物下方，特別是舊有民房(穿越其它現(xiàn)存構(gòu)筑物兩者距離過近的情況也可劃歸此類)，是城市隧道采用盾構(gòu)法施工的首選原因；另由于種種原因，地鐵隧道總會有局部埋深不大，隧道覆土較淺的地段，故盾構(gòu)機在上述條件下施工不可避免。對此稍作分析即可知道，這兩種情況下盾構(gòu)法施工所需要考慮的問題都是如何控制土體(地面)沉降或變形，避免引起地面建筑物下沉、傾斜、開裂或者避免造成相鄰構(gòu)筑物損壞。根據(jù)盾構(gòu)法施工經(jīng)驗如果施工控制不好，確實會引起隧道前方或周邊土體產(chǎn)生較大沉降與變形，造成地面房屋開裂或嚴重干擾相鄰構(gòu)筑物。因而盾構(gòu)機選型時，將盾構(gòu)機配備控制土體沉降與變形的功能以及具

12、有操作簡便、靈巧等性能作為重點考察內(nèi)容。4.6 同一臺盾構(gòu)機多次解體、搬運、組裝調(diào)試與掘進 根據(jù)北京地區(qū)地質(zhì)條件，盾構(gòu)機的使用壽命一般可達6km甚至10km以上，而盾構(gòu)法隧道工程標段劃分不會過大，估計在兩個區(qū)間左右，即單線長度不大于4km，低于盾構(gòu)機的使用壽命。筆者認為應考慮我國國情，盡可能增加盾構(gòu)機用于工程施工的長度。故所選盾構(gòu)機在確保適應北京各類地層施工的前提下，須充分考慮盾構(gòu)機分塊的合理性，既要保證盾構(gòu)機的整體質(zhì)量，又要滿足便于組裝、解體和搬運的要求。5 盾構(gòu)機機型選擇盾構(gòu)機技術發(fā)展簡要回顧 盾構(gòu)機問世近180年，但得到迅速發(fā)展是在20世紀60年代以后?？v覽當今世界各國，盾構(gòu)機綜合技術水

13、平首推日本(截至2002年10月，生產(chǎn)盾構(gòu)機及TBM近8500臺)和歐洲(截至2002年10月，生產(chǎn)盾構(gòu)機及TBM近500臺)最高。盾構(gòu)機由初期的手掘式發(fā)展到半機械式、全機械式，以及近30多年來高速發(fā)展的泥水式平衡盾構(gòu)機和加泥式土壓平衡盾構(gòu)機等?，F(xiàn)代盾構(gòu)機已在自動控制、激光導向、液壓傳動、開挖面壓力控制、壁后同步注漿、盾尾密封、管片拼裝、計算機數(shù)據(jù)采集等方面得到很大發(fā)展。進入20世紀80年代后期，世界上又開發(fā)出既可用于軟土地層又可用于巖石圍巖的復合式盾構(gòu)機；開發(fā)出可轉(zhuǎn)任意角度的復合子母式盾構(gòu)機。另外，盾構(gòu)法隧道成型斷面除圓形之外，多圓形、橢圓形、矩形及多室矩形也在實際工程中得到應用。當今世界盾

14、構(gòu)機的技術水平已發(fā)展到相當高的階段。對于北京地區(qū)的地質(zhì)條件以及地鐵隧道工程所穿越的區(qū)域，采用泥水式平衡盾構(gòu)機和加泥式土壓平衡盾構(gòu)機均能滿足隧道施工的需要。5.2 盾構(gòu)機機型的確定 正如節(jié)所述，采用當今技術水平最高的泥水式平衡盾構(gòu)機和加泥式土壓平衡盾構(gòu)機，均能滿足北京市地鐵隧道的施工，但究竟采用那一種機型技術經(jīng)濟更合理，必須從盾構(gòu)機的工作原理、適用地質(zhì)領域的寬窄、經(jīng)濟指標以及對環(huán)境的影響等綜合均衡比較之后，才能得出正確的決策。 泥水式平衡盾構(gòu)機的工作原理是通過向密封艙內(nèi)加入泥水(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)機內(nèi)部空間較大，特別是大直徑隧道施工具有

15、一定技術優(yōu)勢，但施工棄土需進行泥水分離處理。該設備系統(tǒng)龐大，占地面積多，且價格昂貴。 加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理則是向密封艙內(nèi)加入塑流化改性材料，與開挖面切削下來的土體經(jīng)過充分攪拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體，同時通過伺服控制盾構(gòu)機推進千斤頂速度與螺旋輸送機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設定的平衡壓力，實現(xiàn)盾構(gòu)機始終在保持動態(tài)平衡的條件下連續(xù)向前推進。由于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機可以根據(jù)不同地層的地質(zhì)條件，設計和配制出與之相適應的塑流化改性劑(如泡沫等)，極大地拓寬了該類機型的施工領域，特別是在砂卵石地層中施工優(yōu)勢最為明顯。故近年來該機成為盾構(gòu)機應用的主流機型，在隧道

16、工程中得到廣泛應用。 日本土木學會1997年修訂隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解釋時，專門在日本全國境內(nèi)對盾構(gòu)機機型、使用地質(zhì)條件以及工程應用數(shù)量等作了較全面的調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如圖35所示。由圖3圖5可見，加泥式土壓平衡盾構(gòu)機應用的臺數(shù)最多，工程項目應用的數(shù)量最大，適應不同地質(zhì)條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至軟巖)的能力最強，特別是在砂礫地層(最大粒徑超過5mmm)中的應用占絕對優(yōu)勢。為進一步分析判斷，筆者對國內(nèi)各大城市地鐵工程應用盾構(gòu)機的機型也進行了調(diào)查，結(jié)果如表1所示。由表1可清楚地看出，無論南方還是北方，國內(nèi)地鐵隧道工程使用的盾構(gòu)機型均以加泥式土壓平衡盾構(gòu)機型（含復合式）為主。盡管應用的地域或范

17、圍較廣泛，地質(zhì)條件相差較大，但據(jù)調(diào)查，該類機型均能較好地適應和順利地完成地鐵隧道的施工?？梢?，國內(nèi)地鐵工程盾構(gòu)機的應用實踐，也證明了加泥式土壓平衡盾構(gòu)機具有良好的適應性。筆者進一步對泥水式平衡盾構(gòu)機和加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的主要特性進行了比較，其內(nèi)容與結(jié)果詳見表2。根據(jù)國外與國內(nèi)盾構(gòu)機實際應用現(xiàn)狀和兩種機型技術特性的比較結(jié)果，筆者認為，對于北京市地鐵隧道盾構(gòu)法施工，加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的技術經(jīng)濟比較合理，選型時宜優(yōu)先考慮。文章出處:現(xiàn)代隧道技術原作者:樂貴平(北京市政集團)北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型（中）6 加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的基本技術（配置） 前節(jié)已詳細闡明了采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機技

18、術經(jīng)濟的合理性，下面針對北京市地鐵工程，筆者試提出盾構(gòu)機的基本技術(配置)選擇和要求。盾構(gòu)機刀盤形式 盾構(gòu)機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)機的掘進效果，而且造價相差約為盾構(gòu)機造價的48。因此筆者對兩種型式的刀盤特性進行了比較。比較結(jié)果表明，采用輻條式刀盤既能滿足工程施工需要，保證有較好的掘進性能，又能節(jié)省設備投資(比較結(jié)果詳見表3)。構(gòu)機刀盤驅(qū)動方式 刀盤驅(qū)動方式是盾構(gòu)機的重要組成部分，其承擔驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面土體攪拌密封

19、艙內(nèi)土體的任務。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)也是盾構(gòu)機內(nèi)務系統(tǒng)中消耗功率較大的設備之一。過去為了保證刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體的能力和效果，盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動方式多設計為液壓驅(qū)動。但隨著變頻電機技術的不斷發(fā)展，逐漸在盾構(gòu)機的設計中被采用，而且由于其具有明顯的技術優(yōu)勢，同時價格也在逐年下降，應用于盾構(gòu)機呈不斷擴大的趨勢。筆者從盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動效串的高低，后續(xù)配備設備的多少，設備維護、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，認為北京地區(qū)隧道施工用盾構(gòu)機，其刀盤的驅(qū)動方式以采用變頻電機驅(qū)動方式為好。盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動方式特性比較見表4。盾構(gòu)機刀盤支撐方式 盾構(gòu)機刀盤支撐方式如圖6所示，一般有中心支撐，中間支撐和周邊支撐三種

20、方式。采用何種方式，主要依據(jù)盾構(gòu)機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(直徑以下)的盾構(gòu)機，其對地質(zhì)條件的適應性較好中間支撐方式則主要用于中大直徑(直徑在之間，有工程實績)的盾構(gòu)機，當直徑不太大、地質(zhì)條件為粘性土時，刀盤采用中間支撐方式易在支撐的中心部分粘附，并逐漸擴大形成俗稱泥餅的現(xiàn)象，造成出土不暢與盾構(gòu)機的阻力增大。因北京市有大量的粘土層，若盾構(gòu)機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，也可用于大直徑盾構(gòu)機，但也同樣存在刀盤支撐位置處易于粘附的問題，需要采取相應的解決措施。上述三種盾構(gòu)機刀盤支撐方式中，前兩種目前

21、在盾構(gòu)機中廣泛應用，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行比較。 根據(jù)筆者盾構(gòu)法隧道的施工經(jīng)驗，以及查閱有關技術資料和與盾構(gòu)機制造商進行專題研討，對于外徑為46.50 m左右的盾構(gòu)機，單就刀盤支撐的強度(含剛度)而言，盾構(gòu)機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，會對盾構(gòu)機的使用造成不利影響。筆者結(jié)合北京市地質(zhì)情況，對前述兩個方面進行

22、了比較。盾構(gòu)機密封艙內(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)機密封艙分隔成兩個區(qū)域，中心區(qū)域直徑約為，占密封艙內(nèi)相當大的空間。當?shù)侗P旋轉(zhuǎn)切削土體時，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，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)機在粘性土(包括粉細砂)中施工時，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

23、大、開挖面土壓控制不穩(wěn)定。因而，盾構(gòu)機掘進效果受到影響，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)機刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體時，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)機掘進效果較好，改善了盾構(gòu)機控制地面沉降的性能。盾構(gòu)機刀盤密封性能; 盾構(gòu)機向前掘進時，其刀盤一方面旋轉(zhuǎn)切削土體一方面隨著盾構(gòu)機向前方頂進。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、相同掘進長度以及相同掘進速度的條件下，對密封系統(tǒng)的磨耗完全不同(詳見

24、圖9)。按照盾構(gòu)機刀盤的轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)機推進速度的計算公式，可以求出兩者差異。計算公式如下：(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倍，因此就密封系統(tǒng)的使用壽命而言，盾構(gòu)機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，從盾構(gòu)機密封艙內(nèi)的土體的攪拌效果，確保在粘土、砂、砂卵石地層中推進均不易發(fā)生粘附堵塞；開挖面平衡土壓控制穩(wěn)定，地面沉降控制效果良好；可延長盾構(gòu)機的使用壽命，降低工程造價等方面綜合考慮，筆者認為盾構(gòu)機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

25、流化改性材料，改善盾構(gòu)機密封艙內(nèi)切削土體的塑流性，既可實現(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)機的適應范圍。北京市東邊大部分地區(qū)應用盾構(gòu)法施工時，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，盾構(gòu)機在這種地質(zhì)環(huán)境中掘進時，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)切削土體寓析嚴重，盾構(gòu)機經(jīng)常堵塞不能正常掘進，而且加泥量過大掘進效率降低，施工費用增加。為適應前述地質(zhì)環(huán)境的施工，可在加泥的基礎上增加泡沫系統(tǒng)。利用加入泡沫改善土體粒狀構(gòu)造，吸附在土體顆粒

26、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，同時降低土體滲透性，達到既能平衡開挖面土壓又能連續(xù)向外順暢排土的目的。我集團公司在北京市無水砂卵石地層施工時，根據(jù)地質(zhì)的變化，加泥或加泡沫或同時加入泥漿和泡沫的混合液，施工效果良好。螺旋輸送機 螺旋輸送機是加泥式土壓平衡盾構(gòu)機的重要組成部分，主要有以下三個功能：(1) 將盾構(gòu)機密封艙內(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)機密封艙內(nèi)土壓值的高低，自動(也可手動)與設定土壓值比較，隨時調(diào)整向外排土速度，控制盾構(gòu)機密封艙內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)土

27、壓平衡過程，確保盾構(gòu)機連續(xù)正常向前掘進。 根據(jù)螺旋輸送機的構(gòu)造不同，可分為有中心軸的螺旋桿式螺旋輸送機和無中心軸的帶式螺旋輸送機。比較國內(nèi)外盾構(gòu)法施工的業(yè)績，可認為前者適用于一般性土、砂運輸，后者適用于較大顆粒的砂卵石和塊石的運輸。雖然目前國內(nèi)在盾構(gòu)機用帶式螺旋運輸機的加工制造方面經(jīng)驗不多、技術尚不成熟，但國外已經(jīng)大量采用，有相當豐富的設計和施工經(jīng)驗。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)機最大排出卵石(礫石) 的能力，宜采用帶式螺旋運輸機。6.6 皮帶運輸機 皮帶運輸機與螺旋箱送機相接，盾構(gòu)機密封艙內(nèi)切削土體由螺旋輸送機向

28、外排出后，經(jīng)皮帶運輸機輸送到出碴斗車，再運往工作豎井外。盾構(gòu)機設計時，皮帶運輸機一方面向外運土，另一方面兼作吊運管片的承重。因此，皮帶運輸機的長度要根據(jù)水平出土運輸?shù)氖┕そM織而定，地鐵施工用皮帶運輸機的長度一般為40m左右；另外，皮帶運輸機的托架必須滿足吊運5000kg的要求。6.7 壁后同步注漿系統(tǒng) 隨著盾構(gòu)機技術的不斷應用和發(fā)展，廣大工程技術人員逐漸深刻地認識到壁后注漿技術在盾構(gòu)法隧道施工中的重要作用，若進行歸納，可以指出有以下幾個作用：(1)同步填充盾構(gòu)機向前推進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60100mm之間)。(2)改善管片防水和抗?jié)B性能。(3)促進隧道管片

29、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，盾構(gòu)法隧道施工中能否及時填充盾尾間隙，是控制土體沉降的關鍵。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)地面物的狀況，筆者認為，盾構(gòu)機同步注漿系統(tǒng)應具備單(包括惰性)、雙液注漿的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，確保地面物的安全。當隧道覆土深度不大、地面物結(jié)構(gòu)性差、沉降控制要求嚴格、以及隧道穿越地層地質(zhì)不良、穩(wěn)定性差時，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填滿整個盾尾間隙，而且要求漿液迅速固結(jié)達到設計強度，滿足抵抗土體變形下沉的需要；當施工環(huán)境條件與前相反時，則可采用壁后同步單液(包括惰性)注漿，

30、也能達到及時飽滿填充盾尾間隙的要求和控制沉降的目的，這樣做，技術經(jīng)濟上比較合理。6.8 盾尾密封系統(tǒng) 盾構(gòu)機盾尾密封系統(tǒng)是盾構(gòu)機正常掘進的關鍵系統(tǒng)之一。追溯盾構(gòu)機的應用實踐，盾構(gòu)法隧道施工所發(fā)生的安全事故常常不在盾構(gòu)機頭而在盾尾。盾構(gòu)機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，適應性強，對管片及管片拼裝質(zhì)量要求一般。盾構(gòu)機掘進時，向盾尾連續(xù)注入優(yōu)質(zhì)盾尾密封油脂，可保證在的壓力下，盾尾不會出現(xiàn)滲漏水和滲漏泥漿。6.9 管片正圓器

31、 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行矯正和限制。根據(jù)筆者經(jīng)驗，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)機施工技術水平，國外已開發(fā)出性能優(yōu)越的管理軟件，其中盾構(gòu)機挖掘數(shù)據(jù)管理軟件是應用最廣泛的軟件系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)，可輸出周報、日報、環(huán)報以及掘進100 mm為單位的挖掘管理數(shù)據(jù)；有各種參數(shù)設定、測量、掘進、報警以及歷史曲線和動態(tài)曲線等施工應用畫面；所有采集數(shù)據(jù)均能保存下來，供日

32、后分析和判斷。6.11 全自動監(jiān)測與導向系統(tǒng) 隨時掌握與分析盾構(gòu)機在掘進過程的各種參數(shù)，是現(xiàn)代盾構(gòu)機技術的一個主要部分，也是指導盾構(gòu)機實現(xiàn)正常、順利掘進不可缺少的條件。如節(jié)所述，先進的盾構(gòu)機推進技術數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)是目前盾構(gòu)機的基本配置。為更好地把握盾構(gòu)機推進的各種狀態(tài)，筆者注意到日本最新開發(fā)出的盾構(gòu)機全自動監(jiān)測與導向新技術。這一套配有高精度陀螺儀的全自動監(jiān)測與導向系統(tǒng)擁有以下功能：(1)自動監(jiān)削掘進過程中盾構(gòu)機的各種狀態(tài)，包括盾構(gòu)機的傾斜、轉(zhuǎn)動、方位及位置。(2)將(1)項中監(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)果可隨時與事先輔入的數(shù)據(jù)，如隧道設計軸線進行比較。(4)

33、自動監(jiān)測結(jié)果可以和盾構(gòu)機的其他推進技術參數(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人員都能在各自的位置上隨時掌握盾構(gòu)機掘進的各種狀態(tài)，可以與事前輸入的隧道軸線相比較，也可以隨時對有關參數(shù)進行調(diào)整。經(jīng)詢價，該系統(tǒng)價格不高，因而我集團公司在購買盾構(gòu)機時，引進了這套系統(tǒng)，使我集團公司的盾構(gòu)機在操作性能和控制技術得到大大提高。6.12 盾尾間隙自動測量系統(tǒng) 按照目前盾構(gòu)機盾尾密封結(jié)構(gòu)的設計思想，盾構(gòu)機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出現(xiàn)蛇行(此項目與施工隊伍的施工技術水平有關)等因素來確定。為盡可

34、能排除或減少盾構(gòu)機掘進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，降低推進阻力，進一步提高管片拼裝質(zhì)量，筆者建議為盾構(gòu)機增加一項盾尾間隙自動測量系統(tǒng)，其價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，適時判斷管片與盾尾之間的相對位置，并與其他盾構(gòu)機推進技術參數(shù)結(jié)合，達到綜合控制盾構(gòu)機姿態(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，是盾構(gòu)機實現(xiàn)土壓平衡控制的關鍵元件之一，其精度一般較高。但在砂卵石地層中施工時，粒徑較大的砂卵石，頻繁撞擊土壓計，對土壓計的質(zhì)量要求很高。為防止土壓計失效，筆者建議將其設計為球

35、面壓力傳感器，施工中萬一出現(xiàn)損壞，可以在機內(nèi)進行壓力計的更換。球面壓力傳感器更換示意見圖12。北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型(下)7 北京地區(qū)地鐵施工用盾構(gòu)機的幾個關鍵問題7.1 盾構(gòu)機刀盤扭矩系數(shù)盾構(gòu)機刀盤扭矩系數(shù)()是盾構(gòu)機設計時一個重要參數(shù)，其值選用是否得當直接關系到盾構(gòu)機能否正常掘進。眾所周知，影響盾構(gòu)機刀盤扭矩的因素較多，在此不贅述。根據(jù)日本標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解釋中有關盾構(gòu)機設備部分的內(nèi)容，盾構(gòu)機刀盤裝配扭矩M可用以下簡化式計算：式中 M - 盾構(gòu)機裝備扭矩/(kN.m)- 扭矩系數(shù)D - 盾構(gòu)機外徑對于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機，日本經(jīng)過大量工程實踐已給出的經(jīng)驗值，取值范圍在823之

36、間。根據(jù)北京市地質(zhì)條件，以及我集團公司在北京市砂卵石地層采用盾構(gòu)法施工近8km的實際經(jīng)驗，筆者認為砂土地層，特別是在砂卵石地層中盾構(gòu)機刀盤旋轉(zhuǎn)切削圍巖(砂卵石)時，盾構(gòu)機刀盤扭矩較大，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，對日本提出的值進行調(diào)整。經(jīng)與日本盾構(gòu)機制造商進行技術交流和爭論，取得共識。認為將盾構(gòu)機刀盤最大扭矩系數(shù)值提高到25以上，不僅更適應北京地區(qū)砂卵石地層的隧道施工，也間接提高了盾構(gòu)機的使用壽命，技術經(jīng)濟更為合理。7.2 刀具布置和刀具形狀刀具布置和刀具形狀在盾構(gòu)機設計中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)

37、機的切削效果、出土狀況和掘進速度。刀具布置對于全斷面切削的輻條式刀盤，從盾構(gòu)機的發(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連續(xù)排列方式。我集團公司采購的盾構(gòu)機，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，刀具布置時應按照牙型交錯連續(xù)排列的原理，確保盾構(gòu)機刀具的切削軌跡布滿開挖全斷面；另針對

38、不同切削要求(包括不同地質(zhì)的要求)，需設置切削刀、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及作用，經(jīng)過分析比較，各種刀具可采用圖14的布置方式。刀具形狀及其作用如前所述，刀具的形狀必須適應施工地質(zhì)的特點，并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同，因此應對刀具進行設計。針對北京地鐵隧道穿越三種主要地層的特點，刀具設計時應考慮以下幾個要素。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。通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀具的耐久性。適應城市繁華地區(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

39、。如何從材料和設計方面，對解決盾構(gòu)機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)提出切實可行的措施，保證盾構(gòu)機刀具長距離掘進的可靠性。(1) 刀具的類型及切削原理目前盾構(gòu)機刀具按切削原理劃分，一般公認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，這兩類刀具還可進一步細分)。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。當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質(zhì)條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復合式盾構(gòu)機中采用。北京地

40、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)機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖面土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進方向)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切削刀切削刀是盾構(gòu)機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，(前角)與(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在520之間，粘土地層稍大，砂卵石地層稍小。針對北京市地層特點，(前角)和(后角)值建議采用15。切削刀切削土體的示意見圖16。超前刀

41、(也稱先行刀)顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，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。盤圈貝型刀盤圈貝型刀實質(zhì)上是超前刀，盾構(gòu)機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產(chǎn)生較大變形，大大

42、降低滾刀的切削效果，有時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，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)機切削土體(砂卵石)的難題。盤圈貝型刀示意見圖18。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，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內(nèi)切削土體的運動長度也是由外至內(nèi)逐漸變小，相應土體流動狀態(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計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切

43、削土體示意圖19)。根據(jù)經(jīng)驗，色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構(gòu)機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5 m)土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設計與其他切削刀不在一個平面上，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計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運動(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)機整體掘進水平。仿形刀盾構(gòu)機一般設計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據(jù)超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條

44、兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80130mm之間。盾構(gòu)機在曲線段推進、轉(zhuǎn)彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創(chuàng)造所需空間，保證盾構(gòu)機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉(zhuǎn)彎及糾偏，因而盾構(gòu)機需設置仿形刀。7.3 轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機構(gòu)經(jīng)過統(tǒng)計，地鐵施工用盾構(gòu)機的靈敏系數(shù)(機長/外徑)一般不大于，不用鉸接機構(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。此時使用鉸接機構(gòu)，可以比較容易地實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和減少對盾構(gòu)機

45、周邊土體的擾動，對控制沉降有利。用轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機構(gòu)，還可以依據(jù)曲線隧道的有使關參數(shù)，預先計算出每段曲線中每環(huán)管片應該轉(zhuǎn)動的角度，盾構(gòu)機曲線推進前啟動鉸接機構(gòu)，使之符合曲線前進方向的要求，限定盾構(gòu)機在設定的曲線上推進。為增強盾構(gòu)機轉(zhuǎn)彎功能，以適應北京地鐵隧道施工的需要，應為盾構(gòu)機配備轉(zhuǎn)彎及糾偏鉸接機構(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)機掘進施工時，掘進前方若碰到障礙物，一般不易處理，但施工中很難避免。為此，宜在盾構(gòu)機設計階段，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)不能由地面進行處理時，可在隧道內(nèi)進入盾構(gòu)機

46、密封艙里進行處理。(2)洞內(nèi)超前注漿加固隧道前方土體系統(tǒng)當盾構(gòu)法隧道穿越地段的地面物的基礎較差，或物特別重要時，對盾構(gòu)機控制沉降的性能要求很高。特別是對于隧道前進方向有重要構(gòu)筑物(如已運行地鐵、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，筆者認為還應考慮在隧道內(nèi)對開挖面前方土體注漿加固的輔助措施，即在盾構(gòu)機內(nèi)預先設計多個注漿加固孔(按可全斷面注漿的要求設計)，同時配備盾構(gòu)機內(nèi)專用注漿設備，一旦施工需要，立即安裝注漿設備，對開挖面前方土體實施超前注漿加固。設計超前注漿深度一般為34 m，最大注漿加固土體斷面直徑可達12m。盾構(gòu)機內(nèi)超前注漿加固土體見圖20。盾構(gòu)機掘進施

47、工時，可以根據(jù)遇到的不同情況，單獨應用機內(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，以進一步提高隧道施工的安全性和可靠性。7.5 盾構(gòu)機總推力及分區(qū)油壓控制系統(tǒng)根據(jù)日本資料，盾構(gòu)機的總推力與開挖面的土壓阻力、盾構(gòu)機外圓周摩擦等6個因素有關。在設計盾構(gòu)機時，一般在考慮6個因素的基礎上，增加一定比例的富余推力。根據(jù)我集團公司在北京市砂卵石地區(qū)盾構(gòu)法施工的經(jīng)驗，推進阻力較大。為滿足北京地區(qū)砂卵石地層隧道施工盾構(gòu)機推力的需要，盾構(gòu)機的總推力宜適當增大，達到盾構(gòu)機掘進斷面單位面積上推力大于1200 kN(即盾構(gòu)機總推力/盾構(gòu)機外徑圓面積)較為合適。推進系統(tǒng)為盾構(gòu)機向前掘進提供動力，直線段掘

48、進時，推進千斤頂?shù)暮狭碚撋蠎诙軜?gòu)機的軸心；曲線段掘進時，推進千斤頂?shù)耐七M合力作用點則應該位于最有利于盾構(gòu)機曲線掘進的位置上(盾構(gòu)機加工制造時千斤頂位置已固定的條件下進行調(diào)鏈)。盾構(gòu)機在推進施工時，為控制出現(xiàn)較大偏差，推進操作時實際上是隨時在對盾構(gòu)機的態(tài)勢進行糾偏和調(diào)整。為便于推進千斤頂分區(qū)編組或自由編組，實現(xiàn)適時糾偏，盾構(gòu)機推進系統(tǒng)應設計為分區(qū)油壓控制，確保推進千斤頂?shù)暮狭M足曲線掘進及糾偏的要求。7.6 屑構(gòu)機在砂卵石地層掘進的耐磨損(耗)措施根據(jù)我集團公司在北京市砂卵石地層進行盾構(gòu)法施工的經(jīng)驗，北京地區(qū)砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工時，盾構(gòu)機的刀盤、刀具、密封艙內(nèi)壁以及螺旋輸送機的磨損(耗

49、)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，磨損極為嚴重。為保證盾構(gòu)機在砂卵石地層掘進時刀具切削正常，實現(xiàn)長距離掘進，筆者查閱國內(nèi)外有關刊物關于砂卵石地層施工的技術資料，并請教國內(nèi)外有關盾構(gòu)技術專家，提出盾構(gòu)機設計時應采取以下措施。(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給予加強。(2)考慮采用主副刀聯(lián)合切削土體，設計主副切削刀(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)過磨損計算確定)，延長刀具使用壽命。當主切削刀(主超前刀)的高度磨

50、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)機刀盤盤圈后端、密封艙內(nèi)壁以及螺旋輸送機內(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)機推進阻力的措施根據(jù)不同地質(zhì)條件，以及N(標準貫人錘擊數(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)機外徑三者的尺寸之間有細微的差別，若處理不當，將增大推進阻力，給盾構(gòu)機整機推進性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區(qū)地層特點，筆者認為為減少盾構(gòu)機推進阻力，除盾構(gòu)機設有加泥加泡沫系統(tǒng)外，還應采用以下兩項措施：(1) 設計主切削

51、刀最大切削軌跡外徑略大于盾構(gòu)機外徑，既減少盾構(gòu)機刀盤盤圈和盾構(gòu)機外周的摩擦阻力，又不會影響盾構(gòu)機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算公式，可計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。為減少推進阻力、切削噪音和切削振動，應選擇合適的刀具切削深度。根據(jù)筆者經(jīng)驗，盾構(gòu)機高速推進時，切削深度以1015mm為好；一般速度推進時，切削深度則以48mm為好。故在刀盤盤圈上布置57把刀具較為理想。8 結(jié)語隨著北京市申奧成功，北京市對整個城市的體系重新進行了，確立了以軌道為

52、今后重點發(fā)展的思路。北京市的軌道遠期已達1000km以上，僅2008年以前就要完成近200km的軌道工程的建設任務，隧道工程量巨大。而盾構(gòu)施工技術以其對城市環(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)機作為盾構(gòu)法施工的大型專用機械設備，其選型正確與否，無論是對于盾構(gòu)施工的技術水平，還是對于盾構(gòu)施工的成本和效益，均起著舉足輕重的關鍵作用。因此，應高度重視盾構(gòu)機的選型工作。對于北京地區(qū)隧道施工用盾構(gòu)機的選型，因筆者較早涉及，有一點體會和摸索了一點經(jīng)驗，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工作。另外，北京市在奧運會之前，計劃建設地鐵五

53、號線、四號線、十號線、九號線以及奧運支線等地鐵線路，工程開工強度大。為滿足隧道施工的需要，筆者估計，近幾年剛北京市至少需要1015臺盾構(gòu)機。根據(jù)筆者三年多在北京市盾構(gòu)施工(以及機械化頂管施工)的經(jīng)驗，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，我國一定能設計和制造出適應北京地區(qū)地質(zhì)條件的盾構(gòu)機，為北京市乃至全國的地鐵建設作出貢獻。參考文獻1樂貴平 加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進機引進技術總結(jié)R. 北京市政集團技術資料，2002-092樂貴平等. 穿越全斷面礫石層的盾構(gòu)施工J現(xiàn)代隧道技術，2001，38(5)；9123侯景巖北京地區(qū)淺層地下水的分布與地下鐵道隧道工程施工方法選澤c中國

54、土木工程學會隧道與地下工程學會第十四屆學術交流會論文集北京：中國科學技術出版社，2000-124樂貴平土壓干衡式盾構(gòu)機簡介J. 機械，2000(6)5杜文庫，聞永和北京地鐵五號線盾構(gòu)實驗段工程盾構(gòu)法施工概述R. 中德隧道(盾構(gòu))技術研討會資料之四，2002-066樂貴平(執(zhí)筆人). 亮馬河北路污水隧道盾構(gòu)法施工技術研究R (北京市科委科研項目技術鑒定資料)北京市政集團，2000-087樂貴平盾構(gòu)技術在北京的應用和發(fā)展J市政技術，2002-048土木學會隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)解釋(日文版)S1997-05文章出處：現(xiàn)代隧道技術樂貴平(北京市政集團)海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)機分析(2006-12-21

55、 10:07:47)承擔修建深圳地鐵?期工程第七標段（華強至崗廈區(qū)間內(nèi)徑為54m的雙線隧道）的施工任務的中鐵十六局，根據(jù)施工地段地層自立條件差，地下水較豐富的特點，購進了兩臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的世界上最先進的土壓平衡式盾構(gòu)機。這兩臺盾構(gòu)機都由西門子公司的S7-PLC自動控制系統(tǒng)控制，配備了機電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、同步注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備及SLS-T隧道激光導向設備，并可在地面監(jiān)控室對盾構(gòu)機的掘進進行實時監(jiān)控。本文將就盾構(gòu)機的工作原理、盾構(gòu)機的組成、及各組成部分的功能結(jié)合實際施工情況做一簡要闡述。盾構(gòu)機的工作原理1盾構(gòu)機的掘進液壓馬達驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機推進油缸，將盾構(gòu)機向前

56、推進，隨著推進油缸的向前推進，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機上，后由皮帶輸送機運輸至渣土車的土箱中，再通過豎井運至地面。2掘進中控制排土量與排土速度當泥土倉和螺旋輸送機中的碴土積累到一定數(shù)量時，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進入泥土倉的阻力增大，當泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應的地面部分也不致坍坍或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進行。3.管片拼裝盾構(gòu)機掘進一環(huán)的距離后，拼裝機操作手操作拼裝機拼裝單層襯砌

57、管片，使隧道?次成型。盾構(gòu)機的組成及各組成部分在施工中的作用盾構(gòu)機的最大直徑為，總長65m，其中盾體長，后配套設備長，總重量約406t，總配置功率1577kW，最大掘進扭矩5300kN#8226;m，最大推進力為36400kN，最陜掘進速度可達8cmmin。盾構(gòu)機主要由9大部分組成，他們分別是盾體、刀盤驅(qū)動、雙室氣閘、管片拼裝機、排土機構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設備。1.盾體盾體主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，這三部分都是管狀簡體，其外徑是625m。前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅(qū)動，同時使泥土倉與后面的工作空間相隔離，推力油缸的壓力可通過承壓隔板作用到開挖面上，以起到支撐和穩(wěn)定開挖面的作用。承壓隔板上在不同高度處安裝有五個土壓傳感器，可以用來探測泥土倉中不同高度的土壓力。前盾的后邊是中盾，中盾和前盾通過法蘭以螺栓連接，中盾內(nèi)側(cè)的周邊位置裝有30個推進油缸，推進油缸桿上安有塑料撐靴，撐靴頂推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構(gòu)機向前的掘進力，這30個千斤頂按上下左右被分成A、B、c、D四組，掘進過程中，在操作室中可單獨控制每一組油缸的壓力，這樣盾構(gòu)機就可以實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、抬頭、