北京新機場線一期8.8 m直徑隧道盾構(gòu)選型研究

高洪吉

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

盾構(gòu)法已經(jīng)成為我國地鐵區(qū)間隧道建設(shè)的主要工法。盾構(gòu)設(shè)備與工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境的適應(yīng)性對工程能否安全、順利完成具有重大的影響，因此盾構(gòu)選型至關(guān)重要。

尚艷亮[1]等通過對石家莊多個盾構(gòu)區(qū)間隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析得出刀盤開口率越小盾構(gòu)施工引起地表沉降越小的結(jié)論；侯凱文[2]通過南寧地鐵在復(fù)雜地層推進過程中盾構(gòu)關(guān)鍵部位的選型設(shè)計及參數(shù)分析，得出了適合復(fù)雜地層的盾構(gòu)選型方案；蔣超[3]通過佛莞城際獅子洋隧道盾構(gòu)的選型研究，提出了加強螺旋出土器出渣解決土艙內(nèi)土體排出困難的問題；陳饋[4]等對深圳大直徑盾構(gòu)的選型進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場情況對盾構(gòu)設(shè)備進行了優(yōu)化；郭彩霞[5]針對北京典型無水卵礫地層進行盾構(gòu)選型，同時對關(guān)鍵設(shè)備進行升級改造，提高了掘進速度、降低了運行成本；江華[6]等對北京4個標段的盾構(gòu)設(shè)備進行總結(jié)，得出了增大開口率以及進行渣土改良能有效減小刀盤扭矩的結(jié)論；李潮[7]將理論模型與實際相結(jié)合，提出刀盤各面與地層的摩擦阻力扭矩約占總扭矩的80%；陳仁朋[8]通過理論分析，修正了刀盤推力以及扭矩的計算公式，并通過深圳地鐵驗證了公式的合理性；江玉生[9]等通過對刀盤扭矩形成機理的分析，總結(jié)了扭矩與地層參數(shù)的關(guān)系；沈林沖[10]等通過對杭州富水地層盾構(gòu)選型進行研究，總結(jié)出復(fù)雜條件下盾構(gòu)施工的關(guān)鍵要點；樂貴平[11]通過對北京地區(qū)地層分析，提出了盾構(gòu)機配置要求及關(guān)鍵點選配要求；丁志誠[12]等結(jié)合廣州地鐵實際情況，對全斷面滾刀以及全斷面先行刀適用情況進行分析；張帥坤[13]針對豫機城際鐵路工程線路設(shè)計、工程及水文地質(zhì)特點，全面分析了盾構(gòu)設(shè)備選型情況，并對重點部件進行介紹。

本文依托新機場線最長的盾構(gòu)隧道工程，對該工程的盾構(gòu)選型進行研究。

2 工程背景及重難點

2.1 工程概況

北京新機場線07標段2號風(fēng)井-3號風(fēng)井區(qū)間是全線最長的盾構(gòu)隧道，左線全長3 832.39 m，右線全長3 847.44 m，最大坡度為5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道管片外徑8.8 m、內(nèi)徑7.9 m，環(huán)寬1.6 m。

盾構(gòu)隧道埋深8～16 m，地下水位埋深22.9 m，盾構(gòu)施工不受地下水影響。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為卵石圓礫層，局部拱頂含有粉細砂和粉土，如圖1所示。盾構(gòu)隧道埋深范圍內(nèi)原狀土顆粒級配曲線，如圖2所示。

圖1 2號風(fēng)井-3號風(fēng)井區(qū)間地質(zhì)剖面

圖2 砂卵石地層顆粒級配及地層情況

2.2 工程重難點分析

結(jié)合本區(qū)間隧道工程工期要求、地層條件及施工環(huán)境條件，分析得出本區(qū)間盾構(gòu)選型的重難點。

(1)本區(qū)間管片外徑8.8 m，且盾構(gòu)穿越全斷面卵石地層，盾構(gòu)刀盤扭矩較普通地鐵盾構(gòu)(6 m外徑管片)有大幅增加，應(yīng)選擇合理的刀盤型式并對扭矩進行檢算，確保配備合理的驅(qū)動功率，保證盾構(gòu)順利掘進。

(2)本區(qū)間盾構(gòu)穿越地層為砂卵石層，由于地層缺少細顆粒，渣土和易性差，對渣土改良要求較高；渣土改良系統(tǒng)的設(shè)計也是一個難點，必須確保刀盤和土艙內(nèi)布置合理的泡沫注入口和膨潤土注入口。

(3)面對盾構(gòu)長距離穿越全斷面砂卵石地層，在刀具方面應(yīng)考慮合理化的布置形式，通過優(yōu)化刀具的高差、間距、軌跡等來延長盾構(gòu)掘進距離。

3 盾構(gòu)選型要點

首先對盾構(gòu)類型進行選擇，本區(qū)間隧道穿越地層主要為無水砂卵石地層，地層滲透系數(shù)大，如采用泥水平衡盾構(gòu)，泥膜建立困難，泥漿在地層中流失嚴重。且泥水平衡盾構(gòu)出渣方式?jīng)]有土壓平衡盾構(gòu)直接，效率較慢。本工程工期非常緊張(要求雙線盾構(gòu)在11個月內(nèi)實現(xiàn)洞通)，不適宜采用泥水平衡盾構(gòu)，因此選用土壓平衡盾構(gòu)施工。在盾構(gòu)類型確定后，再對盾構(gòu)設(shè)備的主要參數(shù)進行選擇。

3.1 刀盤型式選擇

刀盤型式可分為面板式、輻條式和輻條面板式3種，3種刀盤的差別主要體現(xiàn)在刀盤的開口率上。面板式刀盤開口率在20% ～35%，輻條面板式刀盤開口率35% ～50%，輻條式刀盤開口率一般在50%以上。砂卵石地層刀盤開口率越大渣土進入土艙越順暢，刀盤與開挖面的接觸面積越小，刀盤扭矩也越小。文獻[6]認為同樣的砂卵石地層，刀盤開口率增大10%，刀盤扭矩減小8% ～10%。因此為降低刀盤扭矩，減小刀具的磨損，應(yīng)采用輻條式刀盤。

針對以砂卵石為主的地層特點，最終選擇開口率60%的輻條式刀盤。刀盤正面和開口部位焊接有耐磨層，外周焊接25 mm厚的復(fù)合耐磨鋼板，以減少砂卵石地層中掘進刀盤的磨損。刀盤背面設(shè)有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動，提高土體的塑性和流動性，刀盤構(gòu)造如圖3所示。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤驅(qū)動參數(shù)確定

為保證盾構(gòu)順利掘進，刀盤驅(qū)動輸出功率必須滿足盾構(gòu)施工過程中的刀盤總扭矩。刀盤總扭矩主要由切削阻力扭矩、正面的摩擦阻力扭矩、側(cè)面的摩擦阻力扭矩、背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩4個部分組成:

式中，T1為刀盤切削阻力扭矩(kN·m)；T2為刀盤正面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T3為刀盤側(cè)面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T4為刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩(kN·m)。

式中，D為刀盤外徑(m)；v為掘進速度(mm/min)；N為刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)；qv為周圍土體的單軸抗壓強度(kPa)。

式中，K0為側(cè)向土壓力系數(shù)；η為刀盤開口率；γ為刀盤周圍土體的容重(kN/m3)；f為土與刀盤表面間的摩擦系數(shù)；H為刀盤所在位置距地表的深度(m)。

式中，Ka為主動土壓力系數(shù)；B為刀盤外沿寬度(m)。

式中，H0為攪拌葉片覆土深度(m)；Db為攪拌葉片直徑(m)；Lb為攪拌葉片長度(m)；Rb為攪拌葉片到盾構(gòu)掘進機中心的距離(m)。

結(jié)合本工程具體情況，計算總扭矩為11 449.43 kN·m，一般安全系數(shù)選取1.2，本工程因為在全斷面卵石地層中掘進，且工期較緊，應(yīng)配置更大的驅(qū)動扭矩，因此安全系數(shù)確定為1.4，配置扭矩不應(yīng)低于11 449.43×1.4＝16 029.202 kN·m。最后選擇配置12個變頻電機，額定扭矩17 960 kN·m，脫困扭矩19 760 kN·m。

3.3 渣土改良系統(tǒng)選擇

盾構(gòu)機主要穿越無水砂卵石地層，細顆粒含量少，渣土改良困難。渣土改良效果不好，極易造成渣土流塑性差，土艙內(nèi)壓力難以建立，地表發(fā)生塌陷。另外，由于地層富含砂卵石，施工過程中刀盤扭矩大，刀具磨損嚴重。因此，盾構(gòu)施工過程中需重點關(guān)注渣土改良效果，同時盾構(gòu)選型過程需結(jié)合渣土改良材料自身性質(zhì)對改良材料注入系統(tǒng)參數(shù)進行確定。

北京地區(qū)無水砂卵石地層一般采用膨潤土＋泡沫的渣土改良方式。泡沫的主要作用是增加潤滑性，減少土體與刀盤、刀具的摩擦，降低刀盤扭矩；膨潤土的主要作用是補充細顆粒，增加渣土的和易性。因此，泡沫口的注入位置應(yīng)主要位于刀盤前方，而膨潤土的注入位置應(yīng)分布于刀盤前方與土倉內(nèi)部。為確保渣土改良材料能均勻地注入到刀盤前方土體，刀盤分布9個注入孔，其中6個孔為泡沫注入口，用于對掌子面土體進行改良；3個孔為膨潤土＋泡沫共用口，可根據(jù)施工情況選擇不同改良材料。同時刀盤向后設(shè)置1個膨潤土注入口，土倉后壁向前設(shè)置1個膨潤土注入口，對刀盤中心位置進行沖刷，如圖4所示。

圖4 注入口布置位置

3.4 刀具型式及布置

針對該區(qū)間以卵石為主的地層條件，采用切刀、先行刀、保徑刀、超挖刀以及中心魚尾刀相結(jié)合的方式進行配置。

切刀布置在刀盤開口槽的兩側(cè)，刀高125 mm，如圖5a、圖5b所示。貝殼刀分為兩種，其中刀高為145 mm的先行刀51把，刀高為175 mm的先行刀75把，高低差配置見圖5a、圖5b。盾構(gòu)掘進時先行刀首先切削土體，對掌子面土體進行疏松，之后切刀切削經(jīng)過疏松的土體，從而達到減小切刀磨損的目的。中心魚尾刀布置1把，刀高450 mm，如圖5c所示。在刀圈周圍設(shè)置保徑刀66把，用于切削外周的土體，保證開挖面的直徑。在刀盤的邊緣布置超挖刀2把，最大超挖量50 mm。盾構(gòu)機在曲線段推進或轉(zhuǎn)彎、糾偏時，通過超挖刀切削土體所創(chuàng)造的空間，保證盾構(gòu)在超挖少、對周邊土體干擾少的條件下，實現(xiàn)曲線推進和順利轉(zhuǎn)彎、糾偏。

圖5 主要刀具型式(單位：mm)

3.5 同步注漿系統(tǒng)

同步注漿作為盾構(gòu)施工的重要步驟，必須結(jié)合工程特點配備同步注漿系統(tǒng)。盾構(gòu)每環(huán)掘進形成的理論空隙為:

式中，D1為盾構(gòu)開挖直徑，取9.15 m；D2為管片外徑，取8.8 m；L為管片長度，取1.6 m。

故每環(huán)理論注漿量為7.89 m3，考慮漿液擴散，填充系數(shù)取1.5～1.8，則每環(huán)實際注漿量為11.84～14.2 m3。假定盾構(gòu)以最大推進速度80 mm/min連續(xù)掘進，按照最大填充率1.8計算，所需同步注漿泵送能力為42.61 m3/h。在確定參數(shù)時考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)置3臺雙柱塞泵，注漿能力45 m3/h，滿足正常掘進需求。同步注漿管路設(shè)置時，在盾尾分6路，在施工過程中可在不同位置注入以滿足盾尾空隙填充要求(見圖6)。

圖6 注漿管路布置示意

4 施工結(jié)果分析

選取900～1 100環(huán)進行扭矩統(tǒng)計，如圖7所示。最小扭矩為6 080 kN·m，最大扭矩為12 108 kN·m，基本符合計算值。扭矩計算過程中假設(shè)地層為全斷面砂卵石地層，摩擦系數(shù)較大，而900～1 000環(huán)盾構(gòu)實際穿越時存在較厚的粉質(zhì)黏土層，地層加權(quán)摩擦系數(shù)較小，因此施工扭矩較小，1 000～1 100環(huán)穿越地層時粉質(zhì)黏土層逐漸消失，扭矩基本符合計算值，說明扭矩計算的合理性。同時，整個施工過程中扭矩均小于設(shè)備額定扭矩，說明盾構(gòu)驅(qū)動設(shè)備選型合理。

圖7 900～1 100環(huán)施工扭矩變化曲線

對盾構(gòu)施工效率進行分析(見圖8)，區(qū)間盾構(gòu)掘進過程順利，平均每天掘進9.4環(huán)(15.04 m)，若排除盾構(gòu)施工過程中刀具檢修及其他原因?qū)е碌耐C時間，盾構(gòu)每天掘進12.5環(huán)(20.00 m)，盾構(gòu)最快日掘進25環(huán)。對900～1 300環(huán)施工過程中隧道上方地表13個沉降測點數(shù)據(jù)進行總結(jié)，地表最大累計沉降21.43 mm，平均累計沉降12.05 mm(控制值30 mm)。綜上所述，盾構(gòu)設(shè)備選型取得了良好的效益。

圖8 2號風(fēng)井-3號風(fēng)井盾構(gòu)施工進度

5 結(jié)束語

針對新機場線2號風(fēng)井-3號風(fēng)井區(qū)間大直徑盾構(gòu)隧道的特點，從扭矩計算、刀具型式、刀盤布置、渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等方面對盾構(gòu)選型進行了詳細分析，并對最終選擇的盾構(gòu)參數(shù)進行說明。通過對掘進參數(shù)、盾構(gòu)掘進效率、地表沉降控制等方面進行分析，證明了本工程盾構(gòu)選型的合理性，可供今后類似工程參考借鑒。