地鐵施工盾構機選型及施工組織探討

李海亮，程 斐

1.中鐵三局橋隧公司，四川 成都 610036

2.鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450000

1 地鐵施工盾構機選型

1.1 盾構機類型

隨著制造工藝的創(chuàng)新優(yōu)化，為滿足不同地鐵工程的施工需求，制造企業(yè)陸續(xù)研發(fā)出多款盾構機設備，不同型號、款式的盾構機設備的工作原理、開挖方式與設備使用性能存在明顯差異。因此，在地鐵工程施工階段，企業(yè)需要明確盾構機設備的主要類型以及各類型設備的工作原理與適用范圍。

目前，盾構機的分類依據(jù)為工作原理與開挖方式兩項要素。例如，將開挖方式作為劃分依據(jù)時，可以將盾構機分為網(wǎng)格式、敞開式以及機械式三種；而將工作原理作為劃分依據(jù)時，可以將盾構機分為手掘式、全機械式、半機械式以及擠壓式等類型。

在多數(shù)地鐵工程中，往往配置土壓盾構機或氣墊式泥水盾構機。其中，土壓盾構機將開挖倉內土壤為掌子面的穩(wěn)定介質，控制刀盤開展旋轉切削作業(yè)，由輸送機將倉內渣土向外運出，通過改變設備掘進速度以及實時出土量來調節(jié)倉內土壓力。由于這類盾構機主要依靠倉內土壓力來抵抗外部水土壓力，因此也被稱為土壓平衡盾構機。氣墊式泥水盾構機依靠壓縮空氣所形成的氣墊對倉內泥漿進行加壓處理，從而起到穩(wěn)定掌子面的作用。在設備運行期間，將所切削渣土在倉內進行混合處理，隨后，通過前閘門與泥漿管道，持續(xù)將泥漿輸送至地面進行渣土處理，再對處理后的泥漿進行循環(huán)使用。與其他類型盾構機相比，氣墊式泥水盾構機依靠泥水壓力來穩(wěn)定開挖面平衡，因此也被稱為泥水盾構機。

1.2 盾構機選型原則

為切實滿足工程施工需求，避免造成設備性能浪費，在盾構機選型環(huán)節(jié)，應遵循從實際出發(fā)、安全可靠、經(jīng)濟適宜的選型原則。

1.3 盾構機選型依據(jù)

在地鐵工程中，為明確盾構機的選型思路，企業(yè)必須結合工程情況，提前明確盾構機選型依據(jù)，在其基礎上對不同型號盾構機的使用情況進行預估，根據(jù)預估結果進行打分，配置綜合評分最高的盾構機。盾構機的選型依據(jù)具體如下：（1）工程地質水文條件。技術人員應深入分析現(xiàn)場地質勘察報告，了解礫石直徑、孔隙比、地下水位、含水率、粒度等信息，明確盾構機性能指標要求。（2）周圍環(huán)境條件。如工程所處區(qū)域交通條件、建筑環(huán)境條件、地質地貌、氣候條件與水電供應條件等。（3）工期要求。要求所配置盾構機作業(yè)效率符合并高于施工要求，以此預留出一定空間應對突發(fā)問題，確保地鐵工程可以如期完工。

1.4 盾構機選型方法

在制訂盾構機選型方案時，可以采取以下選型方法：（1）地層滲透系數(shù)選型。分析工程現(xiàn)場地質勘察報告，將地層滲透系數(shù)作為主要依據(jù)，選擇適當類型的盾構機。例如，地層滲透系數(shù)在10-7～10-4m/s時，應配置土壓盾構機或泥水盾構機；地層滲透系數(shù)超過10-4m/s時，則應配置泥水盾構機。（2）水土壓力選型。在盾構施工期間，當外部水土壓力超過0.3MPa時，如果配置土壓盾構機，則螺旋機難以形成土塞效應，實際掘進效率低下，有可能出現(xiàn)閘門噴涌等問題，應優(yōu)先配置泥水盾構機。同時，在特殊施工條件下僅可配置土壓盾構機時，則采取增加螺旋輸送機長度等措施，輔助螺旋機形成土塞效應。（3）顆粒級配選型。從實際應用情況來看，土壓平衡盾構機適用于分布粉土、粉砂土以及粉質黏土地基的地鐵工程中，地基土壤中的粉粒及黏粒量均超過40%，所切削渣土容易形成穩(wěn)定的不透水流塑體結構，便于維持掌子面的平衡狀態(tài)。反之，在地基土層顆粒中粉粒及黏粒量未超過40%時，則配置泥水平衡盾構機。

2 地鐵施工盾構機的施工組織

2.1 盾構機關鍵參數(shù)復核計算

多數(shù)地鐵工程均具有現(xiàn)場環(huán)境復雜、盾構施工流程煩瑣的特征，受到地質、掘進參數(shù)與人為因素影響，盾構參數(shù)計算過程存在諸多變量因素，導致盾構參數(shù)計算結果真實性存疑，進而影響盾構施工方案的可行性，容易在后續(xù)施工中出現(xiàn)方案變更問題。因此，在地鐵盾構正式施工前，技術人員需結合工程情況與已知信息資料，對盾構機關鍵參數(shù)進行復核計算，并在復核計算結果上優(yōu)化調整盾構機施工方案，預防和減少盾構施工問題出現(xiàn)。盾構機的關鍵參數(shù)包括最大總推力、盾構扭矩、主驅動功率、盾構推進所需功率、排渣能力、盾尾間隙、管片拼裝機扭矩與管道臨界沉淀流速等。

例如，在盾構扭矩計算環(huán)節(jié)，導入以下計算公式：

式中：Te為盾構機扭矩；α1為支撐系數(shù)；α2為土質系數(shù)；α0為穩(wěn)定掘削扭矩系數(shù)；D0為盾構機外徑值。

根據(jù)地質勘察報告與結合工程情況，明確支撐系數(shù)與土質系數(shù)。例如，在工程現(xiàn)場分布固結粉砂土層或軟粉砂土層時，土系數(shù)分別為0.8～0.9與0.6～0.7。

2.2 盾構掘進控制

（1）盾構姿態(tài)控制。盾構機姿態(tài)參數(shù)由滾動角與俯仰角組成，在盾構施工中，受到施工擾動等因素影響，盾構機姿態(tài)會出現(xiàn)程度不一的變化，如果實際姿態(tài)與預期姿態(tài)產(chǎn)生明顯偏差，將影響地鐵盾構施工質量。例如，在盾構機俯仰角偏差值過大或盾構機向下俯沖超過一定值后，施工人員難以控制盾構機開展抬頭掘進等操作。因此，施工單位應提前構建配套的導向系統(tǒng)，如VMT TUNIS盾構激光導向系統(tǒng)，還應配置全站儀、控制盒、可編程邏輯控制器與接收靶等裝置，持續(xù)對盾構機的姿態(tài)進行監(jiān)測，計算偏離航向值，通過調節(jié)分組缸壓力與流量的方式來修正盾構機掘進方向。同時，考慮到隧道內空氣質量等因素會對盾構導向測量精度造成影響，為減小測量誤差，應開展人工測量作業(yè)或將導向系統(tǒng)后視基準前移。

（2）掘進推力及速度控制。首先，技術人員應結合工程情況準確計算盾構機的總推力，其為盾構機外殼及土體摩擦力、切土所需推力、后配套牽引力、刀盤上平衡切口水壓水平推力、管片及盾尾刷摩阻力之和。同時，施工人員需對盾構機各組油缸的油壓值進行調整，以調節(jié)盾構機姿態(tài)與掘進推力。其次，綜合分析盾構機型號與地質條件，將掘進速度控制在合理范圍內。例如，當配置S-550型盾構機在全段硬巖地層開展掘進作業(yè)時，應將掘進速度控制在 10～ 15mm/min。

2.3 盾構始發(fā)施工控制

在盾構始發(fā)環(huán)節(jié)，需要依次組織開展以下施工作業(yè)：（1）基座混凝土澆筑。使用混凝土現(xiàn)澆成型配套臺車的行走基座，沿軌道縱向設置螺栓，使用壓板以及彈性墊圈等材料將軌道與臺車行走基座進行連接處理，并在基座中設置護面鋼筋與砂漿錨桿，以此解決后配套臺車下井洞內組裝問題。（2）安裝始托架。在底板部位澆筑適當強度等級的混凝土材料，定位與安裝始發(fā)托架，在托架結構中設置高鋼支撐件，并構建配套臨時軌道，將臨時軌道延伸至臺車行走軌道中，將其與洞內軌道保持連接狀態(tài)，這樣便可以直接開展后配套臺車下井作業(yè)，并通過始發(fā)托架精確定位盾構機的盾體位置。（3）盾構機組裝。配置履帶式吊機與龍門吊等設備，依次將盾構機與配套臺車吊裝至井下作業(yè)面，在洞內對盾構機開展組裝與調試運行作業(yè)。（4）安裝洞門密封裝置。在洞門部位設置臨時性密封裝置，裝置由固定板、翻板、加勁板與螺栓等組成，可以避免洞門間隙部位深入泥漿與地下水。（5）始發(fā)參數(shù)控制。結合地層條件與現(xiàn)場情況，合理設定切口水壓、刀盤轉速、推進速度與推力等始發(fā)參數(shù)，并隨著施工現(xiàn)場情況的變化而不斷調節(jié)各項參數(shù)。

2.4 盾構機運行維護

在地鐵工程中，由于盾構機所處施工環(huán)境較為復雜，在設備運行期間，容易出現(xiàn)運行故障，進而影響施工質量及效率，問題嚴重時還會使盾構機停機癱瘓，給施工單位造成嚴重經(jīng)濟損失，因此，在地鐵盾構施工中，企業(yè)應組織開展高效的盾構機運行維護工作，提前預防與及時解決設備運行故障，保證盾構機設備的安全穩(wěn)定運行。以盾構機刀具維護為例，綜合分析刀盤掘進參數(shù)、現(xiàn)場地質情況與隧道掘進長度等因素，合理設定刀具檢查周期。例如，在硬巖地層中每掘進8m檢查一次刀具的使用情況，同時，在刀具性能狀態(tài)產(chǎn)生變化時，適當提高刀具檢查頻率。嚴格遵循相關標準，依次測量刀圈磨損量、檢查刀具外觀質量與緊固件松動情況，對松脫的零部件進行緊固處理，更換達到使用極限的刀具，如更換單刃滾刀、中心雙刃滾刀與刮刀。

3 結束語

綜上所述，在地鐵工程中，盾構機是一種重要的施工設備，為實現(xiàn)工程預期建設目標，保證后續(xù)施工活動的順利開展，施工單位應結合工程情況做好盾構機選型工作，明確盾構機選型依據(jù)與選型方法。同時，做好盾構施工組織工作，重點控制關鍵參數(shù)復核、盾構掘進與盾構始發(fā)等施工環(huán)節(jié)質量，以此提升地鐵盾構施工的整體經(jīng)濟效益。