砂卵石地層中盾構(gòu)設(shè)備的選型研究

郭善超

(北京市水務(wù)建設(shè)管理事務(wù)中心,北京 100036)

隨著我國市政交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,盾構(gòu)法因具有掘進(jìn)速度快、對周邊環(huán)境影響小、施工安全性好及機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn),在復(fù)雜環(huán)境的城市隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。盾構(gòu)法施工是廣泛應(yīng)用于城市地鐵、鐵路隧道等隧道工程及地下工程的現(xiàn)代環(huán)保施工技術(shù),施工中盾構(gòu)設(shè)備要面對不同的地層條件,因此盾構(gòu)機(jī)機(jī)型選擇正確與否將是盾構(gòu)隧道工程施工成敗的關(guān)鍵[2]。自南水北調(diào)中線工程通水運(yùn)行后,為充分利用南水北調(diào)來水,北京市規(guī)劃建設(shè)了調(diào)蓄工程、輸水工程等市內(nèi)配套工程,其中部分輸水工程項(xiàng)目采用了盾構(gòu)法施工。本文以北京市南水北調(diào)配套工程河西支線工程為例,對工程所在地砂卵石地層適用的盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行選型分析,以期為今后相似工程地質(zhì)條件下盾構(gòu)設(shè)備的選型提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程內(nèi)容

河西支線工程是北京市南水北調(diào)配套工程中輸水支線工程之一,承擔(dān)著為北京豐臺長辛店地區(qū)和門頭溝新城的供水任務(wù),為豐臺河西第三水廠、首鋼水廠、門城水廠供水,為豐臺河西第一水廠、城子水廠及石景山水廠提供備用水源,設(shè)計(jì)規(guī)模10m3/s,自大寧調(diào)蓄水庫取水,管線終點(diǎn)為三家店調(diào)節(jié)池,總長18.8km,采用1根DN2600管道。其中,約14km的非開挖段管道采用盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯鋼管法施工,盾構(gòu)管片壁厚0.3m,內(nèi)徑3.2m,內(nèi)襯DN2600管道。

1.2 地質(zhì)條件

工程位于門頭溝、石景山、豐臺3區(qū),工程沿線從南向北依次穿越大清河水系、永定河水系及北運(yùn)河水系。場區(qū)地下水水位埋深一般大于20m,僅在大寧庫區(qū)段地下水位埋深小于10m,水位在48m左右,含水層以砂卵礫石為主。場區(qū)屬沖洪積扇中上部,第四系全新統(tǒng)地層以單一的卵石結(jié)構(gòu)為主,局部地段夾有砂層,其頂部覆蓋薄層黏性土,永定河沿線存在大量因采砂石形成的回填坑。在三家店閘右岸出露有侏羅系下統(tǒng)窯坡組(J1y)暗色含礫粗砂巖、粉砂巖,在京原鐵路與永定河河道相交處河道右岸出露有薊縣系霧迷山組(Jxw)灰色、淺灰色厚層狀燧石條帶白云巖,在大寧調(diào)蓄水庫西側(cè)出露有第三系始新統(tǒng)長辛店(E2c)組泥巖、砂巖和礫巖[3]。

本文選取的盾構(gòu)區(qū)間位于永定河故道河道、現(xiàn)狀河道右堤內(nèi)綠化帶,管底高程68～74m,管底埋深22～28m,主要為卵石單一結(jié)構(gòu)。地下水埋深較大,勘察期間未揭露地下水,盾構(gòu)管線位于地下水位之上,不受地下水影響。盾構(gòu)段地質(zhì)剖面的具體情況見圖1。

圖1 盾構(gòu)段地質(zhì)剖面圖

經(jīng)該盾構(gòu)區(qū)間段地質(zhì)勘探情況統(tǒng)計(jì),卵石②層卵石粒徑以40～120mm為主,局部含漂石及孤石,卵石③層以20～140mm為主,局部含漂石及孤石,勘探的最大卵石粒徑達(dá)2m,級配不良。盾構(gòu)管道主要置于卵石③層上,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為380kPa,變形模量為40MPa,抗滑穩(wěn)定計(jì)算混凝土與混凝土摩擦系數(shù)為0.52,具體地層相關(guān)特征及參數(shù)情況見表1。

表1 盾構(gòu)地層主要情況

1.3 工程難點(diǎn)

盾構(gòu)區(qū)間段主要穿越卵石③地層,由于卵石層中卵石粒徑大小不一,且不均勻分布有漂石,在掘進(jìn)過程中將對刀盤扭矩和刀具磨損程度產(chǎn)生較大影響,所以盾構(gòu)設(shè)備的刀盤形式和刀具要具有抗沖擊和抗耐磨性。另外,因?yàn)槎错敻采w層主要為砂及卵石層,局部不排除填土層,顆粒間結(jié)構(gòu)性較弱,圍巖洞室自穩(wěn)能力差,對控制地表沉降提出了較高要求。

2 盾構(gòu)機(jī)類型選擇

盾構(gòu)機(jī)類型選擇的優(yōu)劣將對盾構(gòu)掘進(jìn)的順利施工產(chǎn)生最直接的作用,不同的地質(zhì)條件、工程進(jìn)度計(jì)劃、環(huán)境以及成本等因素都會對盾構(gòu)設(shè)備的選型產(chǎn)生關(guān)鍵影響。由于盾構(gòu)隧道的特性,盾構(gòu)機(jī)選型是工程能否順利完工的關(guān)鍵,必須結(jié)合工程相關(guān)特點(diǎn),選擇具有安全性、可靠性、技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)適用的盾構(gòu)機(jī)[4]。盾構(gòu)機(jī)從適用條件上主要分為開放式和封閉式兩種,另外從盾構(gòu)設(shè)備工作機(jī)理上封閉式盾構(gòu)機(jī)又可分為土壓平衡式和泥水平衡式。盾構(gòu)機(jī)選型時先要看該盾構(gòu)機(jī)是否有利于開挖面的穩(wěn)定,其次才考慮環(huán)境、工期、造價等限制因素,同時還必須將宜用的輔助工法也加以考慮,只有這樣才能選擇出一種較為合適的盾構(gòu)機(jī)[5]。其中開放式盾構(gòu)機(jī)主要適用于自穩(wěn)能力較好,受到水壓力、土壓力影響較小的地層中;封閉式盾構(gòu)機(jī)適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、易坍塌、自穩(wěn)能力較差的地層中,使盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中起到支撐和承受周圍水土壓力的作用。

根據(jù)本工程地質(zhì)條件特征,盾構(gòu)區(qū)間隧道上覆土層主要為卵石及填土層地層,自穩(wěn)能力差,因此選用較適宜的封閉式盾構(gòu)機(jī)。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)受地下水影響較大,由于本區(qū)域地下水埋深較大,勘察期間未揭露地下水,盾構(gòu)管線位于地下水位之上,不存在地下水影響,因此土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)可供選擇。

在進(jìn)一步選取土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)或者泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)時,對上述兩種盾構(gòu)機(jī)的工作機(jī)理、地層適應(yīng)性、占地規(guī)模、成本、使用效率等進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明,土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)更適宜本項(xiàng)目施工,具體見表2。

表2 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)比較

3 盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部位選型

3.1 開挖設(shè)備

3.1.1 刀盤

刀盤作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件,在選取刀盤形式、刀盤開口率時應(yīng)充分結(jié)合地層條件、作業(yè)面的穩(wěn)定程度和掘進(jìn)效率等因素。由于本盾構(gòu)區(qū)間主要穿越砂卵石地層,刀槽開口率及寬度要能適應(yīng)砂卵石地層,并保證掌子面渣土順利進(jìn)入土倉,有一定耐磨性能滿足長距離掘進(jìn)施工,刀盤的開挖直徑要大于盾體直徑。因此,選擇輻條式耐磨刀盤、配備6根輻條臂,周邊設(shè)置刀盤大圓環(huán)保護(hù)前盾盾殼,刀盤開口率為60%。根據(jù)地層地質(zhì)條件在刀盤處設(shè)置泡沫或膨潤土的注入口,對開挖土體進(jìn)行相關(guān)改良。刀盤整體設(shè)計(jì)樣式見圖2。

圖2 輻條式刀盤整體設(shè)計(jì)樣式示意圖

3.1.2 刀具

在以砂卵石為主的地層中盾構(gòu)掘進(jìn),對于刀具的選擇和數(shù)量分配也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。刀具的布置和使用直接影響盾構(gòu)機(jī)刀盤的使用壽命、切削效果和掘進(jìn)效率等。針對地層中卵石含量高、粒徑大的特點(diǎn),選用先行刀、切削刀、中心刀、滾刀、仿形刀相結(jié)合的刀具。先行刀用于先行切削和疏松土體并提高切刀的切削效率,切削刀用于開挖面大部分?jǐn)嗝娴拈_挖,中心刀用于中心斷面的開挖和改善中心部位土體的切削、攪拌效果,滾刀可用于破碎較大粒徑的卵石、礫石,仿形刀布置在刀盤邊緣用于曲線開挖和糾偏[7]。具體刀具類型及數(shù)量的配備見表3。

3.2 驅(qū)動和推進(jìn)系統(tǒng)

3.2.1 刀盤扭矩的計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)采取驅(qū)動馬達(dá)作為動力,共設(shè)置10臺,設(shè)計(jì)扭矩為2930kN·m。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的準(zhǔn)確選型,需要對盾構(gòu)機(jī)挖掘扭矩進(jìn)行計(jì)算[8]。

3.2.1.1 挖掘扭矩T的計(jì)算

土壓平衡盾構(gòu)的挖掘扭矩T:

T=T1+T2+T3+T4+T5+T6

a.切削泥土的負(fù)荷扭矩T1:

T1=nHaRm=60×23×0.99=1.37kN·m

其中:刀頭數(shù)量n=KD/(2Bo)=3×3.96÷(2×0.1)=60;(K為切削次數(shù);D為刀盤切削外徑;Bo為切削刀寬度)

切削刀抗阻力Ha=1.8EsBot2×10-0.56α=1.8×0.4×10×2.12×10-0.56×0.262=23N(Es為荷載系數(shù),取0.4N/cm3;t為切銷量,取2.1cm;α為前傾角,取0.262);

刀頭平均半徑Rm=D/4=0.99m。

b.泥土和刀盤間的負(fù)荷扭矩T2:

其中:泥、板之間的摩擦系數(shù)μ1=0.3;刀盤開口率(%)As=60%;刀盤外徑Dc=3.93m;Ls=0.33m。

其中,地下水至軸頂高Hw=20m;

c.機(jī)械摩擦負(fù)荷扭矩T3(徑向):

其中:軸承徑向滾靜摩擦系數(shù)μ2=0.001;轉(zhuǎn)動裝置W1=300kN;軸承徑向滾安裝直徑Dd=2.97m。

d.機(jī)械摩擦負(fù)荷扭矩T4(軸向):

其中:軸承推力滾的靜摩擦系數(shù)μ3=0.001;刀盤切削外徑D=3.96m;軸承推力滾筒直徑Dt=2.9m。

e.表面密封負(fù)荷扭矩T5:

其中:密封壓力Ps=1kN;表面密封安裝直徑Dsi=3.239m(共8面);表面密封與鋼板間的靜摩擦系數(shù)μ4=0.2。

f.中間梁負(fù)荷扭矩T6:

其中:刀盤外徑Dc=3.93m;K1=0.45;K2=0.3;Gc=1.6t/m3;中間梁安裝直徑R=2.46m;中間梁投射面積A=0.12m2;中間梁數(shù)量n=6。

由上述可得,刀盤工作挖掘扭矩:

T=T1+T2+T3+T4+T5+T6=1.37+378+0.45+1.95+26.4+37.1=445kN·m。

由于盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)扭矩T0=3930kN·m,安全系數(shù)為8.8。

3.2.1.2 基于經(jīng)驗(yàn)公式的刀盤扭矩校核

刀盤扭矩校核經(jīng)驗(yàn)公式為

T=αD3

式中:扭矩系數(shù)α取值范圍為12～24[9]。

當(dāng)α=12(最小值)時,T=αD3=12×3.933=728kN·m;

當(dāng)α=24(最大值)時,T=αD3=24×3.933=1456kN·m。

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)扭矩T0=3930kN·m>1456kN·m,滿足要求。

3.2.2 推力的計(jì)算

總推力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為

其中:單位面積推力Fj=1000～1300kN/m2,取最大值。

在計(jì)算總推力時,單位面積推力按最大值進(jìn)行計(jì)算,并使選取的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)要能最大限度滿足推力需求。本盾構(gòu)區(qū)間采用14個推進(jìn)油缸,最大推力達(dá)到16800kN>15762kN,滿足需求。

3.3 排土設(shè)備

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輸送機(jī)和無中心軸的帶式螺旋輸送機(jī)兩種,為盡可能增加盾構(gòu)機(jī)最大排出卵石(礫石)的能力,宜采用帶式螺旋輸送機(jī)[10],掘進(jìn)效率相比其他型式輸送機(jī)將會有所提高。為了能使從工作面開挖出的渣土連續(xù)順利地排出,在螺旋輸送機(jī)上配備轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的液壓驅(qū)動裝置,并在外護(hù)筒安裝壓力監(jiān)控設(shè)施對壓力變化情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。螺旋筒體和葉片之間的距離必須滿足石塊(混凝土塊)的正常排出要求,本盾構(gòu)機(jī)外徑為3930mm,配備的葉片直徑為700mm,最大可通過尺寸為650mm×500mm的石塊。螺旋機(jī)輸送能力為120m3/h,并設(shè)計(jì)有泡沫、膨潤土等注入口。為滿足排土的需求,在螺旋輸送機(jī)尾端位置安裝液壓油缸進(jìn)行排渣閘門的啟閉,同時為了滿足耐磨的需求,在筒體內(nèi)側(cè)采用焊接耐磨鋼板。當(dāng)螺旋輸送機(jī)螺桿發(fā)生大量磨損無法繼續(xù)工作時,可從螺旋機(jī)前端筒體與中段筒體連接法蘭處斷開螺旋機(jī)筒體,將螺旋機(jī)本體拆出后更換螺桿。螺旋輸送機(jī)見圖3。

圖3 螺旋輸送機(jī)示意圖

3.4 土體改良設(shè)備

本工程盾構(gòu)區(qū)間位于卵石③地層,卵石粒徑較大(以20～140mm為主),夾漂石、孤石較多,勘探可見最大粒徑達(dá)2m,級配不良。渣土改良系統(tǒng)在砂卵石地層中可減少刀具磨損,保證開挖面穩(wěn)定,減少盾構(gòu)機(jī)負(fù)荷,提高掘進(jìn)效率[11]。因此,對開挖土體的流塑性改良措施一般通過裝備的泡沫注入設(shè)備和膨潤土注入設(shè)備實(shí)施。泡沫注入設(shè)備包括發(fā)泡原液箱、原液輸送泵、原液與水混合溶液箱、溶液輸送泵及發(fā)泡產(chǎn)生器,并通過盾構(gòu)機(jī)刀盤和土倉的泡沫注入口向開挖工作面注入泡沫,提高開挖土體流動和止水性,并保持開挖面的相對穩(wěn)定。膨潤土注入設(shè)備由膨潤土泵、膨潤土罐以及配套控制系統(tǒng)組成,通過自由調(diào)節(jié)注入量,將膨潤土注入到開挖工作面的土體中,提高土體的流動性和止水性。特別是在砂卵石層中,通過加入膨潤土的方式對土體進(jìn)行改良可取得明顯效果。

3.5 同步注漿設(shè)備

采用盾構(gòu)法進(jìn)行輸水隧洞工程的施工,一般需要進(jìn)行包括同步注漿、二次注漿、多次補(bǔ)漿及徑向注漿在內(nèi)的壁后注漿工作。通常在盾構(gòu)正常掘進(jìn)的同時,在管片和地層之間會產(chǎn)生一定的間隙和松散土體,會對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、管片拼裝、隧洞止水甚至地表沉降造成影響。尤其在砂卵石地層中,當(dāng)盾構(gòu)穿越時,由于刀盤的擾動和振動,造成空隙率較大的卵石層框架體系破壞,卵石變得密實(shí),上方形成空洞,最后隨時間推移影響到地表[12]。因此,要將快速填充空隙和固結(jié)管片的能力作為同步注漿設(shè)備的首要考量因素,選取外置式2口注入形式的壁后雙液同步注漿系統(tǒng),并同時裝配管路清洗裝置,對注漿后管片及時進(jìn)行清洗,可以減小地面沉降,滿足施工相關(guān)需求。在選擇注漿設(shè)備時還應(yīng)考慮泵送作業(yè)的持續(xù)性,具有可根據(jù)各種不同速率進(jìn)行量配、拌和及泵送漿液的能力。拌和機(jī)要具備足夠的容量,以配合注漿作業(yè)的需要。在壓力注漿管路的承壓方面,還需使管路能承受最大的水壓及注漿壓力。

4 結(jié) 論

在砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)法施工,對于盾構(gòu)設(shè)備的選型要在滿足地層適應(yīng)性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量進(jìn)度和環(huán)境影響等方面的綜合分析。在刀盤刀具、驅(qū)動設(shè)備和推進(jìn)設(shè)備的選型時要對刀盤扭矩、推力等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,以保證盾構(gòu)設(shè)備的正常掘進(jìn)能力。選用良好的排土設(shè)備、土體改良設(shè)備和同步注漿設(shè)備可以進(jìn)一步提高開挖和輸送土體的效率,并起到保持開挖面穩(wěn)定、減小地面沉降的作用,對此應(yīng)予以足夠的重視。