北京新机场线一期8.8 m直径隧道盾构选型研究

2020-06-29高洪吉

铁道建筑技术 2020年4期

高洪吉

(中铁十四局集团有限公司山东济南 250014)

1 引言

盾构法已经成为我国地铁区间隧道建设的主要工法。盾构设备与工程地质条件和施工环境的适应性对工程能否安全、顺利完成具有重大的影响，因此盾构选型至关重要。

尚艳亮[1]等通过对石家庄多个盾构区间隧道监测数据进行分析得出刀盘开口率越小盾构施工引起地表沉降越小的结论；侯凯文[2]通过南宁地铁在复杂地层推进过程中盾构关键部位的选型设计及参数分析，得出了适合复杂地层的盾构选型方案；蒋超[3]通过佛莞城际狮子洋隧道盾构的选型研究，提出了加强螺旋出土器出渣解决土舱内土体排出困难的问题；陈馈[4]等对深圳大直径盾构的选型进行分析，并结合现场情况对盾构设备进行了优化；郭彩霞[5]针对北京典型无水卵砾地层进行盾构选型，同时对关键设备进行升级改造，提高了掘进速度、降低了运行成本；江华[6]等对北京4个标段的盾构设备进行总结，得出了增大开口率以及进行渣土改良能有效减小刀盘扭矩的结论；李潮[7]将理论模型与实际相结合，提出刀盘各面与地层的摩擦阻力扭矩约占总扭矩的80%；陈仁朋[8]通过理论分析，修正了刀盘推力以及扭矩的计算公式，并通过深圳地铁验证了公式的合理性；江玉生[9]等通过对刀盘扭矩形成机理的分析，总结了扭矩与地层参数的关系；沈林冲[10]等通过对杭州富水地层盾构选型进行研究，总结出复杂条件下盾构施工的关键要点；乐贵平[11]通过对北京地区地层分析，提出了盾构机配置要求及关键点选配要求；丁志诚[12]等结合广州地铁实际情况，对全断面滚刀以及全断面先行刀适用情况进行分析；张帅坤[13]针对豫机城际铁路工程线路设计、工程及水文地质特点，全面分析了盾构设备选型情况，并对重点部件进行介绍。

本文依托新机场线最长的盾构隧道工程，对该工程的盾构选型进行研究。

2 工程背景及重难点

2.1 工程概况

北京新机场线07标段2号风井-3号风井区间是全线最长的盾构隧道，左线全长3 832.39 m，右线全长3 847.44 m，最大坡度为5.9‰，最小曲线半径为1 300 m。盾构区间隧道管片外径8.8 m、内径7.9 m，环宽1.6 m。

盾构隧道埋深8～16 m，地下水位埋深22.9 m，盾构施工不受地下水影响。盾构隧道穿越的地层主要为卵石圆砾层，局部拱顶含有粉细砂和粉土，如图1所示。盾构隧道埋深范围内原状土颗粒级配曲线，如图2所示。

图1 2号风井-3号风井区间地质剖面

图2 砂卵石地层颗粒级配及地层情况

2.2 工程重难点分析

结合本区间隧道工程工期要求、地层条件及施工环境条件，分析得出本区间盾构选型的重难点。

(1)本区间管片外径8.8 m，且盾构穿越全断面卵石地层，盾构刀盘扭矩较普通地铁盾构(6 m外径管片)有大幅增加，应选择合理的刀盘型式并对扭矩进行检算，确保配备合理的驱动功率，保证盾构顺利掘进。

(2)本区间盾构穿越地层为砂卵石层，由于地层缺少细颗粒，渣土和易性差，对渣土改良要求较高；渣土改良系统的设计也是一个难点，必须确保刀盘和土舱内布置合理的泡沫注入口和膨润土注入口。

(3)面对盾构长距离穿越全断面砂卵石地层，在刀具方面应考虑合理化的布置形式，通过优化刀具的高差、间距、轨迹等来延长盾构掘进距离。

3 盾构选型要点

首先对盾构类型进行选择，本区间隧道穿越地层主要为无水砂卵石地层，地层渗透系数大，如采用泥水平衡盾构，泥膜建立困难，泥浆在地层中流失严重。且泥水平衡盾构出渣方式没有土压平衡盾构直接，效率较慢。本工程工期非常紧张(要求双线盾构在11个月内实现洞通)，不适宜采用泥水平衡盾构，因此选用土压平衡盾构施工。在盾构类型确定后，再对盾构设备的主要参数进行选择。

3.1 刀盘型式选择

刀盘型式可分为面板式、辐条式和辐条面板式3种，3种刀盘的差别主要体现在刀盘的开口率上。面板式刀盘开口率在20% ～35%，辐条面板式刀盘开口率35% ～50%，辐条式刀盘开口率一般在50%以上。砂卵石地层刀盘开口率越大渣土进入土舱越顺畅，刀盘与开挖面的接触面积越小，刀盘扭矩也越小。文献[6]认为同样的砂卵石地层，刀盘开口率增大10%，刀盘扭矩减小8% ～10%。因此为降低刀盘扭矩，减小刀具的磨损，应采用辐条式刀盘。

针对以砂卵石为主的地层特点，最终选择开口率60%的辐条式刀盘。刀盘正面和开口部位焊接有耐磨层，外周焊接25 mm厚的复合耐磨钢板，以减少砂卵石地层中掘进刀盘的磨损。刀盘背面设有搅拌棒，可以随着刀盘一起转动，提高土体的塑性和流动性，刀盘构造如图3所示。

图3 刀盘结构

3.2 刀盘驱动参数确定

为保证盾构顺利掘进，刀盘驱动输出功率必须满足盾构施工过程中的刀盘总扭矩。刀盘总扭矩主要由切削阻力扭矩、正面的摩擦阻力扭矩、侧面的摩擦阻力扭矩、背面及搅拌翼与渣土的摩擦阻力扭矩4个部分组成:

式中，T1为刀盘切削阻力扭矩(kN·m)；T2为刀盘正面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T3为刀盘侧面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T4为刀盘背面及搅拌翼与渣土的摩擦阻力扭矩(kN·m)。

式中，D为刀盘外径(m)；v为掘进速度(mm/min)；N为刀盘转速(r/min)；qv为周围土体的单轴抗压强度(kPa)。

式中，K0为侧向土压力系数；η为刀盘开口率；γ为刀盘周围土体的容重(kN/m3)；f为土与刀盘表面间的摩擦系数；H为刀盘所在位置距地表的深度(m)。

式中，Ka为主动土压力系数；B为刀盘外沿宽度(m)。

式中，H0为搅拌叶片覆土深度(m)；Db为搅拌叶片直径(m)；Lb为搅拌叶片长度(m)；Rb为搅拌叶片到盾构掘进机中心的距离(m)。

结合本工程具体情况，计算总扭矩为11 449.43 kN·m，一般安全系数选取1.2，本工程因为在全断面卵石地层中掘进，且工期较紧，应配置更大的驱动扭矩，因此安全系数确定为1.4，配置扭矩不应低于11 449.43×1.4＝16 029.202 kN·m。最后选择配置12个变频电机，额定扭矩17 960 kN·m，脱困扭矩19 760 kN·m。

3.3 渣土改良系统选择

盾构机主要穿越无水砂卵石地层，细颗粒含量少，渣土改良困难。渣土改良效果不好，极易造成渣土流塑性差，土舱内压力难以建立，地表发生塌陷。另外，由于地层富含砂卵石，施工过程中刀盘扭矩大，刀具磨损严重。因此，盾构施工过程中需重点关注渣土改良效果，同时盾构选型过程需结合渣土改良材料自身性质对改良材料注入系统参数进行确定。

北京地区无水砂卵石地层一般采用膨润土＋泡沫的渣土改良方式。泡沫的主要作用是增加润滑性，减少土体与刀盘、刀具的摩擦，降低刀盘扭矩；膨润土的主要作用是补充细颗粒，增加渣土的和易性。因此，泡沫口的注入位置应主要位于刀盘前方，而膨润土的注入位置应分布于刀盘前方与土仓内部。为确保渣土改良材料能均匀地注入到刀盘前方土体，刀盘分布9个注入孔，其中6个孔为泡沫注入口，用于对掌子面土体进行改良；3个孔为膨润土＋泡沫共用口，可根据施工情况选择不同改良材料。同时刀盘向后设置1个膨润土注入口，土仓后壁向前设置1个膨润土注入口，对刀盘中心位置进行冲刷，如图4所示。

图4 注入口布置位置

3.4 刀具型式及布置

针对该区间以卵石为主的地层条件，采用切刀、先行刀、保径刀、超挖刀以及中心鱼尾刀相结合的方式进行配置。

切刀布置在刀盘开口槽的两侧，刀高125 mm，如图5a、图5b所示。贝壳刀分为两种，其中刀高为145 mm的先行刀51把，刀高为175 mm的先行刀75把，高低差配置见图5a、图5b。盾构掘进时先行刀首先切削土体，对掌子面土体进行疏松，之后切刀切削经过疏松的土体，从而达到减小切刀磨损的目的。中心鱼尾刀布置1把，刀高450 mm，如图5c所示。在刀圈周围设置保径刀66把，用于切削外周的土体，保证开挖面的直径。在刀盘的边缘布置超挖刀2把，最大超挖量50 mm。盾构机在曲线段推进或转弯、纠偏时，通过超挖刀切削土体所创造的空间，保证盾构在超挖少、对周边土体干扰少的条件下，实现曲线推进和顺利转弯、纠偏。

图5 主要刀具型式(单位：mm)

3.5 同步注浆系统

同步注浆作为盾构施工的重要步骤，必须结合工程特点配备同步注浆系统。盾构每环掘进形成的理论空隙为:

式中，D1为盾构开挖直径，取9.15 m；D2为管片外径，取8.8 m；L为管片长度，取1.6 m。

故每环理论注浆量为7.89 m3，考虑浆液扩散，填充系数取1.5～1.8，则每环实际注浆量为11.84～14.2 m3。假定盾构以最大推进速度80 mm/min连续掘进，按照最大填充率1.8计算，所需同步注浆泵送能力为42.61 m3/h。在确定参数时考虑一定的安全系数，设置3台双柱塞泵，注浆能力45 m3/h，满足正常掘进需求。同步注浆管路设置时，在盾尾分6路，在施工过程中可在不同位置注入以满足盾尾空隙填充要求(见图6)。

图6 注浆管路布置示意

4 施工结果分析

选取900～1 100环进行扭矩统计，如图7所示。最小扭矩为6 080 kN·m，最大扭矩为12 108 kN·m，基本符合计算值。扭矩计算过程中假设地层为全断面砂卵石地层，摩擦系数较大，而900～1 000环盾构实际穿越时存在较厚的粉质黏土层，地层加权摩擦系数较小，因此施工扭矩较小，1 000～1 100环穿越地层时粉质黏土层逐渐消失，扭矩基本符合计算值，说明扭矩计算的合理性。同时，整个施工过程中扭矩均小于设备额定扭矩，说明盾构驱动设备选型合理。

图7 900～1 100环施工扭矩变化曲线

对盾构施工效率进行分析(见图8)，区间盾构掘进过程顺利，平均每天掘进9.4环(15.04 m)，若排除盾构施工过程中刀具检修及其他原因导致的停机时间，盾构每天掘进12.5环(20.00 m)，盾构最快日掘进25环。对900～1 300环施工过程中隧道上方地表13个沉降测点数据进行总结，地表最大累计沉降21.43 mm，平均累计沉降12.05 mm(控制值30 mm)。综上所述，盾构设备选型取得了良好的效益。