主动铰接盾构在小曲线隧道中的应用研究

尹跃峰，陈昆鹏，杨 霖

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

伴随城市用地紧张、交通拥堵等问题的出现，许多城市采用立体化的地下快速轨道交通来解决日益恶化的城市交通问题。但由于受到密集的城市地下市政管网、繁多的地面居民建筑和历史古迹等因素，地铁隧道的线路设计决策往往受到很大影响，从而带来小曲线地铁隧道施工项目的不断增加[1]。

1 盾构法小曲线隧道介绍

对于地铁隧道来讲，线路平面曲线半径应根据车辆类型、地形条件、运行速度和环境要求等因素比选确定。在城市地铁隧道中进行盾构法施工时，隧道开挖直径越大，所需设计的最小曲线半径就越大。盾构主机在隧道曲线中的设计转弯能力也与其自身的长径比有关，长径比越趋近于1，越利于盾构主机在小曲线隧道中的转弯[2～3]。随着盾构技术的发展，盾构的小曲线转弯适应能力也越来越强，表1 为中铁装备部分小曲线隧道施工案例展示。

表1 中铁装备部分小曲线隧道施工案例

2 阿尔及利亚机场地铁项目概述

阿尔及利亚机场地铁项目是首都阿尔及尔的地铁延伸线工程，从EL Harrach 中心到首都机场。该项目隧道全长9565m，包括9 个地铁车站和10 个通风竖井，最小水平转弯半径为198.67m，采用一台开挖直径∅10.5m 的土压盾构进行施工。盾构施工时，先从OUED SMAR STATION 掘 到Terminus（约5.8km），然 后再转场进行OUED SMAR STATION 到EL Harrach Center（约3.7km）的隧道施工，如图1 所示。

图1 隧道施工线路图

3 项目地层特性

项目隧道埋深约20～56m，隧道最大水土压力约为3bar。穿越地质主要为细沙到中粗砂、砂岩、粉砂、粉质黏土、泥灰（夹杂有不规则的砾岩和砂岩），大部分区间以密实泥灰地层为主，标贯值SPT 在28～60 之间，且地层存在较大结泥饼的风险。在PK1+214.62-PK1+328.11 区间分布有完整的砂岩，平均抗压强度为75MPa（图2、图3）。

图2 砂岩取样照片

图3 泥灰层取样照片

4 土压盾构关键部件选型设计及应用

为满足该项目的穿越密实泥灰地层、砂层和砂岩层，根据地质特性和项目特点，刀盘采用复合刀盘，主驱动采用10 组350kW 的变频电机驱动，刀盘转速为0～2.73rpm；最大设计推力为10 691t，推进速度最高可达80mm/min。考虑到大直径、小转弯的特殊需求，该盾构采用主动球面铰接结构，具备180m 的转弯纠偏能力，满足设备在掘进过程中的纠偏调向需求（图4）。

图4 阿尔及利亚项目土压盾构

4.1 盾构刀盘设计及应用

刀盘和刀具选择的合理性直接影响到盾构掘进的速度和效果。刀盘结构必须具备足够的强度和刚度，确保盾构在特殊地质条件下也能顺利掘进施工。由于该项目为大直径长距离掘进，刀盘设计需要具备足够强度、刚度及耐磨性[1、4]。

本刀盘结构为8 主梁+8 副梁设计，刀具采用17 寸滚刀和重型刮刀分层布置，且滚刀能与可更换撕裂刀互换，以适应不同区间复合地层的刀具使用需求；刀盘正面覆盖12mm 厚的耐磨复合钢板，大圆环采用3 圈耐磨合金块，大大增强了刀盘的耐磨性能。刀盘总体开口率为39%，中心开口率达到43%，并配置12 个渣土改良口，结合盾构单管单泵的泡沫改良系统设计，可有效进行渣土改良，增强渣土流动性，防止刀盘结泥饼。从现场施工情况来看，该刀盘设计对地层的适应性良好，在全盘可更换撕裂刀或者全盘滚刀的情况下，整体排渣较为顺畅，刀具磨损正常。

4.2 刀盘驱动能力设计及应用

盾构推进过程中，刀盘驱动扭矩主要克服刀具掌子面的切削扭矩T1、刀盘前端面由于渣土摩擦产生的摩擦力矩T2、刀盘背面的摩擦力矩T3、刀盘大圆环的摩擦力矩T4、仓内的搅拌力矩T5、刀盘主轴承旋转阻力矩T6、刀盘受推力荷载产生的反力矩T7 和密封装置所产生的摩擦力矩T8[2]。综合分析计算可得刀盘驱动配置如下。

盾构在实际掘进过程中，转矩满足使用要求，且具有较大的余量，在砂层和泥灰地层中掘进效果良好，这与理论计算一致，有效保证了盾构在海外掘进施工过程中的可靠性与安全性。图5 为摘录的部分区间施工过程中驱动扭矩使用情况，当刀盘转速在1.8rpm 左右时，驱动扭矩平均在7 000kNm 左右，扭矩系数α在5～7 之间。

图5 盾构实际掘进扭矩与α系数曲线图

4.3 主动铰接设计及应用分析

4.3.1R=180m曲线的主动铰接设计

根据盾构相关技术理论，进行曲线段的隧道施工时，盾构施工的最小曲线半径除了与盾构自身的几何尺寸、通过曲线段的附加扭矩和超挖量等自身特性有关外，与铰接系统的设计具有重大关系。在实际工作中还需要考虑主机的过度铰接状态，以确保设计余量，因此采用解析法建立相应的解析模型的过程十分繁琐，在工程设计中常采用图解法对主机在曲线中的转弯情况进行直接分析，模拟结果如图6 所示。

图6 主机R=180m转弯能力模拟图

从上述模拟中可以看出，在隧道转弯曲线内侧不扩挖的情况下，盾体具备R=180m 的小半径转弯能力。转弯时主机各关键信息如下。

从图6 和上述数据结果中可以看出，该主动球面铰接结构的盾构主机设计具有如下优点。

1）采用V 型球面主动铰接结构时，盾构主机在小曲线半径项目中具有很强的转弯适应能力。

2）在推进过程中，推进油缸与尾盾始终通常保持平行关系，不存在推进油缸与尾盾干涉的问题，可以有效控制推进油缸与管片的相对位置，有利于尾盾实现良好的姿态控制。

3)在推进过程中，盾体结构与已拼装管片的前端面通常成90°直角（某些情况会略大于90°），不会因推进偏心力过大而损坏管片[3、5]（图7～图8）。

图7 盾体外侧与管片位置关系

图8 盾体内侧与管片位置关系

4.3.2 V型球面主动铰接结构实际应用

盾构在RABIA TAHAR STATION 车站穿越至SMAILYEFSAHSTATION 车站的过程中，在区间PK5km+868～PK6km+126通过长度为258m、转弯半径R=198.67m 的小曲线。根据TBM 数据报表显示，在小曲线隧道掘进的过程中，左右侧的铰接油缸伸出行程分别为S1=325.3mm、S2=38.72mm，如图9 所示，小于铰接油缸设计的最大伸出量S=365mm，顺利完成阿尔及尔机场地铁R=198.67m 的小曲线段的隧道施工。

图9 小曲线段施工时的铰接油缸行程数值

5 结语

通过对阿尔及尔机场地铁隧道项目盾构的设计和施工数据对比，有效验证了该盾构设计的合理性，也进一步验证了大直径主动铰接盾构在小曲线隧道施工中的可行性。

1）阿尔及利亚机场地铁隧道穿越地层主要以砂层、泥灰地层为主，通过对该土压平衡盾构刀盘的应用效果分析，进一步验证了大开口率（尤其是中心大开口率）刀盘在黏性地层中的优势[6]。

2）在小曲线转弯半径的隧道项目中，欧洲地区往往会采用“主动铰接+被动铰接”的双铰接结构的盾构设计来适应小曲线，但与主动铰接设计的盾构相比，双铰接盾构的设计和制造成本较高。主动铰接结构的盾体结构简单，生产制造的成本低，在后续小曲线项目的盾构选型中可作为首选形式。

3）通过对阿尔及利亚机场地铁项目的大直径主动铰接盾构在小曲线隧道应用的分析研究，旨在为后续类似项目设计和隧道施工的盾构选型提供一定的理论参考。