浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型(中)

作者：北京市政集团 乐贵平

欢迎访问e展厅 展厅 5 钻机/掘进机/凿岩机展厅 钻机, 潜孔钻机, 水平定向钻, 顶管机, 旋挖钻机, ... 6 加泥式土压平衡盾构机的基本技术（配置） 前节已详细阐明了采用加泥式土压平衡盾构机技术经济的合理性，下面针对北京市地铁隧道工程，笔者试提出盾构机的基本技术(配置)选择和要求。 6.1盾构机刀盘形式 盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为面板式和辐条式(复合式刀盘由这两种形式派生而出)刀盘两种形式。针对北京的地质条件以及目前地铁隧道埋深不超过25 m的情况，采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4％～8％。因此笔者对两种型式的刀盘特性进行了比较。比较结果表明，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，保证有较好的掘进性能，又能节省设备投资(比较结果详见表3)。 6.2构机刀盘驱动方式 刀盘驱动方式是盾构机的重要组成部分，其承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务。刀盘驱动系统也是盾构机内务系统中消耗功率较大的设备之一。过去为了保证刀盘旋转切削土体的能力和效果，盾构机刀盘驱动方式多设计为液压驱动。但随着变频电机技术的不断发展，逐渐在盾构机的设计中被采用，而且由于其具有明显的技术优势，同时价格也在逐年下降，应用于盾构机呈不断扩大的趋势。笔者从盾构机刀盘驱动效串的高低，后续配备设备的多少，设备维护、保养的难易以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，认为北京地区隧道施工用盾构机，其刀盘的驱动方式以采用变频电机驱动方式为好。盾构机刀盘驱动方式特性比较见表4。 6.3盾构机刀盘支撑方式 盾构机刀盘支撑方式如图6所示，一般有中心支撑，中间支撑和周边支撑三种方式。采用何种方式，主要依据盾构机的直径和工程的地质条件。中心支撑方式主要用于中小直径(直径≤φ7.5m以下)的盾构机，其对地质条件的适应性较好．中间支撑方式则主要用于中大直径(直径在Φ4.5～φ17.4m之间，有工程实绩)的盾构机，当直径不太大、地质条件为粘性土时，刀盘采用中间支撑方式易在支撑的中心部分粘附，并逐渐扩大形成俗称"泥饼"的现象，造成出土不畅与盾构机的阻力增大。因北京市有大量的粘土层，若盾构机刀盘采用中间支撑方式，需对此给予充分注意和采取有效对策。周边支撑方式则比较灵活，即可用于小直径盾构机，也可用于大直径盾构机，但也同样存在刀盘支撑位置处易于粘附的问题，需要采取相应的解决措施。上述三种盾构机刀盘支撑方式中，前两种目前在盾构机中广泛应用，后一种使用尚不多。故笔者仅对中心支撑方式与中间支撑方式进行比较。 根据笔者盾构法隧道的施工经验，以及查阅有关技术资料和与盾构机制造商进行专题研讨，对于外径为46.50 m左右的盾构机，单就刀盘支撑结构的强度(含刚度)而言，盾构机刀盘采用中心支撑方式或中间支撑方式均能满足北京地区隧道施工要。但是针对北京地铁隧道的规划线路和可能碰到的地质条件，这两种支撑方式对盾构机密封舱内切削土体的搅拌状态(反映切削土体在密封舱内的流动特性与平衡土压力的控制效果)、刀盘密封性能(反映主轴的使用寿命)等方面有较大的差异，若处理不当，会对盾构机的使用造成不利影响。笔者结合北京市地质情况，对前述两个方面进行了比较。 6 .3.1 盾构机密封舱内切削土体搅拌状态 (1) 中间支撑方式 如图7所示，由于中心支座的存在，将盾构机密封舱分隔成两个区域，中心区域直径约为3.5m，占密封舱内相当大的空间。当刀盘旋转切削土体时，支座中心区域以外部分的土体流动顺畅，易于搅拌；中心区域内的土体流动较差，当切削土体粘性较大或者所加泥浆搅拌不良并长期积聚于中心区域时，中心区域土体逐渐增多最终形成"泥饼"，完全丧失流动性。内外两个区域的土体流动性差异较大，土体搅拌混合的效果难以确保。综上所述，刀盘采用中间支撑方式的盾构机在粘性土(包括粉细砂)中施工时，若处理不好，密封舱内切削土体搅拌效果不易满足要求，并可能会因粘附堵塞形成"泥饼"，造成出土不畅、阻力增大、开挖面土压控制不稳定。因而，盾构机掘进效果受到影响，且对控制地面沉降不利。 (2) 中心支撑方式 如图8所示，盾构机刀盘旋转切削土体时，密封舱内土体的流动空间和被直接搅拌的范围大，土体流动顺畅，土体搅拌混合效果良好，引起堵塞的可能性较小，开挖面土压控制稳定。因而，盾构机掘进效果较好，改善了盾构机控制地面沉降的性能。 6.3.2 盾构机刀盘密封性能 盾构机向前掘进时，其刀盘一方面旋转切削土体．一方面随着盾构机向前方顶进。中心支撑主轴和中间支撑主轴转动圈外周是不同的，即在相同转速下，密封材料所密封的长度不同。因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘进长度以及相同掘进速度的条件下，对密封系统的磨耗完全不同(详见图9)。按照盾构机刀盘的转速和盾构机推进速度的计算公式，可以求出两者差异。计算公式如下： (5)式表明，中心支撑的主轴转动圈外周长度仅为中间支撑的0.3倍，因此就密封系统的使用寿命而言，盾构机刀盘采用中心支撑比采用中间支撑有利。 根据比较与分析结果，从①盾构机密封舱内的土体的搅拌效果，确保在粘土、砂、砂卵石地层中推进均不易发生粘附堵塞；②开挖面平衡土压控制稳定，地面沉降控制效果良好；③可延长盾构机的使用寿命，降低工程造价等方面综合考虑，笔者认为盾构机刀盘支撑方式采用中心支撑方式优于中间支撑方式。 6.4 加泥及加泡沫系统 加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。正是采用该系统，对于不同地质的条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水、土压力又能向外顺畅排土，大大拓宽了盾构机的适应范围。北京市东边大部分地区应用盾构法施工时，仅采用加泥系统就可满足隧道施工的要求。 由于北京市地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层，根据笔者的经验，盾构机在这种地质环境中掘进时，仅考虑采用加泥措施来改善切削土体流动性往往效果不佳，密封舱内切削土体寓析严重，盾构机经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大掘进效率降低，施工费用增加。为适应前述地质环境的施工，可在加泥的基础上增加泡沫系统。利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体渗透性，达到既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土的目的。我集团公司在北京市无水砂卵石地层施工时，根据地质的变化，加泥或加泡沫或同时加入泥浆和泡沫的混合液，施工效果良好。 6.5螺旋输送机 螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，主要有以下三个功能： (1) 将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续排出。 (2) 切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持密封舱内土压稳定。 (3) 将盾构机密封舱内土压值的高低，自动(也可手动)与设定土压值比较，随时调整向外排土速度，控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构机连续正常向前掘进。 根据螺旋输送机的构造不同，可分为有中心轴的螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机。比较国内外盾构法施工的业绩，可认为前者适用于一般性土、砂运输，后者适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。虽然目前国内在盾构机用带式螺旋运输机的加工制造方面经验不多、技术尚不成熟，但国外已经大量采用，有相当丰富的设计和施工经验。对于北京市地铁隧道施工，必然要遇到砂土层和砂卵石地层，同时还可能遇到少量的大颗粒卵石或漂石，为尽可能增加盾构机最大排出卵石(砾石) 的能力，宜采用带式螺旋运输机。 6.6 皮带运输机 皮带运输机与螺旋箱送机相接，盾构机密封舱内切削土体由螺旋输送机向外排出后，经皮带运输机输送到出碴斗车，再运往工作竖井外。盾构机设计时，皮带运输机一方面向外运土，另一方面兼作吊运管片的承重结构。因此，皮带运输机的长度要根据水平出土运输的施工组织而定，地铁施工用皮带运输机的长度一般为40m左右；另外，皮带运输机的托架必须满足吊运5000kg的要求。 6.7 壁后同步注浆系统 随着盾构机技术的不断应用和发展，广大工程技术人员逐渐深刻地认识到壁后注浆技术在盾构法隧道施工中的重要作用，若进行归纳，可以指出有以下几个作用： (1)同步填充盾构机向前推进过程中管片逐渐脱出盾尾所产生的间隙(简称盾尾间隙，一般在60～100mm之间)。 (2)改善管片结构防水和抗渗性能。 (3)促进隧道管片结构及早稳定。 (4)限制隧道结构蛇行。 壁后同步注浆最重要的作用是第一项，盾构法隧道施工中能否及时填充盾尾间隙，是控制土体沉降的关键。针对北京市地质条件、地铁隧道的埋深和隧道穿越地区地面建筑物的状况，笔者认为，盾构机同步注浆系统应具备单(包括惰性)、双液注浆的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，确保地面建筑物的安全。当隧道覆土深度不大、地面建筑物结构性差、沉降控制要求严格、以及隧道穿越地层地质不良、稳定性差时，必须采用壁后同步双液注浆。所注入浆液不仅要求能够同步及时填满整个盾尾间隙，而且要求浆液迅速固结达到设计强度，满足抵抗土体变形下沉的需要；当施工环境条件与前相反时，则可采用壁后同步单液(包括惰性)注浆，也能达到及时饱满填充盾尾间隙的要求和控制沉降的目的，这样做，技术经济上比较合理。 6.8 盾尾密封系统 盾构机盾尾密封系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。追溯盾构机的应用实践，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常不在盾构机头而在盾尾。盾构机盾尾密封一般有刚性密封和柔性密封。由于刚性密封对管片生产和管片拼装质量要求较高，逐渐被柔性密封取代。对于北京地区的具体情况，盾构机采用内注密封油脂式钢丝刷柔性密封系统即可满足隧道施工要求。钢丝刷密封系统柔度适中，适应性强，对管片及管片拼装质量要求一般。盾构机掘进时，向盾尾连续注入优质盾尾密封油脂，可保证在0.5MPa的压力下，盾尾不会出现渗漏水和渗漏泥浆。 6.9 管片正圆器 在直径大于5 m以上的盾构法隧道中，拼装完好的管片在脱出盾尾后会产生下沉变形，影响管片最终拼装质量。由于北京地区隧道施工要求较高，为保证管片在脱出盾尾后的最终拼装质量，建议采用管片正圆器对管片变形进行矫正和限制。根据笔者经验，上下支撑式管片正圆器正圆效果较好，其示意见图10。 6.10 数据采集系统与监控管理系统 为提高盾构机施工技术水平，国外已开发出性能优越的管理软件，其中盾构机挖掘数据管理软件是应用最广泛的软件系统。采用此系统，可输出周报、日报、环报以及掘进100 mm为单位的挖掘管理数据；有各种参数设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线等施工应用画面；所有采集数据均能保存下来，供日后分析和判断。 6.11 全自动监测与导向系统 随时掌握与分析盾构机在掘进过程的各种参数，是现代盾构机技术的一个主要部分，也是指导盾构机实现正常、顺利掘进不可缺少的条件。如6.10节所述，先进的盾构机推进技术数据采集系统与监控管理系统是目前盾构机的基本配置。为更好地把握盾构机推进的各种状态，笔者注意到日本最新开发出的盾构机全自动监测与导向新技术。这一套配有高精度陀螺仪的全自动监测与导向系统拥有以下功能： (1)自动监削掘进过程中盾构机的各种状态，包括盾构机的倾斜、转动、方位及位置。 (2)将(1)项中监测数据全部收集、显示、打印与保存。 (3)自动监测结果可随时与事先辅入的数据，如隧道设计轴线进行比较。 (4)自动监测结果可以和盾构机的其他推进技术参数同屏显示。 若采用这套全自动监测系统，无论是具体的操作人员还是工程管理技术人员都能在各自的位置上随时掌握盾构机掘进的各种状态，可以与事前输入的隧道轴线相比较，也可以随时对有关参数进行调整。经询价，该系统价格不高，因而我集团公司在购买φ6.14m盾构机时，引进了这套系统，使我集团公司的盾构机在操作性能和控制技术得到大大提高。 6.12 盾尾间隙自动测量系统 按照目前盾构机盾尾密封结构的设计思想，盾构机一般均存在盾尾间隙。间隙的大小则根据盾构法隧道曲线段施工曲率半径的大小、管片安装所需空间以及管片安装不当出现蛇行(此项目与施工队伍的施工技术水平有关)等因素来确定。为尽可能排除或减少盾构机掘进过程中盾尾间隙处出现管片外周与盾壳内侧相互挤压，降低推进阻力，进一步提高管片拼装质量，笔者建议为盾构机增加一项盾尾间隙自动测量系统，其价格不贵但使用效果较好。采用盾尾间隙自动测量系统，在施工中可自动连续测量盾尾间隙的大小，适时判断管片与盾尾之间的相对位置，并与其他盾构机推进技术参数结合，达到综合控制盾构机姿态的目的。盾尾间隙自动测量示意见图11。 6.13 球面压力传感器 控制开挖面土压平衡的土压计，是盾构机实现土压平衡控制的关键元件之一，其精度一般较高。但在砂卵石地层中施工时，粒径较大的砂卵石，频繁撞击土压计，对土压计的质量要求很高。为防止土压计失效，笔者建议将其设计为球面压力传感器，施工中万一出现损坏，可以在机内进行压力计的更换。球面压力传感器更换示意见图12。 浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型(上) 浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型(下)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/26/2005)