成都地鐵7號線火神區間盾構選型與關鍵參數計算分析

吳和北，管會生，張 瑀

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，交通建設也在蓬勃發展。城市軌道交通工程的開展使得盾構得到了廣泛應用，但盾構作為一種專用設備，一般對單一地層更具適應性，因此盾構的合理選型對于地鐵隧道工程的順利實施至關重要。

成都地鐵于2005年12月正式開建，目前已規劃的線路達到14條，在運營的線路2條，后期建設工程仍然非常龐大。成都地鐵隧道工程地質復雜，盾構在大面積含水砂卵石地層施工比較困難，存在適應性不足等問題。成都地鐵7號線隧道工程地質既有含水砂卵石層又有膨脹泥巖，給盾構的選型設計和施工操作帶來了很大的挑戰。

針對砂卵石地層隧道工程盾構選型和參數確定問題，國內許多學者已經做了大量研究工作。陳東海等針對砂卵石地層的地質特點，分析了盾構刀盤等主機系統選型的原則以及開挖面穩定機制和土艙壓力控制方式［1－5］;潘濤等以成都地鐵1號線和2號線隧道工程為對象，分析了成都特殊含水砂卵石地層下盾構施工的關鍵問題，并針對盾構刀盤、主驅動、開口率、渣土改良、螺旋輸送機等進行優化設計研究，同時對比分析國外盾構和國產盾構對成都地區地層的適應性，指出盾構國產化的可行性［6－8］;管會生等對盾構施工過程中的盾構受力進行分析，得出刀盤回轉阻力和盾構推進阻力的計算方法［9－11］。上述學者針對砂卵石地層中盾構選型和施工已做了很多研究工作，并也取得了一定成果，但是并沒有針對成都地鐵隧道工程中某個區間進行較為系統完善的選型分析和參數確定研究。因此，有必要針對成都地鐵7號線某區間根據地質特征對盾構工法及盾構主機各個系統進行選型分析，并根據刀盤回轉阻力和盾構推進阻力的理論計算來確定盾構的最大推力和刀盤額定驅動扭矩。

本文通過對成都地鐵7號線火車南站至神仙樹區段地質水文條件的詳細分析，針對盾構施工時可能出現的開挖面失穩、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴重和涌水涌砂等問題，對盾構形式、刀盤、出碴系統、密封系統等關鍵零部件的選型設計提出合理建議;并根據盾構在砂卵石地層施工時刀盤回轉阻力和推進阻力的計算方式，結合實際的地層參數，給出盾構主推力和刀盤驅動扭矩的建議設定值，并通過實際施工實測值進行合理驗證。

1 工程概述

本區間隧道起于火車南站西端，下穿廣和一街及廣和二街，進入南站公園，下穿成昆鐵路(普通鐵路)、在建的成綿樂客專(無砟軌道)、西環鐵路及機場高速立交，進入紫瑞大道，下穿肖家河，進入神仙樹站東端，擬建工程地理位置見圖1。擬建工程左線隧道全長1 709.302 m，右線隧道全長1 703.514 m，為2 條平行的單線圓形隧道，線間距13～16 m，外徑約6 m;隧頂高程485.93 ～469.8 m，隧底高程 479.73 ～463.6 m，隧道埋深12.5 ～32.0 m。

1)地質特征。段內均為第四系(Q)地層覆蓋。地表多為第四系全新統人工填筑()以雜填土為主，其下為全新統沖積層()黏性土、粉細砂;第四系上更新統冰水沉積、沖積()黏性土、卵石土夾砂透鏡體;下伏白堊系上統灌口組(K2g)泥巖。

2)水文特征。段內地表水系為肖家河，水流由北向南，隧道于YDK22+725～+740處下穿肖家河，屬川西平原岷江水系，具豐富的地表徑流。地下水主要有3種類型:賦存于填土層的上層滯水、第四系砂卵石層的孔隙水及基巖裂隙水。地下水位埋深5.0～9.8 m，穩定水位高程493.722 ～488.560 m。

圖1 成都地鐵7號線火神區間工程地理位置Fig.1 Plan layout of South Railway Station-Shenxianshu Station section on No.7 Line of Chengdu Metro

2 工法選型

該區間隧道地表房屋密集，道路、管線眾多，交通繁忙，區間隧道頂板上覆土層厚12～26 m，不適宜采用明挖法施工。區間隧道洞身主要穿越卵石土層，自穩性差，透水性強，地下水位較高，水量十分豐富，故不宜采用礦山法施工。建議本區間隧道采用盾構法施工。盾構法不僅施工進度快，而且無噪音、振動公害，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較小、施工質量易于控制，且防水效果好。

地層滲透系數是盾構選型的一個重要因素［12］。當地層的滲透系數＜10－7m/s時，可以選用土壓平衡盾構;當地層滲透系數為10－7～10－4m/s時，可以選用土壓平衡盾構或者泥水平衡盾構;當地層滲透系數＞10－4m/s時，應該選用泥水平衡盾構。該隧道區間的地層滲透系數為 5.8 ×10－6～2.3 ×10－4m/s，因此可以選用土壓平衡盾構或者泥水平衡盾構。

由于泥水平衡盾構需要設置泥水管理和處理設備，占用施工場地大，影響交通，且對周圍環境污染嚴重［13］。同時，泥水平衡盾構在砂卵石地層中掘進較困難，尤其是很難處理大粒徑砂卵石，容易導致刀盤被卡，掌子面坍塌;而土壓平衡盾構可以較好地處理大粒徑的砂卵石，可以降低發生故障概率，避免坍塌［1］。本區間位于成都市二環與三環路之間，屬于較繁華地帶，地面交通設施與建筑物較多，且隧道圍巖局部為卵石土夾透鏡體砂層，均勻性差，零星分布有高強度、大粒徑的卵石、漂石;因此，不宜采用泥水平衡盾構，而選擇土壓平衡盾構完成本隧道區間的施工。

3 盾構部件選型

結合該區間的地質和水文特征，采用土壓平衡盾構進行隧道施工時，容易出現開挖面失穩、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴重和涌水涌砂等問題。在進行盾構設計時，需要針對上述可能出現的施工問題對盾構的各個系統及部件進行選型設計，從而減小施工故障發生的可能性，保證工程的順利完成。

3.1 開挖系統

該隧道區間范圍內分布第四系全新統沖積層松散－稍密粉細砂層，位于卵石土之上，經判定為液化土層，盾構掘進過程中掌子面的自立性差，因此不宜采用開放型的輻條式刀盤。面板式刀盤不僅可以增加掌子面的自穩能力，同時可以限制進入土艙內的卵石大小，防止大粒徑卵石堆積在土艙下部，影響掘進和排碴。

由于盤形滾刀在卵石地層中具有較高的切削效率，可以將卵石從開挖面土層中松動下來，同時可以將粒徑大于刀盤面板開口尺寸的漂石破碎。因此，刀盤選型考慮采用同時安裝有切刀和滾刀的復合式刀盤。為了保護切刀避免其先切削到大粒徑卵石，需要在刀盤上安裝先行刀，增加切削刀具的使用壽命。

盾構在卵石層中掘進時，刀盤和刀具會產生較為嚴重的磨損，因此必須采用高耐磨性的刀具，并在刀盤面板焊接含有耐磨合金成分的耐磨條，以提高刀盤的耐磨性能。刀具的安裝方式采用背裝式，可以從土艙內進行刀具的更換。同時在不同區域的刀具上設置磨損檢測裝置，對刀具的磨損狀態進行實時監測，及時更換損壞的刀具。

3.2 出碴系統

盾構出碴方式采用中心軸式螺旋輸送機，需要保證螺旋直徑和節距能滿足通過刀盤開口的最大粒徑卵石的排出。為了減少輸送砂卵石時對螺旋輸送機及其葉片造成的磨損，可采用在葉片表面和外側進行堆焊或焊接耐磨條的方式，提高筒體內壁和螺旋葉片的耐磨性能。

隧道穿越卵石土夾透鏡體砂層，透水性強，地下水位較高，水量十分豐富，在掘進過程中可能出現螺旋輸送機出碴口發生噴涌情況，導致土艙內壓力急劇下降，并引起開挖面失穩，從而發生地面塌陷事故。為了防止噴涌的發生，可以設置雙級螺旋輸送機，通過單獨控制二級螺旋輸送機的轉速和起停，可有效防止噴涌的發生。另外，也可以在施工的時候向土艙內注入膨潤土、高分子聚合物，改善碴土的和易性、增加碴土的黏度，以形成有效的土塞，可以實現堵水和防止噴涌的效果［7］。

3.3 碴土改良系統

在砂卵石地層中推進，如果碴土不經過改良，在推進推力的作用下很容易在刀盤背面及土艙內壁結“泥餅”［6］，對施工造成很大困難，因此要求盾構要具有一套有效的碴土改良系統。采用泡沫劑作為土體改良材料，可以增加開挖面砂土的流塑性和止水性，降低土艙內土體的粘著性，防止碴土粘附在刀盤和土艙內壁。

3.4 密封系統

該隧道區間地下水量豐富，砂卵石層透水性強，地下水位較高，最高靜止水壓可達260 kPa。因此密封系統要求具有較高的密封性能，能夠滿足300 kPa以上的高水壓條件下的密封要求。主軸承密封可采用唇形密封，并具有自動潤滑功能。盾尾密封(見圖2)采用4道鋼絲刷密封或3道鋼絲刷密封加1道鋼板束密封。鋼板束的作用是防止管片壁后注漿流向盾殼。

圖2 盾尾密封示意圖Fig.2 Shield tail sealing

3.5 超前探測及支護系統

超前地質探測系統可用來在一定的超前距離內探明前方地質狀況和大漂石。通過地質超前探測，能及時發現異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置和圍巖的完整性以及含水的可能性，以便對可能出現的大卵石及其他不良地質情況做好提前應對方案。

隧道施工時，開挖面容易產生涌水，造成細顆粒物質大量流失，引起開挖面失穩和地面沉降、變形。通過超前支護系統對開挖面前方土體進行加固處理，封閉地下水、加固開挖面地層穩定性，以確保施工和周邊建筑物安全。

4 盾構關鍵參數確定

4.1 盾構推力與刀盤扭矩的計算模型

1)盾構總推力。盾構推進阻力主要包括:盾構推進時的正面阻力F1(包括開挖面對刀盤面板的作用力和刀具的掘進阻力)、盾殼與圍巖的摩擦阻力F2、盾尾與管片的摩擦力F3、后配套臺車的牽引阻力F4及盾構曲線段施工時的變向阻力

因此，盾構主機推力

式中:D為盾構開挖直徑;Ds為管片外徑;σ為開挖面水平土壓力;η為刀盤開口率;Fn為切刀受到的垂直力;n1為盤形滾刀的數目;n2為切刀的數目;n3為邊緣刮刀的數目;n4為盾尾內管片的數目;n5為盾尾密封刷的數目;μ1為圍巖與鋼的摩擦系數;μ2為盾尾與管片的摩擦系數;μ3為后配套臺車車輪與鋼軌的摩擦系數;Ws為一環管片的自身重力;Wb為后配套的自身重力;W為盾構主機的自身重力;L為盾殼的長度;λ為水平側向土壓系數;bs為盾尾密封刷與管片的接觸長度;b為管片的寬度;PT為盾尾密封的壓強;Rc為盾構曲線半徑;K為地基反力系數。

2)盾構刀盤驅動扭矩。盾構刀盤回轉阻力矩主要包括:刀具切削土體時的切削阻力矩T1，刀盤正面與開挖面土體之間的摩擦阻力矩T2，刀盤背面與土艙內土體的摩擦阻力矩T3，刀盤開口內土柱的剪切阻力矩T4，刀盤外圍與周圍土體之間的摩擦阻力矩T5，刀盤土艙內的攪拌阻力矩T6及刀盤驅動系統機械摩擦損耗扭矩

因此，盾構刀盤驅動扭矩

式中:Ft為刀具受到的沿開挖面方向的力;R為刀盤上刀具的安裝半徑;c為土體的黏聚力;σres是為保證開挖面穩定，控制土艙壓力時的預留壓力;μ0為土體與土體之間的摩擦系數;t為刀盤的寬度;Db為攪拌棒的直徑;Rb為攪拌棒的安裝半徑;Lb為攪拌棒的長度;n為攪拌棒的數目。

T7為刀盤驅動系統的機械摩擦損耗扭矩，包括主軸承的摩擦阻力矩、驅動密封系統的摩擦阻力矩和機械傳動的損耗扭矩。T7在影響刀盤回轉阻力矩中所占的比例很小，一般＜5%，在計算時，為了安全考慮，可按5%計算。

4.2 實例分析

盾構參數見表1。

表1 盾構參數Table 1 Parameters of shield machine

根據表1中的盾構參數以及工程地質參數，利用4.1節給出的推進阻力和回轉阻力矩的計算公式，利用MATLAB軟件可以計算出該區間的盾構最大推進阻力為 10 659kN，刀盤最大回轉阻力矩為4 072 kN·m(見圖3和圖4)。在確定盾構最大推力和裝備扭矩時，考慮到施工中可能出現的特殊地質情況，將推力的安全系數設為2.5，扭矩的安全系數設為1.5。因此，該區間隧道施工用盾構的最大推力的理論值為26 648 kN，刀盤驅動系統的裝備扭矩理論值為6 108 kN·m。

本隧道區間實際施工使用的盾構為S365土壓平衡盾構，其最大推力為34 210 kN，額定刀盤驅動扭矩為5 980 kN·m。與盾構推力和刀盤驅動扭矩的理論值對比發現，理論計算結果與實際施工所用盾構的參數接近，具有一定的參考價值。

采集成都地鐵7號線神仙樹至火車南站區間0～200環施工過程中的推力和扭矩隨掘進距離的變化關系，并與理論計算值進行比較，如圖5和圖6所示。

圖3 盾構推進阻力計算值Fig.3 Calculated value of shield advance resistance

圖4 刀盤回轉阻力矩計算值Fig.4 Calculated value of rotating torque of cutter head

圖5 盾構總推力理論值與實測值比較Fig.5 Comparison and contrast between calculated thrust and measured thrust

圖6 刀盤驅動扭矩理論值與實測值比較Fig.6 Comparison and contrast between calculated cutter head driving torque and measured cutter head driving torque

通過圖5和圖6可以看出，理論計算結果與現場施工實測數據相比偏小，但是在一定的范圍之內，考慮到理論計算時的簡化和施工過程中的不可預見因素，理論值具有較高的參考價值。

5 結論與討論

成都地鐵7號線火神區間隧道工程下為粉質黏土夾雜卵石層，含水量豐富，地層滲透能力強，適合采用土壓平衡盾構完成本區間的施工。

采用盾構法施工開挖面穩定性差，容易發生涌水事故，在砂卵石層施工時易造成刀具和刀盤的磨損。針對可能出現的開挖面失穩、地表沉降、刀盤及刀具磨損嚴重和涌水涌砂等問題，對該區間隧道工程土壓平衡盾構的各個系統進行了選型分析，提出了選型建議。刀盤采用復合式刀盤，在刀盤面板和刀具表面焊接耐磨條。通過設置雙級螺旋輸送機和土體改良的方法防止螺旋機噴涌以及刀盤結泥餅的發生。為了提高盾尾密封的密封性能，采用4道鋼絲刷密封或者3道密封刷加1道鋼板束密封。同時為了提前預測砂卵石中可能出現的大漂石等不良地質情況，配備超前探測及支護系統。

在盾構推進阻力和刀盤回轉阻力計算方法基礎上，通過實際的地質參數，計算出該區間內最大的推進阻力為10 659 kN，最大刀盤回轉阻力矩為4 072 kN·m，選取合適的儲備系數，確定盾構最大推力和刀盤裝備扭矩的建議值分別為26 648 kN和6 108 kN·m。實際工程中盾構的最大推力為34 210 kN，額定刀盤驅動扭矩為5 980 kN·m，與理論建議值進行對比，發現二者比較接近。結合實際施工過程中的推力和扭矩變化情況，發現現場實測值與理論值的偏差在允許范圍之內，從而驗證了盾構最大推力和刀盤裝備扭矩的理論計算值具有較高的參考價值。

本文研究結果可以為成都地區其他地鐵隧道工程的盾構選型設計提供依據，同時也可為國內外其他相似地形條件采用盾構法施工提供參考。后期可根據7號線實際施工中出現的故障案例對本論文所得成果進行驗證和修正。

6 致謝

該論文由西南交通大學機械工程學院管會生教授指導完成，特此致謝。

［1］ 陳東海.砂卵石地層區間隧道盾構施工數值模擬及盾構選型研究［D］.長沙:中南大學土木工程學院，2013.(CHEN Donghai.Numerical simulation of shield tunnel construction and the selection of shield in sandy pebble stratum ［D］.Changsha:School of Civil Engineering，Central South University，2013.(in Chinese))

［2］ 黃清飛，林巍，李塔.砂卵石地層盾構刀盤選型探討［J］.中國水運，2012(8):168－169.(HUANG Qingfei，LIN Wei，LI Ta.Discussions of shield cutterhead selection in sandy pebble stratum ［J］.China Water Transport，2012(8):168－169.(in Chinese))

［3］ 宋克志，朱建德，王夢恕，等.無水砂卵石地層盾構的選型［J］.鐵道標準設計，2004(11):51 －54.(SONG Kezhi，ZHU Jiande，WANG Mengshu.Selection of tunneling shield for waterless sandy pebble stratum ［J］.Railway Standard Design，2004(11):51 －54.(in Chinese))

［4］ 楊曉華.砂卵石地層中復合式土壓平衡盾構掘進參數及地層變形規律研究［J］.隧道建設，2014，34(8):721－730.(YANG Xiaohua.Study on boring parameters of composite EPB shield in sandy cobble strata and study on ground deformation rule［J］.Tunnel Construction，2014，34(8):721－730.(in Chinese))

［5］ 譚順輝.深圳地區復合地層盾構針對性設計與選型探討［J］.隧道建設，2014，34(6):582－587.(TAN Shunhui.Adaptable design and type selection ofshields in to heterogeneous ground in Shenzhen［J］.Tunnel Construction，2014，34(6):582－587.(in Chinese))

［6］ 潘濤，陳年紅，阮關榮.成都地鐵1號線砂卵石地層中的盾構施工技術［C］//地下工程建設與環境和諧發展:第四屆中國國際隧道工程研討會.北京:中國土木工程學會，2009.(PAN Tao，CHEN Nianhong，RUAN Guanrong.Shield construction technology of Chengdu Metro Line 1 in sandy pebble stratum［C］//Harmonious Development of Underground EngineeringWithEnvironment:4th China International Tunnel Engineering Seminar.Beijing:China Civil Engineering Society，2009.(in Chinese))

［7］ 王明勝，倪冰玉.成都地鐵一號線盾構選型［J］.巖土工程界，2009(3):53－56.(WANG Mingsheng，NI Bingyu.Shield selection of Chengdu Metro Line 1［J］.Geotechnical Engineering World，2009(3):53 －56.(in Chinese))

［8］ 曹智，李劍祥.成都地鐵盾構選型設計及實用性比較［J］.隧道建設，2014，34(10):1005－1010.(CAO Zhi，LI Jianxiang.Case study on type selection of shields for Chengdu Metro［J］.Tunnel Construction，2014，34(10):1005－1010.(in Chinese))

［9］ 宋克志.無水砂卵石地層盾構推力及刀盤轉矩的計算［J］.建筑機械，2004(10):58 －60.(SONG Kezhi.Shield pushed force and cutterhead torque calculations under the stratum of waterless sandy pebble［J］.Construction Machinery，2004，24(10):58－60.(in Chinese))

［10］ 王為樂.長沙地鐵復合地層盾構選型與掘進參數研究［D］.長沙:中南大學土木工程學院，2012.(WANG Weile.Study on the type selection of shield and tunneling parameters of shield method in the composite stratigraphy of the Changsha Metro［D］.Changsha:School of Civil Engineering，Central South University， 2012. (in Chinese))

［11］ 管會生.土壓平衡盾構關鍵參數與力學行為的計算模型研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2008.(GUAN Huisheng.Study on the calculating models of key parameter＆mechanical behavior of the EPB shield machine［D］.Chengdu:School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，2008.(in Chinese))

［12］ 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京:人民交通出版社，2009:53.(CHEN Kui，HONG Kairong，WU Xuesong.Shield construction technology ［J］.Beijing:China Communications Press，2009:53.(in Chinese))

［13］ 雷升祥.斜井TBM法施工技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2012:21.(LEI Shengxiang.Inclined shaft TBM construction technology［J］.Beijing:Railway Publishing House，2012:21.(in Chinese))

［14］ 管會生，楊延棟，郭立昌，等.煤礦斜井雙模盾構推力計算［J］.礦山機械，2013(7):123－127.(GUAN Huisheng，YANG Yandong，GUO Lichang，et al.Trust force calculation of coal mine inclined shaft dual mode shield［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2013(7):123 －127.(in Chinese))