天然氣隧道過江工程中的盾構機選型

裘水根

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

擬建設的上海天然氣主干網（上海浦東—長興島—崇明島）管道工程需2次穿越長江，設計采用盾構法施工。其中長興島—崇明島的北港過江工程盾構隧道長度為8.236 km，盾構隧道內徑為3.4 m，建成后將為崇明島和長興島提供低能耗、低污染、低排放的天然氣（圖1）。

圖1 長興島—崇明島的盾構隧道示意

2 工程水文地質情況

本工程隧道穿越的主要地層有：④灰色淤泥質黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤2粉砂、⑤3-1粉質黏土、⑤3-2灰色粉砂夾粉質黏土、⑦1粉質黏土與黏質粉土互層。根據本場址附近的長興島水文觀測站的潮位資料，實測最高潮位5.88 m，實測最低潮位－0.29 m，平均高潮位3.30 m。地下水位潛水含水層年平均水位在地表下0.5～ 0.7 m。

3 工程難點

3.1 超長距離

本工程隧道具有長度長、隧道內徑小的鮮明特點。隧道總長為8 236.862 m，內徑僅3.4 m，一次性推進完成，盾構推進絕大部分在長江底，隧道距離長江水面深約35 m，地下水壓高。同時隧道推進需穿越⑤2層、⑤3-2層微承壓水層，高壓地下水的施工環境對盾構耐磨損、耐高壓和壽命等方面提出了極高的要求。

3.2 小直徑

狹小的隧道斷面與超長的距離給隧道內通風、運輸等都帶來了巨大的困難，通風和運輸的設計必須兼顧施工的需求量和隧道內布置空間的局限性，每一分空間都彌足珍貴。運輸斷面的縮小，還給長距離快速施工的運輸保障提出了巨大挑戰。

3.3 高速施工

本工程的建設周期約為41個月，除了工作井和隧道主體施工外，還要在隧道內鋪設天然氣管道，以及預留隧道內或將填充加氣混凝土的時間。因此，留給隧道施工的工期就相對較緊。

4 盾構機類型選擇

天然氣過江管北港過江隧道工程最大坡度為4.0%，最大深度處絕對高程為－36.698 m，最小平曲線半徑為3 000 m，最小縱曲線半徑為3 000 m，管片外徑為 3 960 mm、管片內徑為3 400 mm，通用環楔形管片。隧道最高潮位5.88 m，最大水深8.91 m，土層高度33.668 m，最大水土合算壓力0.676 MPa。

地層滲透系數對于盾構機的選型是一個很重要的因素。當地層的透水系數小于10-7m/s時，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲水系數在1×10-7～1×10-4m/s之間時，既可以選用土壓平衡盾構也可以選用泥水式盾構；當地層的透水系數大于1×10-4m/s時，宜選用泥水盾構[1]。

此外相對于土壓平衡盾構，泥水平衡式盾構有如下優勢：泥水傳遞快且均勻、開挖面平衡土壓力的控制精度高，對開挖面周圍土體干擾少，地面沉降量控制精度高；盾構長距離施工，減少渣土運輸車輛，進度快，刀盤、刀具磨損小，適合長距離施工；刀盤扭矩小，更適用于軟弱的淤泥質黏土層，特別適合于地層含水量大、上方有水體的過江隧道和海底隧道。并且根據現有類似的工程成功經驗考慮盾構機的適應性，如日本東京灣天然氣隧道、伊勢灣輸氣隧道等，均采用了泥水盾構機。因此根據地質條件、水文條件以及本工程長距離推進的特殊性, 選擇泥水盾構對工程的適應性更強、可靠性更高、風險更低。

5 盾構機主機組成部分及技術參數的選型

5.1 刀盤切削系統

刀盤采用軟土刀盤，刀盤起到支撐掌子面、穩定掌子面的作用。根據廠商對盾構機設計理念的不同，可以選用面板式或輻條式刀盤。其中：面板式刀盤剛度、強度好，對開挖面有一定的支撐作用，但是容易結成泥餅；輻條式刀盤泥漿流動性好，刀盤扭矩小，刀具磨損較小。設計面板式刀盤開口率30%左右，輻條式開口率40%左右。刀盤背部設置一定數量的攪拌棒，將泥倉內切削下來的渣土與膨潤土泥漿充分攪拌，防止泥倉內結泥餅。刀盤正面以及泥倉內應設置若干高壓注漿注入口，進一步防止刀盤以及泥倉內泥餅的形成。

切削刀具包括中心刀、刮刀等，刀盤的外圈焊接高強度的耐磨板，所有刀具均采用高耐磨的材料，以確保刀具的高耐磨性，原則上刀具設計壽命滿足長10 km的隧道不需換刀的要求。

5.2 刀盤扭矩的計算

盾構機所需扭矩可根據經驗公式[2]確定：

式中：T——盾構機所需扭矩，kN·m；

a——扭矩系數，泥水盾構為8～20，土壓平衡盾構為10～25；

D——盾構的外徑。

根據公式計算得出盾構機所需扭矩為636.056～1 481.760 kN·m。

根據本工程的地質水文以及長距離施工的特點，所使用的盾構機的設計扭矩T0=1 935 kN·m，脫困扭矩T1=2 322 kN·m，按盾構機所需扭矩的最大值計算，安全系數分別為：S1=T0/T=1.3和S2=T1/T=1.6。盾構機盤配備的扭矩完全滿足該工程需要。

5.3 推進系統

本工程施工工期緊，為了滿足施工效率的要求，設計盾構機推進油缸最大推進速度100 mm/min，推進油缸按上、下、左、右分為4組，對每組油缸進行單獨控制，方便管片的拼裝。

盾構的推力主要由盾構外殼與土體之間的摩擦力、刀盤上的水平推力、切土所需要的推力、盾尾與管片之間的摩阻力、后方臺車的阻力等5部分組成[3]。經計算，盾構機推進系統總推力約為19 300 kN。

5.4 鉸接系統

本工程泥水盾構外徑設計4 200 mm，相比大直徑盾構，為了布置盾構機所需要的設備，包括人倉、驅動、鉸接、推進等系統，盾構機本體設計長度較長，盾構設計長度為10 000 mm，其靈敏度為2.38，傳統地鐵盾構靈敏度一般為1.3左右，因此為了提高盾構機的操作性能以適應曲線段施工，盾構機應增加主動鉸接系統[4]。

5.5 泥水循環系統

泥水循環系統設計推進能力為8 cm/min，泥水盾構通過泥水循環系統將泥水經過管道輸送至泥水倉，達到一定壓力后形成泥膜，保持開挖面的穩定，并把切削下來的土砂變成高濃度泥水，通過排泥管道輸送至盾構外部。

泥水循環系統為了防止泵吸口因孤石等原因堵塞，通過采用限制刀盤開口尺寸防止大石塊進入泥倉，或者通過在進漿口前增加格柵裝置、開挖倉底部增加碎石裝置的措施來達到避免孤石堵塞泵吸口的目的。

泥水循環方式包括旁通模式、開挖模式、反循環模式、隔離模式和長時間停機模式。旁通模式用于盾構機不進行開挖時，可執行其他功能；開挖模式用于盾構機正常掘進；反循環模式使開挖倉內的泥漿逆向流動，在開挖倉阻塞時，用于清理盾構機內的排漿管道；隔離模式下，隧道內的泥漿管道系統與地面系統處于完全隔離的狀態，用于隧道泥漿管延長時的情況。

5.6 管片拼裝系統

管片外徑為3 960 mm、管片內徑為3 400 mm，分6塊，最大質量為2.2 t。管片拼裝機設計應滿足襯砌的安裝需要，拼裝機應具備6個自由度，能實現管片的平移、回轉、升降、仰俯、橫搖和偏轉動作，各個動作實現無級調速。

此外，為了提高施工效率，省去了管片拼裝機對管片進行對中、就位和拼裝時的人工操作，盾構施工中的管片拼裝機可設置微調機構，采用偏轉液壓缸和俯仰液壓缸的伸縮進行微調動作。

5.7 同步注漿系統

同步注漿是通過同步注漿系統及盾尾的注漿管進行的，漿液在盾尾空隙及時填充，防止土體沉降，在地層穩定性差時，同步注漿的重要性會更加突出和明顯。結合施工效率，同步注漿箱設計為5 m3，滿足推進8 cm/min的速度下2環的注漿量，其壁后注漿填充率為180%。

5.8 后配套系統

盾構后配套設備包括若干節后續臺車，包含了盾構操作室、進泥泵、排泥泵、有害氣體檢測、油脂壓注系統、同步注漿系統、液壓系統、電氣控制系統、變壓器、高壓電纜卷盤和泥水管路接管系統等。

5.9 測量導向系統

為保證盾構機能嚴格按設計軸線推進，必須及時觀測盾構的動態數據，從而調整盾構各施工參數，指導盾構正確、安全地推進。

現有盾構機廠商采用自動測量系統如VMT等測量盾構姿態，在盾構機出洞前將自動測量系統測量出的盾構姿態與盾構機的實際姿態進行比較，在確保自動測量系統測量盾構姿態準確后方可掘進，以保證盾構姿態的正確。

6 針對高水壓、長距離推進盾構機選型的研究

盾構機所有的配置必須按一次性掘進10 km的工況設計進行制造，盾構機必須具備月掘進500 m以上的能力，并且按此掘進能力配備所有的輔助設備和附屬設施等配套設備。

在技法上，傳統青花瓷主要是以白地繪青花為主，此外還會添加貼花、鏤空和雕塑等技法進行裝飾并且傳統青花瓷在瓷器的裝飾構圖上也具有鮮明的特征。如多層次裝飾，就是在器物（多為圓器）的整體造型上從上至下依次分層，每一層出現的裝飾花紋雖不同的但并沒有讓人感覺凌亂。這當然不是傳統青花瓷表現之一，再如伊朗阿迪比爾寺收藏的元青花菱花口大盤，他不僅有帶狀裝飾，還會與雕塑刻畫相結合，集各類裝飾技法與一身。總的來說，傳統青花瓷多種技法的相互交織不僅使它最后的呈現豐富且在運用上達到成熟。

為了提高設備的耐久性，使盾構機能夠滿足長距離、高速安全推進施工的要求，在盾構機設計過程中將采用如下的措施。

6.1 滿足長距離推進，確保耐久性

6.1.1 采用中心驅動方式

中心驅動方式可以使得唇口密封的線速度較小，發熱量小，使得密封有較長的壽命，在長距離推進過程中不易損壞，且密封裝置應有溫度檢測及顯示，具有高溫報警、連鎖及相應的安全保護措施。

6.1.2 采用3層高度刀具系統

本次天然氣隧道工程由于推進距離長，常規盾構的刀盤刀具磨損會相當嚴重，且本次工程屬于越江隧道，在江底下作業，使用泥水平衡盾構進行施工。因此在推進過程中進行換刀作業的難度相當大且風險極大。

考慮使用新型刀具排布方式，保證推進過程中的刀具磨損在可控范圍內。增加刀具層數、每道軌跡上的刀具數量以及刀具合金部分高度，即增加耐磨量，改進合金材質，采用耐沖擊性和耐磨性好的合金。

為了防止在長距離推進過程中刀具的損壞，本盾構機將采用3層刀具系統，各層刀具高度相差60 mm，并且在刀盤面板上設置堆焊層，相關部位的個別刀具具備磨損報警功能。

6.1.3 刀具更換

6.1.4 使用多道防水密封，防止密封損壞

盾構機設計水土壓力最大0.8 MPa，在長距離推進過程中，唇口密封和盾尾密封由于長時間使用容易發生損壞，因此本盾構機將采用4道唇口密封和4道盾尾油脂密封，在各道唇口密封之間定時加注，集中潤滑，在盾尾密封鋼絲刷之間加注盾尾油脂。上述措施將使設備密封能力大大增強。

4道盾尾密封可以有效防止外部泥水進入隧道內部，最內側2道盾尾刷可以進行更換，具有良好的安全可靠性和耐久性。

6.2 滿足高速施工

6.2.1 推進油缸速度

為了滿足單環推進＋拼裝的時間要求（管片寬度1.35 m，推進＋拼裝耗時36～41 min），推進油缸的伸出速度被設定為最大100 mm/min（同一級別工程一般為80 mm/min），要求在拼裝管片時，5根推進油缸同時收縮，行程1 950 mm的推進油缸在1 min內全部收縮完成。

6.2.2 提高刀盤和拼裝機轉速

刀盤轉速設定為最大3.0 r/min（同級別工程一般設為2.0 r/min）。

拼裝機轉速設為1.8 r/min（同級別工程一般設為1.0～1.5 r/min）。

6.2.3 設置2節管片儲運臺車

管片儲運系統應至少能達到不少于2環管片的存儲量，具有機械化連續輸送管片的功能，管片可輸送至拼裝機能直接抓取的位置，以滿足高速推進的要求。

7 結語

本文根據上海市天然氣主干網北港過江隧道（長興島—崇明島）規劃線路地質資料和設計方案，通過全面收集和分析目前國內外天然氣管道隧道施工技術，對小直徑超長距離天然氣過江隧道施工中的關鍵技術開展研究。根據本隧道的工程情況和盾構機的適應性，參考附近區域類似工程成功經驗，建議本工程選用泥水平衡式盾構機，并從應對長距離推進、高水壓和軸線控制等方面對盾構機進行了詳細的選型，并研究和提出了相應的措施。