城市地鐵盾構選型及關鍵參數區域化研究

黃新淼， 張軍偉, *， 李 雪， 祝全兵， 任躍勤

(1. 西南石油大學地球科學與技術學院， 四川 成都 610500；2. 中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司， 四川 成都 610081)

0 引言

北京地鐵1號線的開工建設開辟了我國現代城市軌道交通的新紀元，但由于經濟實力和技術水平等因素的限制，我國城市地鐵在20世紀發展較緩慢。直到進入21世紀，我國綜合國力增強促進了城市地鐵行業快速發展，武漢、南京、成都等省會城市紛紛加入地鐵建設行列[1]。根據相關統計，截至2018年12月31日，中國內地開通運營城市軌道交通線路的城市共32個，運營線路總長度達5 123.3 km，累計開通運營線路153條，相比于2017年運營里程4 396.7 km，增幅達16.5%。中國內地城市的運營里程統計如圖1所示[2]。在城市軌道交通組成部分中，城市地鐵所占比例最大，也因其速度高、運量大、無污染等特點被社會各界所認可，逐步成為城市公共交通的骨干。這對于引導城市規劃建設、促進土地開發利用、帶動房地產經濟發展、促進就業和適應經濟發展新常態等有顯著的積極影響[3]。

圖1 中國內地已開通城市軌道運營里程

Fig. 1 Kilometer of operation urban rail transit in Chinese mainland

然而，我國東西部地質環境差異較大，東南沿海地區地質情況較單一，中西部地區地質復雜多變，盾構法作為城市地鐵的首要工法，所選用盾構的地層適應能力及選型成功與否對于工程至關重要。為了能更好、更經濟、更安全地使用盾構，國內外研究人員依托實際工程案例，從當地的工程地質條件入手，對盾構選型特征及其適應性進行了相關研究[4-8]，在一定程度上推動了盾構的發展，但也存在著部分問題，主要如下： 1)大部分研究工作主要是抓住地質條件這一關鍵因素作為盾構選型的基礎，但缺乏對盾構及關鍵參數整體現狀進行分析。2)目前我國大規模采用盾構法進行地鐵建設已有一定的年份，不同地區之間盾構關鍵參數的選取具有一定的差異性和規律性，卻鮮有系統的研究。

將目前我國內地使用盾構建成開通城市地鐵所在的省市進行典型劃分(以盾構所穿越地層作為劃分依據)，可以將其大致分為3類，即砂卵石地層、復合地層和軟土地層，具體如圖2所示。“十三五”時期，我國城市地鐵行業發展迅猛，每年規劃建成的里程數不斷再創新高，這對于盾構法發展無疑是一個契機。為了使盾構能夠更加適應我國城市地鐵行業，從統計的實際工程案例入手，分析我國城市地鐵盾構選型及關鍵參數的區域化差異性和規律性，旨在為后續工程提供參考。

本圖統計不包括臺灣省。

圖2我國盾構穿越典型地層的劃分

Fig. 2 Typical strata shield crossed in China

1 城市地鐵盾構選型特征

盾構作為盾構隧道施工的核心關鍵設備，其選型及設備參數選擇直接關系到隧道工程的進展和成敗[9]。現將2008—2017年全國16座城市30個地鐵盾構區間(每類地層選取10個)的盾構選型及關鍵參數統計資料為基礎，資料收集來源包括網絡上的新聞報道以及現有的文獻報告[4,10]。從盾構類型、盾體參數(刀盤結構、主機長度、刀盤直徑、開口率)、主要性能參數(最大轉矩、額定轉矩、刀盤最大轉速、最大推力、刀盤驅動方式、最大推進速度)和生產廠商等方面進行相關差異性和規律性分析，統計數據具體如表1所示。

1.1 盾構類型與地層的關系

盾構的選取原則一般是根據不同的地層、地質情況選擇不同類型的盾構[11]。土壓平衡式適合于泥土質地層，泥水平衡式適合于砂質、砂卵石地層，這是從2種機型各自的特點出發所普遍公認的選取原則。將表1中每類地層所使用的盾構類型通過柱狀圖繪出，具體見圖3。

通過圖3可以看出： 我國地鐵行業絕大多數盾構區間更偏向選擇土壓平衡式，并沒有嚴格按照地層選取原則，土壓平衡盾構在各類地層中占了90%以上。造成這一分布的主要原因如下： 1)經濟因素。從經濟上考慮，泥水平衡盾構要比同直徑土壓平衡盾構造價高，且泥水平衡盾構的泥漿處理設備設在地面，要占用較大的場地空間，在城市密集區域的應用受到限制。2)實用效果。從經驗上考慮，我國城市地鐵盾構工法選型經驗大部分來自于上海、廣州地區，這些地區基本都采用土壓平衡盾構，相比于泥水平衡盾構，其技術管理更加成熟，風險評估更加規范。

土壓平衡式盾構在我國發展迅猛。為了適應我國復雜的地質情況，2008年4月15日，國內首臺復合式土壓平衡盾構在中國中鐵隧道股份機械制造分公司出廠，填補了我國該類盾構的空白[12]。在本文隨機統計的數據中，近10年來復合式土壓平衡盾構在復合地層中占了60%，在其他幾類地層中也有一定的比例。復合式土壓平衡盾構“軟硬通吃”，地質適用性較強，在彎道施工、轉向糾偏、滾動糾偏和改善地質條件等方面具有明顯優勢，相信其未來的發展空間會更大。

表1 3類地層代表區間的盾構選型及關鍵參數統計

注： 復EBP代表復合式土壓平衡盾構、SPB代表泥水平衡盾構； “輻條+面板”形式的刀盤結構統稱為面板式； 數據來源于網絡上的新聞報道以及現有文獻資料； —表示未查到。

1.2 刀盤結構、開口率與地層三者關系

刀盤開口率是指盾構整個刀盤所可以進渣空間占整個刀盤面積的百分比。刀盤開口率對土艙壓力、刀盤轉矩和盾構出土率等都有明顯影響，可以按下式確定[13]：

式中：c、φ為土體的黏聚力和內摩擦角；K0為土體的靜止側壓力系數；K1=4.3，K2=1.8；γ為隧道中心以上土體的加權平均容重；H為隧道中心埋深；L為土艙長度；ε為刀盤開口率；D為土艙直徑；p0為開挖面土體靜止側向土壓力；pα為主動土壓力。

在保證盾構出土率的前提下，反推式(1)，即可求得刀盤開口率。但式(1)考慮的因素較多，實際計算較為復雜，且開口率在一定范圍內均可采用，因此可對每類地層選用的開口率分別進行研究，尋找其所呈現的規律性與差異性，將表1中刀盤結構與開口率通過散點圖繪出，具體見圖4。

我國地鐵行業盾構刀盤開口率設計，大致呈現圖4所示的規律性與差異性。由圖4可以看出： 1)3類地層中，面板式使用頻率最高，說明單一的輻條式刀盤不能滿足我國復雜的地層特點。2)3類地層中，輻條式開口率在50%以上，面板式開口率在24%～45%，且33%～40%的開口率頻率最高。3)在軟土地層中，刀盤開口率主要聚集在圖形上部，砂卵石地層的刀盤開口率則主要聚集在偏下部，復合地層則是均勻分布，這與其所在地層特性有關，在軟土地層中，由于土具有自穩能力，故其開口率可以稍微設置大一點，以便加快掘進效率； 砂卵石地層由于自穩性差，開口率過大容易造成開挖面失穩破壞，特別是成都地區的富水砂卵石地層，應盡量采用面板式結構； 復合地層由于軟硬不均等特點，開口率呈現均勻分布變化是必然的。

圖3 盾構類型與其所穿越地層之間的關系

圖4 刀盤結構、開口率、地層三者之間的關系

Fig. 4 Relationship among cutterhead structure, opening rate and strata

1.3 刀盤直徑與盾體長度的關系

開挖直徑與盾體長度同樣是盾構選型控制中的重要參數，二者的變化將直接影響著超挖量和姿態控制。城市地鐵線路復雜，不可避免地會進行曲線施工，在統計的案例中，福州地鐵1號線3標線路的最小曲線半徑最小，為300 m，其余大部分都在400 m以上。當進行曲線施工及糾偏施工時，若盾體長度過大，則可能會引起超挖量過大，同時增大千斤頂的推力和刀盤轉矩，造成地面沉降和刀具磨損等問題。盾體長度一般按照下式確定[14]：

式中：δ為超挖量；R0為曲線半徑；D為盾構直徑；L為盾構長度。

在控制超挖量的基礎上，可通過盾構直徑和曲線半徑反求盾構長度，由于超挖量控制是在一定范圍內，故盾構長度并不是唯一確定。為了從統計數據中了解二者的關系，將表1中刀盤直徑與盾體長度關系通過散點圖繪出，具體見圖5。

圖5 刀盤直徑與盾體長度的關系

Fig. 5 Relationship between cutterhead diameter and shield body length

從式(2)可知，刀盤直徑與盾體長度并未與地層參數有聯系，故在繪圖時未按地層進行劃分。從圖5中可以得出以下結論： 1)在盾構開挖直徑確定時，盾體長度是在一定范圍內取值，且低于刀盤直徑，這與公式所得的結論大致相同。2)在我國地鐵行業中，大致是按照圖中虛線內進行二者的取值，由于每個區間的曲線半徑和超挖量等不同，導致盾體長度不確定，但一般取值不會超過刀盤直徑的2倍。3)目前占據我國地鐵行業的主流盾構刀盤直徑有6 280 mm、6 370 mm和6 480 mm 3種，這是由目前我國大部分地鐵區間“單洞單線”形式所決定的，且搭配這3種開挖直徑的盾構長度絕大多數為7.5～9.5 m，說明這一組合能較好地控制超挖量和掘進姿態。

1.4 開挖直徑與額定轉矩的關系

盾構轉矩可分為額定轉矩和最大轉矩。如果轉矩系數過小，會致使盾構在復雜地層中掘進時刀盤轉矩不足和引起脫困困難； 轉矩系數過大，會造成盾構驅動裝置的成本和機身質量增大，給運輸和安裝帶來不便。關于刀盤轉矩的計算，一般按照下式確定[15]：

Td=T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8+T9。

(3)

式中：Td為總設計轉矩；T1為刀盤上刀具的切削阻力轉矩；T2為刀盤正面與土體的摩阻力轉矩；T3為刀盤背面與渣土的摩擦力轉矩；T4為刀盤轉動時刀盤開口內土體的剪切摩阻力轉矩；T5刀盤側面與土體之間的摩擦力轉矩；T6為刀盤構造柱和攪拌臂攪拌渣土產生的摩阻力轉矩；T7、T8、T9為刀盤轉動時機械自身內摩擦阻力轉矩，占總體轉矩的3%，可忽略。

將表1中的開挖直徑作為橫坐標，額定轉矩作為縱坐標，繪制成如圖6所示的散點圖。從圖6可以得出以下結論： 1)隨著開挖直徑的增大，額定轉矩有增大的趨勢，且二者所呈現的線性關系，可以大致表示為y=3.033 3x-13 498。2)由于城市地鐵行業主流開挖直徑為6 280～6 340 mm，故統計到的大部分點集中在此區域，且額定轉矩上下波動范圍在1 500 kN·m，因此按照圖6中公式進行計算所得的值實際上是該直徑下的平均值，實際值在平均值上下一定范圍內波動。3)在后期運用此公式時，若實際值跟理論計算值差距在1 500 kN·m內，均屬于正常范圍，若過大，則表明轉矩設置過于保守，若過小，則表明轉矩設置不當。

圖6 開挖直徑與額定轉矩的關系

Fig. 6 Relationship between cutterhead diameter and rated torque

1.5 額定轉矩與最大轉矩的關系

每臺盾構出廠后其額定轉矩和所能產生的最大轉矩是固定的，且二者存在著一定的內在聯系。將表1中每類地層的額定轉矩作為橫坐標，最大轉矩作為縱坐標，繪制成如圖7所示的散點圖。從圖7可以得出以下結論： 1)3類地層中，額定轉矩與最大轉矩都呈線性分布關系，且斜率接近，后續進行選型前，可以通過圖中公式進行轉矩范圍的大概估算。2)通過對3類地層整體分析，額定轉矩在5 000 ～6 500 kN·m出現的頻率最多，說明此范圍內的轉矩能夠完全滿足安全掘進的要求，因為在正常掘進過程中所需的轉矩一般不會超過1 500 kN·m，只有在刀具磨損嚴重后，才會導致轉矩增大，因此整體來講，盾構的轉矩設計是安全且偏于保守型。3)在3類地層中，軟土地層所呈現的分布最具規律性，所有點幾乎都處于直線上，且橫縱坐標范圍相對較小，這也與該地層遭遇的地質環境單一所吻合； 而其他2類地層，由于地質情況復雜或者刀盤按大直徑設計，所以導致轉矩上下幅度過大。

采用式(3)進行理論計算過于復雜，因為每部分的求解都包含了對很多實際因素的考慮，今后可通過本文所擬合的直線進行類比估算。

(a) 復合地層

(b) 軟土地層

(c) 砂卵石地層

1.6 最大推力與地層的關系

盾構的最大推力、最大推進速度同樣是關鍵性掘進參數，目前關于盾構推力的計算公式，一般按照下式確定[16]：

F=F1+F2+F3+F4+F5。

(4)

式中：F為盾構需要提供的總推力；F1為克服外殼與土體之間的摩擦阻力；F2為克服主動土壓力所需的推力；F3為克服土的黏聚力的推力；F4為克服管片與盾尾間的摩擦阻力；F5為后配套設備所需的牽引力。

式(4)是直線掘進所需的推力公式，若存在曲線施工時，推力還需要做相應的增加。最大推力在每類地層中存在一定的規律性和差異性，將表1中每類地層中盾構最大推力通過如圖8所示的散點圖繪出。從圖8可以得出以下結論： 1)盾構最大推力大部分集中在30 000～45 000 kN，說明此范圍內的盾構推力能夠滿足全國絕大多數地鐵區間的要求。2)復合地層所設計的最大推力普遍大于軟土地層和砂卵石地層，軟土地層和砂卵石地層的最大推力較接近。3)圖中每個點的順序按照每類地層直徑大小從左到到右依次排列，最大推力與刀盤直徑大致呈正比，結合表1中的數據，以6 m直徑為基礎，每增大1 m，最大推力在其基礎上約增加15 000 kN。

采用式(4)進行理論計算過于復雜，因為每部分的求解都包含了對很多實際因素的考慮，今后可通過本節所得出的相關結論進行選型前的估算。

圖8 最大推力與地層的關系

1.7 驅動方式與刀盤最大轉速的關系

刀盤驅動方式分為3種： 電機驅動、液壓驅動和變頻驅動。刀盤驅動方式的選擇很大程度上在于盾構刀盤驅動功率及控制的需求，3種驅動方式各自的特點如表2所示[17-18]。

3種驅動方式各有其優缺點，將表1中3類驅動方式的使用量通過餅狀圖繪出，具體見圖9。可以看出： 3類刀盤驅動方式使用量以液壓驅動所占比例最大，占50%； 其次是變頻驅動，占40%； 最小為普通電機驅動，占10%。說明地鐵行業盾構刀盤驅動方式選型中，比較關注傳動效率、維修保養、設備費用這幾點。

表2 刀盤驅動方式比較

圖9 3類驅動方式使用量

刀盤轉速是盾構切削機構的重要設計參數，轉速由驅動裝置調節，受刀盤轉矩、刀盤直徑和穿越地層等影響。刀盤轉速與盾構直徑、刀盤轉矩成反比，與地層之間的關系(可以將表1中驅動方式、最大轉速和地層進行繪圖分析，得到三者之間的關系)如圖10所示。

圖10 驅動方式、最大轉速與地層之間的關系

由圖10可以得出如下結論： 1)3類地層中，變頻驅動方式所設計的最大轉速大多數位于3.5 r/min左右，而液壓驅動方式基本都在3.0 r/min之上，一方面說明變頻驅動的傳動效率高，另一方面也說明了變頻驅動方式更加節能。2)砂卵石地層中，刀盤最大轉速集中在3.0～5.0 r/min，而軟土地層相對分散，復合地層則分布較均勻，這一點與開口率和地層關系類似。3)從整體來看，3類地層中刀盤最大轉速在3.5 r/min左右的使用頻率最高，說明此刀盤轉速能夠滿足全國大部分地區的盾構掘進要求。

1.8 盾構廠商與驅動方式的關系

目前世界著名盾構制造商主要有海瑞克、三菱、小松、石川島、川崎和羅賓斯等廠家。在21世紀之前，盾構的設計、制造、集成以及關鍵零部件等核心技術幾乎被上述廠商所壟斷，國內的相關產業還不成熟。經過近十幾年來的技術研發與不斷發展，國內已涌現出一批有能力獨立研制生產盾構的大型企業，如中鐵裝備、鐵建重工、北方重工、中交天和、上海隧道、三三工業等。

將小松、石島川盾構統稱為日本品牌，海瑞克、羅賓斯盾構稱為歐美品牌，上海力行、北方重工、鐵建重工、中鐵裝備等盾構統稱為國內品牌，將3類品牌與刀盤驅動方式進行對比，可以看出： 歐美品牌大多數刀盤驅動方式為液壓驅動，日本品牌所有刀盤驅動方式均為變頻驅動，國內品牌3類驅動方式都有涉及。

3類驅動方式中，由于電機驅動的種種缺點，導致其已逐漸被國外盾構廠商淘汰，國內也很少有盾構廠商使用。液壓驅動是目前應用最廣泛的盾構，變頻驅動方式最節能且傳動效率最高，逐漸成為未來驅動方式發展的方向。

2 實例分析

在建的成都軌道交通18號線土建1標位于成都市高新區，本標段共包含2個區間： 火車南站—孵化園站、孵化園站—錦城廣場站，隧道起于火車南站南端，止于錦城廣場站北端，全長6 085.03單線延米。在西南地區首次采用了2臺海瑞克EBP 8600型盾構進行區間隧道施工，其盾構基本參數如表3所示。

表3 成都軌道交通18號線1標盾構主要參數

通過第1節的分析與結論，現對上述盾構選型進行簡要評價： 1)盾構類型選擇了復合式土壓平衡盾構，刀盤結構選擇了面板式，符合了上述統計分析中砂卵石地層的主流選型原則。2)在大直徑開挖的前提下，主機長度滿足了圖5所示的區域，能夠保證小曲線掘進； 其刀盤直徑比主流的6.2 m直徑多了2.4 m，按照圖9得出的結論，其最大推力應該在主流推力37 000 kN的基礎上相應增加36 000 kN，即應該在70 000 kN左右，剛好滿足要求。3)開口率保持在35%左右，滿足主流設備要求。4)驅動方式采用了變頻驅動，符合節能、高效的要求，主驅動功率在刀盤增大的情況下進行了相應的增加，滿足掘進要求。5)按照1.4節得出的結論可知，在開挖直徑為8 600 mm的前提下，其額定轉矩需相應增加，y=3.033 3×8 600-13 498=12 585 kN·m，本工程實際的額定轉矩為15 048 kN·m，額定轉矩設置過大，過于保守。6)按照圖7(c)中的擬合曲線，在額定轉矩為15 048 kN·m的前提下，相應得到的最大轉矩應不低于17 000 kN·m，本文設置的最大轉矩為20 766 kN·m，滿足了要求，但也過于保守。綜上所述，本區間的盾構選型基本上是成功的。

3 結論與展望

基于現有研究中，不同地區之間盾構關鍵參數的選取在差異性和規律性研究不足，通過統計分析2008—2017年我國16座城市30個盾構區間(每類地層10個)的盾構類型和部分關鍵參數，得到了關鍵參數與地層之間、關鍵參數內部之間的一系列規律性和差異性，并通過實例分析進行了簡單應用，為今后盾構選型及評估提供了新的思路。

由于資料選取有限，在應用本文的結論對盾構及部分關鍵參數進行整體評價時，可能部分會存在一定的偏差。但隨著后續施工的進行和數據的積累，相關結論將會更加完善，且更加具有普遍性和代表性。