北京新機場線一期8.8 m直徑隧道盾構選型研究

高洪吉

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

盾構法已經成為我國地鐵區間隧道建設的主要工法。盾構設備與工程地質條件和施工環境的適應性對工程能否安全、順利完成具有重大的影響，因此盾構選型至關重要。

尚艷亮[1]等通過對石家莊多個盾構區間隧道監測數據進行分析得出刀盤開口率越小盾構施工引起地表沉降越小的結論；侯凱文[2]通過南寧地鐵在復雜地層推進過程中盾構關鍵部位的選型設計及參數分析，得出了適合復雜地層的盾構選型方案；蔣超[3]通過佛莞城際獅子洋隧道盾構的選型研究，提出了加強螺旋出土器出渣解決土艙內土體排出困難的問題；陳饋[4]等對深圳大直徑盾構的選型進行分析，并結合現場情況對盾構設備進行了優化；郭彩霞[5]針對北京典型無水卵礫地層進行盾構選型，同時對關鍵設備進行升級改造，提高了掘進速度、降低了運行成本；江華[6]等對北京4個標段的盾構設備進行總結，得出了增大開口率以及進行渣土改良能有效減小刀盤扭矩的結論；李潮[7]將理論模型與實際相結合，提出刀盤各面與地層的摩擦阻力扭矩約占總扭矩的80%；陳仁朋[8]通過理論分析，修正了刀盤推力以及扭矩的計算公式，并通過深圳地鐵驗證了公式的合理性；江玉生[9]等通過對刀盤扭矩形成機理的分析，總結了扭矩與地層參數的關系；沈林沖[10]等通過對杭州富水地層盾構選型進行研究，總結出復雜條件下盾構施工的關鍵要點；樂貴平[11]通過對北京地區地層分析，提出了盾構機配置要求及關鍵點選配要求；丁志誠[12]等結合廣州地鐵實際情況，對全斷面滾刀以及全斷面先行刀適用情況進行分析；張帥坤[13]針對豫機城際鐵路工程線路設計、工程及水文地質特點，全面分析了盾構設備選型情況，并對重點部件進行介紹。

本文依托新機場線最長的盾構隧道工程，對該工程的盾構選型進行研究。

2 工程背景及重難點

2.1 工程概況

北京新機場線07標段2號風井-3號風井區間是全線最長的盾構隧道，左線全長3 832.39 m，右線全長3 847.44 m，最大坡度為5.9‰，最小曲線半徑為1 300 m。盾構區間隧道管片外徑8.8 m、內徑7.9 m，環寬1.6 m。

盾構隧道埋深8～16 m，地下水位埋深22.9 m，盾構施工不受地下水影響。盾構隧道穿越的地層主要為卵石圓礫層，局部拱頂含有粉細砂和粉土，如圖1所示。盾構隧道埋深范圍內原狀土顆粒級配曲線，如圖2所示。

圖1 2號風井-3號風井區間地質剖面

圖2 砂卵石地層顆粒級配及地層情況

2.2 工程重難點分析

結合本區間隧道工程工期要求、地層條件及施工環境條件，分析得出本區間盾構選型的重難點。

(1)本區間管片外徑8.8 m，且盾構穿越全斷面卵石地層，盾構刀盤扭矩較普通地鐵盾構(6 m外徑管片)有大幅增加，應選擇合理的刀盤型式并對扭矩進行檢算，確保配備合理的驅動功率，保證盾構順利掘進。

(2)本區間盾構穿越地層為砂卵石層，由于地層缺少細顆粒，渣土和易性差，對渣土改良要求較高；渣土改良系統的設計也是一個難點，必須確保刀盤和土艙內布置合理的泡沫注入口和膨潤土注入口。

(3)面對盾構長距離穿越全斷面砂卵石地層，在刀具方面應考慮合理化的布置形式，通過優化刀具的高差、間距、軌跡等來延長盾構掘進距離。

3 盾構選型要點

首先對盾構類型進行選擇，本區間隧道穿越地層主要為無水砂卵石地層，地層滲透系數大，如采用泥水平衡盾構，泥膜建立困難，泥漿在地層中流失嚴重。且泥水平衡盾構出渣方式沒有土壓平衡盾構直接，效率較慢。本工程工期非常緊張(要求雙線盾構在11個月內實現洞通)，不適宜采用泥水平衡盾構，因此選用土壓平衡盾構施工。在盾構類型確定后，再對盾構設備的主要參數進行選擇。

3.1 刀盤型式選擇

刀盤型式可分為面板式、輻條式和輻條面板式3種，3種刀盤的差別主要體現在刀盤的開口率上。面板式刀盤開口率在20% ～35%，輻條面板式刀盤開口率35% ～50%，輻條式刀盤開口率一般在50%以上。砂卵石地層刀盤開口率越大渣土進入土艙越順暢，刀盤與開挖面的接觸面積越小，刀盤扭矩也越小。文獻[6]認為同樣的砂卵石地層，刀盤開口率增大10%，刀盤扭矩減小8% ～10%。因此為降低刀盤扭矩，減小刀具的磨損，應采用輻條式刀盤。

針對以砂卵石為主的地層特點，最終選擇開口率60%的輻條式刀盤。刀盤正面和開口部位焊接有耐磨層，外周焊接25 mm厚的復合耐磨鋼板，以減少砂卵石地層中掘進刀盤的磨損。刀盤背面設有攪拌棒，可以隨著刀盤一起轉動，提高土體的塑性和流動性，刀盤構造如圖3所示。

圖3 刀盤結構

3.2 刀盤驅動參數確定

為保證盾構順利掘進，刀盤驅動輸出功率必須滿足盾構施工過程中的刀盤總扭矩。刀盤總扭矩主要由切削阻力扭矩、正面的摩擦阻力扭矩、側面的摩擦阻力扭矩、背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩4個部分組成:

式中，T1為刀盤切削阻力扭矩(kN·m)；T2為刀盤正面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T3為刀盤側面的摩擦阻力扭矩(kN·m)；T4為刀盤背面及攪拌翼與渣土的摩擦阻力扭矩(kN·m)。

式中，D為刀盤外徑(m)；v為掘進速度(mm/min)；N為刀盤轉速(r/min)；qv為周圍土體的單軸抗壓強度(kPa)。

式中，K0為側向土壓力系數；η為刀盤開口率；γ為刀盤周圍土體的容重(kN/m3)；f為土與刀盤表面間的摩擦系數；H為刀盤所在位置距地表的深度(m)。

式中，Ka為主動土壓力系數；B為刀盤外沿寬度(m)。

式中，H0為攪拌葉片覆土深度(m)；Db為攪拌葉片直徑(m)；Lb為攪拌葉片長度(m)；Rb為攪拌葉片到盾構掘進機中心的距離(m)。

結合本工程具體情況，計算總扭矩為11 449.43 kN·m，一般安全系數選取1.2，本工程因為在全斷面卵石地層中掘進，且工期較緊，應配置更大的驅動扭矩，因此安全系數確定為1.4，配置扭矩不應低于11 449.43×1.4＝16 029.202 kN·m。最后選擇配置12個變頻電機，額定扭矩17 960 kN·m，脫困扭矩19 760 kN·m。

3.3 渣土改良系統選擇

盾構機主要穿越無水砂卵石地層，細顆粒含量少，渣土改良困難。渣土改良效果不好，極易造成渣土流塑性差，土艙內壓力難以建立，地表發生塌陷。另外，由于地層富含砂卵石，施工過程中刀盤扭矩大，刀具磨損嚴重。因此，盾構施工過程中需重點關注渣土改良效果，同時盾構選型過程需結合渣土改良材料自身性質對改良材料注入系統參數進行確定。

北京地區無水砂卵石地層一般采用膨潤土＋泡沫的渣土改良方式。泡沫的主要作用是增加潤滑性，減少土體與刀盤、刀具的摩擦，降低刀盤扭矩；膨潤土的主要作用是補充細顆粒，增加渣土的和易性。因此，泡沫口的注入位置應主要位于刀盤前方，而膨潤土的注入位置應分布于刀盤前方與土倉內部。為確保渣土改良材料能均勻地注入到刀盤前方土體，刀盤分布9個注入孔，其中6個孔為泡沫注入口，用于對掌子面土體進行改良；3個孔為膨潤土＋泡沫共用口，可根據施工情況選擇不同改良材料。同時刀盤向后設置1個膨潤土注入口，土倉后壁向前設置1個膨潤土注入口，對刀盤中心位置進行沖刷，如圖4所示。

圖4 注入口布置位置

3.4 刀具型式及布置

針對該區間以卵石為主的地層條件，采用切刀、先行刀、保徑刀、超挖刀以及中心魚尾刀相結合的方式進行配置。

切刀布置在刀盤開口槽的兩側，刀高125 mm，如圖5a、圖5b所示。貝殼刀分為兩種，其中刀高為145 mm的先行刀51把，刀高為175 mm的先行刀75把，高低差配置見圖5a、圖5b。盾構掘進時先行刀首先切削土體，對掌子面土體進行疏松，之后切刀切削經過疏松的土體，從而達到減小切刀磨損的目的。中心魚尾刀布置1把，刀高450 mm，如圖5c所示。在刀圈周圍設置保徑刀66把，用于切削外周的土體，保證開挖面的直徑。在刀盤的邊緣布置超挖刀2把，最大超挖量50 mm。盾構機在曲線段推進或轉彎、糾偏時，通過超挖刀切削土體所創造的空間，保證盾構在超挖少、對周邊土體干擾少的條件下，實現曲線推進和順利轉彎、糾偏。

圖5 主要刀具型式(單位：mm)

3.5 同步注漿系統

同步注漿作為盾構施工的重要步驟，必須結合工程特點配備同步注漿系統。盾構每環掘進形成的理論空隙為:

式中，D1為盾構開挖直徑，取9.15 m；D2為管片外徑，取8.8 m；L為管片長度，取1.6 m。

故每環理論注漿量為7.89 m3，考慮漿液擴散，填充系數取1.5～1.8，則每環實際注漿量為11.84～14.2 m3。假定盾構以最大推進速度80 mm/min連續掘進，按照最大填充率1.8計算，所需同步注漿泵送能力為42.61 m3/h。在確定參數時考慮一定的安全系數，設置3臺雙柱塞泵，注漿能力45 m3/h，滿足正常掘進需求。同步注漿管路設置時，在盾尾分6路，在施工過程中可在不同位置注入以滿足盾尾空隙填充要求(見圖6)。

圖6 注漿管路布置示意

4 施工結果分析

選取900～1 100環進行扭矩統計，如圖7所示。最小扭矩為6 080 kN·m，最大扭矩為12 108 kN·m，基本符合計算值。扭矩計算過程中假設地層為全斷面砂卵石地層，摩擦系數較大，而900～1 000環盾構實際穿越時存在較厚的粉質黏土層，地層加權摩擦系數較小，因此施工扭矩較小，1 000～1 100環穿越地層時粉質黏土層逐漸消失，扭矩基本符合計算值，說明扭矩計算的合理性。同時，整個施工過程中扭矩均小于設備額定扭矩，說明盾構驅動設備選型合理。

圖7 900～1 100環施工扭矩變化曲線

對盾構施工效率進行分析(見圖8)，區間盾構掘進過程順利，平均每天掘進9.4環(15.04 m)，若排除盾構施工過程中刀具檢修及其他原因導致的停機時間，盾構每天掘進12.5環(20.00 m)，盾構最快日掘進25環。對900～1 300環施工過程中隧道上方地表13個沉降測點數據進行總結，地表最大累計沉降21.43 mm，平均累計沉降12.05 mm(控制值30 mm)。綜上所述，盾構設備選型取得了良好的效益。

圖8 2號風井-3號風井盾構施工進度

5 結束語

針對新機場線2號風井-3號風井區間大直徑盾構隧道的特點，從扭矩計算、刀具型式、刀盤布置、渣土改良系統、同步注漿系統等方面對盾構選型進行了詳細分析，并對最終選擇的盾構參數進行說明。通過對掘進參數、盾構掘進效率、地表沉降控制等方面進行分析，證明了本工程盾構選型的合理性，可供今后類似工程參考借鑒。