新疆EH輸水工程雙三Ⅳ標盾構(gòu)選型設(shè)計

李伯昌/LI Bo-chang

（新疆額河建管局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆EH 供水二期輸水工程，從喀臘塑克水庫壩后調(diào)水到準東經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和天山東部礦區(qū)，線路全長392.3km。工程主要包括首部攔河供水樞紐、自然分段長283.393km 的喀雙隧洞、自然分段長92.35km 的雙三隧洞、輸水管道、庫木蘇水庫、雙井子泵站等建筑物，其中工程施工重點部分為地質(zhì)條件復雜的雙三隧洞。

雙三隧洞的Ⅳ標段為重點施工部分，Ⅳ標段按無壓洞設(shè)計，縱坡采用1/5000 坡度。

為了保證雙三隧洞的后半段的施工進度，擬將總長36.85km的隧洞分為盾構(gòu)段1、盾構(gòu)段2、盾構(gòu)段3-1、盾構(gòu)段3-2 及鉆爆段進行施工，3個盾構(gòu)施工段采用3 臺盾構(gòu)同時進行施工。其中盾構(gòu)段1 洞長5.9km，盾構(gòu)段2 洞長6.1km，盾構(gòu)段3-1 長2.26km，盾構(gòu)段3-2 長4.98km，其余洞段均為鉆爆段，鉆爆段總長17.614km，還有一些豎井和支洞，施工段劃分如圖1 所示。3臺盾構(gòu)的掘進施工任務如表1 所示。

圖1 施工段劃分示意圖

表1 盾構(gòu)掘進任務表

盾構(gòu)段1 位于洪積平原區(qū)，隧洞埋深為60～117m，穿過地層為：泥巖、砂巖、礫巖互層，洞身圍巖主要為軟巖和飽和抗壓強度＜5MPa 的極軟巖，圍巖分類為Ⅴ類圍巖，巖層較為平緩，對隧洞洞頂穩(wěn)定不利。圍巖的完整性系數(shù)為0.50～0.55，泥巖自由膨脹率83%～98%，屬中-強膨脹巖，該洞段整體自穩(wěn)能力較差，宜產(chǎn)生塑性變形，地層屬微-弱透水層，屬于貧水區(qū)。

盾構(gòu)段巖層分布如圖2 所示。盾構(gòu)段1 地層類型占比為：泥巖59%，砂巖33%，礫巖8%。

圖2 盾構(gòu)段巖層分布圖

盾構(gòu)段2 位于洪積平原及山前洪積扇區(qū)，地形較平坦，隧洞埋深為60～75m，穿過地層為新近系泥巖，局部夾泥質(zhì)砂礫巖。隧洞大多處于微風化-新鮮泥巖內(nèi)，圍巖分類屬于Ⅴ類圍巖，是飽和抗壓強度＜5MPa 的極軟巖。圍巖自由膨脹率為40%～67%，屬弱膨脹巖。盾構(gòu)段2 地層類型占比為：泥巖50%，砂巖50%。

盾構(gòu)段3 地質(zhì)條件較為復雜，主要穿過巖層有泥巖、含土角礫夾含礫粘土質(zhì)砂層、含碎石粘土層、泥質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖石等。其中泥巖為極軟巖，巖體大多較完整，屬于V 類圍巖。含土角礫層，最大粒徑＜60mm，角礫含量占50%～60%。含碎石粘土層，結(jié)構(gòu)較為密實，粒徑＜40mm 的碎石含量占35%～40%，砂和土各占30%左右。泥質(zhì)砂礫巖屬于極軟巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育。凝灰質(zhì)砂巖屬于堅硬巖，圍巖分類為Ⅲ類圍巖，飽和抗壓強度為50～80MPa。

此段地下水含量較多，地下水類型主要為碎屑巖類孔隙裂隙水和松散類孔隙潛水。碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為泥質(zhì)砂巖。水位埋深一般在3.9～19.8m，屬中-弱透水層。因此隧道施工過程中一般沿裂隙會有滲水、線狀流水現(xiàn)象，局部沿斷層破碎帶、影響帶或節(jié)理裂隙密集帶會有小的涌水現(xiàn)象。

松散類孔隙潛水含水層為含碎石粘土層、含土角礫層。含碎石粘土層中水位埋深一般在29～54m，水位高于隧道頂部57～89m，屬強-中等透水層。隧道施工過程中一般沿洞壁和掌子面有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現(xiàn)象。含土角礫層中水位埋深一般在12～45m，水位高于隧洞頂部11～20m，屬強-中等透水層，隧道施工過程中一般沿洞壁和掌子面有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現(xiàn)象。盾構(gòu)段3 地層類型占比為：泥巖53%，含土角礫夾含礫粘土質(zhì)砂層25%，含碎石粘土層16%，泥質(zhì)砂礫巖3%，凝灰質(zhì)砂巖石3%。

2 工程重難點及盾構(gòu)類型的確定

2.1 工程重難點分析

1）大埋深、高水壓掘進對盾構(gòu)密封性能要求高 本工程隧洞普遍埋深基本在70～100m，地下水位一般在地面以下20m 左右，最大水壓可達7bar。隧道埋深較深，水壓大，對盾構(gòu)的性能指標要求高，需在常規(guī)盾構(gòu)的設(shè)備配置和性能等級方面進行針對性的加強和優(yōu)化。加強盾構(gòu)的設(shè)計、制造是本工程實施的重難點。

2）膨脹性泥巖盾構(gòu)卡機的預防和處理 本工程主要施工巖層為第四系洪積含礫粘質(zhì)砂土和新近系泥質(zhì)砂礫巖，第四系洪積土角礫地層易坍塌，發(fā)生卡刀盤的概率較大。白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂巖、泥質(zhì)砂礫巖和新近系泥巖、泥質(zhì)砂巖夾泥質(zhì)砂礫巖地層圍巖有膨脹性，極易發(fā)生圍巖收斂，發(fā)生卡盾體的可能性較大。預防盾構(gòu)卡機以及盾構(gòu)卡機后可及時脫困是本工程的重難點。

3）盾構(gòu)施工“結(jié)泥餅”防治與治理 本工程盾構(gòu)在白堊系下統(tǒng)泥巖類夾砂巖、泥質(zhì)砂礫巖和新近系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥質(zhì)砂礫巖地層中掘進，盾構(gòu)段圍巖為Ⅴ類圍巖，飽和抗壓強度＜5MPa，屬于極軟巖，由于圍巖膨脹性，泥質(zhì)巖性，粘性大，落碴、排碴不易，容易糊刀盤刀具，造成結(jié)泥餅現(xiàn)象。泥餅形成后，輕則造成盾構(gòu)扭矩、總推力的大幅增大，推進速度減慢，刀具磨損，耗能增加；重則造成掘進困難，甚至無法掘進。泥餅的存在關(guān)系到盾構(gòu)掘進施工的安全性、設(shè)備的耐久性和施工組織的合理性。泥餅的預防和防治是本工程的重難點。

4）長距離掘進 本標段盾構(gòu)一次性掘進最大距離約7km，一般城市地鐵盾構(gòu)為2km 左右，長距離掘進對盾構(gòu)的性能指標要求高，需在常規(guī)盾構(gòu)的設(shè)備配置和性能等級方面進行針對性的加強和優(yōu)化。所以盾構(gòu)長距離施工需加強盾構(gòu)的適應性選型和針對性設(shè)計是本工程的重難點。

5）盾構(gòu)設(shè)計需具備快速掘進性能 因隧道距離較長，盾構(gòu)需具備快速掘進性能，以滿足施工進度要求。

2.2 盾構(gòu)類型確立

盾構(gòu)的選型設(shè)計對隧道的盾構(gòu)施工具有重要意義，選擇合適的盾構(gòu)是盾構(gòu)隧道施工成敗的關(guān)鍵，選擇盾構(gòu)應在深入研究分析工程對象的具體地質(zhì)條件、隧道施工條件、環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外已有的類似盾構(gòu)工程經(jīng)驗，特別是同一地區(qū)盾構(gòu)隧道工程的經(jīng)驗，遵循安全可靠、適用、經(jīng)濟、先進、環(huán)保的原則來選型[1～4]。

當?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s 時，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7m/s和10-4m/s 之間時，既可以選用土壓平衡盾構(gòu)也可以選用泥水盾構(gòu)；當?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4m/s時，宜選用泥水盾構(gòu)。具體地層滲透系數(shù)與適用的盾構(gòu)類型的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 地層滲透系數(shù)與適用的盾構(gòu)類型的關(guān)系

由于在本工程中，主要地層的滲透系數(shù)小于10-7m/s，且工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的變化較大，含有不穩(wěn)定的地質(zhì)，顧選擇復合式土壓平衡式盾構(gòu)進行盾構(gòu)施工，可以減少工作面前方沉降的風險。復合式土壓平衡式盾構(gòu)具有土壓平衡和敞開式兩種模式，如果地質(zhì)條件良好（刀盤前方穩(wěn)定、低水壓），盾構(gòu)可以快速轉(zhuǎn)換成敞開模式，在大氣壓力下掘進，由于沒有反壓力，在敞開模式下可以達到最佳的掘進速度，從而大大地提高施工效率[5～6]。

3 盾構(gòu)選型研究

3.1 刀盤、刀具配置

根據(jù)指定標段地質(zhì)資料，刀盤采用輻條＋面板式設(shè)計，支撐方式為中間支撐。刀盤上安裝有滾刀、切刀、貝殼刀、刮刀和超挖刀等，對隧道進行全斷面開挖，并可實現(xiàn)正反雙向旋轉(zhuǎn)出碴。

刀盤鋼結(jié)構(gòu)采用Q345D 高強度鋼板焊接而成。正常工作環(huán)境下，刀盤整體強度和剛度滿足本標段地質(zhì)的掘進要求。1 號和2 號盾構(gòu)刀盤開口率約50%（圖4），3 號盾構(gòu)開口率約為43%（圖5）。刀盤設(shè)計有多個注漿口，可向開挖艙及刀盤中心部位注入渣土改良劑。刀盤各部分設(shè)計有針對性的耐磨保護措施，刀盤面板在基材鋼板上堆焊了一層特殊的復合耐磨鋼板，刀盤外周焊接鑲合金耐磨環(huán)，可提高刀盤外周在全斷面硬巖掘進時的耐磨性能，保證刀盤外圈完整性；刀盤邊緣過渡區(qū)、刀盤進碴口、刀盤背部也加焊了致密耐磨網(wǎng)格，提高刀盤整體的耐磨性能。

圖4 1、2號盾構(gòu)刀盤正面

圖5 3號盾構(gòu)刀盤正面

刀盤上配置有滾刀、貝殼刀、切刀、邊緣刮刀和超挖刀等刀具。滾刀可以在一定的正壓力作用下隨刀盤轉(zhuǎn)動的同時完成自轉(zhuǎn)，進而完成對于掌子面的破碎和掘削，針對本工程的復雜工況，刀盤中心采用17 英寸雙聯(lián)滾刀，正面及邊緣采用17 英寸滾刀（18 英寸刀圈），承載能力強，破巖效率高。當遇到極軟巖地層時，滾刀與巖石掌子面之間不能產(chǎn)生一定的附著力，將導致滾刀不能滾動而產(chǎn)生弦磨，滾刀不能滾動將失去有效的破巖功能，顧設(shè)計齒刀可與滾刀進行互換，可根據(jù)具體的地質(zhì)情況，將部分或全部滾刀更換為齒刀，利用齒刀進行破巖，提高破巖效率。

刀盤上安裝有多把切刀，針對本地層特點，切刀側(cè)面堆焊耐磨網(wǎng)格，有利于保護刀具邊角以及減少磨損。刀刃采用大尺寸的3 排耐磨硬質(zhì)合金設(shè)計可延長刀具使用壽命。刀頭設(shè)計為尖角結(jié)構(gòu)形式，有效提高了切刀切削剝離碴土的能力。刀體上堆焊耐磨層可以防止刀體受到碴土的沖刷磨損。切刀采用小背斜設(shè)計，采用2 排固定螺栓，可以提高切刀的抗沖擊性能和耐磨性能。先行刀與切刀采用67.5mm 的高差，可以降低切刀的磨損，提高有效貫入度。刀盤上邊緣刮刀的主要作用是清理外圍開挖的碴土，防止刀盤外緣的直接磨損，保證開挖直徑的精度。針對本地層特點，邊緣刮刀刀刃采用3 排大尺寸的耐磨硬質(zhì)合金設(shè)計，可延長刀具使用壽命；邊緣刮刀采用分體式、雙排高強度螺栓設(shè)計，減小刀座與刮刀的高差，背面加焊保護塊，降低了刀具在高速旋轉(zhuǎn)下受沖擊整體掉落的風險。刀具種類及刀具數(shù)量如表2 所示。

表2 刀具種類及刀具數(shù)量

由于本工程盾構(gòu)開挖需一次長距離掘進達7km，屬于超長距離掘進，對刀具磨損狀況的要求很高，顧在刀盤上布置了刀具磨損檢測裝置，主要布置了液壓式磨損檢測器和連續(xù)式磨損檢測器。液壓式磨損檢測器布置在刀盤外側(cè)，磨損檢測芯內(nèi)部通液壓油，當切刀或邊緣刮刀磨損量達到15mm 時，液壓油泄露使得壓力下降，發(fā)出報警信號。連續(xù)式磨損檢測器布置在刀盤中心切刀上，相應的切刀上設(shè)計有檢測孔，傳感器插入在孔內(nèi)，能連續(xù)檢測切刀磨損量（圖6）。

圖6 液壓式磨損檢測器示意圖

3.2 其他針對性設(shè)計配置

長距離掘進盾構(gòu)針對性設(shè)計：除了對刀盤刀具的特殊設(shè)計外，對其他設(shè)備也進行了改進，為了加強螺旋輸送機的壽命，螺旋輸送機前端外筒體采用成雙層殼體設(shè)計，在筒體外側(cè)焊接一層殼體來加強耐磨厚度。并根據(jù)相似工程的螺旋輸送機磨損情況，在螺旋葉片外圈焊接了耐磨合金塊、在螺旋筒體內(nèi)壁焊接了耐磨板。

高水壓、大埋深地層盾構(gòu)承壓能力針對設(shè)計：本工程軟巖洞室埋深在60～100m 之間，地下水位地面以下20m 左右，最大水壓可達7bar，盾構(gòu)整機承受了高水壓，對主機區(qū)域的密封系統(tǒng)承壓能力有較高的要求，具體涉及主驅(qū)動密封、盾體鉸接密封、盾尾密封。如圖7 所示，主驅(qū)動及鉸接處采用耐高壓的聚氨酯密封結(jié)構(gòu)，盾尾密封采用多道“高性能鋼絲刷＋油脂”密封結(jié)構(gòu)，整體承壓能力可達10bar。

圖7 盾構(gòu)耐高壓設(shè)計

主驅(qū)動密封采用聚氨酯材料的多唇密封，密封結(jié)構(gòu)由4 個唇齒并排構(gòu)成，可承受10bar 以上水土壓力，且聚氨酯材料具有極好的耐磨性能，使用壽命長。該密封結(jié)構(gòu)已在多個盾構(gòu)施工項目中得到廣泛應用。鉸接密封布置于前、中盾鉸接段，采用兩道承壓能力強的聚氨酯雙唇密封和油脂注入通道，通過這些通道可對密封進行潤滑，增強密封的使用壽命和可靠性。

膨脹性泥巖地層盾構(gòu)防卡機設(shè)計：工程中存在著大量自由膨脹率50%～60%的弱膨脹巖和自由膨脹率為83%～98%的中～強膨脹巖。隧洞開挖后，膨脹巖土隧洞在重力作用下會出現(xiàn)膨脹、收縮的循環(huán)過程，造成隧洞的向內(nèi)積壓以及位移，可能會造成設(shè)備卡機等情況發(fā)生。針對這種情況：刀盤配置了超挖刀，具備一定范圍的超挖量能夠進行開挖斷面擴挖。在局部易膨脹地段可適當加大刀盤擴挖量，隧洞外周預留出一定的圍巖徑向膨脹變形量。刀盤圓周外側(cè)布置多把可拆式貝殼刀，當泥巖膨脹后，除外周滾刀切削外，貝殼刀可切削最外側(cè)滾刀與盾體之間的泥巖，起到二次切削的作用，減小推進阻力。盾構(gòu)上還設(shè)置有穩(wěn)定器（圖8），當設(shè)備停機時，伸出穩(wěn)定器將弧形板接觸或靠近巖體，當泥巖膨脹時使弧形板回縮，穩(wěn)定器行程和壓力的變化反饋到主控室，提醒司機恢復掘進以免盾體被完全包裹。

圖8 盾構(gòu)穩(wěn)定器示意圖

盾構(gòu)高速掘進設(shè)計：本工程時間緊任務重，顧對盾構(gòu)的高速掘進性能進行了針對性設(shè)計。為了加速掘進速度，提高了盾構(gòu)推進油缸的速度，一般地鐵盾構(gòu)最大推進速度為80mm/min，本機提高到了120mm/min。推進泵流量由125mL/r提高到180mL/r，功率由90kW 提高到132kW。推進系統(tǒng)最大推力為42574kN，具有較大的推力儲備。提升了主驅(qū)動配置，采用2.8m 直徑的主軸承，6 個250kW 的驅(qū)動變頻電機，主驅(qū)動的轉(zhuǎn)速范圍為0～6.5rpm，額定轉(zhuǎn)速為3.25rpm，額定扭矩為4010kNm，脫困扭矩5520kNm。主驅(qū)動扭矩曲線如圖9 所示。

圖9 盾構(gòu)主驅(qū)動扭矩曲線圖

4 盾構(gòu)推進阻力計算及驅(qū)動選型

盾構(gòu)推進油缸選型之前應先進行推進阻力計算，盾構(gòu)推進阻力由盾殼與土體之間的摩擦阻力、刀盤切削土體時的貫入阻力、盾構(gòu)推進時的正面推進阻力、盾尾與管片的摩擦阻力、后配套牽引阻力五部分組成[7]。

4.1 盾殼與土體間的摩擦力阻力

其中，μ 為摩擦系數(shù)；D 為盾體直徑；l 為盾體長度；pv為垂直荷載；ph為水平荷載；Gs為主機重量。

4.2 刀盤切削土體時的貫入阻力

由于刀盤上有多種不同類型的刀具，不同刀具貫入阻力計算方法不同，顧根據(jù)貫入阻力計算模型將不同類型的刀具所受貫入阻力轉(zhuǎn)換為切刀的阻力。

刀盤上有4 把雙聯(lián)滾刀（相當于12 把切刀），18 把正面滾刀（相當于36 把切刀），6 把邊緣滾刀（相當于12 把切刀），8 對邊緣刮刀（相當于16 把切刀），8 把貝殼刀（相當于8 把切刀），36把切刀。刀盤在切削土體時每把切刀承受約10kN的貫入阻力。

4.3 盾構(gòu)推進時的正面推進阻力

盾構(gòu)推進時的正面推進阻力為

其中，P 為掌子面的水土壓力。

4.4 管片與盾尾間的摩阻力

管片與盾尾間的摩阻力為

其中，n1為盾尾內(nèi)管環(huán)數(shù)；WS為一環(huán)管片重量；μ2為盾尾密封刷與管片摩擦系數(shù)；Do為管片外徑；b 為每一道盾尾刷與管片接觸長度；pT為盾尾密封壓強；n2為密封刷數(shù)。

4.5 后配套拖車的牽引阻力

后接拖車的牽引阻力

其中，W5為后接拖車自重；μ5為后接拖車與軌道摩擦系數(shù)。

土壓平衡模式掘進時的總推進阻力為

根據(jù)以上計算結(jié)果選用A4VSO180 型液壓泵，220×180-1800 的液壓油缸和功率為132kW的電機作為驅(qū)動。

當p=300bar 時，油缸為額定工作狀態(tài)，推力為

當Pmax=350bar 時，油缸為最大工作狀態(tài)，推力為

故盾構(gòu)設(shè)計最大總推力42574kN，大于最大推進阻力34989kN，驅(qū)動選擇符合設(shè)計需求[8]。

5 結(jié)語

本文依據(jù)新疆EH 輸水工程雙三隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合本工程特點、難點，并參考國內(nèi)外相關(guān)地層地質(zhì)的選型經(jīng)驗，確定了雙三隧道Ⅳ標3 個盾構(gòu)施工段均使用復合式土壓平衡盾構(gòu)，并確定了相關(guān)的刀盤刀具配置及其他配置，也對盾構(gòu)的螺旋輸送機、主驅(qū)動、密封設(shè)施等進行了針對性的設(shè)計。