主動鉸接盾構在小曲線隧道中的應用研究

尹躍峰，陳昆鵬，楊 霖

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000）

伴隨城市用地緊張、交通擁堵等問題的出現，許多城市采用立體化的地下快速軌道交通來解決日益惡化的城市交通問題。但由于受到密集的城市地下市政管網、繁多的地面居民建筑和歷史古跡等因素，地鐵隧道的線路設計決策往往受到很大影響，從而帶來小曲線地鐵隧道施工項目的不斷增加[1]。

1 盾構法小曲線隧道介紹

對于地鐵隧道來講，線路平面曲線半徑應根據車輛類型、地形條件、運行速度和環境要求等因素比選確定。在城市地鐵隧道中進行盾構法施工時，隧道開挖直徑越大，所需設計的最小曲線半徑就越大。盾構主機在隧道曲線中的設計轉彎能力也與其自身的長徑比有關，長徑比越趨近于1，越利于盾構主機在小曲線隧道中的轉彎[2～3]。隨著盾構技術的發展，盾構的小曲線轉彎適應能力也越來越強，表1 為中鐵裝備部分小曲線隧道施工案例展示。

表1 中鐵裝備部分小曲線隧道施工案例

2 阿爾及利亞機場地鐵項目概述

阿爾及利亞機場地鐵項目是首都阿爾及爾的地鐵延伸線工程，從EL Harrach 中心到首都機場。該項目隧道全長9565m，包括9 個地鐵車站和10 個通風豎井，最小水平轉彎半徑為198.67m，采用一臺開挖直徑?10.5m 的土壓盾構進行施工。盾構施工時，先從OUED SMAR STATION 掘 到Terminus（約5.8km），然 后再轉場進行OUED SMAR STATION 到EL Harrach Center（約3.7km）的隧道施工，如圖1 所示。

圖1 隧道施工線路圖

3 項目地層特性

項目隧道埋深約20～56m，隧道最大水土壓力約為3bar。穿越地質主要為細沙到中粗砂、砂巖、粉砂、粉質黏土、泥灰（夾雜有不規則的礫巖和砂巖），大部分區間以密實泥灰地層為主，標貫值SPT 在28～60 之間，且地層存在較大結泥餅的風險。在PK1+214.62-PK1+328.11 區間分布有完整的砂巖，平均抗壓強度為75MPa（圖2、圖3）。

圖2 砂巖取樣照片

圖3 泥灰層取樣照片

4 土壓盾構關鍵部件選型設計及應用

為滿足該項目的穿越密實泥灰地層、砂層和砂巖層，根據地質特性和項目特點，刀盤采用復合刀盤，主驅動采用10 組350kW 的變頻電機驅動，刀盤轉速為0～2.73rpm；最大設計推力為10 691t，推進速度最高可達80mm/min。考慮到大直徑、小轉彎的特殊需求，該盾構采用主動球面鉸接結構，具備180m 的轉彎糾偏能力，滿足設備在掘進過程中的糾偏調向需求（圖4）。

圖4 阿爾及利亞項目土壓盾構

4.1 盾構刀盤設計及應用

刀盤和刀具選擇的合理性直接影響到盾構掘進的速度和效果。刀盤結構必須具備足夠的強度和剛度，確保盾構在特殊地質條件下也能順利掘進施工。由于該項目為大直徑長距離掘進，刀盤設計需要具備足夠強度、剛度及耐磨性[1、4]。

本刀盤結構為8 主梁+8 副梁設計，刀具采用17 寸滾刀和重型刮刀分層布置，且滾刀能與可更換撕裂刀互換，以適應不同區間復合地層的刀具使用需求；刀盤正面覆蓋12mm 厚的耐磨復合鋼板，大圓環采用3 圈耐磨合金塊，大大增強了刀盤的耐磨性能。刀盤總體開口率為39%，中心開口率達到43%，并配置12 個渣土改良口，結合盾構單管單泵的泡沫改良系統設計，可有效進行渣土改良，增強渣土流動性，防止刀盤結泥餅。從現場施工情況來看，該刀盤設計對地層的適應性良好，在全盤可更換撕裂刀或者全盤滾刀的情況下，整體排渣較為順暢，刀具磨損正常。

4.2 刀盤驅動能力設計及應用

盾構推進過程中，刀盤驅動扭矩主要克服刀具掌子面的切削扭矩T1、刀盤前端面由于渣土摩擦產生的摩擦力矩T2、刀盤背面的摩擦力矩T3、刀盤大圓環的摩擦力矩T4、倉內的攪拌力矩T5、刀盤主軸承旋轉阻力矩T6、刀盤受推力荷載產生的反力矩T7 和密封裝置所產生的摩擦力矩T8[2]。綜合分析計算可得刀盤驅動配置如下。

盾構在實際掘進過程中，轉矩滿足使用要求，且具有較大的余量，在砂層和泥灰地層中掘進效果良好，這與理論計算一致，有效保證了盾構在海外掘進施工過程中的可靠性與安全性。圖5 為摘錄的部分區間施工過程中驅動扭矩使用情況，當刀盤轉速在1.8rpm 左右時，驅動扭矩平均在7 000kNm 左右，扭矩系數α在5～7 之間。

圖5 盾構實際掘進扭矩與α系數曲線圖

4.3 主動鉸接設計及應用分析

4.3.1R=180m曲線的主動鉸接設計

根據盾構相關技術理論，進行曲線段的隧道施工時，盾構施工的最小曲線半徑除了與盾構自身的幾何尺寸、通過曲線段的附加扭矩和超挖量等自身特性有關外，與鉸接系統的設計具有重大關系。在實際工作中還需要考慮主機的過度鉸接狀態，以確保設計余量，因此采用解析法建立相應的解析模型的過程十分繁瑣，在工程設計中常采用圖解法對主機在曲線中的轉彎情況進行直接分析，模擬結果如圖6 所示。

圖6 主機R=180m轉彎能力模擬圖

從上述模擬中可以看出，在隧道轉彎曲線內側不擴挖的情況下，盾體具備R=180m 的小半徑轉彎能力。轉彎時主機各關鍵信息如下。

從圖6 和上述數據結果中可以看出，該主動球面鉸接結構的盾構主機設計具有如下優點。

1）采用V 型球面主動鉸接結構時，盾構主機在小曲線半徑項目中具有很強的轉彎適應能力。

2）在推進過程中，推進油缸與尾盾始終通常保持平行關系，不存在推進油缸與尾盾干涉的問題，可以有效控制推進油缸與管片的相對位置，有利于尾盾實現良好的姿態控制。

3)在推進過程中，盾體結構與已拼裝管片的前端面通常成90°直角（某些情況會略大于90°），不會因推進偏心力過大而損壞管片[3、5]（圖7～圖8）。

圖7 盾體外側與管片位置關系

圖8 盾體內側與管片位置關系

4.3.2 V型球面主動鉸接結構實際應用

盾構在RABIA TAHAR STATION 車站穿越至SMAILYEFSAHSTATION 車站的過程中，在區間PK5km+868～PK6km+126通過長度為258m、轉彎半徑R=198.67m 的小曲線。根據TBM 數據報表顯示，在小曲線隧道掘進的過程中，左右側的鉸接油缸伸出行程分別為S1=325.3mm、S2=38.72mm，如圖9 所示，小于鉸接油缸設計的最大伸出量S=365mm，順利完成阿爾及爾機場地鐵R=198.67m 的小曲線段的隧道施工。

圖9 小曲線段施工時的鉸接油缸行程數值

5 結語

通過對阿爾及爾機場地鐵隧道項目盾構的設計和施工數據對比，有效驗證了該盾構設計的合理性，也進一步驗證了大直徑主動鉸接盾構在小曲線隧道施工中的可行性。

1）阿爾及利亞機場地鐵隧道穿越地層主要以砂層、泥灰地層為主，通過對該土壓平衡盾構刀盤的應用效果分析，進一步驗證了大開口率（尤其是中心大開口率）刀盤在黏性地層中的優勢[6]。

2）在小曲線轉彎半徑的隧道項目中，歐洲地區往往會采用“主動鉸接+被動鉸接”的雙鉸接結構的盾構設計來適應小曲線，但與主動鉸接設計的盾構相比，雙鉸接盾構的設計和制造成本較高。主動鉸接結構的盾體結構簡單，生產制造的成本低，在后續小曲線項目的盾構選型中可作為首選形式。

3）通過對阿爾及利亞機場地鐵項目的大直徑主動鉸接盾構在小曲線隧道應用的分析研究，旨在為后續類似項目設計和隧道施工的盾構選型提供一定的理論參考。