砂卵石地層中盾構設備的選型研究

郭善超

(北京市水務建設管理事務中心,北京 100036)

隨著我國市政交通等基礎設施建設的快速發展,盾構法因具有掘進速度快、對周邊環境影響小、施工安全性好及機械化程度高等優點,在復雜環境的城市隧道建設中得到了廣泛應用[1]。盾構法施工是廣泛應用于城市地鐵、鐵路隧道等隧道工程及地下工程的現代環保施工技術,施工中盾構設備要面對不同的地層條件,因此盾構機機型選擇正確與否將是盾構隧道工程施工成敗的關鍵[2]。自南水北調中線工程通水運行后,為充分利用南水北調來水,北京市規劃建設了調蓄工程、輸水工程等市內配套工程,其中部分輸水工程項目采用了盾構法施工。本文以北京市南水北調配套工程河西支線工程為例,對工程所在地砂卵石地層適用的盾構設備進行選型分析,以期為今后相似工程地質條件下盾構設備的選型提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程內容

河西支線工程是北京市南水北調配套工程中輸水支線工程之一,承擔著為北京豐臺長辛店地區和門頭溝新城的供水任務,為豐臺河西第三水廠、首鋼水廠、門城水廠供水,為豐臺河西第一水廠、城子水廠及石景山水廠提供備用水源,設計規模10m3/s,自大寧調蓄水庫取水,管線終點為三家店調節池,總長18.8km,采用1根DN2600管道。其中,約14km的非開挖段管道采用盾構隧洞內襯鋼管法施工,盾構管片壁厚0.3m,內徑3.2m,內襯DN2600管道。

1.2 地質條件

工程位于門頭溝、石景山、豐臺3區,工程沿線從南向北依次穿越大清河水系、永定河水系及北運河水系。場區地下水水位埋深一般大于20m,僅在大寧庫區段地下水位埋深小于10m,水位在48m左右,含水層以砂卵礫石為主。場區屬沖洪積扇中上部,第四系全新統地層以單一的卵石結構為主,局部地段夾有砂層,其頂部覆蓋薄層黏性土,永定河沿線存在大量因采砂石形成的回填坑。在三家店閘右岸出露有侏羅系下統窯坡組(J1y)暗色含礫粗砂巖、粉砂巖,在京原鐵路與永定河河道相交處河道右岸出露有薊縣系霧迷山組(Jxw)灰色、淺灰色厚層狀燧石條帶白云巖,在大寧調蓄水庫西側出露有第三系始新統長辛店(E2c)組泥巖、砂巖和礫巖[3]。

本文選取的盾構區間位于永定河故道河道、現狀河道右堤內綠化帶,管底高程68～74m,管底埋深22～28m,主要為卵石單一結構。地下水埋深較大,勘察期間未揭露地下水,盾構管線位于地下水位之上,不受地下水影響。盾構段地質剖面的具體情況見圖1。

圖1 盾構段地質剖面圖

經該盾構區間段地質勘探情況統計,卵石②層卵石粒徑以40～120mm為主,局部含漂石及孤石,卵石③層以20～140mm為主,局部含漂石及孤石,勘探的最大卵石粒徑達2m,級配不良。盾構管道主要置于卵石③層上,地基承載力標準值為380kPa,變形模量為40MPa,抗滑穩定計算混凝土與混凝土摩擦系數為0.52,具體地層相關特征及參數情況見表1。

表1 盾構地層主要情況

1.3 工程難點

盾構區間段主要穿越卵石③地層,由于卵石層中卵石粒徑大小不一,且不均勻分布有漂石,在掘進過程中將對刀盤扭矩和刀具磨損程度產生較大影響,所以盾構設備的刀盤形式和刀具要具有抗沖擊和抗耐磨性。另外,因為洞頂覆蓋層主要為砂及卵石層,局部不排除填土層,顆粒間結構性較弱,圍巖洞室自穩能力差,對控制地表沉降提出了較高要求。

2 盾構機類型選擇

盾構機類型選擇的優劣將對盾構掘進的順利施工產生最直接的作用,不同的地質條件、工程進度計劃、環境以及成本等因素都會對盾構設備的選型產生關鍵影響。由于盾構隧道的特性,盾構機選型是工程能否順利完工的關鍵,必須結合工程相關特點,選擇具有安全性、可靠性、技術先進性和經濟適用的盾構機[4]。盾構機從適用條件上主要分為開放式和封閉式兩種,另外從盾構設備工作機理上封閉式盾構機又可分為土壓平衡式和泥水平衡式。盾構機選型時先要看該盾構機是否有利于開挖面的穩定,其次才考慮環境、工期、造價等限制因素,同時還必須將宜用的輔助工法也加以考慮,只有這樣才能選擇出一種較為合適的盾構機[5]。其中開放式盾構機主要適用于自穩能力較好,受到水壓力、土壓力影響較小的地層中;封閉式盾構機適用于地質條件復雜、易坍塌、自穩能力較差的地層中,使盾構機在掘進過程中起到支撐和承受周圍水土壓力的作用。

根據本工程地質條件特征,盾構區間隧道上覆土層主要為卵石及填土層地層,自穩能力差,因此選用較適宜的封閉式盾構機。土壓平衡式盾構機受地下水影響較大,由于本區域地下水埋深較大,勘察期間未揭露地下水,盾構管線位于地下水位之上,不存在地下水影響,因此土壓平衡式盾構機可供選擇。

在進一步選取土壓平衡式盾構機或者泥水平衡式盾構機時,對上述兩種盾構機的工作機理、地層適應性、占地規模、成本、使用效率等進行分析。分析結果表明,土壓平衡式盾構機更適宜本項目施工,具體見表2。

表2 土壓平衡式盾構機和泥水平衡式盾構機比較

3 盾構機關鍵部位選型

3.1 開挖設備

3.1.1 刀盤

刀盤作為盾構機的關鍵部件,在選取刀盤形式、刀盤開口率時應充分結合地層條件、作業面的穩定程度和掘進效率等因素。由于本盾構區間主要穿越砂卵石地層,刀槽開口率及寬度要能適應砂卵石地層,并保證掌子面渣土順利進入土倉,有一定耐磨性能滿足長距離掘進施工,刀盤的開挖直徑要大于盾體直徑。因此,選擇輻條式耐磨刀盤、配備6根輻條臂,周邊設置刀盤大圓環保護前盾盾殼,刀盤開口率為60%。根據地層地質條件在刀盤處設置泡沫或膨潤土的注入口,對開挖土體進行相關改良。刀盤整體設計樣式見圖2。

圖2 輻條式刀盤整體設計樣式示意圖

3.1.2 刀具

在以砂卵石為主的地層中盾構掘進,對于刀具的選擇和數量分配也是非常重要的一個環節。刀具的布置和使用直接影響盾構機刀盤的使用壽命、切削效果和掘進效率等。針對地層中卵石含量高、粒徑大的特點,選用先行刀、切削刀、中心刀、滾刀、仿形刀相結合的刀具。先行刀用于先行切削和疏松土體并提高切刀的切削效率,切削刀用于開挖面大部分斷面的開挖,中心刀用于中心斷面的開挖和改善中心部位土體的切削、攪拌效果,滾刀可用于破碎較大粒徑的卵石、礫石,仿形刀布置在刀盤邊緣用于曲線開挖和糾偏[7]。具體刀具類型及數量的配備見表3。

3.2 驅動和推進系統

3.2.1 刀盤扭矩的計算

盾構機的驅動系統采取驅動馬達作為動力,共設置10臺,設計扭矩為2930kN·m。為了實現驅動系統的準確選型,需要對盾構機挖掘扭矩進行計算[8]。

3.2.1.1 挖掘扭矩T的計算

土壓平衡盾構的挖掘扭矩T:

T=T1+T2+T3+T4+T5+T6

a.切削泥土的負荷扭矩T1:

T1=nHaRm=60×23×0.99=1.37kN·m

其中:刀頭數量n=KD/(2Bo)=3×3.96÷(2×0.1)=60;(K為切削次數;D為刀盤切削外徑;Bo為切削刀寬度)

切削刀抗阻力Ha=1.8EsBot2×10-0.56α=1.8×0.4×10×2.12×10-0.56×0.262=23N(Es為荷載系數,取0.4N/cm3;t為切銷量,取2.1cm;α為前傾角,取0.262);

刀頭平均半徑Rm=D/4=0.99m。

b.泥土和刀盤間的負荷扭矩T2:

其中:泥、板之間的摩擦系數μ1=0.3;刀盤開口率(%)As=60%;刀盤外徑Dc=3.93m;Ls=0.33m。

其中,地下水至軸頂高Hw=20m;

c.機械摩擦負荷扭矩T3(徑向):

其中:軸承徑向滾靜摩擦系數μ2=0.001;轉動裝置W1=300kN;軸承徑向滾安裝直徑Dd=2.97m。

d.機械摩擦負荷扭矩T4(軸向):

其中:軸承推力滾的靜摩擦系數μ3=0.001;刀盤切削外徑D=3.96m;軸承推力滾筒直徑Dt=2.9m。

e.表面密封負荷扭矩T5:

其中:密封壓力Ps=1kN;表面密封安裝直徑Dsi=3.239m(共8面);表面密封與鋼板間的靜摩擦系數μ4=0.2。

f.中間梁負荷扭矩T6:

其中:刀盤外徑Dc=3.93m;K1=0.45;K2=0.3;Gc=1.6t/m3;中間梁安裝直徑R=2.46m;中間梁投射面積A=0.12m2;中間梁數量n=6。

由上述可得,刀盤工作挖掘扭矩:

T=T1+T2+T3+T4+T5+T6=1.37+378+0.45+1.95+26.4+37.1=445kN·m。

由于盾構機的設計扭矩T0=3930kN·m,安全系數為8.8。

3.2.1.2 基于經驗公式的刀盤扭矩校核

刀盤扭矩校核經驗公式為

T=αD3

式中:扭矩系數α取值范圍為12～24[9]。

當α=12(最小值)時,T=αD3=12×3.933=728kN·m;

當α=24(最大值)時,T=αD3=24×3.933=1456kN·m。

盾構機的設計扭矩T0=3930kN·m>1456kN·m,滿足要求。

3.2.2 推力的計算

總推力計算經驗公式為

其中:單位面積推力Fj=1000～1300kN/m2,取最大值。

在計算總推力時,單位面積推力按最大值進行計算,并使選取的盾構推進系統要能最大限度滿足推力需求。本盾構區間采用14個推進油缸,最大推力達到16800kN>15762kN,滿足需求。

3.3 排土設備

根據螺旋輸送機的構造不同,可分為有中心軸的螺旋桿式輸送機和無中心軸的帶式螺旋輸送機兩種,為盡可能增加盾構機最大排出卵石(礫石)的能力,宜采用帶式螺旋輸送機[10],掘進效率相比其他型式輸送機將會有所提高。為了能使從工作面開挖出的渣土連續順利地排出,在螺旋輸送機上配備轉速可調節的液壓驅動裝置,并在外護筒安裝壓力監控設施對壓力變化情況進行實時監測。螺旋筒體和葉片之間的距離必須滿足石塊(混凝土塊)的正常排出要求,本盾構機外徑為3930mm,配備的葉片直徑為700mm,最大可通過尺寸為650mm×500mm的石塊。螺旋機輸送能力為120m3/h,并設計有泡沫、膨潤土等注入口。為滿足排土的需求,在螺旋輸送機尾端位置安裝液壓油缸進行排渣閘門的啟閉,同時為了滿足耐磨的需求,在筒體內側采用焊接耐磨鋼板。當螺旋輸送機螺桿發生大量磨損無法繼續工作時,可從螺旋機前端筒體與中段筒體連接法蘭處斷開螺旋機筒體,將螺旋機本體拆出后更換螺桿。螺旋輸送機見圖3。

圖3 螺旋輸送機示意圖

3.4 土體改良設備

本工程盾構區間位于卵石③地層,卵石粒徑較大(以20～140mm為主),夾漂石、孤石較多,勘探可見最大粒徑達2m,級配不良。渣土改良系統在砂卵石地層中可減少刀具磨損,保證開挖面穩定,減少盾構機負荷,提高掘進效率[11]。因此,對開挖土體的流塑性改良措施一般通過裝備的泡沫注入設備和膨潤土注入設備實施。泡沫注入設備包括發泡原液箱、原液輸送泵、原液與水混合溶液箱、溶液輸送泵及發泡產生器,并通過盾構機刀盤和土倉的泡沫注入口向開挖工作面注入泡沫,提高開挖土體流動和止水性,并保持開挖面的相對穩定。膨潤土注入設備由膨潤土泵、膨潤土罐以及配套控制系統組成,通過自由調節注入量,將膨潤土注入到開挖工作面的土體中,提高土體的流動性和止水性。特別是在砂卵石層中,通過加入膨潤土的方式對土體進行改良可取得明顯效果。

3.5 同步注漿設備

采用盾構法進行輸水隧洞工程的施工,一般需要進行包括同步注漿、二次注漿、多次補漿及徑向注漿在內的壁后注漿工作。通常在盾構正常掘進的同時,在管片和地層之間會產生一定的間隙和松散土體,會對盾構機姿態、管片拼裝、隧洞止水甚至地表沉降造成影響。尤其在砂卵石地層中,當盾構穿越時,由于刀盤的擾動和振動,造成空隙率較大的卵石層框架體系破壞,卵石變得密實,上方形成空洞,最后隨時間推移影響到地表[12]。因此,要將快速填充空隙和固結管片的能力作為同步注漿設備的首要考量因素,選取外置式2口注入形式的壁后雙液同步注漿系統,并同時裝配管路清洗裝置,對注漿后管片及時進行清洗,可以減小地面沉降,滿足施工相關需求。在選擇注漿設備時還應考慮泵送作業的持續性,具有可根據各種不同速率進行量配、拌和及泵送漿液的能力。拌和機要具備足夠的容量,以配合注漿作業的需要。在壓力注漿管路的承壓方面,還需使管路能承受最大的水壓及注漿壓力。

4 結 論

在砂卵石地層中進行盾構法施工,對于盾構設備的選型要在滿足地層適應性的基礎上,進行工程的安全性、經濟性、質量進度和環境影響等方面的綜合分析。在刀盤刀具、驅動設備和推進設備的選型時要對刀盤扭矩、推力等相關參數進行計算,以保證盾構設備的正常掘進能力。選用良好的排土設備、土體改良設備和同步注漿設備可以進一步提高開挖和輸送土體的效率,并起到保持開挖面穩定、減小地面沉降的作用,對此應予以足夠的重視。