淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型(中)
6 加泥式土壓平衡盾構機的基本技術（配置）
前節已詳細闡明了采用加泥式土壓平衡盾構機技術經濟的合理性，下面針對北京市地鐵隧道工程，筆者試提出盾構機的基本技術(配置)選擇和要求。
6.1盾構機刀盤形式
盾構機刀盤形式按照工程地質條件和施工控制要求，大致可分為面板式和輻條式(復合式刀盤由這兩種形式派生而出)刀盤兩種形式。針對北京的地質條件以及目前地鐵隧道埋深不超過25 m的情況，采用什么形式的刀盤將直接影響盾構機的掘進效果，而且造價相差約為盾構機造價的4％～8％。因此筆者對兩種型式的刀盤特性進行了比較。比較結果表明，采用輻條式刀盤既能滿足工程施工需要，保證有較好的掘進性能，又能節省設備投資(比較結果詳見表3)。
6.2構機刀盤驅動方式
刀盤驅動方式是盾構機的重要組成部分，其承擔驅動刀盤旋轉切削開挖面土體攪拌密封艙內土體的任務。刀盤驅動系統也是盾構機內務系統中消耗功率較大的設備之一。過去為了保證刀盤旋轉切削土體的能力和效果，盾構機刀盤驅動方式多設計為液壓驅動。但隨著變頻電機技術的不斷發展，逐漸在盾構機的設計中被采用，而且由于其具有明顯的技術優勢，同時價格也在逐年下降，應用于盾構機呈不斷擴大的趨勢。筆者從盾構機刀盤驅動效串的高低，后續配備設備的多少，設備維護、保養的難易以及作業人員工作環境的優劣等方面綜合考慮，認為北京地區隧道施工用盾構機，其刀盤的驅動方式以采用變頻電機驅動方式為好。盾構機刀盤驅動方式特性比較見表4。
6.3盾構機刀盤支撐方式
盾構機刀盤支撐方式如圖6所示，一般有中心支撐，中間支撐和周邊支撐三種方式。采用何種方式，主要依據盾構機的直徑和工程的地質條件。中心支撐方式主要用于中小直徑(直徑≤φ7.5m以下)的盾構機，其對地質條件的適應性較好．中間支撐方式則主要用于中大直徑(直徑在Φ4.5～φ17.4m之間，有工程實績)的盾構機，當直徑不太大、地質條件為粘性土時，刀盤采用中間支撐方式易在支撐的中心部分粘附，并逐漸擴大形成俗稱"泥餅"的現象，造成出土不暢與盾構機的阻力增大。因北京市有大量的粘土層，若盾構機刀盤采用中間支撐方式，需對此給予充分注意和采取有效對策。周邊支撐方式則比較靈活，即可用于小直徑盾構機，也可用于大直徑盾構機，但也同樣存在刀盤支撐位置處易于粘附的問題，需要采取相應的解決措施。上述三種盾構機刀盤支撐方式中，前兩種目前在盾構機中廣泛應用，后一種使用尚不多。故筆者僅對中心支撐方式與中間支撐方式進行比較。
根據筆者盾構法隧道的施工經驗，以及查閱有關技術資料和與盾構機制造商進行專題研討，對于外徑為46.50 m左右的盾構機，單就刀盤支撐結構的強度(含剛度)而言，盾構機刀盤采用中心支撐方式或中間支撐方式均能滿足北京地區隧道施工要。但是針對北京地鐵隧道的規劃線路和可能碰到的地質條件，這兩種支撐方式對盾構機密封艙內切削土體的攪拌狀態(反映切削土體在密封艙內的流動特性與平衡土壓力的控制效果)、刀盤密封性能(反映主軸的使用壽命)等方面有較大的差異，若處理不當，會對盾構機的使用造成不利影響。筆者結合北京市地質情況，對前述兩個方面進行了比較。
6 .3.1 盾構機密封艙內切削土體攪拌狀態
(1) 中間支撐方式
如圖7所示，由于中心支座的存在，將盾構機密封艙分隔成兩個區域，中心區域直徑約為3.5m，占密封艙內相當大的空間。當刀盤旋轉切削土體時，支座中心區域以外部分的土體流動順暢，易于攪拌；中心區域內的土體流動較差，當切削土體粘性較大或者所加泥漿攪拌不良并長期積聚于中心區域時，中心區域土體逐漸增多最終形成"泥餅"，完全喪失流動性。內外兩個區域的土體流動性差異較大，土體攪拌混合的效果難以確保。綜上所述，刀盤采用中間支撐方式的盾構機在粘性土(包括粉細砂)中施工時，若處理不好，密封艙內切削土體攪拌效果不易滿足要求，并可能會因粘附堵塞形成"泥餅"，造成出土不暢、阻力增大、開挖面土壓控制不穩定。因而，盾構機掘進效果受到影響，且對控制地面沉降不利。
(2) 中心支撐方式
如圖8所示，盾構機刀盤旋轉切削土體時，密封艙內土體的流動空間和被直接攪拌的范圍大，土體流動順暢，土體攪拌混合效果良好，引起堵塞的可能性較小，開挖面土壓控制穩定。因而，盾構機掘進效果較好，改善了盾構機控制地面沉降的性能。
6.3.2 盾構機刀盤密封性能
盾構機向前掘進時，其刀盤一方面旋轉切削土體．一方面隨著盾構機向前方頂進。中心支撐主軸和中間支撐主軸轉動圈外周是不同的，即在相同轉速下，密封材料所密封的長度不同。因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘進長度以及相同掘進速度的條件下，對密封系統的磨耗完全不同(詳見圖9)。按照盾構機刀盤的轉速和盾構機推進速度的計算公式，可以求出兩者差異。計算公式如下：
(5)式表明，中心支撐的主軸轉動圈外周長度僅為中間支撐的0.3倍，因此就密封系統的使用壽命而言，盾構機刀盤采用中心支撐比采用中間支撐有利。
根據比較與分析結果，從①盾構機密封艙內的土體的攪拌效果，確保在粘土、砂、砂卵石地層中推進均不易發生粘附堵塞；②開挖面平衡土壓控制穩定，地面沉降控制效果良好；③可延長盾構機的使用壽命，降低工程造價等方面綜合考慮，筆者認為盾構機刀盤支撐方式采用中心支撐方式優于中間支撐方式。
6.4 加泥及加泡沫系統
加泥系統是加泥式土壓平衡盾構機的基本配置。正是采用該系統，對于不同地質的條件，通過添加塑流化改性材料，改善盾構機密封艙內切削土體的塑流性，既可實現平衡開挖面水、土壓力又能向外順暢排土，大大拓寬了盾構機的適應范圍。北京市東邊大部分地區應用盾構法施工時，僅采用加泥系統就可滿足隧道施工的要求。
由于北京市地鐵規劃所穿越地層有大量的砂土及砂卵石地層，而且不少地區地下水位較低，甚至隧道穿越無水砂卵石地層，根據筆者的經驗，盾構機在這種地質環境中掘進時，僅考慮采用加泥措施來改善切削土體流動性往往效果不佳，密封艙內切削土體寓析嚴重，盾構機經常堵塞不能正常掘進，而且加泥量過大掘進效率降低，施工費用增加。為適應前述地質環境的施工，可在加泥的基礎上增加泡沫系統。利用加入泡沫改善土體粒狀構造，吸附在土體顆粒之間的氣泡可以減少土體顆粒的摩擦，增加切削土體的粘聚力，同時降低土體滲透性，達到既能平衡開挖面土壓又能連續向外順暢排土的目的。我集團公司在北京市無水砂卵石地層施工時，根據地質的變化，加泥或加泡沫或同時加入泥漿和泡沫的混合液，施工效果良好。
6.5螺旋輸送機
螺旋輸送機是加泥式土壓平衡盾構機的重要組成部分，主要有以下三個功能：
(1) 將盾構機密封艙內開挖出來的土體向外連續排出。
(2) 切削土體在螺旋輸送機內向外排出過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分散失，保持密封艙內土壓穩定。
(3) 將盾構機密封艙內土壓值的高低，自動(也可手動)與設定土壓值比較，隨時調整向外排土速度，控制盾構機密封艙內實現連續的動態土壓平衡過程，確保盾構機連續正常向前掘進。
根據螺旋輸送機的構造不同，可分為有中心軸的螺旋桿式螺旋輸送機和無中心軸的帶式螺旋輸送機。比較國內外盾構法施工的業績，可認為前者適用于一般性土、砂運輸，后者適用于較大顆粒的砂卵石和塊石的運輸。雖然目前國內在盾構機用帶式螺旋運輸機的加工制造方面經驗不多、技術尚不成熟，但國外已經大量采用，有相當豐富的設計和施工經驗。對于北京市地鐵隧道施工，必然要遇到砂土層和砂卵石地層，同時還可能遇到少量的大顆粒卵石或漂石，為盡可能增加盾構機最大排出卵石(礫石) 的能力，宜采用帶式螺旋運輸機。
6.6 皮帶運輸機
皮帶運輸機與螺旋箱送機相接，盾構機密封艙內切削土體由螺旋輸送機向外排出后，經皮帶運輸機輸送到出碴斗車，再運往工作豎井外。盾構機設計時，皮帶運輸機一方面向外運土，另一方面兼作吊運管片的承重結構。因此，皮帶運輸機的長度要根據水平出土運輸的施工組織而定，地鐵施工用皮帶運輸機的長度一般為40m左右；另外，皮帶運輸機的托架必須滿足吊運5000kg的要求。
6.7 壁后同步注漿系統
隨著盾構機技術的不斷應用和發展，廣大工程技術人員逐漸深刻地認識到壁后注漿技術在盾構法隧道施工中的重要作用，若進行歸納，可以指出有以下幾個作用：
(1)同步填充盾構機向前推進過程中管片逐漸脫出盾尾所產生的間隙(簡稱盾尾間隙，一般在60～100mm之間)。
(2)改善管片結構防水和抗滲性能。
(3)促進隧道管片結構及早穩定。
(4)限制隧道結構蛇行。
壁后同步注漿最重要的作用是第一項，盾構法隧道施工中能否及時填充盾尾間隙，是控制土體沉降的關鍵。針對北京市地質條件、地鐵隧道的埋深和隧道穿越地區地面建筑物的狀況，筆者認為，盾構機同步注漿系統應具備單(包括惰性)、雙液注漿的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，確保地面建筑物的安全。當隧道覆土深度不大、地面建筑物結構性差、沉降控制要求嚴格、以及隧道穿越地層地質不良、穩定性差時，必須采用壁后同步雙液注漿。所注入漿液不僅要求能夠同步及時填滿整個盾尾間隙，而且要求漿液迅速固結達到設計強度，滿足抵抗土體變形下沉的需要；當施工環境條件與前相反時，則可采用壁后同步單液(包括惰性)注漿，也能達到及時飽滿填充盾尾間隙的要求和控制沉降的目的，這樣做，技術經濟上比較合理。
6.8 盾尾密封系統
盾構機盾尾密封系統是盾構機正常掘進的關鍵系統之一。追溯盾構機的應用實踐，盾構法隧道施工所發生的安全事故常常不在盾構機頭而在盾尾。盾構機盾尾密封一般有剛性密封和柔性密封。由于剛性密封對管片生產和管片拼裝質量要求較高，逐漸被柔性密封取代。對于北京地區的具體情況，盾構機采用內注密封油脂式鋼絲刷柔性密封系統即可滿足隧道施工要求。鋼絲刷密封系統柔度適中，適應性強，對管片及管片拼裝質量要求一般。盾構機掘進時，向盾尾連續注入優質盾尾密封油脂，可保證在0.5MPa的壓力下，盾尾不會出現滲漏水和滲漏泥漿。
6.9 管片正圓器
在直徑大于5 m以上的盾構法隧道中，拼裝完好的管片在脫出盾尾后會產生下沉變形，影響管片最終拼裝質量。由于北京地區隧道施工要求較高，為保證管片在脫出盾尾后的最終拼裝質量，建議采用管片正圓器對管片變形進行矯正和限制。根據筆者經驗，上下支撐式管片正圓器正圓效果較好，其示意見圖10。
6.10 數據采集系統與監控管理系統
為提高盾構機施工技術水平，國外已開發出性能優越的管理軟件，其中盾構機挖掘數據管理軟件是應用最廣泛的軟件系統。采用此系統，可輸出周報、日報、環報以及掘進100 mm為單位的挖掘管理數據；有各種參數設定、測量、掘進、報警以及歷史曲線和動態曲線等施工應用畫面；所有采集數據均能保存下來，供日后分析和判斷。
6.11 全自動監測與導向系統
隨時掌握與分析盾構機在掘進過程的各種參數，是現代盾構機技術的一個主要部分，也是指導盾構機實現正常、順利掘進不可缺少的條件。如6.10節所述，先進的盾構機推進技術數據采集系統與監控管理系統是目前盾構機的基本配置。為更好地把握盾構機推進的各種狀態，筆者注意到日本最新開發出的盾構機全自動監測與導向新技術。這一套配有高精度陀螺儀的全自動監測與導向系統擁有以下功能：
(1)自動監削掘進過程中盾構機的各種狀態，包括盾構機的傾斜、轉動、方位及位置。
(2)將(1)項中監測數據全部收集、顯示、打印與保存。
(3)自動監測結果可隨時與事先輔入的數據，如隧道設計軸線進行比較。
(4)自動監測結果可以和盾構機的其他推進技術參數同屏顯示。
若采用這套全自動監測系統，無論是具體的操作人員還是工程管理技術人員都能在各自的位置上隨時掌握盾構機掘進的各種狀態，可以與事前輸入的隧道軸線相比較，也可以隨時對有關參數進行調整。經詢價，該系統價格不高，因而我集團公司在購買φ6.14m盾構機時，引進了這套系統，使我集團公司的盾構機在操作性能和控制技術得到大大提高。
6.12 盾尾間隙自動測量系統
按照目前盾構機盾尾密封結構的設計思想，盾構機一般均存在盾尾間隙。間隙的大小則根據盾構法隧道曲線段施工曲率半徑的大小、管片安裝所需空間以及管片安裝不當出現蛇行(此項目與施工隊伍的施工技術水平有關)等因素來確定。為盡可能排除或減少盾構機掘進過程中盾尾間隙處出現管片外周與盾殼內側相互擠壓，降低推進阻力，進一步提高管片拼裝質量，筆者建議為盾構機增加一項盾尾間隙自動測量系統，其價格不貴但使用效果較好。采用盾尾間隙自動測量系統，在施工中可自動連續測量盾尾間隙的大小，適時判斷管片與盾尾之間的相對位置，并與其他盾構機推進技術參數結合，達到綜合控制盾構機姿態的目的。盾尾間隙自動測量示意見圖1l。
6.13 球面壓力傳感器
控制開挖面土壓平衡的土壓計，是盾構機實現土壓平衡控制的關鍵元件之一，其精度一般較高。但在砂卵石地層中施工時，粒徑較大的砂卵石，頻繁撞擊土壓計，對土壓計的質量要求很高。為防止土壓計失效，筆者建議將其設計為球面壓力傳感器，施工中萬一出現損壞，可以在機內進行壓力計的更換。球面壓力傳感器更換示意見圖12。
文章出處：《現代隧道技術》
樂貴平 (北京市政集團)
