淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型(上)
摘 要：根據北京地區工程地質和水文條件，以及北京市地鐵施工的特點，提出適用于北京地區地鐵隧道施工用的盾構機型和盾構機基本配置的技術要求，同時還就盾構機扭矩、刀具形狀與布置及作用等技術關鍵點進行了討論。此外還提出，施工企業、國內重工業企業及科研單位三看聯合起來共同攻關，可以設計和制造出滿足北京地區地鐵隧道施工用的盾構機。
關鍵詞：北京地鐵 盾構機 造型 砂卵石 磨損
1 前言
為承接北京地鐵隧道施工任務，我集團公司于2002年10月參加了北京市地鐵五號線盾構法施工標段的投標，由筆者執筆編寫投標書中盾構機選型部分內容。在完成此任務的過程中，筆者對北京地區地質特征、盾構機機型及適應工程地質的特點等進行了思考，感到國內大型重工業企業如果深刻認識到北京地區地質的特點，在設計方面針對關鍵問題有正確的解決辦法，再加上精心制造，完全有能力設計和制造出滿足北京地區地鐵隧道施工用的盾構機。為此，筆者將北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型的有關資料進行整理，同時結合我集團公司購買北京市地鐵五號線施工用盾構機(外徑Φ6.14 m)時的一些基本考慮，勉湊一文，供國內同行參考，為促進我國盾構技術的發展貢獻一點微薄之力。
2 北京地區地質情況簡介及地鐵隧道結構形式
2.1 工程地質及水文條件
北京市地處永定河洪沖積扇的中上部，第四系松散土層及砂卵石層遍布全區，其地質沉積層的"相變"十分明顯，如西部單一的砂卵石層向東很快漸變成粘性土和粉細砂互層的多層狀態。在北京市采用盾構法進行隧道施工時，將碰到以下幾類極具北京地質特征的地層：
(1)粘性土及粉土層(粉質粘土、粘質粉土)。
(1)砂性土層(粉細砂、中細砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。
(3)砂卵石地層(一般粒徑3～5mm，西部5～15mm，最大層厚超過40m以上)。
(4)粘質粉土、砂質粉土、中細砂互層，中砂、粉質粘土、砂卵石互層。
北京市的地下水一般指上層滯水、潛水和淺層地下水，另有一類景觀、河期滲漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。
2.2 地鐵隧道結構形式
北京市地鐵隧道覆土厚度約為8～16m，埋深約為14～22m。一般考慮采用節能型車站，隧道線形既有平曲線又有豎曲線。地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。隧道結構可分為普通環和通用環兩種形式(圖1，圖2)。
普通環形式為常用的標準環+左轉、右轉環(楔形環)方式，在直線段使用標準環，曲線段采用楔形環。目前國內大部分城市地鐵隧道均采用此種普通環拼裝方式。
通用環形式是歐州常用的管片拼裝方式，該方式只有1種楔形環，通過其不同組合實現直線和曲線管片拼裝。
兩種結構形式管片均由6塊組成，本次北京市地鐵五號線盾構施工標段即采用通用環拼裝方式。
3 地鐵施工用盾構機選型基本原則
筆者經過對國際國內盾構施工技術的調查分析，針對北京市地鐵隧道盾構法施工，認為盾構機選型時應遵循以下幾項基本原則。
（1）盾構機技術水平先進可靠，并適當超前，符合我國國情
（2）所選盾構機應滿足北京市地鐵規劃各條隧道所穿越地層不同地質與水文條件的施工需要，特別是要滿足規劃在2008年前必須完成的隧道工程施工的需要。
（3）能夠滿足淺埋或超淺埋地鐵隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾構機對控制地表沉降配備足夠的功能和具有良好的操作性能。
（4）盾構機能夠適應北京市地下構筑物眾多的特點，必要時可實現隧道（盾構機）內清楚或撤換障礙物的施工。
（5）盾構機在設計方面應考慮北京市地鐵隧道施工需要多次拆卸、多次組裝和可能應用于多項隧道工程的實際特點。
4 盾構機選型考慮要素及注意點
4.1 工程地屬條件
(1)粘性土及粉土層
盾構機在此地層中施工時，一般較容易控制，但常會發生刀盤粘附導致增大阻力和螺旋輸送機的粘附堵塞，因而盾構機選型時應注重在刀盤形式、開口率、刀具、加泥位置等考慮解決方法。
(2)砂性土層盾構機在砂性土層施工比在粘土層施工稍為困難。砂性土一般摩擦阻力大，滲透性好，在盾構機推進擠壓下水分很快排出，土體強度提高，故不僅盾構機推進摩擦阻力大，而且開挖面土壓力也較大，常會導致盾構機刀盤扭矩和總推力不足。
另外，盾構機密封艙內刀具切削下來的砂土不易攪拌成均勻的塑流體，特別是在無水砂性土層中施工，有時甚至實現不了與開挖面土壓力保持動態平衡的需要，操作不當會出現開挖面上方的局部坍塌。再有，北京地區砂性土中石英含量較大，刀具磨損較嚴重，并伴有損壞盾尾密封系統的現象。因此盾構機選型時，應將設備的推力、刀盤的扭矩、形式、開口率，以及加泥加泡沫系統等內容作為重點統籌考慮。
(3)砂卵石地層
北京地區的砂卵石地層一般級配良好，含砂率在25％ ～40％之間．盾構機在此地層中施工遠比在砂性土層中施工困難：首先是盾構機密封艙內建立土壓平衡比較困難，甚至盾構機實現不了土壓平衡的功能；其次是大粒徑砂卵石不但切削或破碎困難，而且切削下來的碴土經螺旋輸送機向外排出也十分困難；再次是刀盤(刀具)和螺旋輸送機以及密封艙內壁磨損嚴重，而且盾構機掘進過程中產生的震動和噪音對周邊環境影響較大等等。因此盾構機選型 時，必須從如何解決上述三個問題出發，對刀盤支撐方式、刀盤形式，刀具形狀及布置方式，加泥加泡沫系統等方面認真研究，保證所選機型適應砂卵石地層的施工。
(4)粉質粘土、粘質粉土、中細砂互層
對于此類地層，盾構機施工比較容易．有時甚至不用加泥只需加水即能順利施工。
(5)中砂、粉質粘土、砂卵石互層
對于此類地層，盾構機施工比砂性土層困難，而遠比砂卵石層容易，所需注重問題與前三項類似，但因為幾類地質交互的原因，情況有較大變化。
4.2 工程水文條件
對于采用密閉式盾構機技術施工，除工作井施工需要考慮降水外，區間隧道盾構機施工時對地下水只需稍加注意即可(對于密封0.6MPa以下的水壓力，就目前盾構機技術水平已很容易)。對于城市特殊水，因其產生原因和作用于土體的狀況復雜多變，不易一概而論。有些情況其對地層土體物理力學性能的影響較大，如土體被特殊水長期浸泡變軟或由于管道滲漏其周圍土體不斷被水帶走后形成不規則空穴等等，給盾構施工沉降控制造成很大困難。因此盾構機選型肘對城市特殊水的影響需特別加以考慮。
4.3 曲線施工
根據城市地鐵的使用要求以及城市交通網的規劃，地鐵隧道必然存在曲線部分，而節能型車站通常為進站上坡出站下坡，也有坡度較大的豎曲線部分；另外地鐵隧道線形設計或施工時，常為避開既有構筑物，不得已改變線形，也會出現曲線。因此盾構機所裝備的功能，應滿足曲線推進的要求。設計在曲線段一般采用楔形管片，但為減少曲線施工對土層的干擾，筆者認為除采用楔形管片外，設計盾構機時還可以考慮采用油壓分區控制、實現千斤頂可自由編組；或采用仿形刀裝置、鉸接機構等功能綜合解決。
4.4 地下構筑物眾多
北京是一個擁有一千多萬人口的特大城市，地下修建了大量的構筑物，如上下水管道、煤氣、熱力、電力、通訊、人防工程等。北京又是一個古老的城市，除地下可能有大量文物外，舊繁華市區還可能存在一些年代久遠、損壞嚴重、存在嚴重滲滑的各種管道。而由于歷史的原因，北京市城市建設檔案管理相對滯后，很難弄清地下各種構筑物的分布狀況。工程勘測時，因鉆孔距離的局限，隧道沿線總存在勘測的空當，實際上還存在地鐵隧道上方地面現有大量房屋建筑，不能實施勘測。因此盾構法施工過程中，會遇到各種障礙物或異物，并且往往不具備從地面進行處理的條件，給盾構掘進施工帶來意想不到的困難。盾構機選型時，應考慮北京地下構筑物眾多的現實，提出相應的解決辦法。
4.5 淺覆土及隧道穿越建筑物下方
隧道穿越建筑物下方，特別是舊有民房(穿越其它現存構筑物兩者距離過近的情況也可劃歸此類)，是城市隧道采用盾構法施工的首選原因；另由于種種原因，地鐵隧道總會有局部埋深不大，隧道覆土較淺的地段，故盾構機在上述條件下施工不可避免。對此稍作分析即可知道，這兩種情況下盾構法施工所需要考慮的問題都是如何控制土體(地面)沉降或變形，避免引起地面建筑物下沉、傾斜、開裂或者避免造成相鄰構筑物損壞。根據盾構法施工經驗．如果施工控制不好，確實會引起隧道前方或周邊土體產生較大沉降與變形，造成地面房屋開裂或嚴重干擾相鄰構筑物。因而盾構機選型時，將盾構機配備控制土體沉降與變形的功能以及具有操作簡便、靈巧等性能作為重點考察內容。
4.6 同一臺盾構機多次解體、搬運、組裝調試與掘進
根據北京地區地質條件，盾構機的使用壽命一般可達6km甚至10km以上，而盾構法隧道工程標段劃分不會過大，估計在兩個區間左右，即單線長度不大于4km，低于盾構機的使用壽命。筆者認為應考慮我國國情，盡可能增加盾構機用于工程施工的長度。故所選盾構機在確保適應北京各類地層施工的前提下，須充分考慮盾構機分塊的合理性，既要保證盾構機的整體質量，又要滿足便于組裝、解體和搬運的要求。
5 盾構機機型選擇
5.1盾構機技術發展簡要回顧
盾構機問世近180年，但得到迅速發展是在20世紀60年代以后。縱覽當今世界各國，盾構機綜合技術水平首推日本(截至2002年10月，生產盾構機及TBM近8500臺)和歐洲(截至2002年10月，生產盾構機及TBM近500臺)最高。盾構機由初期的手掘式發展到半機械式、全機械式，以及近30多年來高速發展的泥水式平衡盾構機和加泥式土壓平衡盾構機等。現代盾構機已在自動控制、激光導向、液壓傳動、開挖面壓力控制、壁后同步注漿、盾尾密封、管片拼裝、計算機數據采集等方面得到很大發展。進入20世紀80年代后期，世界上又開發出既可用于軟土地層又可用于巖石圍巖的復合式盾構機；開發出可轉任意角度的復合子母式盾構機。另外，盾構法隧道成型斷面除圓形之外，多圓形、橢圓形、矩形及多室矩形也在實際工程中得到應用。當今世界盾構機的技術水平已發展到相當高的階段。對于北京地區的地質條件．以及地鐵隧道工程所穿越的區域，采用泥水式平衡盾構機和加泥式土壓平衡盾構機均能滿足隧道施工的需要。
5.2 盾構機機型的確定
正如5.1節所述，采用當今技術水平最高的泥水式平衡盾構機和加泥式土壓平衡盾構機，均能滿足北京市地鐵隧道的施工，但究竟采用那一種機型技術經濟更合理，必須從盾構機的工作原理、適用地質領域的寬窄、經濟指標以及對環境的影響等綜合均衡比較之后，才能得出正確的決策。
泥水式平衡盾構機的工作原理是通過向密封艙內加入泥水(漿)來平衡開挖面的水、土壓力，其開挖面的平衡穩定性及控制地面沉降性能較好，盾構機內部空間較大，特別是大直徑隧道施工具有一定技術優勢，但施工棄土需進行泥水分離處理。該設備系統龐大，占地面積多，且價格昂貴。
加泥式土壓平衡盾構機的工作原理則是向密封艙內加入塑流化改性材料，與開挖面切削下來的土體經過充分攪拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流體，同時通過伺服控制盾構機推進千斤頂速度與螺旋輸送機向外排土的速度相匹配，經艙內塑流體向開挖面傳遞設定的平衡壓力，實現盾構機始終在保持動態平衡的條件下連續向前推進。由于加泥式土壓平衡盾構機可以根據不同地層的地質條件，設計和配制出與之相適應的塑流化改性劑(如泡沫等)，極大地拓寬了該類機型的施工領域，特別是在砂卵石地層中施工優勢最為明顯。故近年來該機成為盾構機應用的主流機型，在隧道工程中得到廣泛應用。
日本土木學會1997年修訂《隧道標準規范(盾構篇)及解釋》時，專門在日本全國境內對盾構機機型、使用地質條件以及工程應用數量等作了較全面的調查。調查結果如圖3～5所示。
由圖3·圖5可見，加泥式土壓平衡盾構機應用的臺數最多，工程項目應用的數量最大，適應不同地質條件(粘性土、砂性土、砂礫石甚至軟巖)的能力最強，特別是在砂礫地層(最大粒徑超過5mmm)中的應用占絕對優勢。
為進一步分析判斷，筆者對國內各大城市地鐵工程應用盾構機的機型也進行了調查，結果如表1所示。
由表1可清楚地看出，無論南方還是北方，國內地鐵隧道工程使用的盾構機型均以加泥式土壓平衡盾構機型（含復合式）為主。盡管應用的地域或范圍較廣泛，地質條件相差較大，但據調查，該類機型均能較好地適應和順利地完成地鐵隧道的施工。可見，國內地鐵工程盾構機的應用實踐，也證明了加泥式土壓平衡盾構機具有良好的適應性。筆者進一步對泥水式平衡盾構機和加泥式土壓平衡盾構機的主要特性進行了比較，其內容與結果詳見表2。
根據國外與國內盾構機實際應用現狀和兩種機型技術特性的比較結果，筆者認為，對于北京市地鐵隧道盾構法施工，加泥式土壓平衡盾構機的技術經濟比較合理，選型時宜優先考慮。
文章出處:《現代隧道技術》
原作者:樂貴平(北京市政集團)
