浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型

浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型作者：北京市政集团：乐贵平摘要：根据北京地区工程地质和水文条件，以及北京市地铁施工的特点，提出适用于北京地区地铁隧道施工用的盾构机型和盾构机基本配置的技术要求，同时还就盾构机扭矩、刀具形状与布置及作用等技术关键点进行了讨论。此外还提出，施工企业、国内重工业企业及科研单位三看联合起来共同攻关，可以设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。关键词：北京地铁盾构机造型砂卵石磨损1前言为承接北京地铁隧道施工任务，我集团公司于2002年10月参加了北京市地铁五号线盾构法施工标段的投标，由笔者执笔编写投标书中盾构机选型部分内容。在完成此任务的过程中，笔者对北京地区地质特征、盾构机机型及适应工程地质的特点等进行了思考，感到国内大型重工业企业如果深刻认识到北京地区地质的特点，在设计方面针对关键问题有正确的解决办法，再加上精心制造，完全有能力设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。为此，笔者将北京地区地铁隧道施工用盾构机选型的有关资料进行整理，同时结合我集团公司购买北京市地铁五号线施工用盾构机(外径Φ6.14m)时的一些基本考虑，勉凑一文，供国内同行参考，为促进我国盾构技术的发展贡献一点微薄之力。2北京地区地质情况简介及地铁隧道结构形式2.1工程地质及水文条件北京市地处永定河洪冲积扇的中上部，第四系松散土层及砂卵石层遍布全区，其地质沉积层的相变十分明显，如西部单一的砂卵石层向东很快渐变成粘性土和粉细砂互层的多层状态。在北京市采用盾构法进行隧道施工时，将碰到以下几类极具北京地质特征的地层：(1)粘性土及粉土层(粉质粘土、粘质粉土)。(1)砂性土层(粉细砂、中细砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。(3)砂卵石地层(一般粒径3～5mm，西部5～15mm，最大层厚超过40m以上)。(4)粘质粉土、砂质粉土、中细砂互层，中砂、粉质粘土、砂卵石互层。北京市的地下水一般指上层滞水、潜水和浅层地下水，另有一类景观、河期渗漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。2.2地铁隧道结构形式北京市地铁隧道覆土厚度约为8～16m，埋深约为14～22m。一般考虑采用节能型车站，隧道线形既有平曲线又有竖曲线。地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。隧道结构可分为普通环和通用环两种形式(图1，图2)。普通环形式为常用的标准环+左转、右转环(楔形环)方式，在直线段使用标准环，曲线段采用楔形环。目前国内大部分城市地铁隧道均采用此种普通环拼装方式。通用环形式是欧州常用的管片拼装方式，该方式只有1种楔形环，通过其不同组合实现直线和曲线管片拼装。两种结构形式管片均由6块组成，本次北京市地铁五号线盾构施工标段即采用通用环拼装方式。3地铁施工用盾构机选型基本原则笔者经过对国际国内盾构施工技术的调查分析，针对北京市地铁隧道盾构法施工，认为盾构机选型时应遵循以下几项基本原则。（1）盾构机技术水平先进可靠，并适当超前，符合我国国情（2）所选盾构机应满足北京市地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，特别是要满足规划在2008年前必须完成的隧道工程施工的需要。（3）能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。（4）盾构机能够适应北京市地下构筑物众多的特点，必要时可实现隧道（盾构机）内清楚或撤换障碍物的施工。（5）盾构机在设计方面应考虑北京市地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。4盾构机选型考虑要素及注意点4.1工程地属条件(1)粘性土及粉土层盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。(2)砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。(3)砂卵石地层北京地区的砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25％～40％之间．盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。(4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层对于此类地层，盾构机施工比较容易．有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。(5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。4.2工程水文条件对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可(对于密封0.6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易)。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。4.3曲线施工根据城市地铁的使用要求以及城市交通网的规划，地铁隧道必然存在曲线部分，而节能型车站通常为进站上坡出站下坡，也有坡度较大的竖曲线部分；另外地铁隧道线形设计或施工时，常为避开既有构筑物，不得已改变线形，也会出现曲线。因此盾构机所装备的功能，应满足曲线推进的要求。设计在曲线段一般采用楔形管片，但为减少曲线施工对土层的干扰，笔者认为除采用楔形管片外，设计盾构机时还可以考虑采用油压分区控制、实现千斤顶可自由编组；或采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决。4.4地下构筑物众多北京是一个拥有一千多万人口的特大城市，地下修建了大量的构筑物，如上下水管道、煤气、热力、电力、通讯、人防工程等。北京又是一个古老的城市，除地下可能有大量文物外，旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。而由于历史的原因，北京市城市建设档案管理相对滞后，很难弄清地下各种构筑物的分布状况。工程勘测时，因钻孔距离的局限，隧道沿线总存在勘测的空当，实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑，不能实施勘测。因此盾构法施工过程中，会遇到各种障碍物或异物，并且往往不具备从地面进行处理的条件，给盾构掘进施工带来意想不到的困难。盾构机选型时，应考虑北京地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。4.5浅覆土及隧道穿越建筑物下方隧道穿越建筑物下方，特别是旧有民房(穿越其它现存构筑物两者距离过近的情况也可划归此类)，是城市隧道采用盾构法施工的首选原因；另由于种种原因，地铁隧道总会有局部埋深不大，隧道覆土较浅的地段，故盾构机在上述条件下施工不可避免。对此稍作分析即可知道，这两种情况下盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制土体(地面)沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。根据盾构法施工经验．如果施工控制不好，确实会引起隧道前方或周边土体产生较大沉降与变形，造成地面房屋开裂或严重干扰相邻构筑物。因而盾构机选型时，将盾构机配备控制土体沉降与变形的功能以及具有操作简便、灵巧等性能作为重点考察内容。4.6同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进根据北京地区地质条件，盾构机的使用寿命一般可达6km甚至10km以上，而盾构法隧道工程标段划分不会过大，估计在两个区间左右，即单线长度不大于4km，低于盾构机的使用寿命。笔者认为应考虑我国国情，尽可能增加盾构机用于工程施工的长度。故所选盾构机在确保适应北京各类地层施工的前提下，须充分考虑盾构机分块的合理性，既要保证盾构机的整体质量，又要满足便于组装、解体和搬运的要求。5盾构机机型选择5.1盾构机技术发展简要回顾盾构机问世近180年，但得到迅速发展是在20世纪60年代以后。纵览当今世界各国，盾构机综合技术水平首推日本(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近8500台)和欧洲(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近500台)最高。盾构机由初期的手掘式发展到半机械式、全机械式，以及近30多年来高速发展的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机等。现代盾构机已在自动控制、激光导向、液压传动、开挖面压力控制、壁后同步注浆、盾尾密封、管片拼装、计算机数据采集等方面得到很大发展。进入20世纪80年代后期，世界上又开发出既可用于软土地层又可用于岩石围岩的复合式盾构机；开发出可转任意角度的复合子母式盾构机。另外，盾构法隧道成型断面除圆形之外，多圆形、椭圆形、矩形及多室矩形也在实际工程中得到应用。当今世界盾构机的技术水平已发展到相当高的阶段。对于北京地区的地质条件．以及地铁隧道工程所穿越的区域，采用泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机均能满足隧道施工的需要。5.2盾构机机型的确定正如5.1节所述，采用当今技术水平最高的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机，均能满足北京市地铁隧道的施工，但究竟采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能得出正确的决策。泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水(浆)来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理。该设备系统庞大，占地面积多，且价格昂贵。加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂(如泡沫等)，极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。日本土木学会1997年修订《隧道标准规范(盾构篇)及解释》时，专门在日本全国境内对盾构机机型、使用地质条件以及工程应用数量等作了较全面的调查。调查结果如图3～5所示。由图3·图5可见，加泥式土压平衡盾构机应用的台数最多，工程项目应用的数量最大，适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至软岩)的能力最强，特别是在砂砾地层(最大粒径超过5mmm)中的应用占绝对优势。为进一步分析判断，笔者对国内各大城市地铁工程应用盾构机的机型也进行了调查，结果如表1所示。由表1可清楚地看出，无论南方还是北方，国内地铁隧道工程使用的盾构机型均以加泥式土压平衡盾构机型（含复合式）为主。尽管应用的地域或范围较广泛，地质条件相差较大，但据调查，该类机型均能较好地适应和顺利地完成地铁隧道的施工。可见，国内地铁工程盾构机的应用实践，也证明了加泥式土压平衡盾构机具有良好的适应性。笔者进一步对泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机的主要特性进行了比较，其内容与