淺談北京地區地鐵隧道施工用盾構機選型（下）
7 北京地區地鐵隧道施工用盾構機的幾個關鍵問題
7.1 盾構機刀盤扭矩系數
盾構機刀盤扭矩系數(α)是盾構機設計時一個重要參數，其值選用是否得當直接關系到盾構機能否正常掘進。眾所周知，影響盾構機刀盤扭矩的因素較多，在此不贅述。根據日本《隧道標準規范(盾構篇)及解釋》中有關盾構機設備部分的內容，盾構機刀盤裝配扭矩M可用以下簡化式計算：
式中 M - 盾構機裝備扭矩/(kN.m)
α- 扭矩系數
D - 盾構機外徑
對于加泥式土壓平衡盾構機，日本經過大量工程實踐已給出 的經驗值，取值范圍在8～23之間。根據北京市地質條件，以及我集團公司在北京市砂卵石地層采用盾構法施工近8km的實際經驗，筆者認為砂土地層，特別是在砂卵石地層中盾構機刀盤旋轉切削圍巖(砂卵石)時，盾構機刀盤扭矩較大，施工中常出現刀盤扭矩瞬間過大的現象。很有必要結合北京市地質條件的特點，對日本提出的 值進行調整。經與日本盾構機制造商進行技術交流和爭論，取得共識。認為將盾構機刀盤最大扭矩系數 值提高到25以上，不僅更適應北京地區砂卵石地層的隧道施工，也間接提高了盾構機的使用壽命，技術經濟更為合理。
7.2 刀具布置和刀具形狀
刀具布置和刀具形狀在盾構機設計中是非常重要的內容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質條件，直接影響盾構機的切削效果、出土狀況和掘進速度。
7.2.1 刀具布置
對于全斷面切削的輻條式刀盤，從盾構機的發展歷史看，刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續排列方式，因其切削阻力較大，盾構機密封艙內土體流動性差，現已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內土體流動性好和易攪拌而被廣泛使用。目前世界上基本均采用牙型交錯連續排列方式。我集團公司采購的盾構機，其刀具布置就是采用該方式。兩種刀具布置方式見圖13。
根據北京市地鐵隧道施工中可能碰到的三種主要地質條件，刀具布置時應按照牙型交錯連續排列的原理，確保盾構機刀具的切削軌跡布滿開挖全斷面；另針對不同切削要求(包括不同地質的要求)，需設置切削刀、超前刀、盤圈貝型刀、魚尾刀、仿型刀等幾種刀具。按照各種刀具的特點及作用，經過分析比較，各種刀具可采用圖14的布置方式。
7.2.2 刀具形狀及其作用
如前所述，刀具的形狀必須適應施工地質的特點，并且刀具在切削斷面不同的位置其作用及要求均不同，因此應對刀具進行設計。針對北京地鐵隧道穿越三種主要地層的特點，刀具設計時應考慮以下幾個要素。
①刀具在砂、砂卵石地層中的切削效率，即如何減少切削阻力，保證切削土體的流動性。
②通過刀具形狀的改變，減少刀具掘進磨損，提高刀具的耐久性。
③適應城市繁華地區施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉刀具切削土體過程對周邊土體及環境的干擾，如振動、噪音等。
④如何從材料和設計方面，對解決盾構機在砂卵石地層掘進時刀具的磨損(包括撞擊掉塊等)提出切實可行的措施，保證盾構機刀具長距離掘進的可靠性。
(1) 刀具的類型及切削原理
目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般公認有滾刀和切削刀兩種類型(根據隧道圍巖性質不同、切削目的不同，這兩類刀具還可進一步細分)。滾刀的切削原理主要是刀具依靠擠壓破巖，一般用于巖石隧道的掘進。當雖然穿越松散地層但有大粒徑的礫石(粒徑大于400mm)、并且含量達到一定比例時，也可采用滾刀型刀具。另在隧道地質條件復雜多變、巖石(強度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復合式盾構機中采用。北京地區一般不需要采用滾刀型刀具，至少在西四環向東的北京市大部分地區不需要。
切削刀的切削原理則主要是盾構機向前推進的同時，刀具隨刀盤旋轉對開挖面土體產生軸向(沿隧道前進方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉切線方向)切削力，不斷將開挖面前方土體切削下來。切削刀一般適用于粒徑小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散體地層。
(2)主要刀具形狀及作用
①切削刀
切削刀是盾構機切削開挖面土體的主刀具，切削刀一般形狀如圖15所示。一般情況下，β(前角)與α(后角)值隨切削地層特性不同變化，取值范圍在5°～20°之間，粘土地 層稍大，砂卵石地層稍小。針對北京市地層特點，β(前角)和α(后角)值建議采用15°。切削刀切削土體的示意見圖16。
②超前刀(也稱先行刀)
顧名思義，超前刀即為先行切削土體的刀具。超前刀在設計中主要考慮與切削刀組合協同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創造良好的切削條件。據其作用與目的，超前刀斷面一般比切削刀斷面小。采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切削刀的磨耗。在松散體地層，尤其是砂卵石地層使用效果十分明顯。超前刀刀具形狀及與切削刀協同切削土體的示意見圖17。
③盤圈貝型刀
盤圈貝型刀實質上是超前刀，盾構機穿越砂卵石地層，特別是大粒徑砂卵石地層時，若采用滾刀型刀具，因土體屑松散體，在滾刀掘進擠壓下會產生較大變形，大大降低滾刀的切削效果，有時甚至喪失切削破碎能力。針對北京市大粒徑砂卵石地層的特性，根據筆者在日本的施工經驗，建議采用盤圈貝型刀，將其布置在刀盤盤圈前端面，專用于切削砂卵石。采用盤圈貝型刀可較好地解決盾構機切削土體(砂卵石)的難題。盤圈貝型刀示意見圖18。
④魚尾刀
采用大刀盤全斷面切削土體，布置在幅條上不同位置的切削刀，從刀盤外周至中心，運動圓月逐漸減小，中心點理論上可以視為零。換言之密封艙內切削土體的運動長度也是由外至內逐漸變小，相應土體流動狀態也是越來越差。而且中心支撐部位(直徑約1.5 m)不能布置切削刀，為改善中心部位土體的切削和攪拌效果，可考慮在中心部位設計一把尺寸較大的魚尾刀(詳見魚尾刀切削土體示意圖19)。根據經驗，色尾刀的設計和布置可應用兩個技巧：其一讓盾構機分兩步切削土體，利用魚尾刀先切削中心部位小圓斷面(直徑約1.5 m)土體，而后擴大到全斷面切削土體，即將魚尾刀設計與其他切削刀不在一個平面上，一般魚尾刀超前600 mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；其二是將魚尾刀根部設計成錐形，使刀盤旋轉 時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎上，又增加一項翻轉運動(如同犁地一般)：這樣既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又大大提高盾構機整體掘進水平。
⑤仿形刀
盾構機一般設計兩把仿形刀(一把備用)，布置在輻條的兩端。施工時，可以根據超挖多少和超挖范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回仿形刀，達到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之間。盾構機在曲線段推進、轉彎或糾偏時，通過仿形超挖切削土體創造所需空間，保證盾構機在超挖少、對周邊土體干擾小的條件下，實現曲線推進和順利轉彎及糾偏，因而盾構機需設置仿形刀。
7.3 轉彎及糾偏鉸接機構
經過統計，地鐵施工用盾構機的靈敏系數(機長/外徑)一般不大于1.5，不用鉸接機構也能滿足轉彎和糾偏的需要。但考慮到在北京市內施工控制地面沉降的要求較高，施工中可能有(或已碰到)障礙物，需要提前(或盡量減少與障礙物相撞的范圍)繞開障礙物，需要轉彎(甚至較小半徑轉彎)掘進。此時使用鉸接機構，可以比較容易地實現轉彎和減少對盾構機周邊土體的擾動，對控制沉降有利。用轉彎及糾偏鉸接機構，還可以依據曲線隧道的有使關參數，預先計算出每段曲線中每環管片應該轉動的角度，盾構機曲線推進前啟動鉸接機構，使之符合曲線前進方向的要求，限定盾構機在設定的曲線上推進。為增強盾構機轉彎功能，以適應北京地鐵隧道施工的需要，應為盾構機配備轉彎及糾偏鉸接機構。
7.4 洞內超前注漿加固隧道前方土體及氣壓封閉開挖面系統
(1)氣壓封閉開挖面系統
在北京市采用密閉式盾構機掘進施工時，掘進前方若碰到障礙物，一般不易處理，但施工中很難避免。為此，宜在盾構機設計階段，考慮與人孔結合，配備氣壓艙。一旦遇到異常情況(如障礙物等)不能由地面進行處理時，可在隧道內進入盾構機密封艙里進行處理。
(2)洞內超前注漿加固隧道前方土體系統
當盾構法隧道穿越地段的地面建筑物的基礎結構較差，或建筑物特別重要時，對盾構機控制沉降的性能要求很高。特別是對于隧道前進方向有重要構筑物(如已運行地鐵、油庫等)相鄰以及土體由于城市特殊水的原因變軟，或有大量不規則空隙的情況，筆者認為還應考慮在隧道內對開挖面前方土體注漿加固的輔助措施，即在盾構機內預先設計多個注漿加固孔(按可全斷面注漿的要求設計)，同時配備盾構機內專用注漿設備，一旦施工需要，立即安裝注漿設備，對開挖面前方土體實施超前注漿加固。設計超前注漿深度一般為3～4 m，最大注漿加固土體斷面直徑可達12m。盾構機內超前注漿加固土體見圖20。
盾構機掘進施工時，可以根據遇到的不同情況，單獨應用機內超前注漿加固土體系統和氣壓密封系統，還可將兩者聯合使用，以進一步提高隧道施工的安全性和可靠性。
7.5 盾構機總推力及分區油壓控制系統
根據日本資料，盾構機的總推力與開挖面的土壓阻力、盾構機外圓周摩擦等6個因素有關。
在設計盾構機時，一般在考慮6個因素的基礎上，增加一定比例的富余推力。根據我集團公司在北京市砂卵石地區盾構法施工的經驗，推進阻力較大。為滿足北京地區砂卵石地層隧道施工盾構機推力的需要，盾構機的總推力宜適當增大，達到盾構機掘進斷面單位面積上推力大于1200 kN(即盾構機總推力/盾構機外徑圓面積)較為合適。
推進系統為盾構機向前掘進提供動力，直線段掘進時，推進千斤頂的合力理論上應在盾構機的軸心；曲線段掘進時，推進千斤頂的推進合力作用點則應該位于最有利于盾構機曲線掘進的位置上(盾構機加工制造時千斤頂位置已固定的條件下進行調鏈)。盾構機在推進施工時，為控制出現較大偏差，推進操作時實際上是隨時在對盾構機的態勢進行糾偏和調整。為便于推進千斤頂分區編組或自由編組，實現適時糾偏，盾構機推進系統應設計為分區油壓控制，確保推進千斤頂的合力滿足曲線掘進及糾偏的要求。
7.6 屑構機在砂卵石地層掘進的耐磨損(耗)措施
根據我集團公司在北京市砂卵石地層進行盾構法施工的經驗，北京地區砂卵石地層中采用盾構法施工時，盾構機的刀盤、刀具、密封艙內壁以及螺旋輸送機的磨損(耗)比較大，特別是在石英砂含量較多、卵石(礫石)粒徑較大的情況下，磨損極為嚴重。為保證盾構機在砂卵石地層掘進時刀具切削正常，實現長距離掘進，筆者查閱國內外有關刊物關于砂卵石地層施工的技術資料，并請教國內外有關盾構技術專家，提出盾構機設計時應采取以下措施。
(1)使用耐磨及韌性好的礦用刀具材料，除在刀具刀口部分考慮嵌入超硬材料(如碳化鎢合金等)外，切削土砂(卵石)沿刀具向后流動所經過的刀具表面也適當給予加強。
(2)考慮采用主副刀聯合切削土體，設計主副切削刀(主副超前刀)。其基本思想是利用主副刀不同的切削高度差(高差值約為20mm，可經過磨損計算確定)，延長刀具使用壽命。當主切削刀(主超前刀)的高度磨損大于20mm后，副切削刀(副超前刀)開始工作。這樣．延長了刀具的磨損長度，大大提高了刀具整體抗磨損(耗)能力。圖21為主副切削刀布置示意圖。
(3)在盾構機刀盤盤圈后端、密封艙內壁以及螺旋輸送機內均采用耐磨材料，并考慮便于維修和更換的措施。
7.7 減少屑構機推進阻力的措施
根據不同地質條件，以及N(標準貫人錘擊數)值的大小，切削刀最大切削軌跡外徑、刀盤盤圈外徑和盾構機外徑三者的尺寸之間有細微的差別，若處理不當，將增大推進阻力，給盾構機整機推進性能帶來較大影響，其原因在此不贅述。針對北京地區地層特點，筆者認為為減少盾構機推進阻力，除盾構機設有加泥加泡沫系統外，還應采用以下兩項措施：
(1)設計主切削刀最大切削軌跡外徑略大于盾構機外徑，既減少盾構機刀盤盤圈和盾構機外周的摩擦阻力，又不會影響盾構機控制土體沉降的能力和效果。
(2)調整刀具切削土體深度，合理設置刀盤盤圈刀具(貝型刀)，喊少切削阻力。根據刀盤盤圈刀具切人土體深度的計算公式，可計算出刀具切人土體的深度(表5)。
由表5可知，刀具布置可顯著影響刀具切削土體的深度。為減少推進阻力、切削噪音和切削振動，應選擇合適的刀具切削深度。根據筆者經驗，盾構機高速推進時，切削深度以10～15mm為好；一般速度推進時，切削深度則以4～8mm為好。故在刀盤盤圈上布置5～7把刀具較為理想。
8 結 語
隨著北京市申奧成功，北京市對整個城市的交通體系重新進行了規劃，確立了以軌道交通為今后重點發展的思路。北京市的軌道交通遠期規劃已達1000km以上，僅2008年以前就要完成近200km的軌道工程的建設任務，隧道工程量巨大。而盾構施工技術以其對城市環境影響小、隧道工程質量易于保證以及施工速度快等優勢，必然在今后的城市隧道施工中被大量采用。盾構機作為盾構法施工的大型專用機械設備，其選型正確與否，無論是對于盾構施工的技術水平，還是對于盾構施工的成本和效益，均起著舉足輕重的關鍵作用。因此，應高度重視盾構機的選型工作。對于北京地區隧道施工用盾構機的選型，因筆者較早涉及，有一點體會和摸索了一點經驗，本文作為拋磚引玉，希望與國內同行探討和共同做好此項工作。
另外，北京市在奧運會之前，計劃建設地鐵五號線、四號線、十號線、九號線以及奧運支線等地鐵線路，工程開工強度大。為滿足隧道施工的需要，筆者估計，近幾年剛北京市至少需要10～15臺盾構機。根據筆者三年多在北京市盾構施工(以及機械化頂管施工)的經驗，施工企業、國內大型重工業企業和科研單位攜起手來，共同開發盾構機，我國一定能設計和制造出適應北京地區地質條件的盾構機，為北京市乃至全國的地鐵建設作出貢獻。
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文章出處：《現代隧道技術》
樂貴平 (北京市政集團)
