吴和北，管会生，张 瑀

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

随着我国经济的高速发展，交通建设也在蓬勃发展。城市轨道交通工程的开展使得盾构得到了广泛应用，但盾构作为一种专用设备，一般对单一地层更具适应性，因此盾构的合理选型对于地铁隧道工程的顺利实施至关重要。

成都地铁于2005年12月正式开建，目前已规划的线路达到14条，在运营的线路2条，后期建设工程仍然非常庞大。成都地铁隧道工程地质复杂，盾构在大面积含水砂卵石地层施工比较困难，存在适应性不足等问题。成都地铁7号线隧道工程地质既有含水砂卵石层又有膨胀泥岩，给盾构的选型设计和施工操作带来了很大的挑战。

针对砂卵石地层隧道工程盾构选型和参数确定问题，国内许多学者已经做了大量研究工作。陈东海等针对砂卵石地层的地质特点，分析了盾构刀盘等主机系统选型的原则以及开挖面稳定机制和土舱压力控制方式［1－5］;潘涛等以成都地铁1号线和2号线隧道工程为对象，分析了成都特殊含水砂卵石地层下盾构施工的关键问题，并针对盾构刀盘、主驱动、开口率、渣土改良、螺旋输送机等进行优化设计研究，同时对比分析国外盾构和国产盾构对成都地区地层的适应性，指出盾构国产化的可行性［6－8］;管会生等对盾构施工过程中的盾构受力进行分析，得出刀盘回转阻力和盾构推进阻力的计算方法［9－11］。上述学者针对砂卵石地层中盾构选型和施工已做了很多研究工作，并也取得了一定成果，但是并没有针对成都地铁隧道工程中某个区间进行较为系统完善的选型分析和参数确定研究。因此，有必要针对成都地铁7号线某区间根据地质特征对盾构工法及盾构主机各个系统进行选型分析，并根据刀盘回转阻力和盾构推进阻力的理论计算来确定盾构的最大推力和刀盘额定驱动扭矩。

本文通过对成都地铁7号线火车南站至神仙树区段地质水文条件的详细分析，针对盾构施工时可能出现的开挖面失稳、地表沉降、刀盘及刀具磨损严重和涌水涌砂等问题，对盾构形式、刀盘、出碴系统、密封系统等关键零部件的选型设计提出合理建议;并根据盾构在砂卵石地层施工时刀盘回转阻力和推进阻力的计算方式，结合实际的地层参数，给出盾构主推力和刀盘驱动扭矩的建议设定值，并通过实际施工实测值进行合理验证。

1 工程概述

本区间隧道起于火车南站西端，下穿广和一街及广和二街，进入南站公园，下穿成昆铁路(普通铁路)、在建的成绵乐客专(无砟轨道)、西环铁路及机场高速立交，进入紫瑞大道，下穿肖家河，进入神仙树站东端，拟建工程地理位置见图1。拟建工程左线隧道全长1 709.302 m，右线隧道全长1 703.514 m，为2 条平行的单线圆形隧道，线间距13～16 m，外径约6 m;隧顶高程485.93 ～469.8 m，隧底高程 479.73 ～463.6 m，隧道埋深12.5 ～32.0 m。

1)地质特征。段内均为第四系(Q)地层覆盖。地表多为第四系全新统人工填筑()以杂填土为主，其下为全新统冲积层()黏性土、粉细砂;第四系上更新统冰水沉积、冲积()黏性土、卵石土夹砂透镜体;下伏白垩系上统灌口组(K2g)泥岩。

2)水文特征。段内地表水系为肖家河，水流由北向南，隧道于YDK22+725～+740处下穿肖家河，属川西平原岷江水系，具丰富的地表径流。地下水主要有3种类型:赋存于填土层的上层滞水、第四系砂卵石层的孔隙水及基岩裂隙水。地下水位埋深5.0～9.8 m，稳定水位高程493.722 ～488.560 m。

图1 成都地铁7号线火神区间工程地理位置Fig.1 Plan layout of South Railway Station-Shenxianshu Station section on No.7 Line of Chengdu Metro

2 工法选型

该区间隧道地表房屋密集，道路、管线众多，交通繁忙，区间隧道顶板上覆土层厚12～26 m，不适宜采用明挖法施工。区间隧道洞身主要穿越卵石土层，自稳性差，透水性强，地下水位较高，水量十分丰富，故不宜采用矿山法施工。建议本区间隧道采用盾构法施工。盾构法不仅施工进度快，而且无噪音、振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较小、施工质量易于控制，且防水效果好。

地层渗透系数是盾构选型的一个重要因素［12］。当地层的渗透系数＜10－7m/s时，可以选用土压平衡盾构;当地层渗透系数为10－7～10－4m/s时，可以选用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构;当地层渗透系数＞10－4m/s时，应该选用泥水平衡盾构。该隧道区间的地层渗透系数为 5.8 ×10－6～2.3 ×10－4m/s，因此可以选用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构。

由于泥水平衡盾构需要设置泥水管理和处理设备，占用施工场地大，影响交通，且对周围环境污染严重［13］。同时，泥水平衡盾构在砂卵石地层中掘进较困难，尤其是很难处理大粒径砂卵石，容易导致刀盘被卡，掌子面坍塌;而土压平衡盾构可以较好地处理大粒径的砂卵石，可以降低发生故障概率，避免坍塌［1］。本区间位于成都市二环与三环路之间，属于较繁华地带，地面交通设施与建筑物较多，且隧道围岩局部为卵石土夹透镜体砂层，均匀性差，零星分布有高强度、大粒径的卵石、漂石;因此，不宜采用泥水平衡盾构，而选择土压平衡盾构完成本隧道区间的施工。

3 盾构部件选型

结合该区间的地质和水文特征，采用土压平衡盾构进行隧道施工时，容易出现开挖面失稳、地表沉降、刀盘及刀具磨损严重和涌水涌砂等问题。在进行盾构设计时，需要针对上述可能出现的施工问题对盾构的各个系统及部件进行选型设计，从而减小施工故障发生的可能性，保证工程的顺利完成。

3.1 开挖系统

该隧道区间范围内分布第四系全新统冲积层松散－稍密粉细砂层，位于卵石土之上，经判定为液化土层，盾构掘进过程中掌子面的自立性差，因此不宜采用开放型的辐条式刀盘。面板式刀盘不仅可以增加掌子面的自稳能力，同时可以限制进入土舱内的卵石大小，防止大粒径卵石堆积在土舱下部，影响掘进和排碴。

由于盘形滚刀在卵石地层中具有较高的切削效率，可以将卵石从开挖面土层中松动下来，同时可以将粒径大于刀盘面板开口尺寸的漂石破碎。因此，刀盘选型考虑采用同时安装有切刀和滚刀的复合式刀盘。为了保护切刀避免其先切削到大粒径卵石，需要在刀盘上安装先行刀，增加切削刀具的使用寿命。

盾构在卵石层中掘进时，刀盘和刀具会产生较为严重的磨损，因此必须采用高耐磨性的刀具，并在刀盘面板焊接含有耐磨合金成分的耐磨条，以提高刀盘的耐磨性能。刀具的安装方式采用背装式，可以从土舱内进行刀具的更换。同时在不同区域的刀具上设置磨损检测装置，对刀具的磨损状态进行实时监测，及时更换损坏的刀具。

3.2 出碴系统

盾构出碴方式采用中心轴式螺旋输送机，需要保证螺旋直径和节距能满足通过刀盘开口的最大粒径卵石的排出。为了减少输送砂卵石时对螺旋输送机及其叶片造成的磨损，可采用在叶片表面和外侧进行堆焊或焊接耐磨条的方式，提高筒体内壁和螺旋叶片的耐磨性能。

隧道穿越卵石土夹透镜体砂层，透水性强，地下水位较高，水量十分丰富，在掘进过程中可能出现螺旋输送机出碴口发生喷涌情况，导致土舱内压力急剧下降，并引起开挖面失稳，从而发生地面塌陷事故。为了防止喷涌的发生，可以设置双级螺旋输送机，通过单独控制二级螺旋输送机的转速和起停，可有效防止喷涌的发生。另外，也可以在施工的时候向土舱内注入膨润土、高分子聚合物，改善碴土的和易性、增加碴土的黏度，以形成有效的土塞，可以实现堵水和防止喷涌的效果［7］。

3.3 碴土改良系统

在砂卵石地层中推进，如果碴土不经过改良，在推进推力的作用下很容易在刀盘背面及土舱内壁结“泥饼”［6］，对施工造成很大困难，因此要求盾构要具有一套有效的碴土改良系统。采用泡沫剂作为土体改良材料，可以增加开挖面砂土的流塑性和止水性，降低土舱内土体的粘着性，防止碴土粘附在刀盘和土舱内壁。

3.4 密封系统

该隧道区间地下水量丰富，砂卵石层透水性强，地下水位较高，最高静止水压可达260 kPa。因此密封系统要求具有较高的密封性能，能够满足300 kPa以上的高水压条件下的密封要求。主轴承密封可采用唇形密封，并具有自动润滑功能。盾尾密封(见图2)采用4道钢丝刷密封或3道钢丝刷密封加1道钢板束密封。钢板束的作用是防止管片壁后注浆流向盾壳。

图2 盾尾密封示意图Fig.2 Shield tail sealing

3.5 超前探测及支护系统

超前地质探测系统可用来在一定的超前距离内探明前方地质状况和大漂石。通过地质超前探测，能及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置和围岩的完整性以及含水的可能性，以便对可能出现的大卵石及其他不良地质情况做好提前应对方案。

隧道施工时，开挖面容易产生涌水，造成细颗粒物质大量流失，引起开挖面失稳和地面沉降、变形。通过超前支护系统对开挖面前方土体进行加固处理，封闭地下水、加固开挖面地层稳定性，以确保施工和周边建筑物安全。

4 盾构关键参数确定

4.1 盾构推力与刀盘扭矩的计算模型

1)盾构总推力。盾构推进阻力主要包括:盾构推进时的正面阻力F1(包括开挖面对刀盘面板的作用力和刀具的掘进阻力)、盾壳与围岩的摩擦阻力F2、盾尾与管片的摩擦力F3、后配套台车的牵引阻力F4及盾构曲线段施工时的变向阻力

因此，盾构主机推力

式中:D为盾构开挖直径;Ds为管片外径;σ为开挖面水平土压力;η为刀盘开口率;Fn为切刀受到的垂直力;n1为盘形滚刀的数目;n2为切刀的数目;n3为边缘刮刀的数目;n4为盾尾内管片的数目;n5为盾尾密封刷的数目;μ1为围岩与钢的摩擦系数;μ2为盾尾与管片的摩擦系数;μ3为后配套台车车轮与钢轨的摩擦系数;Ws为一环管片的自身重力;Wb为后配套的自身重力;W为盾构主机的自身重力;L为盾壳的长度;λ为水平侧向土压系数;bs为盾尾密封刷与管片的接触长度;b为管片的宽度;PT为盾尾密封的压强;Rc为盾构曲线半径;K为地基反力系数。

2)盾构刀盘驱动扭矩。盾构刀盘回转阻力矩主要包括:刀具切削土体时的切削阻力矩T1，刀盘正面与开挖面土体之间的摩擦阻力矩T2，刀盘背面与土舱内土体的摩擦阻力矩T3，刀盘开口内土柱的剪切阻力矩T4，刀盘外围与周围土体之间的摩擦阻力矩T5，刀盘土舱内的搅拌阻力矩T6及刀盘驱动系统机械摩擦损耗扭矩

因此，盾构刀盘驱动扭矩

式中:Ft为刀具受到的沿开挖面方向的力;R为刀盘上刀具的安装半径;c为土体的黏聚力;σres是为保证开挖面稳定，控制土舱压力时的预留压力;μ0为土体与土体之间的摩擦系数;t为刀盘的宽度;Db为搅拌棒的直径;Rb为搅拌棒的安装半径;Lb为搅拌棒的长度;n为搅拌棒的数目。

T7为刀盘驱动系统的机械摩擦损耗扭矩，包括主轴承的摩擦阻力矩、驱动密封系统的摩擦阻力矩和机械传动的损耗扭矩。T7在影响刀盘回转阻力矩中所占的比例很小，一般＜5%，在计算时，为了安全考虑，可按5%计算。

4.2 实例分析

盾构参数见表1。

表1 盾构参数Table 1 Parameters of shield machine

根据表1中的盾构参数以及工程地质参数，利用4.1节给出的推进阻力和回转阻力矩的计算公式，利用MATLAB软件可以计算出该区间的盾构最大推进阻力为 10 659kN，刀盘最大回转阻力矩为4 072 kN·m(见图3和图4)。在确定盾构最大推力和装备扭矩时，考虑到施工中可能出现的特殊地质情况，将推力的安全系数设为2.5，扭矩的安全系数设为1.5。因此，该区间隧道施工用盾构的最大推力的理论值为26 648 kN，刀盘驱动系统的装备扭矩理论值为6 108 kN·m。

本隧道区间实际施工使用的盾构为S365土压平衡盾构，其最大推力为34 210 kN，额定刀盘驱动扭矩为5 980 kN·m。与盾构推力和刀盘驱动扭矩的理论值对比发现，理论计算结果与实际施工所用盾构的参数接近，具有一定的参考价值。

采集成都地铁7号线神仙树至火车南站区间0～200环施工过程中的推力和扭矩随掘进距离的变化关系，并与理论计算值进行比较，如图5和图6所示。

图3 盾构推进阻力计算值Fig.3 Calculated value of shield advance resistance

图4 刀盘回转阻力矩计算值Fig.4 Calculated value of rotating torque of cutter head

图5 盾构总推力理论值与实测值比较Fig.5 Comparison and contrast between calculated thrust and measured thrust

图6 刀盘驱动扭矩理论值与实测值比较Fig.6 Comparison and contrast between calculated cutter head driving torque and measured cutter head driving torque

通过图5和图6可以看出，理论计算结果与现场施工实测数据相比偏小，但是在一定的范围之内，考虑到理论计算时的简化和施工过程中的不可预见因素，理论值具有较高的参考价值。

5 结论与讨论

成都地铁7号线火神区间隧道工程下为粉质黏土夹杂卵石层，含水量丰富，地层渗透能力强，适合采用土压平衡盾构完成本区间的施工。

采用盾构法施工开挖面稳定性差，容易发生涌水事故，在砂卵石层施工时易造成刀具和刀盘的磨损。针对可能出现的开挖面失稳、地表沉降、刀盘及刀具磨损严重和涌水涌砂等问题，对该区间隧道工程土压平衡盾构的各个系统进行了选型分析，提出了选型建议。刀盘采用复合式刀盘，在刀盘面板和刀具表面焊接耐磨条。通过设置双级螺旋输送机和土体改良的方法防止螺旋机喷涌以及刀盘结泥饼的发生。为了提高盾尾密封的密封性能，采用4道钢丝刷密封或者3道密封刷加1道钢板束密封。同时为了提前预测砂卵石中可能出现的大漂石等不良地质情况，配备超前探测及支护系统。

在盾构推进阻力和刀盘回转阻力计算方法基础上，通过实际的地质参数，计算出该区间内最大的推进阻力为10 659 kN，最大刀盘回转阻力矩为4 072 kN·m，选取合适的储备系数，确定盾构最大推力和刀盘装备扭矩的建议值分别为26 648 kN和6 108 kN·m。实际工程中盾构的最大推力为34 210 kN，额定刀盘驱动扭矩为5 980 kN·m，与理论建议值进行对比，发现二者比较接近。结合实际施工过程中的推力和扭矩变化情况，发现现场实测值与理论值的偏差在允许范围之内，从而验证了盾构最大推力和刀盘装备扭矩的理论计算值具有较高的参考价值。

本文研究结果可以为成都地区其他地铁隧道工程的盾构选型设计提供依据，同时也可为国内外其他相似地形条件采用盾构法施工提供参考。后期可根据7号线实际施工中出现的故障案例对本论文所得成果进行验证和修正。

6 致谢

该论文由西南交通大学机械工程学院管会生教授指导完成，特此致谢。

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