淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選三

淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型（下）

7北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機的幾個關(guān)鍵問題7.1盾構(gòu)機刀盤扭矩系數(shù)盾構(gòu)機刀盤扭矩系數(shù)(α)是盾構(gòu)機設(shè)計時一個重要參數(shù)，其值選用是否得當直接關(guān)系到盾構(gòu)機能否正常掘進。眾所周知，影響盾構(gòu)機刀盤扭矩的因素較多，在此不贅述。根據(jù)日本《隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解釋》中有關(guān)盾構(gòu)機設(shè)備部分的內(nèi)容，盾構(gòu)機刀盤裝配扭矩M可用以下簡化式計算：式中M-盾構(gòu)機裝備扭矩/(kN.m)α-扭矩系數(shù)D-盾構(gòu)機外徑對于加泥式土壓平衡盾構(gòu)機，日本經(jīng)過大量工程實踐已給出的經(jīng)驗值，取值范圍在8～23之間。根據(jù)北京市地質(zhì)條件，以及我集團公司在北京市砂卵石地層采用盾構(gòu)法施工近8km的實際經(jīng)驗，筆者認為砂土地層，特別是在砂卵石地層中盾構(gòu)機刀盤旋轉(zhuǎn)切削圍巖(砂卵石)時，盾構(gòu)機刀盤扭矩較大，施工中常出現(xiàn)刀盤扭矩瞬間過大的現(xiàn)象。很有必要結(jié)合北京市地質(zhì)條件的特點，對日本提出的值進行調(diào)整。經(jīng)與日本盾構(gòu)機制造商進行技術(shù)交流和爭論，取得共識。認為將盾構(gòu)機刀盤最大扭矩系數(shù)值提高到25以上，不僅更適應北京地區(qū)砂卵石地層的隧道施工，也間接提高了盾構(gòu)機的使用壽命，技術(shù)經(jīng)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(gòu)機設(shè)計中是非常重要的內(nèi)容。刀具布置方式及刀具形狀是否適合應用工程的地質(zhì)條件，直接影響盾構(gòu)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(gòu)機的發(fā)展歷史看，刀具布置有兩種方式：第一種為刀具整體連續(xù)排列方式，因其切削阻力較大，盾構(gòu)機密封艙內(nèi)土體流動性差，現(xiàn)已很少使用，僅偶爾在切削阻力小的淤泥質(zhì)地層中采用；第二種為刀具牙型交錯連續(xù)排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封艙內(nèi)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(xù)排列方式。我集團公司采購的盾構(gòu)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(jù)北京市地鐵隧道施工中可能碰到的三種主要地質(zhì)條件，刀具布置時應按照牙型交錯連續(xù)排列的原理，確保盾構(gòu)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(zhì)的要求)，需設(shè)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(jīng)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(zhì)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(shè)計。針對北京地鐵隧道穿越三種主要地層的特點，刀具設(shè)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(qū)施工的需要，盡可能減少刀盤旋轉(zhuǎn)刀具切削土體過程對周邊土體及環(huán)境的干擾，如振動、噪音等。逝④裕如何從材扒料和設(shè)計品方面，對肺解決盾構(gòu)枕機在砂卵華石地層掘米進時刀具錄的磨雅損易(架包括撞擊鉆掉塊首等這)使提出切實秘可行的措坐施，保證板盾構(gòu)機刀轎具長距離腳掘進的可展靠性。朗(1)給倉刀具的類碑型及切削酬原理凡目前盾構(gòu)炭機刀具按潤切削原理荒劃分，一動般公認有丹滾刀和切從削刀兩種文類燙型潤(喉根據(jù)隧道損圍巖性質(zhì)您不同、切饑削目的不蠶同，這兩收類刀具還塌可進一步到細紡分渴)聰。滾刀的駁切削原理灶主要是刀礦具依靠擠注壓破巖，撈一般用于倒巖石隧道煩的掘進。鍵當雖然穿俘越松散地畜層但有大瓣粒徑的礫繭石毯(恭粒徑大咬于麗400m點m贊)腿、并且含尚量達到一裹定比例時距，也可采飯用滾刀型介刀具。另化在隧道地蔬質(zhì)條件復啦雜多變、沈巖脫石獻(樂強度不算根太爺高通)翅與一般土遵體觸(顆或粘土或樂砂嫩土放)繳交錯頻繁敗出現(xiàn)的情疑況，也有隙可能采用筆滾刀型刀剝具，即在鋤復合式盾搬構(gòu)機中采舞用。北京籠地區(qū)一般墊不需要采漠用滾刀型大刀具，至艦少在西四濫環(huán)向東的崗北京市大束部分地區(qū)茂不需要。腎切削刀的香切削原理煤則主要是售盾構(gòu)機向?qū)η巴七M的史同時，刀即具隨刀盤蛙旋轉(zhuǎn)對開據(jù)挖面土體踏產(chǎn)生軸某向撈(恩沿隧道前糞進方裙向辮)諷剪切力和跟徑仗向蝦(榴刀盤旋轉(zhuǎn)氣切線方透向爹)莫切削力，瘋不斷將開激挖面前方劑土體切削臂下來。切輛削刀一般狼適用于粒斧徑小生于離400m屬m詠的砂卵石繭、砂土、破粘土等松袋散體地層感。饑(2蜜)杰主要刀具亡形狀及作籮用①切削刀努切削刀是福盾構(gòu)機切藝削開挖面撲土體的主挨刀具，切疑削刀一般笨形狀如綢圖乘1執(zhí)5朵所示。一份般情況下啞，嘆β返(沫前秋角遙)杰與贈α貫(者后飯角勁)越值隨切削杜地層特性術(shù)不同變化刑，取值范踢圍犯在占5頸°檔～勢20仔°旗之間，粘驚土耍地糟培層稍大，托砂卵石地猜層稍小。墓針對北京炊市地層特滿點外，講β義(通前腐角瘡)見和之α度(磚后盲角富)聯(lián)值建議采濁用匪15債°慌。切削刀秒切削土體省的示意見類圖節(jié)1伸6讀。賀②邀超前肅刀靠(告也稱先行辣刀軌)妖顧名思義帽，超前刀年即為先行棍切削土體竭的刀具。小超前刀在襪設(shè)計中主貿(mào)要考慮與沈切削刀組局合協(xié)同工束作。刀具驗切削土體印時，超前蝦刀在切削框刀切削土栽體之前先臨行切削土石體，將土瓣體切割分莫塊，為切尊削刀創(chuàng)造餃良好的切劣削條件。唱據(jù)其作用妹與目的，厲超前刀斷膀面一般比只切削刀斷片面小。采識用超前刀尸，一般可季顯著增加冶切削土體盛的流動性海，大大降畢低切削刀炕的扭矩，諷提高刀具骨切削效率霉，減少切逗削刀的磨肅耗。在松騙散體地層萬，尤其是諒砂卵石地壟層使用效薯果十分明務顯。超前轉(zhuǎn)刀刀具形同狀及與切證削刀協(xié)同津切削土體芝的示意見礎(chǔ)圖茂1墨7熊。彈③紗盤圈貝型膠刀智盤圈貝型射刀實質(zhì)上眼是超前刀支，盾構(gòu)機臣穿越砂卵曠石地層，拔特別是大勸粒徑砂卵帝石地層時公，若采用燙滾刀型刀顆具，因土醉體屑松散項體，在滾系刀掘進擠嬸壓下會產(chǎn)陣生較大變純形，大大揀降低滾刀厘的切削效是果，有時費甚至喪失勵切削破碎腸能力。針?gòu)D對北京市遠大粒徑砂畫卵石地層盈的特性，競根據(jù)筆者死在日本的蜘施工經(jīng)驗襯，建議采總用盤圈貝山型刀，將銀其布置在頁刀盤盤圈喚前端面，唉專用于切爭削砂卵石怠。采用盤滑圈貝型刀盤可較好地怖解決盾構(gòu)蝴機切削土川體唇(杯砂卵禁石鎮(zhèn))釀的難題。滿盤圈貝型爺?shù)妒疽庖娫韴D它1嚼8聞。④魚尾刀掩采用大刀遼盤全斷面金切削土體埋，布置在抖幅條上不暮同位置的釘切削刀，輕從刀盤外宵周至中心材，運動圓槍月逐漸減齡小，中心蜘點理論上守可以視為御零。換言園之密封艙糧內(nèi)切削土距體的運動齊長度也是敬由外至內(nèi)俗逐漸變小粉，相應土柱體流動狀否態(tài)也是越欄來越差。仆而且中心恒支撐部坊位梁(武直徑敬約怎1.5患m確)快不能布置菊切削刀，肢為改善中蔽心部位土祝體的切削馳和攪拌效瑞果，可考瞇慮在中心怒部位設(shè)計筋一把尺寸付較大的魚窮尾揪刀影(退詳見魚尾竄刀切削土軋體示意芬圖昌19擦)詠。根據(jù)經(jīng)薄驗，色尾黑刀的趁設(shè)計和布骨置可應用堤兩個技巧扣：其一讓穴盾構(gòu)機分朵兩步切削赤土體，利公用魚尾刀降先切削中伙心部位小梢圓斷嚇面和(叫直徑燕約端1.5染m琴)蒸土體，而傾后擴大到伴全斷面切上削土體，趣即將魚尾剩刀設(shè)計與害其他切削招刀不在一磁個平面上洪，一般魚蠻尾刀超歌前暖600咬m春m書左右，保是證魚尾刀籌最先切削咱土體；其斷二是將魚筆尾刀根部班設(shè)計成錐各形，使刀歸盤旋用轉(zhuǎn)還晉時隨魚尾笑刀切削下跳來的土體緒，在切向賄、徑向運斗動的基礎(chǔ)卵上，又增藍加一項翻謠轉(zhuǎn)運油動碎(來如同犁地供一吧般楚)售：這樣既族可解決中兔心部分土耳體的切削音問題和改單善切削土系體的流動續(xù)性，又大呀大提高盾粥構(gòu)機整體壺掘進水平糟。⑤仿形刀來盾構(gòu)機一姥般設(shè)計兩采把仿形傻刀妄(住一把備慘用跳)骨，布置在手輻條的兩尋端。施工搜時，可以香根據(jù)超挖則多少和超匠挖范圍的但要求，從奉輻條兩端待徑向伸出鼻和縮回仿德形刀，達轟到仿彤切攤削的目的鼠。仿形刀奧伸出最大躬值一般糊在這8海0誤～朱130m愉m賴之間。盾主構(gòu)機在曲睡線段推進貞、轉(zhuǎn)彎或刃糾偏時，慨通過仿形不超挖切削左土體創(chuàng)造級所需空間靜，保證盾國構(gòu)機在超緣挖少、對湖周邊土體豬干擾小的襯條件下，坡實現(xiàn)曲線瓜推進和順績利轉(zhuǎn)彎及挪糾偏，因酬而盾構(gòu)機迎需設(shè)置仿埋形刀。崇7.3幫距轉(zhuǎn)彎及糾獲偏鉸接機連構(gòu)圍經(jīng)過統(tǒng)計膝，地鐵施矛工用盾構(gòu)品機的靈敏毯系榨數(shù)絨(冠機禽長朽/賀外織徑闖)在一般不大噸于垂1.宰5皺，不用鉸驕接機構(gòu)也雜能滿足轉(zhuǎn)比彎和糾偏甩的需要。賠但考慮到負在北京市略內(nèi)施工控脹制地面沉虜降的要求圍較高，施濤工中可能攜有坑(奶或已碰俗到認)繪障礙物，滾需要提貨前敵(啞或盡量減隊少與障礙損物相撞的暑范約圍克)介繞開障礙衰物，需要午轉(zhuǎn)吧彎蒙(聽甚至較小剝半徑轉(zhuǎn)帽彎名)秩掘進。此霜時使用鉸鋤接機構(gòu)，碎可以比較香容易地實他現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和悶減少對盾籃構(gòu)機周邊有土體的擾枕動，對控區(qū)制沉降有昂利。用轉(zhuǎn)暈彎及糾偏扔鉸接機構(gòu)投，還可以乳依據(jù)曲線禮隧道的有值使關(guān)參數(shù)茄，預先計幫算出每段康曲線中每惠環(huán)管片應女該轉(zhuǎn)動的滾角度，盾懇構(gòu)機曲線被推進前啟蜓動鉸接機剝構(gòu)，使之其符合曲線往前進方向糠的要求，鋸限定盾構(gòu)蓮機在設(shè)定甜的曲線上撈推進。為言增強盾構(gòu)慧機轉(zhuǎn)彎功億能，以適警應北京地撕鐵隧道施墻工的需要暑，應為盾咐構(gòu)機配備筐轉(zhuǎn)彎及糾讓偏鉸接機溪構(gòu)。滿7.4透黨洞內(nèi)超前箏注漿加固真隧道前方雙土體及氣召壓封閉開膊挖面系統(tǒng)永(1降)鑒氣壓封閉管開挖面系遞統(tǒng)輛在北京市掏采用密閉敘式盾構(gòu)機洞掘進施工李時，掘進腦前方若碰堤到障礙物隙，一般不勻易處理，保但施工中巴很難避免蘭。為此，緩宜在盾構(gòu)愉機設(shè)計階認段，考慮芬與人孔結(jié)恐合，配備貫氣壓艙。接一旦遇到寫異常情比況瓜(怒如障礙物功等暖)姓不能由地流面進行處乞理時，可聰在隧道內(nèi)竄進入盾構(gòu)促機密封艙券里進行處綿理。灑(2潮)視洞內(nèi)超前乓注漿加固棒隧道前方鏟土體系統(tǒng)梨當盾構(gòu)法纖隧道穿越碑地段的地畝面建筑物露的基礎(chǔ)結(jié)謎構(gòu)較差，錫或建筑物弦特別重要者時，對盾篇構(gòu)機控制手沉降的性芹能要求很乞高。特別苦是對于隧秩道前進方芳向有重要巴構(gòu)筑礙物寸(耐如已運行挖地鐵、油育庫舟等面)匆相鄰以及席土體由于哪城市特殊移水的原因射變軟，或汪有大量不雷規(guī)則空隙艱的情況，齊筆者認為衫還應考慮筒在隧道內(nèi)吉對開挖面荒前方土體皮注漿加固督的輔助措鎖施，即在欄盾構(gòu)機內(nèi)喜預先設(shè)計雀多個注漿言加固刊孔絕(覆按可全斷廣面注漿的兇要求設(shè)比計煉)撤，同時配檢備盾構(gòu)機鐵內(nèi)專用注子漿設(shè)備，煉一旦施工拉需要，立坦即安裝注忽漿設(shè)備，督對開挖面絡(luò)前方土體臥實施超前迅注漿加固云。設(shè)計超來前注漿深立度一般裂為三3礦～家4伯m哥，最大注筒漿加固土聾體斷面直石徑可砌達貌12適m椒。盾構(gòu)機鉤內(nèi)超前注逃漿加固土今體見計圖堡2綱0必。扭盾構(gòu)機掘憶進施工時大，可以根帽據(jù)遇到的蹲不同情況擁，單獨應忌用機內(nèi)超永前注漿加曬固土體系耍統(tǒng)和氣壓國密封系統(tǒng)總，還可將苗兩者聯(lián)合注使用，以吳進一步提旦高隧道施役工的安全始性和可靠監(jiān)性。群7.5備橡盾構(gòu)機總泳推力及分哪區(qū)油壓控食制系統(tǒng)商根據(jù)日本內(nèi)資料，盾緞構(gòu)機的總掠推力與開箭挖面的土監(jiān)壓阻力、奧盾構(gòu)機外席圓周摩擦夠等濕6階個因素有德關(guān)。撐在設(shè)計盾句構(gòu)機時，撕一般在考文慮震6字個因素的隆基礎(chǔ)上，排增加一定把比例的富炎余推力。殲根據(jù)我集抓團公司在打北京市砂囑卵石地區(qū)顯盾構(gòu)法施借工的經(jīng)驗吊，推進阻虧力較大。拳為滿足北您京地區(qū)砂蛙卵石地層保隧道施工壇盾構(gòu)機推床力的需要負，盾構(gòu)機暖的總推力貴宜適當增忙大，達到克盾構(gòu)機掘救進斷面單部位面積上護推力大爆于醋1200舅kN立(習即盾構(gòu)機填總推封力騎/酒盾構(gòu)機外喘徑圓面冶積奧)傲較為合適逼。敞推進系統(tǒng)籠為盾構(gòu)機秧向前掘進楚提供動力微，直線段習掘進時，背推進千斤竊頂?shù)暮狭爬碚撋蠎勗诙軜?gòu)機龍的軸心；裝曲線段掘堵進時，推政進千斤頂晶的推進合虛力作用點罷則應該位戲于最有利刻于盾構(gòu)機筐曲線掘進價的位置錘上兇(勿盾構(gòu)機加目工制造時專千斤頂位眉置已固定發(fā)的條件下茄進行調(diào)扣鏈愿)沃。盾構(gòu)機參在推進施誘工時，為盼控制出現(xiàn)還較大偏差避，推進操葛作時實際舅上是隨時鼻在對盾構(gòu)頌機的態(tài)勢卷進行糾偏野和調(diào)整。毒為便于推圣進千斤頂敲分區(qū)編組士或自由編椒組，實現(xiàn)鐵適時糾偏濃，盾構(gòu)機積推進系統(tǒng)榆應設(shè)計為綁分區(qū)油壓宴控制，確標保推進千近斤頂?shù)暮项}力滿足曲柴線掘進及離糾偏的要聯(lián)求。正7.6肆膨屑構(gòu)機在材砂卵石地香層掘進的纖耐磨牲損熊(狂耗杜)疊措施蹈根據(jù)我集庸團公司在辦北京市砂膠卵石地層槳進行盾構(gòu)謝法施工的襲經(jīng)驗，北粥京地區(qū)砂怕卵石地層符中采用盾恰構(gòu)法施工孔時，盾構(gòu)脆機的刀盤片、刀具、繩密封艙內(nèi)刪壁以及螺英旋輸送機基的磨纖損矩(涉耗忌)施比較大，揚特別是在千石英砂含蹄量較多、雀卵遠石際(修礫加石體)芝粒徑較大荷的情況下財，磨損極丘為嚴重。若為保證盾春構(gòu)機在砂抓卵石地層頁掘進時刀濁具切削正料常，實現(xiàn)雄長距離掘斯進，筆者炎查閱國內(nèi)拒外有關(guān)刊恩物關(guān)于砂碎卵石地層牙施工的技擋術(shù)資料，辛并請教國旨內(nèi)外有關(guān)掏盾構(gòu)技術(shù)逆專家，提箏出盾構(gòu)機堅設(shè)計時應腔采取以下兔措施。鵲(1脈)柄使用耐磨只及韌性好底的礦用刀偶具材料，甘除在刀具橡刀口部分拒考慮嵌入招超硬材尺料匯(總?cè)缣蓟u疑合金仇等蹲)鐘外，切削崗土床砂約(翁卵血石舒)邁沿刀具向椒后流動所辦經(jīng)過的刀降具表面也閘適當給予更加強。振(2爹)薦考慮采用登主副刀聯(lián)膝合切削土本體，設(shè)計隱主副切削存刀覺(往主副超前幻刀編)李。其基本撕思想是利魂用主副刀唉不同的切乒削高度膏差柱(址高差值約橡為板20m脹m賺，可經(jīng)過嬌磨損計算源確年定橡)恐，延長刀雜具使用壽耍命。當主批切削痛刀沈(妨主超前驢刀堆)襲的高度磨案損大啄于苗20m間m揉后，副切泊削土刀迷(討副超前摘刀涌)肆開始工作籮。這樣．砌延長了刀作具的磨損鼓長度，大三大提高了跨刀具整體慢抗磨百損誦(脆耗葬)仙能力。房圖青2廚1擊為主副切的削刀布置或示意圖。蘋(3掛)井在盾構(gòu)機帥刀盤盤圈薯后端、密壽封艙內(nèi)壁頸以及螺旋野輸送機內(nèi)迎均采用耐謀磨材料，籍并考慮便分于維修和支更換的措崇施。歸7.7突貓減少屑構(gòu)困機推進阻糾力的措施桑根據(jù)不同怨地質(zhì)條件道，以老及摧N煎(倉標準貫人漲錘擊戒數(shù)后)佳值的大小妖，切削刀更最大切削番軌跡外徑站、刀盤盤喉圈外徑和閃盾構(gòu)機外易徑三者的戴尺寸之間蛾有細微的太差別，若燈處理不當嚇，將增大取推進阻力炒，給盾構(gòu)竭機整機推潑進性能帶興來較大影步響，其原越因在此不嬸贅述。針冒對北京地晚區(qū)地層特辣點，筆者田認為為減諷少盾構(gòu)機括推進阻力貍，除盾構(gòu)嘆機設(shè)有加回泥加泡沫衡系統(tǒng)外，斗還應采用詠以下兩項咸措施：涼(1炮)猜設(shè)計主切后削刀最大鳥切削軌跡不外徑略大色于盾構(gòu)機現(xiàn)外徑，既惜減少盾構(gòu)邁機刀盤盤噴圈和盾構(gòu)游機外周的貌摩擦阻力儀，又不會展影響盾構(gòu)低機控制土啊體沉降的佛能力和效猶果。切(2騙)臭調(diào)整刀具后切削土體項深度，合霜理設(shè)置刀鏟盤盤圈刀崖具線(樂貝型所刀秩)禍，喊少切膽削阻力。逢根據(jù)刀盤保盤圈刀具冷切人土體元深度的計彎算公式，邁可計算出檔刀具切人柔土體的深烈度半(鬧表爽5伯)陡。姑由嗓表懼5閉可知，刀儀具布置可剝顯著影響純刀具切削控土體的深竄度。為減棉少推進阻軍力、切削震噪音和切叛削振動，添應選擇合品適的刀具更切削深度伸。根據(jù)筆島者經(jīng)驗，愧盾構(gòu)機高鮮速推進時冬，切削深皺度棕以賤1狂0課～堆15m吹m幕為好；一援般速度推拖進時，切雁削深度則勝以加4誰～皇8m榆m捆為好。故宜在刀盤盤