不同地層下盾構(gòu)機(jī)械掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

張婷

【摘 要】當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)械已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在城市地下空間建設(shè)中。但在不同的地層介質(zhì)中，盾構(gòu)刀盤扭矩、推力、切割刀材質(zhì)等方面要做很多的調(diào)整，否則將不足以完成掘進(jìn)任務(wù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的盾構(gòu)掘進(jìn)資料，論文分析了盾構(gòu)機(jī)械在土質(zhì)地層、土石混合地層、巖質(zhì)地層中的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)與盾構(gòu)機(jī)械選型及動(dòng)力調(diào)整方案，加強(qiáng)工程技術(shù)人員對(duì)不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，并為盾構(gòu)機(jī)械選型提供一定參考。

【Abstract】At present， shield machinery has been widely used in the construction of urban underground space. But in different formation media， the shield cutter torque， thrust， cutting tool material can be adjusted in many ways， otherwise it will not complete the task of tunneling. According to the data of the existing shield at home and abroad， paper analyzes the tunneling risk in soil stratum， rock mixture formation and the rock formation and the type selection of tunneling shield machine and the dynamic adjustment plan， to strengthen the understanding of the shield tunneling risk in different strata for technical personnel， and provide some reference for the selection of shield machine.

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機(jī)械；刀盤扭矩；風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

【Keywords】shield machine； cutter torque； risk countermeasures

【中圖分類號(hào)】TD406 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0138-02

1 引言

隨著近些年城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市交通變得日益擁堵，在這種情況下地下空間的開(kāi)發(fā)與利用成為不可阻擋的趨勢(shì)。當(dāng)前全國(guó)各大城市都在進(jìn)行地下鐵道的建設(shè)，盾構(gòu)機(jī)作為一種地下隧道掘進(jìn)的機(jī)械工具，能夠在基本不影響地表交通的情況下快速實(shí)現(xiàn)隧道挖掘工作，并且全程地下機(jī)械施工，完成隧道開(kāi)挖、襯砌支護(hù)、注漿加固等工作，因此在地鐵建設(shè)浪潮中備受青睞，相應(yīng)的盾構(gòu)技術(shù)也在近些年得到了飛速發(fā)展[1]。

在我國(guó)不同城市地鐵建設(shè)中，遇到了各種各樣復(fù)雜的地質(zhì)狀況與地層情況?？偨Y(jié)目前國(guó)內(nèi)20多個(gè)城市盾構(gòu)施工資料，將盾構(gòu)機(jī)械掘進(jìn)地層分為三大類，分別為土質(zhì)地層、巖石地層及砂卵石土石混合地層。從地層類別方面出發(fā)，結(jié)合具體的案例，分別對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)所采取的關(guān)鍵技術(shù)、面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)的對(duì)策進(jìn)行分析。

2 盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介

2.1 基本原理

盾構(gòu)法是目前城市地鐵的主要施工方法。盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)系統(tǒng)化、配套化的機(jī)械系統(tǒng)。一臺(tái)典型的盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖1所示，盾構(gòu)機(jī)由刀盤系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋機(jī)系統(tǒng)、仿形刀具系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、注水注泥系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其中，刀盤系統(tǒng)負(fù)責(zé)切削泥土，減小推進(jìn)阻力，并保持掘進(jìn)面的穩(wěn)定。推進(jìn)系統(tǒng)依靠盾尾千斤頂頂住拼裝好的管片，克服各種摩擦力，是盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的核心，該系統(tǒng)內(nèi)一般預(yù)留4個(gè)不同方位千斤頂用于掘進(jìn)方向調(diào)整。螺旋機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將土倉(cāng)內(nèi)的土排出，并通過(guò)轉(zhuǎn)速保持土倉(cāng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定。管片拼裝系統(tǒng)負(fù)責(zé)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)預(yù)制管片的安裝，形成洞內(nèi)襯砌。仿形刀具分布于刀盤邊緣，能夠自由伸縮，在盾構(gòu)方向改變時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)局部超挖。注水注泥系統(tǒng)是將一些特殊的土或泥水輸送到土倉(cāng)，改良渣土，可以減小刀盤扭矩，使切削的渣土能夠順利從土倉(cāng)排出。

2.2 盾構(gòu)分類

常見(jiàn)的盾構(gòu)機(jī)分為敞開(kāi)式和封閉式，敞開(kāi)式用于山嶺巖質(zhì)隧道開(kāi)挖，無(wú)盾殼支撐，對(duì)圍巖的自穩(wěn)性能要求高。封閉式分為泥水平衡盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)，城市中大多使用土壓平衡式盾構(gòu)。

3 土質(zhì)地層

平原地區(qū)城市地下主要以土層為主，土屬于一種典型的彈塑性材料，強(qiáng)度較低，切削容易。當(dāng)前我國(guó)城市土質(zhì)地下隧道施工的主要方法是淺埋暗挖法與盾構(gòu)法，相比淺埋暗挖法，盾構(gòu)法的優(yōu)勢(shì)在于施工速度快。北京地鐵施工時(shí)，同樣1公里的隧道，采取淺埋暗挖法施工是盾構(gòu)法的3～5倍，當(dāng)前除少數(shù)特殊地質(zhì)情況或隧道太短的情況下，隧道施工均采取盾構(gòu)法[2]。常見(jiàn)的砂土、粉土、粘土地層中，盾構(gòu)選型與掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置均有明顯差異。在砂土類地層中往往采取泥水平衡盾構(gòu)或土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，而在粘土類地層一般選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工[3]。

4 砂卵石地層

在砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)的主要問(wèn)題表現(xiàn)為：

①刀具磨損、折斷嚴(yán)重；

②掘進(jìn)面失穩(wěn)超挖，砂卵石作為一種弱膠結(jié)散體材料，擾動(dòng)后容易失穩(wěn)坍塌；

③易導(dǎo)致地表塌陷；

④刀盤切削砂卵石地層時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)髦恋乇?，加速了空洞的發(fā)展。

從砂卵石地層反映出的問(wèn)題分析，解決砂卵石地層盾構(gòu)開(kāi)挖的關(guān)鍵問(wèn)題在于解決刀具強(qiáng)度問(wèn)題與開(kāi)挖面穩(wěn)定問(wèn)題。目前所采取的對(duì)策主要由兩方面組成：第一用強(qiáng)度更大、切削巖石用的刀具，第二采取土倉(cāng)內(nèi)加泡沫與泥漿的方案，吸收振動(dòng)能量并維持開(kāi)挖面穩(wěn)定。

5 巖質(zhì)地層

巖質(zhì)地層掘進(jìn)采取TBM掘進(jìn)機(jī)，TBM采取刀盤敞開(kāi)式構(gòu)造，無(wú)需支撐，無(wú)需土倉(cāng)加壓，刀盤上設(shè)置滾刀、齒刀實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石等硬質(zhì)地層的破碎，出渣方式也較為簡(jiǎn)單。敞開(kāi)式的TBM在巖質(zhì)地層進(jìn)行隧道開(kāi)挖的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是要同時(shí)滿足土質(zhì)與石質(zhì)地層開(kāi)挖，常規(guī)的TBM很難實(shí)現(xiàn)。

在重慶地鐵6號(hào)線，采取了復(fù)合式TBM（如圖2）進(jìn)行地鐵隧道的開(kāi)挖，刀盤帶滾刀，采取高強(qiáng)度切刀，且艙內(nèi)攜帶破碎機(jī)械，實(shí)現(xiàn)順利出渣。復(fù)合式TBM的采用也避免了采取鉆爆法施工對(duì)地表建筑物結(jié)構(gòu)安全的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)城市地鐵建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)低速摸索到高速發(fā)展的階段，不同地層下盾構(gòu)機(jī)的選型、施工技術(shù)參數(shù)均經(jīng)歷了一個(gè)從陌生到熟練的過(guò)程，施工中的難題已被逐個(gè)攻克。工程建設(shè)中從最初的考慮機(jī)械設(shè)備是否可行、風(fēng)險(xiǎn)是否可控、結(jié)構(gòu)是否安全，發(fā)展到如今的方案是否經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響是否達(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)耐久性是否有保障，未來(lái)盾構(gòu)機(jī)的性能必將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，并且在機(jī)械配置水平、自動(dòng)化程度、信息化水平與精度方面還會(huì)有更大的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉招偉，土夢(mèng)恕，董新平.地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（8）：1297-1301.

【2】樂(lè)貴平.淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40（3）：14-30.

【3】趙峻， 戴海蛟.盾構(gòu)法隧道軟土地層盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（s2）：5147-5152.endprint