以色列富水庫卡地層盾構選型研究

懷平生， 安宏斌， 白曉嶺， 漆偉強， 楊志勇

(1. 中鐵十二局集團國際工程有限公司， 北京 100176； 2. 中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030000； 3. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

0 引言

近些年來，國內(nèi)隧道施工的技術水平飛速發(fā)展，盾構施工在我國城市交通的建設中發(fā)揮著重要的作用。隨著“一帶一路”倡議的實行，越來越多企業(yè)走向海外，以以色列為代表的泛地中海區(qū)域國家的盾構隧道施工缺乏類似地層盾構施工經(jīng)驗，國內(nèi)的施工經(jīng)驗僅能提供一定借鑒，這給盾構施工帶來了極大的挑戰(zhàn)。

如今國內(nèi)的隧道施工技術以及盾構制造技術日益成熟，國內(nèi)企業(yè)逐步向海外擴大市場。在新加坡地鐵湯申線T209標采用2臺國產(chǎn)泥水盾構，成功克服了地層富水量大、巖石強度高、地質(zhì)軟硬不均及突變等困難。肖曉春[1-2]分別對新加坡復合地層采用泥水平衡盾構施工開挖面的穩(wěn)定性以及泥水壓力設定進行了探討，以及對馬來西亞吉隆坡石灰?guī)r地層采用盾構法施工修建SMART隧道工程做了詳細分析。在孟加拉國卡納普里河底隧道工程中，地層以粉細砂為主，極易發(fā)生砂層液化、刀盤結泥餅、切削面坍塌、排泥口堵塞等，由我國自主研發(fā)的直徑12.12 m泥水平衡盾構，順利完成該地層的隧道施工。中國鐵建針對莫斯科寒冷的氣候和上軟下硬的復合地層，量身打造的盾構成功應用于莫斯科第三換乘環(huán)線。國內(nèi)部分學者結合地層條件和施工環(huán)境進行了盾構選型方面的研究。楊志勇等[3]對北京地鐵7號線8標化工廠污染地層進行了盾構選型的分析，考慮地層污染情況，優(yōu)選出了泥水平衡盾構施工。尚艷亮等[4]分析了石家莊6個區(qū)間12臺盾構的地表沉降數(shù)據(jù)，得出了適合無水砂層的最佳盾構機型。侯凱文等[5]針對南寧地鐵2號線隧道穿越黏土層、硬巖層以及上軟下硬等地層開展了盾構動力設備、刀盤和刀具的相關研究。郭彩霞等[6]依據(jù)大粒徑卵礫漂石地層，開展了盾構適應性分析，并將盾構進行改造升級。葉康慨[7]、張雙亞等[8]根據(jù)北京地下直徑線工程地質(zhì)條件，從盾構與地層滲透性、顆粒級配、黏土含量的關系，對盾構選型進行了詳細描述。王全華[9]針對蘇州軌道交通2號線工程特點，對比分析了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的優(yōu)劣，確定了土壓平衡盾構具備更好的經(jīng)濟性、安全性、適應性和環(huán)保性。李茂松[10]針對盾構在富水砂層中施工，對土壓平衡盾構的刀盤結構和刀具布置進行了改造，使盾構掘進速度提升了4倍。陳仁朋等[11]、王旭等[12]都針對復雜地層刀盤的地質(zhì)適應性進行了理論計算和設計研究。蔣磊等[13]針對長沙地鐵3號線盾構穿越礫巖夾泥質(zhì)砂巖復合地層、斷裂破碎帶和復雜巖溶地層，對盾構各關鍵部位進行了設計和改進。吳和北等[14]、曹智等[15]對成都砂卵石地層盾構選型和施工關鍵參數(shù)的理論計算做了詳細分析。

盡管國內(nèi)外盾構選型有豐富的工程經(jīng)驗和案例可以借鑒，但是特拉維夫紅線輕軌是以色列第1條地鐵，特有的庫卡地層具有石英含量高、強度大、透水性強，且上覆地層還有粉細砂，沉降不易控制，在該地層施工未有類似盾構施工的經(jīng)驗可以借鑒。因此，對該地層進行盾構選型研究，以期為今后以色列地區(qū)盾構施工及其他海外項目提供一些參考。

1 工程背景

以色列特拉維夫紅線輕軌項目是該城市的第1條地鐵項目，東標段的5、6號線采用2臺盾構施工。1號盾構施工6號線，在車輛段始發(fā)，在Em Hamoshavot車站接收；并整體過站后再始發(fā)，直接下穿1/5/2/6豎井和Aharanovitz車站，最后在Ben Gurion車站接收；然后，拆機轉(zhuǎn)場至Shenkar車輛段，始發(fā)掘進至1/5/2/6豎井，最后接收拆機。2號盾構施工5號線，在Depot車輛段始發(fā)，在Em Hamoshavot車站接收并整體過站再始發(fā)；盾構在1/5/2/6豎井接收后過站始發(fā)，下穿Aharanovitz車站，最后在Ben Gurion車站接收；拆機轉(zhuǎn)場至Shenkar車輛段，始發(fā)掘進至1/5/2/6豎井接收。線路經(jīng)過特拉維夫城市中心，需要穿越鐵路、房屋、高架橋等重要建筑物，沉降控制嚴格，且地下管線復雜、地表交通繁忙、建筑物密集。線路平面位置如圖1所示。

圖1 線路平面位置圖

2 地層特性分析

2.1 盾構穿越地質(zhì)

(a) Depot—Em Hamoshavot區(qū)間地質(zhì)剖面圖

(b) 5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間地質(zhì)剖面圖

2.2 庫卡地層特性

庫卡是一種少部分膠結的顆粒土，它可以細分為4類，強度最高的庫卡層稱為K-4，強度最低的層稱為K-1，對其具體描述見表1。

為評價其磨蝕性，對11塊庫卡巖樣進行了炭黑磨蝕性試驗，得到磨蝕性指數(shù)范圍為0.6～2.7，平均值為1.6，如圖3所示。因此，庫卡土層可以被認為是具有一定磨蝕性的土層。

圖3 磨蝕試驗分析圖

對庫卡巖樣進行電鏡掃描，測試其成分含量，結果表明庫卡主要由方解石、石英、鐵白云巖組成。方解石含量占40%～60%，石英含量占20%～30%，剩下的主要以鐵白云巖為主，測試結果如圖4所示。

表1 庫卡地層圍巖描述

圖4 庫卡成分分析

庫卡地層石英含量較高，磨蝕性強，對刀具的磨損大，而且?guī)炜ň哂幸欢ǖ膹姸?，所以盾構需配置耐磨滾刀；庫卡地層具有極強的滲透性，滲透系數(shù)高達5×10-4m/s，隧道大部分都在地下水位以下，在該地層中掘進還需做好渣土改良的工作。

2.3 其他地層特性

其他類土質(zhì)包括砂層、混合顆粒土、貧黏土和重黏土。砂層主要是由細到中等的砂子組成，無黏性，含水率平均值約為13%，干容重的平均值為15.3 kN/m3；混合顆粒土含有0%～15%的礫石，晶粒尺寸小于0.06 mm的含量為5%～50%，含水率測定結果平均值為20%；重黏土具有高塑性，天然含水量在11%～61%，平均值為32%。具體土質(zhì)劃分和描述見表2。

表2 其他圍巖描述

3 選型分析

3.1 盾構類型比選

由于盾構需要先后穿越完全不同的2種地質(zhì)，為盾構選型增加了很大困難。從車輛段至Em Hamoshavot車站的盾構區(qū)間以黏土為主，適合用土壓平衡盾構進行掘進；而剩余區(qū)間地質(zhì)以庫卡和富水粉細砂為主，滲透系數(shù)在5×10-6～5×10-4m/s，泥水平衡盾構更為合適。因此，需對2種盾構進行比選分析。

泥水平衡盾構適用于淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉細砂等各類軟土地層及復合地層，特別是在滲透系數(shù)大且水頭較高的江河中優(yōu)越性較大。泥水平衡盾構通過泥水管道將泥土輸出，可連續(xù)輸送，輸送速度快而均勻，但設備運行成本大，故障率高；土壓平衡盾構施工配合皮帶機長距離連續(xù)輸送渣土，施工效率將大幅度提高。泥水平衡盾構泥漿循環(huán)分離費時，泥漿管理難，雖然加入合適的添加劑后能增加流動性和止水性，可提高掘進效率，但土壓平衡盾構添加劑管理更加容易。經(jīng)過綜合評估成本、工期、場地條件等因素，本工程選擇土壓平衡盾構。

Pane等[1]將已報道的24例e19a2BCR-ABL CML患者分為兩組，15例單純的e19a2攜帶者血液學和臨床特征與CML-N相似，另外9例有主要路徑ACAs患者臨床表現(xiàn)與典型CML相似，前者的中位生存期為190個月，后者為37個月。Fabarius等[49]進行1 348例Ph染色體陽性的CML患者臨床試驗后發(fā)現(xiàn)，t(9；22)(q34；q11)、t(v；22)、-Y、平衡或不平衡次要路徑ACAs、主要路徑ACAs患者分別為1 175例(87.2%)、74例(5.5%)、44例(3.3%)、17例(1.3%)、 21例(1.6 %)，其中t(9； 22)、t(v； 22)、-Y、

3.2 盾構刀盤及刀具布置

3.2.1 刀盤

刀盤和刀具選擇的合理性直接影響到盾構掘進的速度和效果。刀盤結構必須具備足夠的強度和剛度，確保盾構在特殊地質(zhì)條件下也能順利掘進施工。由于庫卡地層具有高耐磨性和一定強度，需要在刀盤設計時選用足夠強度、剛度以及耐磨性的材料。本工程刀盤設計采用中心支撐和面板式刀盤，刀盤總質(zhì)量80 t，開挖直徑為7 550 mm，開口率為38%。針對地層磨蝕性強，刀盤面板焊接12 mm厚耐磨鋼板，并設置3個磨損監(jiān)測裝置；儀表區(qū)域采用40 mm厚鋼格柵設計。

3.2.2 刀具布置

刀盤共布置19把43.18 cm雙刃滾刀，刀間距為100 mm，滾刀可以從刀盤背面進行更換。同時，在刀盤上安裝3個磨損監(jiān)測傳感器。布置有120把切刀，16把撕裂刀，16把邊緣刮刀，1把中心魚尾刀。盾構現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖5 盾構現(xiàn)場照片

3.3 小半徑曲線盾構轉(zhuǎn)彎設計

盾構前盾長3 685 mm，直徑7 510 mm；中盾(包括鉸接接頭)長3 870 mm，直徑7 500 mm；尾盾(包括鉸接接頭)長3 950 mm，直徑7 490 mm。本工程設計的線路在5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間的轉(zhuǎn)彎半徑是220 m，在豎井1/5/2/6接收前40 m的轉(zhuǎn)彎半徑為190 m，盾構在小半徑施工將面臨轉(zhuǎn)向困難、超挖、卡盾等問題。為了有效解決盾構在小半徑曲線掘進問題，盾構鉸接采用雙鉸接設計，如圖6所示。在盾構前盾與中盾之間安裝一個主動鉸接，調(diào)向性能好，轉(zhuǎn)向彎曲角度大。將其置于盾構偏前處，使盾體前部長度尺寸縮短，減小土體摩擦阻力及鉸接千斤頂?shù)妮d荷。在中盾與尾盾之間安裝一個被動鉸接，雖然彎曲角度小，但結構簡單，占用空間小，可以將盾尾部分拖掛在后面。

采用單鉸接型式盾構極限轉(zhuǎn)彎半徑為200 m，但采用雙鉸接型式后，盾構極限轉(zhuǎn)彎半徑可達到150 m，有效地滿足了工程中最小轉(zhuǎn)彎半徑190 m的線路要求。

圖6 盾構鉸接示意圖(單位： mm)

3.4 盾構其他系統(tǒng)

3.4.1 螺旋輸送機系統(tǒng)

螺旋輸送機長度為16 m，功率為315 kW，轉(zhuǎn)速在0～22 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為195 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩為224 kN·m。在滲透性好的砂層和庫卡地層中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況改變閘門開度，保證渣土在螺旋輸送機中形成“土塞效應”，防止出現(xiàn)噴涌。

3.4.2 渣土改良系統(tǒng)

盾構泡沫系統(tǒng)采用單管單泵的設計，安裝有8個泡沫發(fā)生器，在砂層中加入泡沫，可降低渣土的內(nèi)摩擦角，不僅可以減少刀盤和刀具的磨損，而且還能有效地降低轉(zhuǎn)矩。配備1個功率為5.5 kW的膨潤土注入泵，在富水砂層中還可注入高分子聚合物，吸收渣土中的水分，改善其流塑性，防止噴涌的發(fā)生。

4 盾構主要參數(shù)

4.1 主要參數(shù)的確定

盾構主驅(qū)采用9組變頻電機，使用管片規(guī)格為： 管片外徑為7.2 m，內(nèi)徑為6.5 m，厚度為350 mm，環(huán)寬1.5 m，曲率半徑小于300 m時采用1.2 m寬的管片。盾構適應縱向的坡度不宜小于6%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為150 m。根據(jù)詳細的地層特性分析及針對性設計，盾構的主要參數(shù)見表3。

表3 盾構主要參數(shù)

4.2 刀盤轉(zhuǎn)矩理論計算

4.2.1 地層物理力學參數(shù)

土體物理力學參數(shù)選取第2區(qū)間始發(fā)后約110 m處的鉆孔勘探結果進行計算，土層參數(shù)見表4。

表4 地層物理力學參數(shù)

4.2.2 轉(zhuǎn)矩計算

盾構在推進過程中，刀具切削土體會產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩T1；切削下來的土體從刀盤開口進入土艙，開挖面土體因刀盤轉(zhuǎn)動而剪切破壞，產(chǎn)生剪切渣土轉(zhuǎn)矩T2；刀盤正面與土體產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)生摩阻轉(zhuǎn)矩T3；刀盤轉(zhuǎn)動過程中，刀盤外周與土體發(fā)生摩擦，刀盤側(cè)面的摩阻轉(zhuǎn)矩為T4；刀盤背面與渣土相互摩擦產(chǎn)生摩阻轉(zhuǎn)矩T5(假定土艙內(nèi)渣土壓力為刀盤正面?zhèn)认驂毫Φ?0%)；刀盤切削下來的渣土進入土艙后，通過刀盤支撐梁攪拌成為均勻的流塑性土體，產(chǎn)生攪拌阻力轉(zhuǎn)矩T6。轉(zhuǎn)矩計算見表5。

表5 刀盤轉(zhuǎn)矩計算

按照表中公式計算得刀盤總轉(zhuǎn)矩T=T1+T2+T3+T4+T5+T6=5 129.91 kN·m，考慮一定的其他因素，再將轉(zhuǎn)矩乘以儲備系數(shù)1.2，得到T總=5 129×1.2=6 154.8 kN·m。其中各公式選用的參數(shù)值見表6。

表6 轉(zhuǎn)矩參數(shù)選用表

表6(續(xù))

表6中，Qu=c+p0tanφ。其中c為改良后的渣土黏聚力，取1 kPa；p0為刀盤中心處土體的靜止土壓力；φ為改良后渣土的內(nèi)摩擦角，取5°。pr=(pe1+pe2+qe1+qe2)/4，其各項參數(shù)計算見表7。

表7 部分盾構受力計算

表7中W0為地表荷載，取10 kPa；D為盾構直徑，取7.55 m；γt為地下水位上部的土體平均容重，取19.5 kN/m3；γ′為地下水位下部的土體平均容重，取19 kN/m3；H0為地下水位高度，取17.5 m；Hw為地下水位至拱頂高度，取1 m；拱頂埋深按18.5 m計算；λ為土層側(cè)壓力系數(shù)，可根據(jù)地層物理力學參數(shù)表得知。

4.3 盾構實際掘進轉(zhuǎn)矩

盾構在第1個區(qū)間掘進時，轉(zhuǎn)矩滿足掘進要求。在第2個區(qū)間掘進時，盾構進入5/8豎井—1/5/2/6豎井區(qū)間的砂層中掘進后的轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示。由于額定轉(zhuǎn)矩僅5 265 kN·m，盾構施工時的轉(zhuǎn)矩基本在3 000～4 000 kN·m，盾構轉(zhuǎn)矩明顯不足，掘進速度為10～20 mm/min，盾構掘進速度慢、效率低。為解決該問題，增加了2組驅(qū)動電機，盾構額定轉(zhuǎn)矩達到6 435 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩達到9 331 kN·m，盾構掘進速度提高到40～50 mm/min，轉(zhuǎn)矩值在5 000～6 000 kN·m，在砂層中掘進效果良好，這與理論計算值較為接近。

(a) 先行盾構轉(zhuǎn)矩曲線圖

(b) 后行盾構轉(zhuǎn)矩曲線圖

5 結論與建議

庫卡地層巖石強度大，石英含量最高達60%，致使刀具嚴重磨損，換刀頻繁，所以合理的刀具配置、合適的刀盤開口率對掘進速度至關重要；在該地層中，盾構所需轉(zhuǎn)矩和推力大，轉(zhuǎn)矩高，建議在該地層盾構需配置足夠驅(qū)動電機，使盾構擁有足夠的轉(zhuǎn)矩。

1)實踐證明，在以色列富水粉砂及庫卡地層采用土壓平衡盾構施工，合理的選型是采用面板式刀盤配備雙刃滾刀，能保證盾構在砂層和庫卡地層中順利掘進。

2)采用了雙鉸接的方式。前盾與中盾采用主動鉸接，中盾與尾盾采用被動鉸接的方式，有效解決了盾構在190 m和220 m小半徑曲線掘進難題。

3)本工程中，國外設計單位給定的土壓力設計值高達0.3 MPa，掘進過程中盾構轉(zhuǎn)矩大，土艙溫度高，掘進速度低。在以后的施工中還需進一步對庫卡地層盾構土壓力的設定進行正確的理論計算分析。