地鐵施工盾構(gòu)機(jī)選型及施工組織探討

李海亮，程 斐

1.中鐵三局橋隧公司，四川 成都 610036

2.鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450000

1 地鐵施工盾構(gòu)機(jī)選型

1.1 盾構(gòu)機(jī)類型

隨著制造工藝的創(chuàng)新優(yōu)化，為滿足不同地鐵工程的施工需求，制造企業(yè)陸續(xù)研發(fā)出多款盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，不同型號、款式的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的工作原理、開挖方式與設(shè)備使用性能存在明顯差異。因此，在地鐵工程施工階段，企業(yè)需要明確盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的主要類型以及各類型設(shè)備的工作原理與適用范圍。

目前，盾構(gòu)機(jī)的分類依據(jù)為工作原理與開挖方式兩項(xiàng)要素。例如，將開挖方式作為劃分依據(jù)時，可以將盾構(gòu)機(jī)分為網(wǎng)格式、敞開式以及機(jī)械式三種；而將工作原理作為劃分依據(jù)時，可以將盾構(gòu)機(jī)分為手掘式、全機(jī)械式、半機(jī)械式以及擠壓式等類型。

在多數(shù)地鐵工程中，往往配置土壓盾構(gòu)機(jī)或氣墊式泥水盾構(gòu)機(jī)。其中，土壓盾構(gòu)機(jī)將開挖倉內(nèi)土壤為掌子面的穩(wěn)定介質(zhì)，控制刀盤開展旋轉(zhuǎn)切削作業(yè)，由輸送機(jī)將倉內(nèi)渣土向外運(yùn)出，通過改變設(shè)備掘進(jìn)速度以及實(shí)時出土量來調(diào)節(jié)倉內(nèi)土壓力。由于這類盾構(gòu)機(jī)主要依靠倉內(nèi)土壓力來抵抗外部水土壓力，因此也被稱為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。氣墊式泥水盾構(gòu)機(jī)依靠壓縮空氣所形成的氣墊對倉內(nèi)泥漿進(jìn)行加壓處理，從而起到穩(wěn)定掌子面的作用。在設(shè)備運(yùn)行期間，將所切削渣土在倉內(nèi)進(jìn)行混合處理，隨后，通過前閘門與泥漿管道，持續(xù)將泥漿輸送至地面進(jìn)行渣土處理，再對處理后的泥漿進(jìn)行循環(huán)使用。與其他類型盾構(gòu)機(jī)相比，氣墊式泥水盾構(gòu)機(jī)依靠泥水壓力來穩(wěn)定開挖面平衡，因此也被稱為泥水盾構(gòu)機(jī)。

1.2 盾構(gòu)機(jī)選型原則

為切實(shí)滿足工程施工需求，避免造成設(shè)備性能浪費(fèi)，在盾構(gòu)機(jī)選型環(huán)節(jié)，應(yīng)遵循從實(shí)際出發(fā)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適宜的選型原則。

1.3 盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)

在地鐵工程中，為明確盾構(gòu)機(jī)的選型思路，企業(yè)必須結(jié)合工程情況，提前明確盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)，在其基礎(chǔ)上對不同型號盾構(gòu)機(jī)的使用情況進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)預(yù)估結(jié)果進(jìn)行打分，配置綜合評分最高的盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)的選型依據(jù)具體如下：（1）工程地質(zhì)水文條件。技術(shù)人員應(yīng)深入分析現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告，了解礫石直徑、孔隙比、地下水位、含水率、粒度等信息，明確盾構(gòu)機(jī)性能指標(biāo)要求。（2）周圍環(huán)境條件。如工程所處區(qū)域交通條件、建筑環(huán)境條件、地質(zhì)地貌、氣候條件與水電供應(yīng)條件等。（3）工期要求。要求所配置盾構(gòu)機(jī)作業(yè)效率符合并高于施工要求，以此預(yù)留出一定空間應(yīng)對突發(fā)問題，確保地鐵工程可以如期完工。

1.4 盾構(gòu)機(jī)選型方法

在制訂盾構(gòu)機(jī)選型方案時，可以采取以下選型方法：（1）地層滲透系數(shù)選型。分析工程現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告，將地層滲透系數(shù)作為主要依據(jù)，選擇適當(dāng)類型的盾構(gòu)機(jī)。例如，地層滲透系數(shù)在10-7～10-4m/s時，應(yīng)配置土壓盾構(gòu)機(jī)或泥水盾構(gòu)機(jī)；地層滲透系數(shù)超過10-4m/s時，則應(yīng)配置泥水盾構(gòu)機(jī)。（2）水土壓力選型。在盾構(gòu)施工期間，當(dāng)外部水土壓力超過0.3MPa時，如果配置土壓盾構(gòu)機(jī)，則螺旋機(jī)難以形成土塞效應(yīng)，實(shí)際掘進(jìn)效率低下，有可能出現(xiàn)閘門噴涌等問題，應(yīng)優(yōu)先配置泥水盾構(gòu)機(jī)。同時，在特殊施工條件下僅可配置土壓盾構(gòu)機(jī)時，則采取增加螺旋輸送機(jī)長度等措施，輔助螺旋機(jī)形成土塞效應(yīng)。（3）顆粒級配選型。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用于分布粉土、粉砂土以及粉質(zhì)黏土地基的地鐵工程中，地基土壤中的粉粒及黏粒量均超過40%，所切削渣土容易形成穩(wěn)定的不透水流塑體結(jié)構(gòu)，便于維持掌子面的平衡狀態(tài)。反之，在地基土層顆粒中粉粒及黏粒量未超過40%時，則配置泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

2 地鐵施工盾構(gòu)機(jī)的施工組織

2.1 盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)復(fù)核計算

多數(shù)地鐵工程均具有現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、盾構(gòu)施工流程煩瑣的特征，受到地質(zhì)、掘進(jìn)參數(shù)與人為因素影響，盾構(gòu)參數(shù)計算過程存在諸多變量因素，導(dǎo)致盾構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果真實(shí)性存疑，進(jìn)而影響盾構(gòu)施工方案的可行性，容易在后續(xù)施工中出現(xiàn)方案變更問題。因此，在地鐵盾構(gòu)正式施工前，技術(shù)人員需結(jié)合工程情況與已知信息資料，對盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行復(fù)核計算，并在復(fù)核計算結(jié)果上優(yōu)化調(diào)整盾構(gòu)機(jī)施工方案，預(yù)防和減少盾構(gòu)施工問題出現(xiàn)。盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)包括最大總推力、盾構(gòu)扭矩、主驅(qū)動功率、盾構(gòu)推進(jìn)所需功率、排渣能力、盾尾間隙、管片拼裝機(jī)扭矩與管道臨界沉淀流速等。

例如，在盾構(gòu)扭矩計算環(huán)節(jié)，導(dǎo)入以下計算公式：

式中：Te為盾構(gòu)機(jī)扭矩；α1為支撐系數(shù)；α2為土質(zhì)系數(shù)；α0為穩(wěn)定掘削扭矩系數(shù)；D0為盾構(gòu)機(jī)外徑值。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告與結(jié)合工程情況，明確支撐系數(shù)與土質(zhì)系數(shù)。例如，在工程現(xiàn)場分布固結(jié)粉砂土層或軟粉砂土層時，土系數(shù)分別為0.8～0.9與0.6～0.7。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

（1）盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)參數(shù)由滾動角與俯仰角組成，在盾構(gòu)施工中，受到施工擾動等因素影響，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)會出現(xiàn)程度不一的變化，如果實(shí)際姿態(tài)與預(yù)期姿態(tài)產(chǎn)生明顯偏差，將影響地鐵盾構(gòu)施工質(zhì)量。例如，在盾構(gòu)機(jī)俯仰角偏差值過大或盾構(gòu)機(jī)向下俯沖超過一定值后，施工人員難以控制盾構(gòu)機(jī)開展抬頭掘進(jìn)等操作。因此，施工單位應(yīng)提前構(gòu)建配套的導(dǎo)向系統(tǒng)，如VMT TUNIS盾構(gòu)激光導(dǎo)向系統(tǒng)，還應(yīng)配置全站儀、控制盒、可編程邏輯控制器與接收靶等裝置，持續(xù)對盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，計算偏離航向值，通過調(diào)節(jié)分組缸壓力與流量的方式來修正盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向。同時，考慮到隧道內(nèi)空氣質(zhì)量等因素會對盾構(gòu)導(dǎo)向測量精度造成影響，為減小測量誤差，應(yīng)開展人工測量作業(yè)或?qū)?dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)前移。

（2）掘進(jìn)推力及速度控制。首先，技術(shù)人員應(yīng)結(jié)合工程情況準(zhǔn)確計算盾構(gòu)機(jī)的總推力，其為盾構(gòu)機(jī)外殼及土體摩擦力、切土所需推力、后配套牽引力、刀盤上平衡切口水壓水平推力、管片及盾尾刷摩阻力之和。同時，施工人員需對盾構(gòu)機(jī)各組油缸的油壓值進(jìn)行調(diào)整，以調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與掘進(jìn)推力。其次，綜合分析盾構(gòu)機(jī)型號與地質(zhì)條件，將掘進(jìn)速度控制在合理范圍內(nèi)。例如，當(dāng)配置S-550型盾構(gòu)機(jī)在全段硬巖地層開展掘進(jìn)作業(yè)時，應(yīng)將掘進(jìn)速度控制在 10～ 15mm/min。

2.3 盾構(gòu)始發(fā)施工控制

在盾構(gòu)始發(fā)環(huán)節(jié)，需要依次組織開展以下施工作業(yè)：（1）基座混凝土澆筑。使用混凝土現(xiàn)澆成型配套臺車的行走基座，沿軌道縱向設(shè)置螺栓，使用壓板以及彈性墊圈等材料將軌道與臺車行走基座進(jìn)行連接處理，并在基座中設(shè)置護(hù)面鋼筋與砂漿錨桿，以此解決后配套臺車下井洞內(nèi)組裝問題。（2）安裝始托架。在底板部位澆筑適當(dāng)強(qiáng)度等級的混凝土材料，定位與安裝始發(fā)托架，在托架結(jié)構(gòu)中設(shè)置高鋼支撐件，并構(gòu)建配套臨時軌道，將臨時軌道延伸至臺車行走軌道中，將其與洞內(nèi)軌道保持連接狀態(tài)，這樣便可以直接開展后配套臺車下井作業(yè)，并通過始發(fā)托架精確定位盾構(gòu)機(jī)的盾體位置。（3）盾構(gòu)機(jī)組裝。配置履帶式吊機(jī)與龍門吊等設(shè)備，依次將盾構(gòu)機(jī)與配套臺車吊裝至井下作業(yè)面，在洞內(nèi)對盾構(gòu)機(jī)開展組裝與調(diào)試運(yùn)行作業(yè)。（4）安裝洞門密封裝置。在洞門部位設(shè)置臨時性密封裝置，裝置由固定板、翻板、加勁板與螺栓等組成，可以避免洞門間隙部位深入泥漿與地下水。（5）始發(fā)參數(shù)控制。結(jié)合地層條件與現(xiàn)場情況，合理設(shè)定切口水壓、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度與推力等始發(fā)參數(shù)，并隨著施工現(xiàn)場情況的變化而不斷調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)。

2.4 盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行維護(hù)

在地鐵工程中，由于盾構(gòu)機(jī)所處施工環(huán)境較為復(fù)雜，在設(shè)備運(yùn)行期間，容易出現(xiàn)運(yùn)行故障，進(jìn)而影響施工質(zhì)量及效率，問題嚴(yán)重時還會使盾構(gòu)機(jī)停機(jī)癱瘓，給施工單位造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，因此，在地鐵盾構(gòu)施工中，企業(yè)應(yīng)組織開展高效的盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作，提前預(yù)防與及時解決設(shè)備運(yùn)行故障，保證盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以盾構(gòu)機(jī)刀具維護(hù)為例，綜合分析刀盤掘進(jìn)參數(shù)、現(xiàn)場地質(zhì)情況與隧道掘進(jìn)長度等因素，合理設(shè)定刀具檢查周期。例如，在硬巖地層中每掘進(jìn)8m檢查一次刀具的使用情況，同時，在刀具性能狀態(tài)產(chǎn)生變化時，適當(dāng)提高刀具檢查頻率。嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，依次測量刀圈磨損量、檢查刀具外觀質(zhì)量與緊固件松動情況，對松脫的零部件進(jìn)行緊固處理，更換達(dá)到使用極限的刀具，如更換單刃滾刀、中心雙刃滾刀與刮刀。

3 結(jié)束語

綜上所述，在地鐵工程中，盾構(gòu)機(jī)是一種重要的施工設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)工程預(yù)期建設(shè)目標(biāo)，保證后續(xù)施工活動的順利開展，施工單位應(yīng)結(jié)合工程情況做好盾構(gòu)機(jī)選型工作，明確盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)與選型方法。同時，做好盾構(gòu)施工組織工作，重點(diǎn)控制關(guān)鍵參數(shù)復(fù)核、盾構(gòu)掘進(jìn)與盾構(gòu)始發(fā)等施工環(huán)節(jié)質(zhì)量，以此提升地鐵盾構(gòu)施工的整體經(jīng)濟(jì)效益。