主動(dòng)鉸接盾構(gòu)在小曲線隧道中的應(yīng)用研究

尹躍峰，陳昆鵬，楊 霖

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

伴隨城市用地緊張、交通擁堵等問(wèn)題的出現(xiàn)，許多城市采用立體化的地下快速軌道交通來(lái)解決日益惡化的城市交通問(wèn)題。但由于受到密集的城市地下市政管網(wǎng)、繁多的地面居民建筑和歷史古跡等因素，地鐵隧道的線路設(shè)計(jì)決策往往受到很大影響，從而帶來(lái)小曲線地鐵隧道施工項(xiàng)目的不斷增加[1]。

1 盾構(gòu)法小曲線隧道介紹

對(duì)于地鐵隧道來(lái)講，線路平面曲線半徑應(yīng)根據(jù)車(chē)輛類型、地形條件、運(yùn)行速度和環(huán)境要求等因素比選確定。在城市地鐵隧道中進(jìn)行盾構(gòu)法施工時(shí)，隧道開(kāi)挖直徑越大，所需設(shè)計(jì)的最小曲線半徑就越大。盾構(gòu)主機(jī)在隧道曲線中的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎能力也與其自身的長(zhǎng)徑比有關(guān)，長(zhǎng)徑比越趨近于1，越利于盾構(gòu)主機(jī)在小曲線隧道中的轉(zhuǎn)彎[2～3]。隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)的小曲線轉(zhuǎn)彎適應(yīng)能力也越來(lái)越強(qiáng)，表1 為中鐵裝備部分小曲線隧道施工案例展示。

表1 中鐵裝備部分小曲線隧道施工案例

2 阿爾及利亞機(jī)場(chǎng)地鐵項(xiàng)目概述

阿爾及利亞機(jī)場(chǎng)地鐵項(xiàng)目是首都阿爾及爾的地鐵延伸線工程，從EL Harrach 中心到首都機(jī)場(chǎng)。該項(xiàng)目隧道全長(zhǎng)9565m，包括9 個(gè)地鐵車(chē)站和10 個(gè)通風(fēng)豎井，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑為198.67m，采用一臺(tái)開(kāi)挖直徑?10.5m 的土壓盾構(gòu)進(jìn)行施工。盾構(gòu)施工時(shí)，先從OUED SMAR STATION 掘 到Terminus（約5.8km），然 后再轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)行OUED SMAR STATION 到EL Harrach Center（約3.7km）的隧道施工，如圖1 所示。

圖1 隧道施工線路圖

3 項(xiàng)目地層特性

項(xiàng)目隧道埋深約20～56m，隧道最大水土壓力約為3bar。穿越地質(zhì)主要為細(xì)沙到中粗砂、砂巖、粉砂、粉質(zhì)黏土、泥灰（夾雜有不規(guī)則的礫巖和砂巖），大部分區(qū)間以密實(shí)泥灰地層為主，標(biāo)貫值SPT 在28～60 之間，且地層存在較大結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。在PK1+214.62-PK1+328.11 區(qū)間分布有完整的砂巖，平均抗壓強(qiáng)度為75MPa（圖2、圖3）。

圖2 砂巖取樣照片

圖3 泥灰層取樣照片

4 土壓盾構(gòu)關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用

為滿足該項(xiàng)目的穿越密實(shí)泥灰地層、砂層和砂巖層，根據(jù)地質(zhì)特性和項(xiàng)目特點(diǎn)，刀盤(pán)采用復(fù)合刀盤(pán)，主驅(qū)動(dòng)采用10 組350kW 的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0～2.73rpm；最大設(shè)計(jì)推力為10 691t，推進(jìn)速度最高可達(dá)80mm/min?？紤]到大直徑、小轉(zhuǎn)彎的特殊需求，該盾構(gòu)采用主動(dòng)球面鉸接結(jié)構(gòu)，具備180m 的轉(zhuǎn)彎糾偏能力，滿足設(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中的糾偏調(diào)向需求（圖4）。

圖4 阿爾及利亞項(xiàng)目土壓盾構(gòu)

4.1 盾構(gòu)刀盤(pán)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

刀盤(pán)和刀具選擇的合理性直接影響到盾構(gòu)掘進(jìn)的速度和效果。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，確保盾構(gòu)在特殊地質(zhì)條件下也能順利掘進(jìn)施工。由于該項(xiàng)目為大直徑長(zhǎng)距離掘進(jìn)，刀盤(pán)設(shè)計(jì)需要具備足夠強(qiáng)度、剛度及耐磨性[1、4]。

本刀盤(pán)結(jié)構(gòu)為8 主梁+8 副梁設(shè)計(jì)，刀具采用17 寸滾刀和重型刮刀分層布置，且滾刀能與可更換撕裂刀互換，以適應(yīng)不同區(qū)間復(fù)合地層的刀具使用需求；刀盤(pán)正面覆蓋12mm 厚的耐磨復(fù)合鋼板，大圓環(huán)采用3 圈耐磨合金塊，大大增強(qiáng)了刀盤(pán)的耐磨性能。刀盤(pán)總體開(kāi)口率為39%，中心開(kāi)口率達(dá)到43%，并配置12 個(gè)渣土改良口，結(jié)合盾構(gòu)單管單泵的泡沫改良系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可有效進(jìn)行渣土改良，增強(qiáng)渣土流動(dòng)性，防止刀盤(pán)結(jié)泥餅。從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，該刀盤(pán)設(shè)計(jì)對(duì)地層的適應(yīng)性良好，在全盤(pán)可更換撕裂刀或者全盤(pán)滾刀的情況下，整體排渣較為順暢，刀具磨損正常。

4.2 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)及應(yīng)用

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)扭矩主要克服刀具掌子面的切削扭矩T1、刀盤(pán)前端面由于渣土摩擦產(chǎn)生的摩擦力矩T2、刀盤(pán)背面的摩擦力矩T3、刀盤(pán)大圓環(huán)的摩擦力矩T4、倉(cāng)內(nèi)的攪拌力矩T5、刀盤(pán)主軸承旋轉(zhuǎn)阻力矩T6、刀盤(pán)受推力荷載產(chǎn)生的反力矩T7 和密封裝置所產(chǎn)生的摩擦力矩T8[2]。綜合分析計(jì)算可得刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)配置如下。

盾構(gòu)在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩滿足使用要求，且具有較大的余量，在砂層和泥灰地層中掘進(jìn)效果良好，這與理論計(jì)算一致，有效保證了盾構(gòu)在海外掘進(jìn)施工過(guò)程中的可靠性與安全性。圖5 為摘錄的部分區(qū)間施工過(guò)程中驅(qū)動(dòng)扭矩使用情況，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速在1.8rpm 左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)扭矩平均在7 000kNm 左右，扭矩系數(shù)α在5～7 之間。

圖5 盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)扭矩與α系數(shù)曲線圖

4.3 主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

4.3.1R=180m曲線的主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)

根據(jù)盾構(gòu)相關(guān)技術(shù)理論，進(jìn)行曲線段的隧道施工時(shí)，盾構(gòu)施工的最小曲線半徑除了與盾構(gòu)自身的幾何尺寸、通過(guò)曲線段的附加扭矩和超挖量等自身特性有關(guān)外，與鉸接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重大關(guān)系。在實(shí)際工作中還需要考慮主機(jī)的過(guò)度鉸接狀態(tài)，以確保設(shè)計(jì)余量，因此采用解析法建立相應(yīng)的解析模型的過(guò)程十分繁瑣，在工程設(shè)計(jì)中常采用圖解法對(duì)主機(jī)在曲線中的轉(zhuǎn)彎情況進(jìn)行直接分析，模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6 主機(jī)R=180m轉(zhuǎn)彎能力模擬圖

從上述模擬中可以看出，在隧道轉(zhuǎn)彎曲線內(nèi)側(cè)不擴(kuò)挖的情況下，盾體具備R=180m 的小半徑轉(zhuǎn)彎能力。轉(zhuǎn)彎時(shí)主機(jī)各關(guān)鍵信息如下。

從圖6 和上述數(shù)據(jù)結(jié)果中可以看出，該主動(dòng)球面鉸接結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)主機(jī)設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）采用V 型球面主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)時(shí)，盾構(gòu)主機(jī)在小曲線半徑項(xiàng)目中具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)彎適應(yīng)能力。

2）在推進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)油缸與尾盾始終通常保持平行關(guān)系，不存在推進(jìn)油缸與尾盾干涉的問(wèn)題，可以有效控制推進(jìn)油缸與管片的相對(duì)位置，有利于尾盾實(shí)現(xiàn)良好的姿態(tài)控制。

3)在推進(jìn)過(guò)程中，盾體結(jié)構(gòu)與已拼裝管片的前端面通常成90°直角（某些情況會(huì)略大于90°），不會(huì)因推進(jìn)偏心力過(guò)大而損壞管片[3、5]（圖7～圖8）。

圖7 盾體外側(cè)與管片位置關(guān)系

圖8 盾體內(nèi)側(cè)與管片位置關(guān)系

4.3.2 V型球面主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用

盾構(gòu)在RABIA TAHAR STATION 車(chē)站穿越至SMAILYEFSAHSTATION 車(chē)站的過(guò)程中，在區(qū)間PK5km+868～PK6km+126通過(guò)長(zhǎng)度為258m、轉(zhuǎn)彎半徑R=198.67m 的小曲線。根據(jù)TBM 數(shù)據(jù)報(bào)表顯示，在小曲線隧道掘進(jìn)的過(guò)程中，左右側(cè)的鉸接油缸伸出行程分別為S1=325.3mm、S2=38.72mm，如圖9 所示，小于鉸接油缸設(shè)計(jì)的最大伸出量S=365mm，順利完成阿爾及爾機(jī)場(chǎng)地鐵R=198.67m 的小曲線段的隧道施工。

圖9 小曲線段施工時(shí)的鉸接油缸行程數(shù)值

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)阿爾及爾機(jī)場(chǎng)地鐵隧道項(xiàng)目盾構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)對(duì)比，有效驗(yàn)證了該盾構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了大直徑主動(dòng)鉸接盾構(gòu)在小曲線隧道施工中的可行性。

1）阿爾及利亞機(jī)場(chǎng)地鐵隧道穿越地層主要以砂層、泥灰地層為主，通過(guò)對(duì)該土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)的應(yīng)用效果分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了大開(kāi)口率（尤其是中心大開(kāi)口率）刀盤(pán)在黏性地層中的優(yōu)勢(shì)[6]。

2）在小曲線轉(zhuǎn)彎半徑的隧道項(xiàng)目中，歐洲地區(qū)往往會(huì)采用“主動(dòng)鉸接+被動(dòng)鉸接”的雙鉸接結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)小曲線，但與主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)的盾構(gòu)相比，雙鉸接盾構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造成本較高。主動(dòng)鉸接結(jié)構(gòu)的盾體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造的成本低，在后續(xù)小曲線項(xiàng)目的盾構(gòu)選型中可作為首選形式。

3）通過(guò)對(duì)阿爾及利亞機(jī)場(chǎng)地鐵項(xiàng)目的大直徑主動(dòng)鉸接盾構(gòu)在小曲線隧道應(yīng)用的分析研究，旨在為后續(xù)類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)和隧道施工的盾構(gòu)選型提供一定的理論參考。