北京地鐵隧道盾構(gòu)選型分析

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1、北京地鐵隧道盾構(gòu)機選型分析摘要：根據(jù)北京地區(qū)工程地質(zhì)和水文條件，以及北京市地鐵施工的特點，提出適用于北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機型和盾構(gòu)機基本配置的技術要求，同時還就盾構(gòu)機扭矩、刀具形狀與布置及作用等技術關鍵點進行了討論。此外還提出，施工企業(yè)、國內(nèi)重工業(yè)企業(yè)及科研單位三看聯(lián)合起來共同攻關，可以設H?和制造出滿足北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機。1前g為承接北京地鐵隧道施工任務，我集團公司于2002年10月參加了北京布地鐵五號線盾構(gòu)法施工標段的投標，由筆者執(zhí)筆編寫投標節(jié)屮盾構(gòu)機選型部分內(nèi)容。在完成此任務的過程屮，筆者對北京地區(qū)地質(zhì)特征、盾構(gòu)機機型及適應工程地質(zhì)的特點等進行了思考，感到國P

2、、J大型重工業(yè)企業(yè)如果深刻認識到北京地區(qū)地質(zhì)的特點，在設計方面針對關鍵問題有正確的解決辦法，再加上精心制造，完全有能力設計和制造出滿足北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機。為此，筆者將北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型的有關資料進行整理，同時結(jié)合我集團公司購買北京市地鐵五號線施工用盾構(gòu)機(外徑06.14m)時的一些基本考慮，勉湊一文，供國內(nèi)同行參考，為促進我國盾構(gòu)技術的發(fā)展貢獻一點微薄之力。2北京地區(qū)地質(zhì)情況簡介及地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式2.1工程地質(zhì)及水文條件北京市地處永定河洪沖積扇的屮上部，第四系松散土層及砂卵石層遍布全區(qū)，其地質(zhì)沉積層的"相變"十分明顯，如西部單一的砂卵石層向東很快漸變成粘性土和

3、粉細砂互層的多層狀態(tài)。在北京市采用盾構(gòu)法進行隧道施工時，將碰到以下兒類極具北京地質(zhì)特征的地層：(1)粘性土及粉土層(粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土)。(1)砂性土層(粉細砂、屮細砂、屮砂、屮粗砂，部分石英含量大)。(3)砂卵石地層(一般粒徑3?5mm,西部5?15mm,最大層厚超過40ni以上)。(4)粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、中細砂互層，中砂、粉質(zhì)粘土、砂卵石互層。北京市的地下水一般指上層滯水、潛水和淺層地下水，另有一類景觀、河期滲漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。2.2地鐵隧道結(jié)構(gòu)形式北京市地鐵隧道覆土厚度約為8?16m,埋深約為14?22m。一般考慮采用節(jié)能型車站，隧道線形既有平曲線又有

4、豎曲線。地卜水位高低不一，甚至隧道位于地丁水位之上。隧道結(jié)構(gòu)可分為普通環(huán)和通用環(huán)兩種形式（圖1，圖2）。普通環(huán)形式為常用的標準環(huán)+左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)環(huán)（楔形環(huán)）方式，在直線段使用準環(huán)，曲線段采用楔形環(huán)。目前國內(nèi)大部分城市地鐵隧道均采用此種普通環(huán)拼裝方式。通用環(huán)形式是歐州常用的管片拼裝方式，該方式只有1種楔形環(huán)，通過其不同組合實現(xiàn)直線和曲線管片拼裝。兩種結(jié)構(gòu)形式管片均巾6訣組成，本次北京市地鐵五號線盾構(gòu)施工標段即采用通用環(huán)拼裝方式。3地鐵施工用盾構(gòu)機選型基本原則筆者經(jīng)過對國際國內(nèi)盾構(gòu)施工技術的調(diào)查分析，針對北京市地鐵隧道盾構(gòu)法施工，認為盾構(gòu)機選型時應遵循以下幾項基本原則。（1）盾構(gòu)機技術水平先進

5、可靠，并適當超前，符合我國國情（2）所選盾構(gòu)機應滿足北京市地鐵規(guī)劃各條隧道所穿越地層不同地質(zhì)與水文條件的施工耑要，特別是要滿足規(guī)劃在2008年前必須完成的隧道工程施工的需要。（3）能夠滿足淺埋或超淺埋地鐵隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的耑要，即要求盾構(gòu)機對控制地表沉降配備足夠的功能和具有良好的操作性能。（4）盾構(gòu)機能夠適應北京市地下構(gòu)筑物眾多的特點，必要時可實現(xiàn)隧道（盾構(gòu)機）內(nèi)淸楚或撤換障礙物的施工。(5)盾構(gòu)機在設計方面應考慮北京市地鐵隧道施工需要多次拆卸、多次組裝和iij能應用于多項隧道工程的實際特點。4盾構(gòu)機選型考慮要素及注意點4.1工程地屬條件(1)粘性土及粉土層盾構(gòu)機在

6、此地層中施工時，一般較容易控制，但常會發(fā)生刀盤粘附導致增大阻力和螺旋輸送機的粘附堵塞，因而盾構(gòu)機選型時應注重在刀盤形式、開口率、刀具、加泥位置等考慮解決方法。(2)砂性土層盾構(gòu)機在砂性土層施工比在粘土層施工稍為凼難。砂性土一般摩擦阻力大，滲透性好，在盾構(gòu)機推進擠壓丁水分很快排出，土體強度提高，故不僅盾構(gòu)機推進摩擦阻力大，而且開挖面土壓力也較大，常會導致盾構(gòu)機刀盤扭矩和總推力不足。另外，盾構(gòu)機密封艙內(nèi)刀具切削丁來的砂土不易攪拌成均勻的塑流體，特別是在無水砂性土層中施工，有時甚至實現(xiàn)不了與開挖面土壓力保持動態(tài)平衡的需要，操作不當會出現(xiàn)開挖面上方的局部坍塌。再有，北京地區(qū)砂性土中石英含量較大

7、，刀具磨損較嚴重，并伴有損壞盾尾密封系統(tǒng)的現(xiàn)象。因此盾構(gòu)機選型時，應將沒備的推力、刀盤的扭矩、形式、開口率，以及加泥加泡沫系統(tǒng)等內(nèi)容作為重點統(tǒng)籌考慮。(3)砂卵石地層北京地區(qū)的砂卵石地層一般級配良好，含砂率在25%?40%之間.盾構(gòu)機在此地層中施工遠比在砂性土層中施工凼難：首先是盾構(gòu)機密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較凼難，甚至盾構(gòu)機實現(xiàn)不了土壓平衡的功能；其次是大粒徑砂卵石不但切削或破碎凼難，而且切削I來的磕土經(jīng)螺旋輸送機向外排出也十分凼難；再次是刀盤