浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型（下）
7 北京地区地铁隧道施工用盾构机的几个关键问题
7.1 盾构机刀盘扭矩系数
盾构机刀盘扭矩系数(α)是盾构机设计时一个重要参数，其值选用是否得当直接关系到盾构机能否正常掘进。众所周知，影响盾构机刀盘扭矩的因素较多，在此不赘述。根据日本《隧道标准规范(盾构篇)及解释》中有关盾构机设备部分的内容，盾构机刀盘装配扭矩M可用以下简化式计算：
式中 M - 盾构机装备扭矩/(kN.m)
α- 扭矩系数
D - 盾构机外径
对于加泥式土压平衡盾构机，日本经过大量工程实践已给出 的经验值，取值范围在8～23之间。根据北京市地质条件，以及我集团公司在北京市砂卵石地层采用盾构法施工近8km的实际经验，笔者认为砂土地层，特别是在砂卵石地层中盾构机刀盘旋转切削围岩(砂卵石)时，盾构机刀盘扭矩较大，施工中常出现刀盘扭矩瞬间过大的现象。很有必要结合北京市地质条件的特点，对日本提出的 值进行调整。经与日本盾构机制造商进行技术交流和争论，取得共识。认为将盾构机刀盘最大扭矩系数 值提高到25以上，不仅更适应北京地区砂卵石地层的隧道施工，也间接提高了盾构机的使用寿命，技术经济更为合理。
7.2 刀具布置和刀具形状
刀具布置和刀具形状在盾构机设计中是非常重要的内容。刀具布置方式及刀具形状是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。
7.2.1 刀具布置
对于全断面切削的辐条式刀盘，从盾构机的发展历史看，刀具布置有两种方式：第一种为刀具整体连续排列方式，因其切削阻力较大，盾构机密封舱内土体流动性差，现已很少使用，仅偶尔在切削阻力小的淤泥质地层中采用；第二种为刀具牙型交错连续排列方式，因其切削阻力小、切削效率高、密封舱内土体流动性好和易搅拌而被广泛使用。目前世界上基本均采用牙型交错连续排列方式。我集团公司采购的盾构机，其刀具布置就是采用该方式。两种刀具布置方式见图13。
根据北京市地铁隧道施工中可能碰到的三种主要地质条件，刀具布置时应按照牙型交错连续排列的原理，确保盾构机刀具的切削轨迹布满开挖全断面；另针对不同切削要求(包括不同地质的要求)，需设置切削刀、超前刀、盘圈贝型刀、鱼尾刀、仿型刀等几种刀具。按照各种刀具的特点及作用，经过分析比较，各种刀具可采用图14的布置方式。
7.2.2 刀具形状及其作用
如前所述，刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行设计。针对北京地铁隧道穿越三种主要地层的特点，刀具设计时应考虑以下几个要素。
①刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性。
②通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久性。
③适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等。
④如何从材料和设计方面，对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。
(1) 刀具的类型及切削原理
目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和切削刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同，这两类刀具还可进一步细分)。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。北京地区一般不需要采用滚刀型刀具，至少在西四环向东的北京市大部分地区不需要。
切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。
(2)主要刀具形状及作用
①切削刀
切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如图15所示。一般情况下，β(前角)与α(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在5°～20°之间，粘土地 层稍大，砂卵石地层稍小。针对北京市地层特点，β(前角)和α(后角)值建议采用15°。切削刀切削土体的示意见图16。
②超前刀(也称先行刀)
顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意见图17。
③盘圈贝型刀
盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。针对北京市大粒径砂卵石地层的特性，根据笔者在日本的施工经验，建议采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。采用盘圈贝型刀可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。盘圈贝型刀示意见图18。
④鱼尾刀
采用大刀盘全断面切削土体，布置在幅条上不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆月逐渐减小，中心点理论上可以视为零。换言之密封舱内切削土体的运动长度也是由外至内逐渐变小，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀(详见鱼尾刀切削土体示意图19)。根据经验，色尾刀的设计和布置可应用两个技巧：其一让盾构机分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面(直径约1.5 m)土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其他切削刀不在一个平面上，一般鱼尾刀超前600 mm左右，保证鱼尾刀最先切削土体；其二是将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转 时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动(如同犁地一般)：这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构机整体掘进水平。
⑤仿形刀
盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿彤切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80～130mm之间。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏，因而盾构机需设置仿形刀。
7.3 转弯及纠偏铰接机构
经过统计，地铁施工用盾构机的灵敏系数(机长/外径)一般不大于1.5，不用铰接机构也能满足转弯和纠偏的需要。但考虑到在北京市内施工控制地面沉降的要求较高，施工中可能有(或已碰到)障碍物，需要提前(或尽量减少与障碍物相撞的范围)绕开障碍物，需要转弯(甚至较小半径转弯)掘进。此时使用铰接机构，可以比较容易地实现转弯和减少对盾构机周边土体的扰动，对控制沉降有利。用转弯及纠偏铰接机构，还可以依据曲线隧道的有使关参数，预先计算出每段曲线中每环管片应该转动的角度，盾构机曲线推进前启动铰接机构，使之符合曲线前进方向的要求，限定盾构机在设定的曲线上推进。为增强盾构机转弯功能，以适应北京地铁隧道施工的需要，应为盾构机配备转弯及纠偏铰接机构。
7.4 洞内超前注浆加固隧道前方土体及气压封闭开挖面系统
(1)气压封闭开挖面系统
在北京市采用密闭式盾构机掘进施工时，掘进前方若碰到障碍物，一般不易处理，但施工中很难避免。为此，宜在盾构机设计阶段，考虑与人孔结合，配备气压舱。一旦遇到异常情况(如障碍物等)不能由地面进行处理时，可在隧道内进入盾构机密封舱里进行处理。
(2)洞内超前注浆加固隧道前方土体系统
当盾构法隧道穿越地段的地面建筑物的基础结构较差，或建筑物特别重要时，对盾构机控制沉降的性能要求很高。特别是对于隧道前进方向有重要构筑物(如已运行地铁、油库等)相邻以及土体由于城市特殊水的原因变软，或有大量不规则空隙的情况，笔者认为还应考虑在隧道内对开挖面前方土体注浆加固的辅助措施，即在盾构机内预先设计多个注浆加固孔(按可全断面注浆的要求设计)，同时配备盾构机内专用注浆设备，一旦施工需要，立即安装注浆设备，对开挖面前方土体实施超前注浆加固。设计超前注浆深度一般为3～4 m，最大注浆加固土体断面直径可达12m。盾构机内超前注浆加固土体见图20。
盾构机掘进施工时，可以根据遇到的不同情况，单独应用机内超前注浆加固土体系统和气压密封系统，还可将两者联合使用，以进一步提高隧道施工的安全性和可靠性。
7.5 盾构机总推力及分区油压控制系统
根据日本资料，盾构机的总推力与开挖面的土压阻力、盾构机外圆周摩擦等6个因素有关。
在设计盾构机时，一般在考虑6个因素的基础上，增加一定比例的富余推力。根据我集团公司在北京市砂卵石地区盾构法施工的经验，推进阻力较大。为满足北京地区砂卵石地层隧道施工盾构机推力的需要，盾构机的总推力宜适当增大，达到盾构机掘进断面单位面积上推力大于1200 kN(即盾构机总推力/盾构机外径圆面积)较为合适。
推进系统为盾构机向前掘进提供动力，直线段掘进时，推进千斤顶的合力理论上应在盾构机的轴心；曲线段掘进时，推进千斤顶的推进合力作用点则应该位于最有利于盾构机曲线掘进的位置上(盾构机加工制造时千斤顶位置已固定的条件下进行调链)。盾构机在推进施工时，为控制出现较大偏差，推进操作时实际上是随时在对盾构机的态势进行纠偏和调整。为便于推进千斤顶分区编组或自由编组，实现适时纠偏，盾构机推进系统应设计为分区油压控制，确保推进千斤顶的合力满足曲线掘进及纠偏的要求。
7.6 屑构机在砂卵石地层掘进的耐磨损(耗)措施
根据我集团公司在北京市砂卵石地层进行盾构法施工的经验，北京地区砂卵石地层中采用盾构法施工时，盾构机的刀盘、刀具、密封舱内壁以及螺旋输送机的磨损(耗)比较大，特别是在石英砂含量较多、卵石(砾石)粒径较大的情况下，磨损极为严重。为保证盾构机在砂卵石地层掘进时刀具切削正常，实现长距离掘进，笔者查阅国内外有关刊物关于砂卵石地层施工的技术资料，并请教国内外有关盾构技术专家，提出盾构机设计时应采取以下措施。
(1)使用耐磨及韧性好的矿用刀具材料，除在刀具刀口部分考虑嵌入超硬材料(如碳化钨合金等)外，切削土砂(卵石)沿刀具向后流动所经过的刀具表面也适当给予加强。
(2)考虑采用主副刀联合切削土体，设计主副切削刀(主副超前刀)。其基本思想是利用主副刀不同的切削高度差(高差值约为20mm，可经过磨损计算确定)，延长刀具使用寿命。当主切削刀(主超前刀)的高度磨损大于20mm后，副切削刀(副超前刀)开始工作。这样．延长了刀具的磨损长度，大大提高了刀具整体抗磨损(耗)能力。图21为主副切削刀布置示意图。
(3)在盾构机刀盘盘圈后端、密封舱内壁以及螺旋输送机内均采用耐磨材料，并考虑便于维修和更换的措施。
7.7 减少屑构机推进阻力的措施
根据不同地质条件，以及N(标准贯人锤击数)值的大小，切削刀最大切削轨迹外径、刀盘盘圈外径和盾构机外径三者的尺寸之间有细微的差别，若处理不当，将增大推进阻力，给盾构机整机推进性能带来较大影响，其原因在此不赘述。针对北京地区地层特点，笔者认为为减少盾构机推进阻力，除盾构机设有加泥加泡沫系统外，还应采用以下两项措施：
(1)设计主切削刀最大切削轨迹外径略大于盾构机外径，既减少盾构机刀盘盘圈和盾构机外周的摩擦阻力，又不会影响盾构机控制土体沉降的能力和效果。
(2)调整刀具切削土体深度，合理设置刀盘盘圈刀具(贝型刀)，喊少切削阻力。根据刀盘盘圈刀具切人土体深度的计算公式，可计算出刀具切人土体的深度(表5)。
由表5可知，刀具布置可显著影响刀具切削土体的深度。为减少推进阻力、切削噪音和切削振动，应选择合适的刀具切削深度。根据笔者经验，盾构机高速推进时，切削深度以10～15mm为好；一般速度推进时，切削深度则以4～8mm为好。故在刀盘盘圈上布置5～7把刀具较为理想。
8 结 语
随着北京市申奥成功，北京市对整个城市的交通体系重新进行了规划，确立了以轨道交通为今后重点发展的思路。北京市的轨道交通远期规划已达1000km以上，仅2008年以前就要完成近200km的轨道工程的建设任务，隧道工程量巨大。而盾构施工技术以其对城市环境影响小、隧道工程质量易于保证以及施工速度快等优势，必然在今后的城市隧道施工中被大量采用。盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，其选型正确与否，无论是对于盾构施工的技术水平，还是对于盾构施工的成本和效益，均起着举足轻重的关键作用。因此，应高度重视盾构机的选型工作。对于北京地区隧道施工用盾构机的选型，因笔者较早涉及，有一点体会和摸索了一点经验，本文作为抛砖引玉，希望与国内同行探讨和共同做好此项工作。
另外，北京市在奥运会之前，计划建设地铁五号线、四号线、十号线、九号线以及奥运支线等地铁线路，工程开工强度大。为满足隧道施工的需要，笔者估计，近几年刚北京市至少需要10～15台盾构机。根据笔者三年多在北京市盾构施工(以及机械化顶管施工)的经验，施工企业、国内大型重工业企业和科研单位携起手来，共同开发盾构机，我国一定能设计和制造出适应北京地区地质条件的盾构机，为北京市乃至全国的地铁建设作出贡献。
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文章出处：《现代隧道技术》
乐贵平 (北京市政集团)
