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(jī)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(diǎn)，提出適用于北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機(jī)型和盾構(gòu)機(jī)基本配置的技術(shù)要求，同時(shí)還就盾構(gòu)機(jī)扭矩、刀具形狀與布置及作用等技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了討論。此外還提出，施工企業(yè)、國(guó)內(nèi)重工業(yè)企業(yè)及科研單位三看聯(lián)合起來(lái)共同攻關(guān)，可以設(shè)H?和制造出滿(mǎn)足北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機(jī)。1前g為承接北京地鐵隧道施工任務(wù)，我集團(tuán)公司于2002年10月參加了北京布地鐵五號(hào)線盾構(gòu)法施工標(biāo)段的投標(biāo)，由筆者執(zhí)筆編寫(xiě)投標(biāo)節(jié)屮盾構(gòu)機(jī)選型部分內(nèi)容。在完成此任務(wù)的過(guò)程屮，筆者對(duì)北京地區(qū)地質(zhì)特征、盾構(gòu)機(jī)機(jī)型及適應(yīng)工程地質(zhì)的特點(diǎn)等進(jìn)行了思考，感到國(guó)P

2、、J大型重工業(yè)企業(yè)如果深刻認(rèn)識(shí)到北京地區(qū)地質(zhì)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)方面針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題有正確的解決辦法，再加上精心制造，完全有能力設(shè)計(jì)和制造出滿(mǎn)足北京地區(qū)地鐵隧道施工用的盾構(gòu)機(jī)。為此，筆者將北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機(jī)選型的有關(guān)資料進(jìn)行整理，同時(shí)結(jié)合我集團(tuán)公司購(gòu)買(mǎi)北京市地鐵五號(hào)線施工用盾構(gòu)機(jī)(外徑06.14m)時(shí)的一些基本考慮，勉湊一文，供國(guó)內(nèi)同行參考，為促進(jìn)我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)一點(diǎn)微薄之力。2北京地區(qū)地質(zhì)情況簡(jiǎn)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(xì)砂互層的多層狀態(tài)。在北京市采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工時(shí)，將碰到以下兒類(lèi)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(xì)砂、屮細(xì)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(guò)40ni以上)。(4)粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、中細(xì)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(lèi)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(chē)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)環(huán)（楔形環(huán)）方式，在直線段使用準(zhǔn)環(huán)，曲線段采用楔形環(huán)。目前國(guó)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(guò)其不同組合實(shí)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(hào)線盾構(gòu)施工標(biāo)段即采用通用環(huán)拼裝方式。3地鐵施工用盾構(gòu)機(jī)選型基本原則筆者經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)的調(diào)查分析，針對(duì)北京市地鐵隧道盾構(gòu)法施工，認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)基本原則。（1）盾構(gòu)機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)

5、可靠，并適當(dāng)超前，符合我國(guó)國(guó)情（2）所選盾構(gòu)機(jī)應(yīng)滿(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(jī)對(duì)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(jī)能夠適應(yīng)北京市地下構(gòu)筑物眾多的特點(diǎn)，必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)隧道（盾構(gòu)機(jī)）內(nèi)淸楚或撤換障礙物的施工。(5)盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)方面應(yīng)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(yīng)用于多項(xiàng)隧道工程的實(shí)際特點(diǎn)。4盾構(gòu)機(jī)選型考慮要素及注意點(diǎn)4.1工程地屬條件(1)粘性土及粉土層盾構(gòu)機(jī)在

6、此地層中施工時(shí)，一般較容易控制，但常會(huì)發(fā)生刀盤(pán)粘附導(dǎo)致增大阻力和螺旋輸送機(jī)的粘附堵塞，因而盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)應(yīng)注重在刀盤(pán)形式、開(kāi)口率、刀具、加泥位置等考慮解決方法。(2)砂性土層盾構(gòu)機(jī)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(jī)推進(jìn)擠壓丁水分很快排出，土體強(qiáng)度提高，故不僅盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)摩擦阻力大，而且開(kāi)挖面土壓力也較大，常會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩和總推力不足。另外，盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)刀具切削丁來(lái)的砂土不易攪拌成均勻的塑流體，特別是在無(wú)水砂性土層中施工，有時(shí)甚至實(shí)現(xiàn)不了與開(kāi)挖面土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡的需要，操作不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)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(yán)重，并伴有損壞盾尾密封系統(tǒng)的現(xiàn)象。因此盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)將沒(méi)備的推力、刀盤(pán)的扭矩、形式、開(kāi)口率，以及加泥加泡沫系統(tǒng)等內(nèi)容作為重點(diǎn)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(jí)配良好，含砂率在25%?40%之間.盾構(gòu)機(jī)在此地層中施工遠(yuǎn)比在砂性土層中施工凼難：首先是盾構(gòu)機(jī)密封艙內(nèi)建立土壓平衡比較凼難，甚至盾構(gòu)機(jī)實(shí)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(lái)的磕土經(jīng)螺旋輸送機(jī)向外排出也十分凼難；再次是刀盤(pán)