以色列富水库卡地层盾构选型研究

怀平生， 安宏斌， 白晓岭， 漆伟强， 杨志勇

(1. 中铁十二局集团国际工程有限公司， 北京 100176； 2. 中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030000； 3. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

0 引言

近些年来，国内隧道施工的技术水平飞速发展，盾构施工在我国城市交通的建设中发挥着重要的作用。随着“一带一路”倡议的实行，越来越多企业走向海外，以以色列为代表的泛地中海区域国家的盾构隧道施工缺乏类似地层盾构施工经验，国内的施工经验仅能提供一定借鉴，这给盾构施工带来了极大的挑战。

如今国内的隧道施工技术以及盾构制造技术日益成熟，国内企业逐步向海外扩大市场。在新加坡地铁汤申线T209标采用2台国产泥水盾构，成功克服了地层富水量大、岩石强度高、地质软硬不均及突变等困难。肖晓春[1-2]分别对新加坡复合地层采用泥水平衡盾构施工开挖面的稳定性以及泥水压力设定进行了探讨，以及对马来西亚吉隆坡石灰岩地层采用盾构法施工修建SMART隧道工程做了详细分析。在孟加拉国卡纳普里河底隧道工程中，地层以粉细砂为主，极易发生砂层液化、刀盘结泥饼、切削面坍塌、排泥口堵塞等，由我国自主研发的直径12.12 m泥水平衡盾构，顺利完成该地层的隧道施工。中国铁建针对莫斯科寒冷的气候和上软下硬的复合地层，量身打造的盾构成功应用于莫斯科第三换乘环线。国内部分学者结合地层条件和施工环境进行了盾构选型方面的研究。杨志勇等[3]对北京地铁7号线8标化工厂污染地层进行了盾构选型的分析，考虑地层污染情况，优选出了泥水平衡盾构施工。尚艳亮等[4]分析了石家庄6个区间12台盾构的地表沉降数据，得出了适合无水砂层的最佳盾构机型。侯凯文等[5]针对南宁地铁2号线隧道穿越黏土层、硬岩层以及上软下硬等地层开展了盾构动力设备、刀盘和刀具的相关研究。郭彩霞等[6]依据大粒径卵砾漂石地层，开展了盾构适应性分析，并将盾构进行改造升级。叶康慨[7]、张双亚等[8]根据北京地下直径线工程地质条件，从盾构与地层渗透性、颗粒级配、黏土含量的关系，对盾构选型进行了详细描述。王全华[9]针对苏州轨道交通2号线工程特点，对比分析了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的优劣，确定了土压平衡盾构具备更好的经济性、安全性、适应性和环保性。李茂松[10]针对盾构在富水砂层中施工，对土压平衡盾构的刀盘结构和刀具布置进行了改造，使盾构掘进速度提升了4倍。陈仁朋等[11]、王旭等[12]都针对复杂地层刀盘的地质适应性进行了理论计算和设计研究。蒋磊等[13]针对长沙地铁3号线盾构穿越砾岩夹泥质砂岩复合地层、断裂破碎带和复杂岩溶地层，对盾构各关键部位进行了设计和改进。吴和北等[14]、曹智等[15]对成都砂卵石地层盾构选型和施工关键参数的理论计算做了详细分析。

尽管国内外盾构选型有丰富的工程经验和案例可以借鉴，但是特拉维夫红线轻轨是以色列第1条地铁，特有的库卡地层具有石英含量高、强度大、透水性强，且上覆地层还有粉细砂，沉降不易控制，在该地层施工未有类似盾构施工的经验可以借鉴。因此，对该地层进行盾构选型研究，以期为今后以色列地区盾构施工及其他海外项目提供一些参考。

1 工程背景

以色列特拉维夫红线轻轨项目是该城市的第1条地铁项目，东标段的5、6号线采用2台盾构施工。1号盾构施工6号线，在车辆段始发，在Em Hamoshavot车站接收；并整体过站后再始发，直接下穿1/5/2/6竖井和Aharanovitz车站，最后在Ben Gurion车站接收；然后，拆机转场至Shenkar车辆段，始发掘进至1/5/2/6竖井，最后接收拆机。2号盾构施工5号线，在Depot车辆段始发，在Em Hamoshavot车站接收并整体过站再始发；盾构在1/5/2/6竖井接收后过站始发，下穿Aharanovitz车站，最后在Ben Gurion车站接收；拆机转场至Shenkar车辆段，始发掘进至1/5/2/6竖井接收。线路经过特拉维夫城市中心，需要穿越铁路、房屋、高架桥等重要建筑物，沉降控制严格，且地下管线复杂、地表交通繁忙、建筑物密集。线路平面位置如图1所示。

图1 线路平面位置图

2 地层特性分析

2.1 盾构穿越地质

(a) Depot—Em Hamoshavot区间地质剖面图

(b) 5/8竖井—1/5/2/6竖井区间地质剖面图

2.2 库卡地层特性

库卡是一种少部分胶结的颗粒土，它可以细分为4类，强度最高的库卡层称为K-4，强度最低的层称为K-1，对其具体描述见表1。

为评价其磨蚀性，对11块库卡岩样进行了炭黑磨蚀性试验，得到磨蚀性指数范围为0.6～2.7，平均值为1.6，如图3所示。因此，库卡土层可以被认为是具有一定磨蚀性的土层。

图3 磨蚀试验分析图

对库卡岩样进行电镜扫描，测试其成分含量，结果表明库卡主要由方解石、石英、铁白云岩组成。方解石含量占40%～60%，石英含量占20%～30%，剩下的主要以铁白云岩为主，测试结果如图4所示。

表1 库卡地层围岩描述

图4 库卡成分分析

库卡地层石英含量较高，磨蚀性强，对刀具的磨损大，而且库卡具有一定的强度，所以盾构需配置耐磨滚刀；库卡地层具有极强的渗透性，渗透系数高达5×10-4m/s，隧道大部分都在地下水位以下，在该地层中掘进还需做好渣土改良的工作。

2.3 其他地层特性

其他类土质包括砂层、混合颗粒土、贫黏土和重黏土。砂层主要是由细到中等的砂子组成，无黏性，含水率平均值约为13%，干容重的平均值为15.3 kN/m3；混合颗粒土含有0%～15%的砾石，晶粒尺寸小于0.06 mm的含量为5%～50%，含水率测定结果平均值为20%；重黏土具有高塑性，天然含水量在11%～61%，平均值为32%。具体土质划分和描述见表2。

表2 其他围岩描述

3 选型分析

3.1 盾构类型比选

由于盾构需要先后穿越完全不同的2种地质，为盾构选型增加了很大困难。从车辆段至Em Hamoshavot车站的盾构区间以黏土为主，适合用土压平衡盾构进行掘进；而剩余区间地质以库卡和富水粉细砂为主，渗透系数在5×10-6～5×10-4m/s，泥水平衡盾构更为合适。因此，需对2种盾构进行比选分析。

泥水平衡盾构适用于淤泥质黏土、粉土、粉细砂等各类软土地层及复合地层，特别是在渗透系数大且水头较高的江河中优越性较大。泥水平衡盾构通过泥水管道将泥土输出，可连续输送，输送速度快而均匀，但设备运行成本大，故障率高；土压平衡盾构施工配合皮带机长距离连续输送渣土，施工效率将大幅度提高。泥水平衡盾构泥浆循环分离费时，泥浆管理难，虽然加入合适的添加剂后能增加流动性和止水性，可提高掘进效率，但土压平衡盾构添加剂管理更加容易。经过综合评估成本、工期、场地条件等因素，本工程选择土压平衡盾构。

Pane等[1]将已报道的24例e19a2BCR-ABL CML患者分为两组，15例单纯的e19a2携带者血液学和临床特征与CML-N相似，另外9例有主要路径ACAs患者临床表现与典型CML相似，前者的中位生存期为190个月，后者为37个月。Fabarius等[49]进行1 348例Ph染色体阳性的CML患者临床试验后发现，t(9；22)(q34；q11)、t(v；22)、-Y、平衡或不平衡次要路径ACAs、主要路径ACAs患者分别为1 175例(87.2%)、74例(5.5%)、44例(3.3%)、17例(1.3%)、 21例(1.6 %)，其中t(9； 22)、t(v； 22)、-Y、

3.2 盾构刀盘及刀具布置

3.2.1 刀盘

刀盘和刀具选择的合理性直接影响到盾构掘进的速度和效果。刀盘结构必须具备足够的强度和刚度，确保盾构在特殊地质条件下也能顺利掘进施工。由于库卡地层具有高耐磨性和一定强度，需要在刀盘设计时选用足够强度、刚度以及耐磨性的材料。本工程刀盘设计采用中心支撑和面板式刀盘，刀盘总质量80 t，开挖直径为7 550 mm，开口率为38%。针对地层磨蚀性强，刀盘面板焊接12 mm厚耐磨钢板，并设置3个磨损监测装置；仪表区域采用40 mm厚钢格栅设计。

3.2.2 刀具布置

刀盘共布置19把43.18 cm双刃滚刀，刀间距为100 mm，滚刀可以从刀盘背面进行更换。同时，在刀盘上安装3个磨损监测传感器。布置有120把切刀，16把撕裂刀，16把边缘刮刀，1把中心鱼尾刀。盾构现场照片如图5所示。

图5 盾构现场照片

3.3 小半径曲线盾构转弯设计

盾构前盾长3 685 mm，直径7 510 mm；中盾(包括铰接接头)长3 870 mm，直径7 500 mm；尾盾(包括铰接接头)长3 950 mm，直径7 490 mm。本工程设计的线路在5/8竖井—1/5/2/6竖井区间的转弯半径是220 m，在竖井1/5/2/6接收前40 m的转弯半径为190 m，盾构在小半径施工将面临转向困难、超挖、卡盾等问题。为了有效解决盾构在小半径曲线掘进问题，盾构铰接采用双铰接设计，如图6所示。在盾构前盾与中盾之间安装一个主动铰接，调向性能好，转向弯曲角度大。将其置于盾构偏前处，使盾体前部长度尺寸缩短，减小土体摩擦阻力及铰接千斤顶的载荷。在中盾与尾盾之间安装一个被动铰接，虽然弯曲角度小，但结构简单，占用空间小，可以将盾尾部分拖挂在后面。

采用单铰接型式盾构极限转弯半径为200 m，但采用双铰接型式后，盾构极限转弯半径可达到150 m，有效地满足了工程中最小转弯半径190 m的线路要求。

图6 盾构铰接示意图(单位： mm)

3.4 盾构其他系统

3.4.1 螺旋输送机系统

螺旋输送机长度为16 m，功率为315 kW，转速在0～22 r/min，额定转矩为195 kN·m，脱困转矩为224 kN·m。在渗透性好的砂层和库卡地层中，可根据现场实际情况改变闸门开度，保证渣土在螺旋输送机中形成“土塞效应”，防止出现喷涌。

3.4.2 渣土改良系统

盾构泡沫系统采用单管单泵的设计，安装有8个泡沫发生器，在砂层中加入泡沫，可降低渣土的内摩擦角，不仅可以减少刀盘和刀具的磨损，而且还能有效地降低转矩。配备1个功率为5.5 kW的膨润土注入泵，在富水砂层中还可注入高分子聚合物，吸收渣土中的水分，改善其流塑性，防止喷涌的发生。

4 盾构主要参数

4.1 主要参数的确定

盾构主驱采用9组变频电机，使用管片规格为： 管片外径为7.2 m，内径为6.5 m，厚度为350 mm，环宽1.5 m，曲率半径小于300 m时采用1.2 m宽的管片。盾构适应纵向的坡度不宜小于6%，最小转弯半径为150 m。根据详细的地层特性分析及针对性设计，盾构的主要参数见表3。

表3 盾构主要参数

4.2 刀盘转矩理论计算

4.2.1 地层物理力学参数

土体物理力学参数选取第2区间始发后约110 m处的钻孔勘探结果进行计算，土层参数见表4。

表4 地层物理力学参数

4.2.2 转矩计算

盾构在推进过程中，刀具切削土体会产生阻力转矩T1；切削下来的土体从刀盘开口进入土舱，开挖面土体因刀盘转动而剪切破坏，产生剪切渣土转矩T2；刀盘正面与土体产生摩擦，产生摩阻转矩T3；刀盘转动过程中，刀盘外周与土体发生摩擦，刀盘侧面的摩阻转矩为T4；刀盘背面与渣土相互摩擦产生摩阻转矩T5(假定土舱内渣土压力为刀盘正面侧向压力的80%)；刀盘切削下来的渣土进入土舱后，通过刀盘支撑梁搅拌成为均匀的流塑性土体，产生搅拌阻力转矩T6。转矩计算见表5。

表5 刀盘转矩计算

按照表中公式计算得刀盘总转矩T=T1+T2+T3+T4+T5+T6=5 129.91 kN·m，考虑一定的其他因素，再将转矩乘以储备系数1.2，得到T总=5 129×1.2=6 154.8 kN·m。其中各公式选用的参数值见表6。

表6 转矩参数选用表

表6(续)

表6中，Qu=c+p0tanφ。其中c为改良后的渣土黏聚力，取1 kPa；p0为刀盘中心处土体的静止土压力；φ为改良后渣土的内摩擦角，取5°。pr=(pe1+pe2+qe1+qe2)/4，其各项参数计算见表7。

表7 部分盾构受力计算

表7中W0为地表荷载，取10 kPa；D为盾构直径，取7.55 m；γt为地下水位上部的土体平均容重，取19.5 kN/m3；γ′为地下水位下部的土体平均容重，取19 kN/m3；H0为地下水位高度，取17.5 m；Hw为地下水位至拱顶高度，取1 m；拱顶埋深按18.5 m计算；λ为土层侧压力系数，可根据地层物理力学参数表得知。

4.3 盾构实际掘进转矩

盾构在第1个区间掘进时，转矩满足掘进要求。在第2个区间掘进时，盾构进入5/8竖井—1/5/2/6竖井区间的砂层中掘进后的转矩曲线如图7所示。由于额定转矩仅5 265 kN·m，盾构施工时的转矩基本在3 000～4 000 kN·m，盾构转矩明显不足，掘进速度为10～20 mm/min，盾构掘进速度慢、效率低。为解决该问题，增加了2组驱动电机，盾构额定转矩达到6 435 kN·m，脱困转矩达到9 331 kN·m，盾构掘进速度提高到40～50 mm/min，转矩值在5 000～6 000 kN·m，在砂层中掘进效果良好，这与理论计算值较为接近。

(a) 先行盾构转矩曲线图

(b) 后行盾构转矩曲线图

5 结论与建议

库卡地层岩石强度大，石英含量最高达60%，致使刀具严重磨损，换刀频繁，所以合理的刀具配置、合适的刀盘开口率对掘进速度至关重要；在该地层中，盾构所需转矩和推力大，转矩高，建议在该地层盾构需配置足够驱动电机，使盾构拥有足够的转矩。

1)实践证明，在以色列富水粉砂及库卡地层采用土压平衡盾构施工，合理的选型是采用面板式刀盘配备双刃滚刀，能保证盾构在砂层和库卡地层中顺利掘进。

2)采用了双铰接的方式。前盾与中盾采用主动铰接，中盾与尾盾采用被动铰接的方式，有效解决了盾构在190 m和220 m小半径曲线掘进难题。

3)本工程中，国外设计单位给定的土压力设计值高达0.3 MPa，掘进过程中盾构转矩大，土舱温度高，掘进速度低。在以后的施工中还需进一步对库卡地层盾构土压力的设定进行正确的理论计算分析。