大连地铁小半径曲线掘进盾构选型设计

付金海，冯欢欢

（1.中铁十局集团有限公司，山东 济南 250000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）

1 工程概况

大连市地铁2号线工程201标段西安路站-交通大学站区间工程，为大连地铁单台盾构掘进最长区间，右线全长1 659.263m。平面线路出西安路站后沿南北方向向南，通过半径300m的曲线转入偏东西方向，再通过半径450m的曲线接入黄河路，到达交通大学站。纵断面形式呈“V”字形（图1），最大纵坡为25‰。区间隧道结构最大覆土厚度30.8m，最小覆土厚度14.2m。竖曲线最小半径为3 000m，最大半径为5 000m。

本工程重、难点为小半径（300m半径）曲线始发、左右线路为上下重叠至区间终点左右线逐渐分离并行、受始发井场地限制无出碴井、复合地层长距离小半径R300曲线掘进、长距离硬岩段掘进等。区间需穿越大连市发电厂、西部通道桥、大连自来水集团公司等重要建筑群及断层破碎带（两次穿越马栏河）。区间隧道所穿越的地质构造复杂，地层起伏及围岩岩性变化大，且隧道埋深较深，线路坡度大。

大连地铁201标盾构于2011年2月20日始发，2月21日至3月22日完成盾构初始掘进0～47环。从4月4日开始进行正常掘进，右线于2012年12月20日贯通（掘进1 326m，日均6m），设备运行状态良好。

2 盾构选型设计

盾构的种类非常多，应用范围也非常广。目前，城市地铁最常用的盾构是土压平衡盾构和泥水盾构两大类。

地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构，盾构与渗透系数关系如下图2所示。

大连地铁盾构穿越的基础地质是钙质板岩，掌子面稳定性好，渗透系数1.15×10-5～5.79×10-5m/s，处于渗透系数在10-7～10-4m/s之间，因此既可以选择土压平衡盾构也可以选择泥水盾构。但是，考虑到泥水盾构对碴土的分离成本高，需占用较大的碴土场地而本区间施工场地狭小，另外重要的是土压平衡盾构在成本、环保等方面均具有较大的优越性，因此选用土压平衡盾构。

最后，针对本盾构区间部分需要穿越中风化碎裂岩、中风化辉绿岩，为复合地层，盾构需要进行掘进模式的转化。加上盾构的使用寿命一般在10km左右，为了提高盾构对地层的适应范围，减少后期项目对盾构的改造，最终决定选择复合式土压平衡盾构。

3 盾构配置

3.1 刀盘结构形式选择

刀盘有面板式和辐条式两种，面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，土压管理困难。而且，受面板开口率的影响，碴土进入土仓不顺畅，易粘结和堵塞，刀具负荷大，寿命短。辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止粘土附着，不易粘结和堵塞；没有面板的阻挡，开挖面土压与测量土压一致，因而土压便于控制，能有地控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。

鉴于以上比较，结合大连地铁地质状况，兼顾面板式和辐条式刀盘优点，本标段盾构选型为辐条式+面板式复合式结构形式，如图3所示。

3.2 刀盘驱动方式选择

刀盘驱动方式有3种，一是变频电机驱动，二是液压驱动，三是定速电机驱动。通过仔细比较，结合本区间主要穿越中风化钙质板岩层，地层较为稳定，故选用变频电机驱动。

3.3 刀具配置

盾构开挖性能主要通过刀具的选择和布置来保证。目前盾构常用的有切刀、刮刀、齿刀、双刃滚刀、单刃滚刀、扩挖刀。

根据本项目长距离小半径硬岩掘进的要求，盾构刀盘配置了5把双刃中心滚刀、32把单刃滚刀（1把超挖刀)、48把刮刀、12把边刮刀、16把大圆保护刀，如图4。

3.4 铰接方式选择

当盾构灵敏系数（机长/外径）大于1.5或隧道曲率半径小于250m时，应采用铰接装置。铰接装置是指盾构本体前后壳体间采用铰接液压油缸连接成一个整体，通过调整液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的装置。铰接的结构形式分主动铰接和被（随）动铰接两种（图5）。

主动铰接调向时即可采用主动转向方式也可采用被动转向方式，调向性能好，能够达到9°的弯曲角度。但是由于铰接千斤顶荷载大，其外形尺寸较大，布置数量较多，结构复杂、造价高且占用盾构内部空间大。相反，被动铰接虽然弯曲角度较小，一般情况下不大于3°，但是结构简单、造价低、占用空间小。综合本区间的情况，盾构采用被动铰接结构，具有260m半径转向能力。

3.5 碴土改良

当土层含砂量较高时，碴土流塑形变差，为便于碴土的输送，向土仓内注入膨润土、泡沫或水，然后进行强制性搅拌，使砂质土向泥土化转化。泡沫不仅改善开挖土体的流塑形，还可润滑刀具、刀盘、螺旋输送机，有效地降低刀盘扭矩稳定开挖面，并有良好的止水作用。膨润土不仅具有增强碴土流动性、和易性，以便于出土；同时可以充满盾壳周边，减少盾构的推进力，提高有效推力；并能够泵入同步注浆系统以置换砂浆，防止注浆管路堵塞。针对本标段的复合地层施工要求，同时配置了泡沫注入装置与膨润土注入装置，如图6。

4 盾构适应性设计

4.1 长距离中风化岩层掘进

根据地质报告最大岩石强度为36MPa，考虑到无侧限抗压强度与三向应力状态下抗压强度的区别，以及岩石层理方向与隧道轴线平行的可能，最大实际抗压强度应按照70MPa考虑。因此主要考虑的是刀盘破岩问题，要求刀盘应具备良好的破岩能力。

刀盘面板上布置了42把滚刀，正滚刀的刀间距为90mm，满足破除70MPa的风化岩层的要求。同时，盾构配置了膨润土及泡沫系统，可以对不同地段的掘进进行碴土改良，以便降低刀盘扭矩，减少刀具及螺旋机磨损，并解决以块石或片石为主的碴土从刀盘开口进碴及螺旋机出碴困难的问题。

4.2 极破碎风化岩及中等透水地段掘进

破碎地段围岩不能自稳，需要采用平衡模式掘进，但在以风化岩为主的破碎地层中，大粒径的石块含量大，细颗粒成分含量少，平衡模式需要的溯流性碴土难以获得，为克服此难题而采用的盾构适应性设计措施有：

1）盾构配备了碴土改良系统，膨润土和泡沫能同时输送到刀盘前面，既能稳定开挖面也能提高碴土的流畅性；

2）复合式面盘的开口多而窄，限制了进入土仓的碴土尺寸；

3）土仓设置前闸门，防止螺旋机堵塞进行处理时土仓失压。螺机有伸缩功能并具有足够的脱困扭矩。配置双出料门，在发生喷涌时临时用于出碴并保持土仓压力；

4）刀盘有足够的额定及脱困扭矩，以增大堵仓时、大块破碎石头卡在开口处时、或地层坍塌围住刀盘外圈梁时的脱困能力。

4.3 R300m小半径曲线盾构始发

由于在盾体离开始发架前盾构不宜或不能转向，因此盾构应采用割线姿态始发。盾构进入洞门3.5m左右即采用扩挖刀进行扩挖，以便留出初始转向空隙，在盾尾完全进入洞门后即开始转向，保证盾构由直线掘进状态顺利进入曲线状态掘进，避免在曲线外侧超差。

盾构适应性设计措施：盾构采用被动铰接结构，具有260m半径转向能力，配置超挖刀以备在需要时使用，超挖刀可以根据线形需要进行拆卸。

4.4 长距离小半径曲线掘进

本标段300m半径曲线状态掘进长度达2×700m左右，风化岩地层基本无压缩性，当边刀磨损5～8mm后盾构即出现卡盾及转向困难趋势；且在风化岩中刀具磨损较快及在曲线外侧超差时盾构需要以更小的转弯半径才能回正。采用的应对措施如下：

1）刀盘边刀间距密集布置，以减少边刀荷载延缓磨损速度及换刀次数；

2）配置盾体外膨润土润滑装置，可减少推进阻力，并防止开挖空隙被块石充填影响盾构转向；

3）刀盘外围滚刀布置刀体保护块，避免块石对刀具的额外荷载，减少边刀损坏的几率；

4）配置可更换的扩挖刀，以备在曲线；

5）外超差时扩挖，利于盾构转向；

6）边刀设置为通用滚刀，磨损后可作为正滚刀使用，提高刀具的利用率；

7）后铰接式盾体具有1.4°的最大铰接角,可实现极限260m的转向能力。