在地下铁道建设中首次采用DPLEX盾构机万芳

在地下铁道建设中首次采用DPLEX盾构机

一、引言

本工程是从横滨车站起、经过未来港21（简称Mm21）地区、北仲地区、在山下公园、中华街连接上有名的元街为止，称之为"Mm21线"（长度4.1km）的地下铁道新设线路。

此条线路是由6座车站和5条区间线路隧道（盾构隧道）所组成。其中本街盾构隧道工区，是首先采用大直径偏心多轴式泥土加压盾构机在地铁工程中心，于2000年12月平安顺利地完成了施工掘进。

二、工程概况

以下内容为该工程概况 工程名称：MM本街盾构隧道

工程地点：横滨市中心区本街一段

工期：1998年3月～2001年2月

工程内容：掘进长度452m×2（盾构机掉头返回掘进）

盾构外径：φ7510mm

管片外径：φ7000mm

管片宽度：1200mm

本工程是从Mm21线的北仲站始发推出的，到县府前站区间的并列单线盾构区间隧道（图-31）。

图-31 本街盾构隧道工程概况图

三、地质概况

横滨市中心地区、本街附近的地质是居于冲积性低地，以横滨港湾为中心扩展开来，在多摩丘陵高地处、沿着河流进入河谷平原。盾构所通过的地层大半是淤泥和淤泥质粘土组成的粘性土层（ACI）。但是，从始发到达县府前车站附近约为100m长的区间内出现了砾石层（Ag）和砂层（As）。图-32中显示了地质纵断面图。

图-32 本街盾构隧道地质概要图 砾石层仅在大冈河河口附近，出现了混杂有卵石的砂砾层、层厚分布范围都不怎么有规则，在冲积性细颗粒土层中、可以见到相互交替的状况。在本工程中的盾构机是以淤泥、砂层为对象进行设计制作。

粘性土层N值在2～5之间，是无侧限抗压强度在0.1～0.2N/mm2的较为稳定的地基土。砾石层则是含有90﹪以上的砾石成分，内中几乎不存在细颗粒成分，是一种N值在50以上，颗粒聚齐、崩塌性的地基，最大的砾石粒径有250mm。砂层的N值在5～15之间，较松散、不紧密，在掘进过程中需注意开挖面的稳定性。

四、盾构机的择定

在本工程中所使用的偏心多轴盾构机如图-33所示，是以淤泥、砂层为对象而设计和制作的。

图-33 本街盾构机（DPLEX）概要图

① 驱动轴数目确定

由于支撑切削器刀盘最少需要3根轴，而本盾构掘削断面是φ7150mm的圆形大断面，前面阻力很大，若只用3根轴支撑，则加大每根轴上负荷甚大。

此外，驱动部分部件在搬运时，分块重量有所限制，相对3轴体系而言、对重量有限制的分块情况较复杂，相反，若要作成大于4轴时，在尺寸上轴配置难以实施，这就要求分块数不宜过多；块数少在制作、装配上可获得良好的精度。

考虑以上几点因素，研究了以实施过的实际工例，决定了采用4轴型切削体系，盾构机的主要规格见表-4所示内容。

表-4 盾构机规格

② 切削器旋转半径研讨

切削器的旋转半径是在对土质、切削能力、砾块搬入能力、刀头的配置、驱动扭矩，以及搅拌能力等方面作综合研讨之后才能决定了的。

旋转半径越小，切削扭矩值就越小，在构造上亦形成有利；缺点是降低了砾石块取入机内的功能，且要增加刀头配置的数量。

本盾构机在设计时、就曾提出R=0.3m、0.4m和0.5m三种方案，对刀头轨迹和切削面积比（切削面积/盾构面积）作了比较之后，才决定采用R=0.4m的旋转半径尺寸。

③ 切削器的驱动方式

作为切削器的驱动方式，有电动马达驱动和油压马达驱动两种。而切削器刀架作平行环运动的条件，是需要使各驱动轴均按同一扭矩作同步转动，使用同一油压源将所有油压马达并联驱动，使之产生同一扭矩值，要做到此要求非油压方式驱动不可。

④ 切削器的装备扭矩值 如按以往单轴盾构机计算公式计算，在T=αD3中α取18～20（软弱土地基），D=7.15m代入后则有： T=（18～20）7.153=6580～7310KN-m

由于该机的旋转方式不同于单轴机，不能简单比较、随意套用计算公式。由于缺乏大断面DPLEX盾构机的经验数据，是根据切削器扭矩理论分析计算，和迄今为止施工实绩、作成T=2213KN-m。

对此值如采用和单轴型机同样的α值表示时，则如下面计算：

α=T/D3=2213/7.153=6.05

成为以往单轴型机α值的1/2。

五、施工情况

①大直径DPLEX盾构机的适用性

在沙砾层和粘性土层的复合地基中，可以做到既无机械故障、又能平安无事的掘进，几乎没有发生地表面沉降和对邻近重要构筑物的影响，反映出偏心多轴盾构机在掘进过程中对周边地基土干扰是相当小的。

在全断面砾石地层区段，从始发开始一直持续至20环上，在这一区段中由于经常发生压送泵被砾石块堵塞，日掘进量徘徊在1～3环之间。千斤顶推力在15～17MN，切削器扭矩达800～1000KN-m，掘进速度10～15mm/min，开挖面的土压力把下限定在相当静止侧压力的0.23MPa，而掘进的结果、地表面沉降只有1mm。

在淤泥层（ACI），N值只有2～5、无侧限抗压强度在0.1～0.2N/mm2中掘削，为防止密闭舱内的土砂粘着堵塞，采用高分子造泥材料注入泥浆，可顺利的达到日进8～10环的速度。推力11～14MN，切削扭矩500～700KN-m，掘进速度是25～35mm/min，开挖面的土压力用了0.24～0.25MPa掘进，地表沉降仅在0～2mm之间。

②密闭舱内搅拌能力

在偏心多轴盾构机中的泥土搅拌是以组合几台搅拌叶的轨迹进行的。在始发推出不久，开挖面整个断面上出现了砾石层，但在较多的注入了造泥材料后、便见到若干卵石的沉淀现象，而在此不久、由于能确保其有适当的塑性流动状态，故此能以良好的搅拌状态进行排土。

对于上行线隧道的盾构机掘进到达后的密闭舱认定来看，还不曾见到有淤泥、粘土的固结现象，可以断定密闭舱内的搅拌情况是足够充分的。

③切削器刀头的摩耗

作为切削刀头的材质、在硬质的刀尖处，是采用了相当于JISE5材料，在十字顶板刀头和顶板刀头的燕尾（母材）处是用的SKC24材料，而在外周刀头的燕尾部分则采用了S25C材料。

在上行线隧道掘进后，对刀头的摩耗状况进行了调查、测定，在表-5中刊示了对刀头的摩耗缺损状况的调查结果。根据以往盾构机的掘削实绩，表内还登出土质的个别的摩耗系数。切削器总的旋转次数为38253周，刀头的摩削距离约有96km之多。和以往的切削器摩耗系数相比，这种切削器的摩耗系数要小得多。

表-5 刀头的摩耗缺损状况

十字顶板刀尖的摩耗系数由于小到不可量测地步，摩耗系数的计算也无法进行。但是根据对在其他工程中的量测结果来看，十字顶板刀头的摩耗计算，大致和以往类型的刀头相当，而与以往的盾构机相比，摩削距离要少，结果是摩耗量也少。

从形状来看，由于和以往类型刀头是不相同的，对于十字顶板刀头持有的摩耗系数，还是需要在今后施工中积累，特别是在数字方面的实绩。

④切削刀头的破损

虽则是掘进在当时不曾想象的全断面砾石层中，但是刀头的磨耗和破损并不大。在外周部分的刀头中，集中见到大小在15～25mm左右的刀尖（刃）缺损，认作是由于碰到不明障碍物所损毁。

从总的来看，刀头摩耗、刀刃缺损还是很少的，这就显示了偏心多轴盾构切削器刀头运动的特性。对通常的盾构机而言，最外周刀头的周速约为20m/min左右，而对于本种机刀头的滑动速度都是相同的，是在5mm/min左右是相当小的值。处在砾石等障碍物的情况下，其冲击能（与速度平方成正比）亦还是小的，可以认为在此情况下难以形成对刀刃的缺损伤害。

设计时考虑到淤泥和淤泥同砂层相互交替成层中的始发部分和到达部分的地基加固（用CJG工法）的切削，是采用了顶端角为锐角的刀头，可是在实际施工中，却遭遇到全断面砾石层的极为不利的条件。但从结果来看，也就证实了偏心多轴式切削特性和刀头形状，对砾石层掘削的冲击还是有效的。

六、结语

切削器刀头的耐久性和切削器扭矩的降低等，是居于偏心多轴盾构机的特点，这已在中等直径盾构机的掘进实践中得到确认。而在本项工程中，是首次在地下铁道区间隧道盾构的设计、施工中的实施，可以确定、即便在大断面的盾构机掘进中亦是能够应用的。

除此以外，大断面盾构机课题中的主机装配、解体时间的缩短，对于地层周边环境影响可以减小等方面，推断也可以得到确认的。

今后，进一步地在各种条件下的施工实绩的积累，认为在施工中可靠性和经济性地提高方面，定会有更大的作为。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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