摘要：根据北京地区工程地质和水文条件，以及北京市地铁施工的特点，提出适用于北京地区地铁隧道施工用的盾构机型和盾构机基本配置的技术要求，同时还就盾构机扭矩、刀具形状与布置及作用等技术关键点进行了讨论。此外还提出，施工企业、国内重工业企业及科研单位三看联合起来共同攻关，可以设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。关键词：北京地铁盾构机造型砂卵石磨损1前言为承接北京地铁隧道施工任务，我集团公司于2002年10月参加了北京市地铁五号线盾构法施工标段的投标，由笔者执笔编写投标书中盾构机选型部分内容。在完成此任务的过程中，笔者对北京地区地质特征、盾构机机型及适应工程地质的特点等进行了思考，感到国内大型重工业企业如果深刻认识到北京地区地质的特点，在设计方面针对关键问题有正确的解决办法，再加上精心制造，完全有能力设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。为此，笔者将北京地区地铁隧道施工用盾构机选型的有关资料进行整理，同时结合我集团公司购买北京市地铁五号线施工用盾构机(外径Φ6.14m)时的一些基本考虑，勉凑一文，供国内同行参考，为促进我国盾构技术的发展贡献一点微薄之力。2北京地区地质情况简介及地铁隧道结构形式2.1工程地质及水文条件北京市地处永定河洪冲积扇的中上部，第四系松散土层及砂卵石层遍布全区，其地质沉积层的"相变"十分明显，如西部单一的砂卵石层向东很快渐变成粘性土和粉细砂互层的多层状态。在北京市采用盾构法进行隧道施工时，将碰到以下几类极具北京地质特征的地层：(1)粘性土及粉土层(粉质粘土、粘质粉土)。(1)砂性土层(粉细砂、中细砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。(3)砂卵石地层(一般粒径3～5mm，西部5～15mm，最大层厚超过40m以上)。(4)粘质粉土、砂质粉土、中细砂互层，中砂、粉质粘土、砂卵石互层。北京市的地下水一般指上层滞水、潜水和浅层地下水，另有一类景观、河期渗漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。2.2地铁隧道结构形式北京市地铁隧道覆土厚度约为8～16m，埋深约为14～22m。一般考虑采用节能型车站，隧道线形既有平曲线又有竖曲线。地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。隧道结构可分为普通环和通用环两种形式(图1，图2)。普通环形式为常用的标准环+左转、右转环(楔形环)方式，在直线段使用标准环，曲线段采用楔形环。目前国内大部分城市地铁隧道均采用此种普通环拼装方式。通用环形式是欧州常用的管片拼装方式，该方式只有1种楔形环，通过其不同组合实现直线和曲线管片拼装。两种结构形式管片均由6块组成，本次北京市地铁五号线盾构施工标段即采用通用环拼装方式。3地铁施工用盾构机选型基本原则笔者经过对国际国内盾构施工技术的调查分析，针对北京市地铁隧道盾构法施工，认为盾构机选型时应遵循以下几项基本原则。（1）盾构机技术水平先进可靠，并适当超前，符合我国国情（2）所选盾构机应满足北京市地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，特别是要满足规划在2008年前必须完成的隧道工程施工的需要。（3）能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。（4）盾构机能够适应北京市地下构筑物众多的特点，必要时可实现隧道（盾构机）内清楚或撤换障碍物的施工。（5）盾构机在设计方面应考虑北京市地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。4盾构机选型考虑要素及注意点4.1工程地属条件(1)粘性土及粉土层盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。(2)砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。(3)砂卵石地层北京地区的砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25％～40％之间．盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。(4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层对于此类地层，盾构机施工比较容易．有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。(5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。4.2工程水文条件对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可(对于密封0.6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易)。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。4.3曲线施工根据城市地铁的使用要求以及城市交通网的规划，地铁隧道必然存在曲线部分，而节能型车站通常为进站上坡出站下坡，也有坡度较大的竖曲线部分；另外地铁隧道线形设计或施工时，常为避开既有构筑物，不得已改变线形，也会出现曲线。因此盾构机所装备的功能，应满足曲线推进的要求。设计在曲线段一般采用楔形管片，但为减少曲线施工对土层的干扰，笔者认为除采用楔形管片外，设计盾构机时还可以考虑采用油压分区控制、实现千斤顶可自由编组；或采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决。4.4地下构筑物众多北京是一个拥有一千多万人口的特大城市，地下修建了大量的构筑物，如上下水管道、煤气、热力、电力、通讯、人防工程等。北京又是一个古老的城市，除地下可能有大量文物外，旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。而由于历史的原因，北京市城市建设档案管理相对滞后，很难弄清地下各种构筑物的分布状况。工程勘测时，因钻孔距离的局限，隧道沿线总存在勘测的空当，实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑，不能实施勘测。因此盾构法施工过程中，会遇到各种障碍物或异物，并且往往不具备从地面进行处理的条件，给盾构掘进施工带来意想不到的困难。盾构机选型时，应考虑北京地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。4.5浅覆土及隧道穿越建筑物下方隧道穿越建筑物下方，特别是旧有民房(穿越其它现存构筑物两者距离过近的情况也可划归此类)，是城市隧道采用盾构法施工的首选原因；另由于种种原因，地铁隧道总会有局部埋深不大，隧道覆土较浅的地段，故盾构机在上述条件下施工不可避免。对此稍作分析即可知道，这两种情况下盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制土体(地面)沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。根据盾构法施工经验．如果施工控制不好，确实会引起隧道前方或周边土体产生较大沉降与变形，造成地面房屋开裂或严重干扰相邻构筑物。因而盾构机选型时，将盾构机配备控制土体沉降与变形的功能以及具有操作简便、灵巧等性能作为重点考察内容。4.6同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进根据北京地区地质条件，盾构机的使用寿命一般可达6km甚至10km以上，而盾构法隧道工程标段划分不会过大，估计在两个区间左右，即单线长度不大于4km，低于盾构机的使用寿命。笔者认为应考虑我国国情，尽可能增加盾构机用于工程施工的长度。故所选盾构机在确保适应北京各类地层施工的前提下，须充分考虑盾构机分块的合理性，既要保证盾构机的整体质量，又要满足便于组装、解体和搬运的要求。5盾构机机型选择5.1盾构机技术发展简要回顾盾构机问世近180年，但得到迅速发展是在20世纪60年代以后。纵览当今世界各国，盾构机综合技术水平首推日本(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近8500台)和欧洲(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近500台)最高。盾构机由初期的手掘式发展到半机械式、全机械式，以及近30多年来高速发展的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机等。现代盾构机已在自动控制、激光导向、液压传动、开挖面压力控制、壁后同步注浆、盾尾密封、管片拼装、计算机数据采集等方面得到很大发展。进入20世纪80年代后期，世界上又开发出既可用于软土地层又可用于岩石围岩的复合式盾构机；开发出可转任意角度的复合子母式盾构机。另外，盾构法隧道成型断面除圆形之外，多圆形、椭圆形、矩形及多室矩形也在实际工程中得到应用。当今世界盾构机的技术水平已发展到相当高的阶段。对于北京地区的地质条件．以及地铁隧道工程所穿越的区域，采用泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机均能满足隧道施工的需要。5.2盾构机机型的确定正如5.1节所述，采用当今技术水平最高的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机，均能满足北京市地铁隧道的施工，但究竟采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能得出正确的决策。泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水(浆)来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理。该设备系统庞大，占地面积多，且价格昂贵。加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂(如泡沫等)，极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。日本土木学会1997年修订《隧道标准规范(盾构篇)及解释》时，专门在日本全国境内对盾构机机型、使用地质条件以及工程应用数量等作了较全面的调查。调查结果如图3～5所示。
由图3·图5可见，加泥式土压平衡盾构机应用的台数最多，工程项目应用的数量最大，适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至软岩)的能力最强，特别是在砂砾地层(最大粒径超过5mmm)中的应用占绝对优势。为进一步分析判断，笔者对国内各大城市地铁工程应用盾构机的机型也进行了调查，结果如表1所示。由表1可清楚地看出，无论南方还是北方，国内地铁隧道工程使用的盾构机型均以加泥式土压平衡盾构机型（含复合式）为主。尽管应用的地域或范围较广泛，地质条件相差较大，但据调查，该类机型均能较好地适应和顺利地完成地铁隧道的施工。可见，国内地铁工程盾构机的应用实践，也证明了加泥式土压平衡盾构机具有良好的适应性。笔者进一步对泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机的主要特性进行了比较，其内容与结果详见表2。根据国外与国内盾构机实际应用现状和两种机型技术特性的比较结果，笔者认为，对于北京市地铁隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构机的技术经济比较合理，选型时宜优先考虑。6加泥式土压平衡盾构机的基本技术（配置）前节已详细阐明了采用加泥式土压平衡盾构机技术经济的合理性，下面针对北京市地铁隧道工程，笔者试提出盾构机的基本技术(配置)选择和要求。6.1盾构机刀盘形式盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为面板式和辐条式(复合式刀盘由这两种形式派生而出)刀盘两种形式。针对北京的地质条件以及目前地铁隧道埋深不超过25m的情况，采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4％～8％。因此笔者对两种型式的刀盘特性进行了比较。比较结果表明，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，保证有较好的掘进性能，又能节省设备投资(比较结果详见表3)。6.2构机刀盘驱动方式刀盘驱动方式是盾构机的重要组成部分，其承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务。刀盘驱动系统也是盾构机内务系统中消耗功率较大的设备之一。过去为了保证刀盘旋转切削土体的能力和效果，盾构机刀盘驱动方式多设计为液压驱动。但随着变频电机技术的不断发展，逐渐在盾构机的设计中被采用，而且由于其具有明显的技术优势，同时价格也在逐年下降，应用于盾构机呈不断扩大的趋势。笔者从盾构机刀盘驱动效串的高低，后续配备设备的多少，设备维护、保养的难易以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，认为北京地区隧道施工用盾构机，其刀盘的驱动方式以采用变频电机驱动方式为好。盾构机刀盘驱动方式特性比较见表4。6.3盾构机刀盘支撑方式盾构机刀盘支撑方式如图6所示，一般有中心支撑，中间支撑和周边支撑三种方式。采用何种方式，主要依据盾构机的直径和工程的地质条件。中心支撑方式主要用于中小直径(直径≤φ7.5m以下)的盾构机，其对地质条件的适应性较好．中间支撑方式则主要用于中大直径(直径在Φ4.5～φ17.4m之间，有工程实绩)的盾构机，当直径不太大、地质条件为粘性土时，刀盘采用中间支撑方式易在支撑的中心部分粘附，并逐渐扩大形成俗称"泥饼"的现象，造成出土不畅与盾构机的阻力增大。因北京市有大量的粘土层，若盾构机刀盘采用中间支撑方式，需对此给予充分注意和采取有效对策。周边支撑方式则比较灵活，即可用于小直径盾构机，也可用于大直径盾构机，但也同样存在刀盘支撑位置处易于粘附的问题，需要采取相应的解决措施。上述三种盾构机刀盘支撑方式中，前两种目前在盾构机中广泛应用，后一种使用尚不多。故笔者仅对中心支撑方式与中间支撑方式进行比较。根据笔者盾构法隧道的施工经验，以及查阅有关技术资料和与盾构机制造商进行专题研讨，对于外径为46.50m左右的盾构机，单就刀盘支撑结构的强度(含刚度)而言，盾构机刀盘采用中心支撑方式或中间支撑方式均能满足北京地区隧道施工要。但是针对北京地铁隧道的规划线路和可能碰到的地质条件，这两种支撑方式对盾构机密封舱内切削土体的搅拌状态(反映切削土体在密封舱内的流动特性与平衡土压力的控制效果)、刀盘密封性能(反映主轴的使用寿命)等方面有较大的差异，若处理不当，会对盾构机的使用造成不利影响。笔者结合北京市地质情况，对前述两个方面进行了比较。6.3.1盾构机密封舱内切削土体搅拌状态(1)中间支撑方式如图7所示，由于中心支座的存在，将盾构机密封舱分隔成两个区域，中心区域直径约为3.5m，占密封舱内相当大的空间。当刀盘旋转切削土体时，支座中心区域以外部分的土体流动顺畅，易于搅拌；中心区域内的土体流动较差，当切削土体粘性较大或者所加泥浆搅拌不良并长期积聚于中心区域时，中心区域土体逐渐增多最终形成"泥饼"，完全丧失流动性。内外两个区域的土体流动性差异较大，土体搅拌混合的效果难以确保。综上所述，刀盘采用中间支撑方式的盾构机在粘性土(包括粉细砂)中施工时，若处理不好，密封舱内切削土体搅拌效果不易满足要求，并可能会因粘附堵塞形成"泥饼"，造成出土不畅、阻力增大、开挖面土压控制不稳定。因而，盾构机掘进效果受到影响，且对控制地面沉降不利。(2)中心支撑方式
如图8所示，盾构机刀盘旋转切削土体时，密封舱内土体的流动空间和被直接搅拌的范围大，土体流动顺畅，土体搅拌混合效果良好，引起堵塞的可能性较小，开挖面土压控制稳定。因而，盾构机掘进效果较好，改善了盾构机控制地面沉降的性能。6.3.2盾构机刀盘密封性能盾构机向前掘进时，其刀盘一方面旋转切削土体．一方面随着盾构机向前方顶进。中心支撑主轴和中间支撑主轴转动圈外周是不同的，即在相同转速下，密封材料所密封的长度不同。因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘进长度以及相同掘进速度的条件下，对密封系统的磨耗完全不同(详见图9)。按照盾构机刀盘的转速和盾构机推进速度的计算公式，可以求出两者差异。计算公式如下：(5)式表明，中心支撑的主轴转动圈外周长度仅为中间支撑的0.3倍，因此就密封系统的使用寿命而言，盾构机刀盘采用中心支撑比采用中间支撑有利。根据比较与分析结果，从①盾构机密封舱内的土体的搅拌效果，确保在粘土、砂、砂卵石地层中推进均不易发生粘附堵塞；②开挖面平衡土压控制稳定，地面沉降控制效果良好；③可延长盾构机的使用寿命，降低工程造价等方面综合考虑，笔者认为盾构机刀盘支撑方式采用中心支撑方式优于中间支撑方式。6.4加泥及加泡沫系统加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。正是采用该系统，对于不同地质的条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水、土压力又能向外顺畅排土，大大拓宽了盾构机的适应范围。北京市东边大部分地区应用盾构法施工时，仅采用加泥系统就可满足隧道施工的要求。由于北京市地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层，根据笔者的经验，盾构机在这种地质环境中掘进时，仅考虑采用加泥措施来改善切削土体流动性往往效果不佳，密封舱内切削土体寓析严重，盾构机经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大掘进效率降低，施工费用增加。为适应前述地质环境的施工，可在加泥的基础上增加泡沫系统。利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体渗透性，达到既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土的目的。我集团公司在北京市无水砂卵石地层施工时，根据地质的变化，加泥或加泡沫或同时加入泥浆和泡沫的混合液，施工效果良好。6.5螺旋输送机螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，主要有以下三个功能：(1)将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续排出。(2)切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持密封舱内土压稳定。(3)将盾构机密封舱内土压值的高低，自动(也可手动)与设定土压值比较，随时调整向外排土速度，控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构机连续正常向前掘进。根据螺旋输送机的构造不同，可分为有中心轴的螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机。比较国内外盾构法施工的业绩，可认为前者适用于一般性土、砂运输，后者适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。虽然目前国内在盾构机用带式螺旋运输机的加工制造方面经验不多、技术尚不成熟，但国外已经大量采用，有相当丰富的设计和施工经验。对于北京市地铁隧道施工，必然要遇到砂土层和砂卵石地层，同时还可能遇到少量的大颗粒卵石或漂石，为尽可能增加盾构机最大排出卵石(砾石)的能力，宜采用带式螺旋运输机。6.6皮带运输机皮带运输机与螺旋箱送机相接，盾构机密封舱内切削土体由螺旋输送机向外排出后，经皮带运输机输送到出碴斗车，再运往工作竖井外。盾构机设计时，皮带运输机一方面向外运土，另一方面兼作吊运管片的承重结构。因此，皮带运输机的长度要根据水平出土运输的施工组织而定，地铁施工用皮带运输机的长度一般为40m左右；另外，皮带运输机的托架必须满足吊运5000kg的要求。6.7壁后同步注浆系统随着盾构机技术的不断应用和发展，广大工程技术人员逐渐深刻地认识到壁后注浆技术在盾构法隧道施工中的重要作用，若进行归纳，可以指出有以下几个作用：(1)同步填充盾构机向前推进过程中管片逐渐脱出盾尾所产生的间隙(简称盾尾间隙，一般在60～100mm之间)。(2)改善管片结构防水和抗渗性能。(3)促进隧道管片结构及早稳定。(4)限制隧道结构蛇行。壁后同步注浆最重要的作用是第一项，盾构法隧道施工中能否及时填充盾尾间隙，是控制土体沉降的关键。针对北京市地质条件、地铁隧道的埋深和隧道穿越地区地面建筑物的状况，笔者认为，盾构机同步注浆系统应具备单(包括惰性)、双液注浆的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，确保地面建筑物的安全。当隧道覆土深度不大、地面建筑物结构性差、沉降控制要求严格、以及隧道穿越地层地质不良、稳定性差时，必须采用壁后同步双液注浆。所注入浆液不仅要求能够同步及时填满整个盾尾间隙，而且要求浆液迅速固结达到设计强度，满足抵抗土体变形下沉的需要；当施工环境条件与前相反时，则可采用壁后同步单液(包括惰性)注浆，也能达到及时饱满填充盾尾间隙的要求和控制沉降的目的，这样做，技术经济上比较合理。6.8盾尾密封系统盾构机盾尾密封系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。追溯盾构机的应用实践，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常不在盾构机头而在盾尾。盾构机盾尾密封一般有刚性密封和柔性密封。由于刚性密封对管片生产和管片拼装质量要求较高，逐渐被柔性密封取代。对于北京地区的具体情况，盾构机采用内注密封油脂式钢丝刷柔性密封系统即可满足隧道施工要求。钢丝刷密封系统柔度适中，适应性强，对管片及管片拼装质量要求一般。盾构机掘进时，向盾尾连续注入优质盾尾密封油脂，可保证在0.5MPa的压力下，盾尾不会出现渗漏水和渗漏泥浆。6.9管片正圆器在直径大于5m以上的盾构法隧道中，拼装完好的管片在脱出盾尾后会产生下沉变形，影响管片最终拼装质量。由于北京地区隧道施工要求较高，为保证管片在脱出盾尾后的最终拼装质量，建议采用管片正圆器对管片变形进行矫正和限制。根据笔者经验，上下支撑式管片正圆器正圆效果较好，其示意见图10。6.10数据采集系统与监控管理系统为提高盾构机施工技术水平，国外已开发出性能优越的管理软件，其中盾构机挖掘数据管理软件是应用最广泛的软件系统。采用此系统，可输出周报、日报、环报以及掘进100mm为单位的挖掘管理数据；有各种参数设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线等施工应用画面；所有采集数据均能保存下来，供日后分析和判断。6.11全自动监测与导向系统随时掌握与分析盾构机在掘进过程的各种参数，是现代盾构机技术的一个主要部分，也是指导盾构机实现正常、顺利掘进不可缺少的条件。如6.10节所述，先进的盾构机推进技术数据采集系统与监控管理系统是目前盾构机的基本配置。为更好地把握盾构机推进的各种状态，笔者注意到日本最新开发出的盾构机全自动监测与导向新技术。这一套配有高精度陀螺仪的全自动监测与导向系统拥有以下功能：(1)自动监削掘进过程中盾构机的各种状态，包括盾构机的倾斜、转动、方位及位置。(2)将(1)项中监测数据全部收集、显示、打印与保存。(3)自动监测结果可随时与事先辅入的数据，如隧道设计轴线进行比较。(4)自动监测结果可以和盾构机的其他推进技术参数同屏显示。若采用这套全自动监测系统，无论是具体的操作人员还是工程管理技术人员都能在各自的位置上随时掌握盾构机掘进的各种状态，可以与事前输入的隧道轴线相比较，也可以随时对有关参数进行调整。经询价，该系统价格不高，因而我集团公司在购买φ6.14m盾构机时，引进了这套系统，使我集团公司的盾构机在操作性能和控制技术得到大大提高。6.12盾尾间隙自动测量系统按照目前盾构机盾尾密封结构的设计思想，盾构机一般均存在盾尾间隙。间隙的大小则根据盾构法隧道曲线段施工曲率半径的大小、管片安装所需空间以及管片安装不当出现蛇行(此项目与施工队伍的施工技术水平有关)等因素来确定。为尽可能排除或减少盾构机掘进过程中盾尾间隙处出现管片外周与盾壳内侧相互挤压，降低推进阻力，进一步提高管片拼装质量，笔者建议为盾构机增加一项盾尾间隙自动测量系统，其价格不贵但使用效果较好。采用盾尾间隙自动测量系统，在施工中可自动连续测量盾尾间隙的大小，适时判断管片与盾尾之间的相对位置，并与其他盾构机推进技术参数结合，达到综合控制盾构机姿态的目的。盾尾间隙自动测量示意见图1l。6.13球面压力传感器控制开挖面土压平衡的土压计，是盾构机实现土压平衡控制的关键元件之一，其精度一般较高。但在砂卵石地层中施工时，粒径较大的砂卵石，频繁撞击土压计，对土压计的质量要求很高。为防止土压计失效，笔者建议将其设计为球面压力传感器，施工中万一出现损坏，可以在机内进行压力计的更换。球面压力传感器更换示意见图12。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1.5m)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1.5m)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600mm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3～4m，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1200kN(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。参考文献
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