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摘 要：本文对天津地铁2号线穿越海河区间的盾构选型进行了分析，对选择的盾构主要功能进行了阐述，保证了隧道顺利穿越海河，对今后同类工程的盾构选型有一定的借鉴和指导意义。
关键词：地铁隧道；软土地层；穿越海河；盾构选型
1.工程概述
1.1 设计概述
天津地铁2号线17标工程东南角站～建国道站区间线路设计起点里程DK10+576.558，终点里程为DK11+394.800；区间线路左线全长813.218m，区间线路右线全长826.824m。两台盾构机“海河一号”、“海河2号”分别从东南角大里程端始发，到建国道小里程端盾构井接收。根据地勘资料及线路平纵断面图，区间隧道在DK～10+780～870段下穿海河。经现场调查，海河河面宽约90m，河水最深10m，河床较为软，覆土最低承载力为70kpa。水流自北向南流淌，速度较为缓慢，现场实测为1.2m/min。海河河床与隧道顶部的最小距离为7m（含淤泥层）。见图1。
1.2 水文地质概述
区间隧道穿过海河的河底区间上方的土体主要有④4淤泥质粉质粘土、⑤1粉质粘土、⑥2粉土和⑦1粉质粘土，河床底至区间隧道的最小覆土厚度为10.49m（含河床淤泥层）。该覆土层整体土质较软，自稳能力差，工程地质条件较为不利。见图2。
2.盾构机的选型
2.1 盾构机选择
结合本标段实际地质情况，隧道掘进断面基本处于粉土、粉质粘土、粘土、粉砂层内，含水量丰富，需采用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构。结合其他城市盾构穿越河流经验及天津实际情况，采用日本小松公司生产的小松土压平衡盾构机进行隧道掘进。
小松盾构主要参数如下：
本盾构机主要由开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、液压、电气、控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后续台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、碴土改良装置及其他装置如盾壳、人闸等组成。
2.2 开挖功能描述
开挖功能主要由开挖系统来完成，开挖系统主要由刀盘、切口环、密封隔板等组成。
刀盘装在盾构机的最前面，直接与开挖面接触，上面装有切削刀78把，周边刮刀12把，先行刀66把，周边先行刀12把来挖掘各种土体和砂层。
刀盘的外径设计为6360mm，比前盾外径大20mm，便于盾构机在推进时减少盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为0～1.3rpm，由变频电机无级调速，刀盘转速在0.3～0.8rpm时具有恒扭矩输出，0.8～1.3rpm时具有恒功率输出，以满足不同地质开挖的需要。
刀盘在8个变频电机驱动和22个推进油缸的作用下，通过减速器、大小齿轮、三排圆柱滚子轴承完成力和运动的传递而实现转动和切入工作面，实现盾构机的开挖功能。
2.3 推进功能描述
推进功能由推进系统来完成。推进系统配备了大排量、高压力的变量泵，采用一台45kW的电机驱动。共有22个推进油缸，无负载时可达到6cm/min的最大伸出速度；在工作压力32.4MPa时，可产生总推力3850t，开挖面122t/m2的推进力。
盾构机推进千斤顶采用22只行程为2150mm的油缸。安装在中胴上，布置在盾构机壳体四周，被编为4个组，分上、下、左、右可分别进行独立控制的4个液压区，布置及行程充分考虑了管片的构造及拼装管片的方便。
2.4 螺旋输送机
螺旋输送机由1台液压马达驱动，2台功率为45kW的变量泵供油，易于变速，耐冲击。螺旋机的最大输出扭矩为38.9kNm，理论出土能力为191m3/h。
螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。
2.5 铰接装置
铰接油缸安装在前后壳体上、铰接处有防水密封，可使前后盾构最大左右弯曲1.5度、上下弯曲1.0度。
前体与中体通过铰接油缸相连，可使盾构在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部分设置有一道密封，在密封处中体上涂有一层特殊涂料，铰接密封可耐1MPa水压，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。
2.6 盾尾密封
盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。采用耐久性好的钢丝刷型盾尾密封，安装有3道。
2.7 盾尾油脂注入系统
盾尾油脂是为了提高盾尾密封的止水效果，这种油脂能止水、防止注浆材流入的作用，由于钢丝刷和油脂的柔软性，对管片安装产生的不平、曲线部变压等也有止水效果。另外，也有防止盾尾钢丝刷摩耗的作用。
2.8 同步注浆系统
小松公司为了满足国内各施工单位对壁后注浆的不同要求以及由于各工程地质条件的不同需要采取单液或双液注浆的情况，在设计盾构机壁后注浆系统时，采用了既能单液注浆也能双液注浆的设计。
2.9 添加剂、聚合物、泡沫注入系统
为了能更好地改善砂层塑流性和止水性，可通过加泥系统向开挖面注入添加剂或发泡剂。由于添加泡沫剂对粘土层、砂层及含少量砂砾的地层具有很好的效果，可以有效地改善砂层的塑流性和止水性。但是，需要根据不同的地质情况和使用效果来决定添加哪种添加材料。
在刀盘面上设置5个注入口。5只添加剂的注入口可注入泥浆材料、发泡剂和水等添加剂，可对开挖面上的土壤进行改良处理，为了确保加注入的添加剂的效果。在胸板上也设有注入口向土仓中加注添加料。
3.结论
在2010年10月25日～2010年12月14日天津地铁二号线东南角站至建国道站盾构区间双线全部成功穿越海河，成为了天津市首条穿越海河的地铁线路。取得阶段性突破，为天津市地下轨道交通穿越海河施工积累了宝贵经验，同时也为今后类似工程施工积累了丰富的经验。
参考文献
[1] 王雷、路平、李竹、张稳军、郑刚.天津软土地区盾构穿越海河的施工技术评估[J].建筑科学，2012，28（S1）：253
[2] 孙明伟.地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制[J].天津建设科技，2011.22（1）：39
[3] 彭玉龙、杨峰、庞金昌.南京地铁3号线盾构穿越沪宁城际铁路保护技术研究[J].江苏建筑，2015.35（2）：74
关键词：地铁隧道；软土地层；穿越海河；盾构选型
1.工程概述
1.1 设计概述
天津地铁2号线17标工程东南角站～建国道站区间线路设计起点里程DK10+576.558，终点里程为DK11+394.800；区间线路左线全长813.218m，区间线路右线全长826.824m。两台盾构机“海河一号”、“海河2号”分别从东南角大里程端始发，到建国道小里程端盾构井接收。根据地勘资料及线路平纵断面图，区间隧道在DK～10+780～870段下穿海河。经现场调查，海河河面宽约90m，河水最深10m，河床较为软，覆土最低承载力为70kpa。水流自北向南流淌，速度较为缓慢，现场实测为1.2m/min。海河河床与隧道顶部的最小距离为7m（含淤泥层）。见图1。
1.2 水文地质概述
区间隧道穿过海河的河底区间上方的土体主要有④4淤泥质粉质粘土、⑤1粉质粘土、⑥2粉土和⑦1粉质粘土，河床底至区间隧道的最小覆土厚度为10.49m（含河床淤泥层）。该覆土层整体土质较软，自稳能力差，工程地质条件较为不利。见图2。
2.盾构机的选型
2.1 盾构机选择
结合本标段实际地质情况，隧道掘进断面基本处于粉土、粉质粘土、粘土、粉砂层内，含水量丰富，需采用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构。结合其他城市盾构穿越河流经验及天津实际情况，采用日本小松公司生产的小松土压平衡盾构机进行隧道掘进。
小松盾构主要参数如下：
本盾构机主要由开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、液压、电气、控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后续台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、碴土改良装置及其他装置如盾壳、人闸等组成。
2.2 开挖功能描述
开挖功能主要由开挖系统来完成，开挖系统主要由刀盘、切口环、密封隔板等组成。
刀盘装在盾构机的最前面，直接与开挖面接触，上面装有切削刀78把，周边刮刀12把，先行刀66把，周边先行刀12把来挖掘各种土体和砂层。
刀盘的外径设计为6360mm，比前盾外径大20mm，便于盾构机在推进时减少盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为0～1.3rpm，由变频电机无级调速，刀盘转速在0.3～0.8rpm时具有恒扭矩输出，0.8～1.3rpm时具有恒功率输出，以满足不同地质开挖的需要。
刀盘在8个变频电机驱动和22个推进油缸的作用下，通过减速器、大小齿轮、三排圆柱滚子轴承完成力和运动的传递而实现转动和切入工作面，实现盾构机的开挖功能。
2.3 推进功能描述
推进功能由推进系统来完成。推进系统配备了大排量、高压力的变量泵，采用一台45kW的电机驱动。共有22个推进油缸，无负载时可达到6cm/min的最大伸出速度；在工作压力32.4MPa时，可产生总推力3850t，开挖面122t/m2的推进力。
盾构机推进千斤顶采用22只行程为2150mm的油缸。安装在中胴上，布置在盾构机壳体四周，被编为4个组，分上、下、左、右可分别进行独立控制的4个液压区，布置及行程充分考虑了管片的构造及拼装管片的方便。
2.4 螺旋输送机
螺旋输送机由1台液压马达驱动，2台功率为45kW的变量泵供油，易于变速，耐冲击。螺旋机的最大输出扭矩为38.9kNm，理论出土能力为191m3/h。
螺旋机排土口有2道由液压缸控制的出土闸门，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在开启油缸上安装有行程传感器，可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。
2.5 铰接装置
铰接油缸安装在前后壳体上、铰接处有防水密封，可使前后盾构最大左右弯曲1.5度、上下弯曲1.0度。
前体与中体通过铰接油缸相连，可使盾构在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部分设置有一道密封，在密封处中体上涂有一层特殊涂料，铰接密封可耐1MPa水压，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。
2.6 盾尾密封
盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。采用耐久性好的钢丝刷型盾尾密封，安装有3道。
2.7 盾尾油脂注入系统
盾尾油脂是为了提高盾尾密封的止水效果，这种油脂能止水、防止注浆材流入的作用，由于钢丝刷和油脂的柔软性，对管片安装产生的不平、曲线部变压等也有止水效果。另外，也有防止盾尾钢丝刷摩耗的作用。
2.8 同步注浆系统
小松公司为了满足国内各施工单位对壁后注浆的不同要求以及由于各工程地质条件的不同需要采取单液或双液注浆的情况，在设计盾构机壁后注浆系统时，采用了既能单液注浆也能双液注浆的设计。
2.9 添加剂、聚合物、泡沫注入系统
为了能更好地改善砂层塑流性和止水性，可通过加泥系统向开挖面注入添加剂或发泡剂。由于添加泡沫剂对粘土层、砂层及含少量砂砾的地层具有很好的效果，可以有效地改善砂层的塑流性和止水性。但是，需要根据不同的地质情况和使用效果来决定添加哪种添加材料。
在刀盘面上设置5个注入口。5只添加剂的注入口可注入泥浆材料、发泡剂和水等添加剂，可对开挖面上的土壤进行改良处理，为了确保加注入的添加剂的效果。在胸板上也设有注入口向土仓中加注添加料。
3.结论
在2010年10月25日～2010年12月14日天津地铁二号线东南角站至建国道站盾构区间双线全部成功穿越海河，成为了天津市首条穿越海河的地铁线路。取得阶段性突破，为天津市地下轨道交通穿越海河施工积累了宝贵经验，同时也为今后类似工程施工积累了丰富的经验。
参考文献
[1] 王雷、路平、李竹、张稳军、郑刚.天津软土地区盾构穿越海河的施工技术评估[J].建筑科学，2012，28（S1）：253
[2] 孙明伟.地铁盾构隧道下穿海河施工风险控制[J].天津建设科技，2011.22（1）：39
[3] 彭玉龙、杨峰、庞金昌.南京地铁3号线盾构穿越沪宁城际铁路保护技术研究[J].江苏建筑，2015.35（2）：74