地鐵隧道穿越黃河段的盾構(gòu)選型及施工模擬

張新燕，劉志強，楊文晗

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

盾構(gòu)法施工與工程地質(zhì)密切相關，盾構(gòu)機的選型是盾構(gòu)法施工的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響隧道的盾構(gòu)施工方法、工藝及施工成本。選擇最適宜盾構(gòu)機型，對于降低工程造價，保證施工順利進行，確保項目的質(zhì)量、安全、進度工期具有至關重要的意義［1］。本文根據(jù)蘭州地鐵一號線的相關設計參數(shù)和現(xiàn)場實際，借鑒國內(nèi)城市地鐵建造項目的成功經(jīng)驗和失敗教訓，通過對不同的盾構(gòu)機進行分析比選，最終確定了采用泥水式盾構(gòu)機。并通過非線性有限元軟件Ansys對奧體中心—世紀大道區(qū)間施工進行三維仿真模擬，綜合考慮了土體非線性、土體與襯砌作用、注漿壓力、支護壓力等因素建立力學模型，研究了盾構(gòu)法施工引起的地表、地層位移，以及管片應力的變化規(guī)律。

1 工程概況

蘭州地處我國西北地區(qū)的腹部，位于黃土高原之黃河谷地內(nèi)，由于南北兩山之限和黃河縱貫盆地之中，致使蘭州市發(fā)展成為一個東西長、南北窄、沿河兩岸分布的帶狀城市。

蘭州市城市軌道交通1號線總體設計起點為西固區(qū)石崗北側(cè)環(huán)行西路，穿行于黃河兩岸沖積的漫灘及一、二級階地，線路全長26.798 km，皆為地下線。共設車站20座，最大站間距2.332 km，最小站間距0.842 km，線路正線平面最小曲線半徑為400 m，出入線最小曲線半徑采用160 m。正線縱斷面最大坡度采用28‰，出入線最大坡度 34‰［2］。

奧體中心—世紀大道區(qū)間在擬建深安大橋上游20～30 m處，沿線下穿黃河底部，底板埋深16.9～37.4 m，在穿越黃河段底板埋深較大。勘察期間，深安大橋附近黃河水面高程為1 525.3 m，河道寬約292 m，水深一般1～3 m，最深處可達4 m，兩岸河漫灘高出河水面約5 m。區(qū)間地表一般分布人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)的沖積黃土狀土、卵石，第四系下更新統(tǒng)卵石。地下水主要賦存于卵石層中，屬孔隙性潛水。下穿黃河段，區(qū)間隧道走行于卵石土地層，圍巖類別Ⅳ ～ Ⅴ級［3］。

蘭州市黃河兩岸二級階地上普遍存在地下水，屬潛水類型，砂卵石層是主要的含水層，地下水位起伏變化一般－1.0～1.5 m。

2 影響盾構(gòu)選型的不利因素分析

1)濕陷性黃土

濕陷性黃土在沿線地表分布較為廣泛，以Ⅱ～Ⅳ級自重濕陷性為主。黃土的黏著性、濕陷性對盾構(gòu)機的適用性要求高。針對黃土地層的這些特點，在盾構(gòu)機的刀盤及刀具的選擇方面應有針對性。此外還應考慮因黃土的濕陷性而出現(xiàn)的地面沉降，及其對盾構(gòu)機選型的影響。

2)飽和軟黃土

工程沿線地下水位普遍較高，當黃土層含水量達到飽和時，將會呈現(xiàn)軟土的特征，具體表現(xiàn)為壓縮性高、承載力低，暗挖時自穩(wěn)性較差等，對工程影響較大。飽和黃土還會對周邊造成附加的不均勻沉降。

3)斷層破碎帶

蘭州市軌道交通項目要經(jīng)過多個斷層，因斷層帶巖體的整體性遭到破壞，加之地面水或地下水的侵入，其強度和穩(wěn)定性都很差，容易產(chǎn)生洞頂坍塌，影響施工安全。在斷層破碎帶、變形帶必須加強防滲、防漏，包括地表水的及時疏排、夯填裂縫、防止地下水的滲漏等。

3 盾構(gòu)機選型

蘭州市軌道交通1號線區(qū)間隧道主要穿過黏土、卵石土及圓礫土，局部含有砂層，地層中地下水位較高。根據(jù)盾構(gòu)掘進穿越的地層土質(zhì)特點，特別是土質(zhì)飽和性、流塑性、可塑狀，同時兼顧到經(jīng)濟和安全兩大方面的考慮，選用封閉式盾構(gòu)較為合適。根據(jù)蘭州地區(qū)特殊地質(zhì)及施工條件，可供選擇的盾構(gòu)類型只有土壓平衡和泥水平衡兩種。

3.1 土壓盾構(gòu)機與泥水盾構(gòu)機性能比較

1)刀盤及刀具壽命

土壓平衡盾構(gòu)機刀盤開口率相對較小，不利于卵石順利進艙，造成卵石的多次破碎，刀盤與開挖面的摩擦力大，另外刀盤輪緣磨損比較嚴重。由于刀盤采用中心支撐方式，刀盤中心部位無開口，在泥巖中掘進時易形成泥餅，造成中心刀具磨損嚴重，故其刀具、刀盤的壽命短。

泥水平衡盾構(gòu)因掌子面前方泥水成膜的原因，其刀盤、刀具的耐磨性理論上比土壓平衡盾構(gòu)要好，但由于卵石粒徑大，排渣不暢，造成卵石在刀盤前方堆積，刀盤、刀具磨損和異常損壞嚴重。切削面及土倉中充滿泥水，對刀具、刀盤起到一定的潤滑作用，其刀具、刀盤的壽命要長。

泥水平衡盾構(gòu)刀具消耗遠大于土壓平衡盾構(gòu)，主要原因是排渣效率低，卵石不能順利進入泥水艙，在刀盤前方反復破碎，增加了刀具的磨損破壞。

2)刀盤驅(qū)動扭矩

泥水平衡盾構(gòu)由于砂卵石地層滲透性較強，泥漿極易冒出地面，開挖面坍塌的卵石堵滿泥水艙。而且刀盤脫困扭矩明顯不足，刀盤很容易被卡難以轉(zhuǎn)動，影響掘進效率的發(fā)揮。土壓平衡盾構(gòu)刀盤扭矩和脫困扭矩明顯大于泥水平衡盾構(gòu)，施工中不容易發(fā)生刀盤被卡現(xiàn)象。

3)排渣效率

泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石地層排渣效率低，循環(huán)出渣時間較長，每環(huán)掘進耗時很長，排渣效率很低。土壓平衡盾構(gòu)采用雙螺旋設計，可以有效避免富水地層掘進時的噴涌現(xiàn)象，每環(huán)掘進時間短，排渣效率較高。

4)地表沉降控制

在松散的砂卵石地層中，在刀盤前方對砂卵石進行有效破碎非常困難，且刀具破碎卵石時產(chǎn)生的振動和擾動易造成砂卵石層進一步密實，易引起地面沉降。泥水平衡盾構(gòu)地表沉降控制效果要比土壓平衡盾構(gòu)好，在通過重要建(構(gòu))筑物時安全可靠性較高。

5)經(jīng)濟指標

泥水平衡盾構(gòu)工藝復雜且輔助設備多，尤其是需要配置專門的泥水處理設備，占地面積大，施工投入大。因此，泥水平衡盾構(gòu)每米掘進成本比土壓平衡盾構(gòu)高30%以上。

3.2 穿越黃河段盾構(gòu)選型

根據(jù)蘭州地區(qū)的地質(zhì)條件，必須要考慮砂卵石對盾構(gòu)設備的過度磨損問題，對盾構(gòu)機的刀盤及刀具高耐磨要有一定的設計要求，要能夠適應沿線復雜地層，并盡量滿足長距離區(qū)間的掘進要求，保證盾構(gòu)機長距離掘進作業(yè)的可靠性、安全性和工作效率。

土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機內(nèi)的攪拌土難以起到封水作用，在水底施工時須采取必要的輔助措施，比如土倉加壓、進行必要的化學注漿改良盾構(gòu)前方地層等輔助性措施以保證機頭土體穩(wěn)定，從造價、工期上存在一定風險。

泥水平衡盾構(gòu)在地下水豐富且水壓較高的場合下，泥水壓可以有效地對抗地下水壓的作用，同時泥水盾構(gòu)可選用面板型刀盤，增加了掘削的穩(wěn)定性，泥水平衡盾構(gòu)需要場地較大，而在黃河沿岸附近有一定的開闊場地可以提供泥漿處理，廢棄泥漿對周圍環(huán)境影響較小。

因此，在地鐵兩次穿越黃河段(奧體中心—馬灘站)，以及全斷面砂性地層且地表環(huán)境容許的條件下，優(yōu)先考慮采用泥水平衡盾構(gòu)。

4 盾構(gòu)隧道施工方案模擬

4.1 模型選擇

采用ANSYS軟件對各施工方案進行了三維仿真［4］。本方法采用D-P模型，將盾殼假設為剛體，盾構(gòu)每步的推進步長模擬為1.5 m，初始應力場為重力場和河水均布壓力引起的應力場，采用實體單元來模擬管片。在開挖過程中采用生死單元的方法模擬土體的開挖過程，更換材料的方法模擬管片的拼裝和注漿。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

4.2 施工方案模擬

取管片厚度為 300 mm［5］，研究埋深分別為 15，25 m、進尺為1.5 m的地表沉降量及地層變形量，取8個地層代表點研究隧道管片應力的變化，代表測點如圖2所示。

圖2 代表測點位置

提取Ansys分析的結(jié)果，地表沉降量對比圖如圖3所示。計算表明地表沉降量受埋深影響，埋深15 m時，在前十幾米的開挖過程中地表無沉降，之后持續(xù)沉降，最后沉降值趨于穩(wěn)定，最大沉降量不超過3 mm;埋深25 m時，地表表現(xiàn)為持續(xù)沉降，最大沉降量不超過5 mm。圖4為中間地層頂點變形量圖，計算表明埋深15 m時頂點的豎向位移不超過15 mm，埋深25 m時頂點的豎向位移不超過25 mm，地層變形量也受埋深影響。

圖3 地表沉降量

圖4 中間地層(1號點)變形量

貫通后中間管片上的應力圖如圖5和圖6所示。由圖5可知，埋深15 m時，管片上的最大拉應力不超過6.0 MPa(出現(xiàn)在4，6號點);埋深25 m時，最大拉應力出現(xiàn)在2，8號點。300 mm的管片上最大拉應力5.98 MPa，出現(xiàn)在埋深為25 m的方案中，但最大剪應力出現(xiàn)在埋深為15 m的方案中。

圖5 貫通后中間管片各點的第一主應力

圖6 貫通后中間管片各點的最大剪應力

綜上，地表土體和土層位移均在不同埋深時有明顯的變化規(guī)律。縱向開挖面后方土體沉降比較大，兩種方案的土體沉降量都在施工允許范圍內(nèi)。開挖過程中，隧道頂點土層隨著埋深的加大位移增大，隧道周圍的土體發(fā)生趨向隧道的位移，埋深25 m方案中的變化是比較大的。貫通后管片上的最大拉應力出現(xiàn)在埋深25 m方案中，但最大剪應力出現(xiàn)在埋深15 m方案中。因此建議采用埋深15 m方案。

5 小結(jié)

1)通過綜合考慮工程地質(zhì)條件、盾構(gòu)機的性能得出適合于蘭州地鐵的盾構(gòu)機類型為泥水式盾構(gòu)機。

2)通過對穿越黃河段施工進行三維仿真模擬，認為埋深較淺的方案比較適于該區(qū)間，建議在規(guī)劃設計中優(yōu)先考慮。

［1］沈林沖，張金榮，秦建設，等.杭州地鐵1號線盾構(gòu)選型探討［J］.鐵道建筑，2011(7):66-69.

［2］中鐵第一勘察設計院集團有限公司，蘭州交通大學.蘭州地鐵關鍵技術研究報告［R］.蘭州:中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013.

［3］戴志仁.蘭州地鐵施工盾構(gòu)管片選型研究［J］.鐵路技術創(chuàng)新，2011(5):53-57.

［4］十寧，朱合華.盾構(gòu)施工仿真及其相鄰影響的數(shù)值分析［J］.巖土力學，2004，25(2):292-296.

［5］黃鐘暉，廖少明，劉國彬.上海軟土盾構(gòu)法隧道管片厚度的優(yōu)化［J］.巖土力學，2000，21(4):326-330.