廈門復合地層條件下的盾構機選型研究

李世佳，趙國旭，劉典基

(1.廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東廣州510001;2廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門361000)

廈門復合地層條件下的盾構機選型研究

李世佳1，趙國旭2，劉典基2

(1.廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東廣州510001;2廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門361000)

廈門軌道交通1號線穿越地層十分復雜，具有典型的復合地層特點。結合沿海等城市復合地層中盾構施工的經驗教訓，針對廈門典型的地質條件，對盾構機刀盤、刀具對地層適應性進行分析，并對盾構機主要渣土改良系統、注漿系統、開倉作業系統提出建議和意見，可為廈門軌道交通1號線相關標段盾構施工提供指導和借鑒。

復合地層 孤石 上軟下硬 盾構機選型

目前，我國軌道交通在建城市達30多個，各地區地質條件各不相同，在長江三角地區，盾構隧道穿越軟黏土地層，而在珠江三角地區，如廣州、深圳，盾構主要穿越上軟下硬的復合地層［1］。廈門地質條件類似于珠三角沿海城市地質條件，盾構掘進斷面或縱斷面上地層變異性大，大量不良地質集于一身，如:淤泥質土、基巖突起、花崗巖球狀風化體及上軟下硬地層等。如此復合地層掘進中，常遇到工作面遭遇孤石、刀具磨損嚴重、不良條件下換刀、盾構機在巖層中被卡，甚至造成地面塌陷等事故。為進一步探討廈門地質條件下盾構機的適應性，本文結合珠三角沿海城市盾構施工的經驗教訓，明確提出了廈門地鐵針對盾構機選型的意見和建議，為廈門地鐵1號線盾構選型施工提供參考。

1 廈門復合地層特點

廈門軌道交通1號線盾構區間穿越典型復合地層(見圖1)。沿途穿越基巖突起、上軟下硬地層、花崗巖球狀體等。盾構機選型時需綜合考慮不同區段地質條件及各種因素，選擇適宜的盾構機機型、設計布置合理刀盤、刀具形式，以及配備不同的輔助工法。

1.1 典型的上軟下硬地層

盾構機穿越上軟下硬地層是廈門復合地層中盾構隧道施工的重點與難點。如廈門將軍祠站—文灶站區間，上部為地下水較豐富的中粗砂層、粉砂層及淤泥層以及黏土層，下部為硬塑狀砂質黏性土和不同風化程度的巖層。盾構穿越該類地層的風險主要表現為盾構姿態控制困難，開挖面穩定性較差、控制難度大。盾構機掘進過程中，常發生盾構偏離軸線，姿態難以控制、噴涌、開挖面失穩、結泥餅、刀盤刀具嚴重磨損，甚至在巖層中發生因邊緣刀具磨損嚴重而使得盾構被圍巖卡住，導致地面塌陷等風險事件。

圖1 廈門軌道交通1號線盾構區間地質剖面

1.2 花崗巖球狀風化體

根據廈門地質初勘結果，花崗巖球狀風化體鉆孔的見孔率為18%，幾率很高，在盾構施工過程中隨機發現的可能還會更多。如廈門軌道交通1號線集—城區間存在球狀風化體(天然飽和單軸極限抗壓強度最大值為125 MPa，最小值為61.8 MPa，平均值為93.2 MPa)。其施工風險在于:①瞬間荷載突然加大，造成刀盤變形和刀具的崩裂;②花崗巖球狀風化體隨刀盤一起旋轉、前進，造成刀具及刀盤磨損;③頻繁開倉換刀或處理孤石，造成地面沉降或坍塌。

1.3 穿越全斷面花崗巖地層

復合盾構機遇到全斷面硬巖時，其掘進速度慢，盾構機震動劇烈，容易出現:①刀座易松動造成刀具偏磨;②刀具磨損快，更換頻繁，邊緣刀具更換稍不及時，容易導致盾構機卡殼;③刀盤、螺旋機等部件磨損大;④液壓、驅動等系統高負荷運轉，設備和機具損耗大，施工成本高。盾構機各主要部件，其性能、壽命將面臨巨大考驗。

2 盾構機適應性選型

盾構機是按照地質環境量身定做的，盾構機的適應性是至關重要的。根據廈門地鐵的施工地質條件，結合廣州、深圳、東莞等沿海城市的類似地質條件，綜合考慮地面環境、工程造價等因素，建議選用復合式土壓平衡盾構機。

2.1 刀盤的選型

刀盤的開挖直徑是隨著隧道設計直徑而變化的，由于受掘進線路的坡度或轉彎半徑等影響，在復合地層條件下施工時，考慮到刀盤和刀具在較為堅硬的圍巖中切削會有一定的磨損，盾構機體直徑從盾首至盾尾依次減少10 mm，以減小盾構卡在巖層中的風險。目前，廈門統一選用開挖直徑6 450 mm的土壓平衡盾構機(圖2)，筒體采用錐形設計。

圖2 廈門盾構機開挖尺寸情況

廈門復合盾構機刀盤主要采用面板式:

1)廈門存在典型的燕山期花崗巖地層，花崗巖殘積層易發生結泥餅現象，且部分地段存在大量的花崗巖球狀風化體。一般建議刀盤開口率在30%～40%，盡量增大開口率，并保證后部開口率應大于刀盤面板開口率，防止中心部位開口率過小而發生頻繁結泥餅的現象。廈門軌道交通1號線呂—城區間刀盤的開口率為38%，集—城區間為35%，均符合要求。

2)為加強盾構機在黏性土及全風化花崗巖地層中渣土的流動性，一般在土倉中心附近設置2個主動攪拌棒，主動攪拌棒應該伸出刀盤后端面700 mm (圖3)。在土倉最底部離開盾殼200～300 mm的高度，設置一根攪拌棒，盡可能在水平方向向螺旋輸送機延伸，但不能影響前閘門取土，以防止較大快的巖石在土倉底部堆積，長期滯排。土倉隔板上設置的6根被動攪拌棒，其長度應該保證在垂直投影上和主動攪拌棒重合。

3)刀盤中心增加高壓水沖刷裝置以及中心泥餅檢查和處理裝置，在渣土較干時可采用刀盤中心高壓水沖刷裝置快速加水，防止泥餅形成。

4)由于花崗巖地層巖石強度較高，花崗巖球狀風化體對刀盤的撞擊和硬巖對刀盤的磨損都很嚴重，因此刀盤的耐磨應特別設計，并增加刀盤磨損檢測裝置。2.2刀具選型

目前盾構機刀具按切削原理劃分，一般公認有滾刀、刮刀、超挖刀(仿行刀)幾種類型。其中滾刀和刮刀的刀座形式相同，根據不同的地層條件可進行更換。

軟硬不均的地層中，因為周邊土層松軟，往往刀具不易破除局部存在的高強度孤石和基巖突起，而且孤石和基巖突起反而會嚴重損壞刀具，導致滯排。刀具配置時更應該考慮刀具配置的差異性，主要表現在:

1)滾刀啟動扭矩。即在刀盤轉動時，滾刀產生足夠大的摩擦轉矩，使滾刀能夠轉動。

2)滾刀與刮刀的高度差。刀具高度差大，有利于破巖;如果滾刀與刮刀的高度差h(見圖4)很小的話，當滾刀破巖時，如果貫入深度大于或等于滾刀與刮刀的高度差，刮刀就頂住了巖面，限制了滾刀向巖層進一步貫入。

圖3 主動攪拌棒設置

圖4 高度差小導致刮刀限制滾刀破巖

3)滾刀的刀間距。刀間距也是影響破巖能力的關鍵因素。刀間距過大，會在兩滾刀之間出現破巖的盲區而形成“巖脊”。刀間距過小，會將巖體碾成小碎塊，降低破巖功效，所以刀間距過大或過小都不利于破巖［2］。

4)考慮盾構機需要通過輝綠巖、閃長巖或正長巖等巖層，滾刀需配備重型鋼刀圈。

盾構機刀具參數對比見表1。

表1 廈門地鐵某區間與沿海城市類似地層使用盾構機刀具參數對比

根據廈門地鐵的地質特點，實際刀具配置中，應主要考慮如下幾點:

1)在復合地層的孤石和基巖突起工況下，輕型滾刀、雙刃滾刀或刀間距過近等配置都不利于破巖。一般采用43.18 cm重型單刃滾刀，加密刀間距，要求控制在9 mm以內，且應盡可能增加可超挖的邊緣刀具數量。硬巖地層段，還需增加刀具的抗沖擊和耐磨性能。

2)為保障邊緣刀具的開挖性能，減少盾構機被卡的風險，邊緣滾刀要有足夠的超挖量(＞15 mm)，且應盡可能增加可超挖的邊緣刀具數量。

3)軟硬不均地層段應合理設計不同刀具高差，形成梯次配置，減少沖擊崩裂等異常磨損。刀具的高度差宜＞30 mm，滾刀高度大于先行刀，先行刀高度大于刮刀。

4)軟土或軟巖地層段更換先行刀，優化刀具組合配置，降低刀盤扭矩。

5)滾刀的啟動扭矩必須考慮不同工作模式和不同巖層強度，有針對性地進行調整，增加刀具對同斷面軟硬地層交互的適應性，提高滾刀滾動切削效率，減少滾刀偏磨。

6)滾刀要設計成具有一定彈性和伸縮性，邊緣滾刀要有足夠的超挖量，且應盡可能增加可超挖的邊緣刀具數量，應配置超挖刀，提高糾偏能力。

2.3 盾構渣土改良系統選型

針對廈門上軟下硬地層特點，掘進過程中，往往需要通過渣土改良來增加渣土的和易性及流動性，針對添加劑注入設備應考慮:

1)因注入壓力一般為0.3 MPa，泡沫發生器的壓力應達到0.5 MPa;

2)根據盾構機的掘進速度和常規的漿液濃度及注入比，泡沫泵的流量在40～60 L/min均可;

3)根據泡沫的濃度并參照泡沫劑泵的流量，水泵的流量一般在100～150 L/min;

4)在刀盤中心部位的輻條內側(即刀盤厚度范圍內)增設一道水、氣的出口，與泡沫系統共用管路與泵，以防止從刀盤前方中心向土倉內這個通道結泥餅，并保證中心輻條之間開口范圍內的出土通暢;

5)在面板上、土倉內、螺旋出土器內均需要設置注入口，面板上應以刀盤為中心，呈輻射狀布置，一般黏性不是特別大的地層，4個即可。土倉內的注入孔數量以1～2個為宜，需要結合攪拌棒布置的數量進行調整。排土器內的注入孔以1～2個為宜，根據螺旋機的直徑、長度和傾斜角進行調整。

2.4 開倉人閘系統

根據廈門復合地層情況，盾構機在長距離掘進時需要檢查或更換刀具，或是在孤石地段需要開倉處理時必然需要考慮開倉作業。如果開倉，盾構機設計制造時，人閘的設計應注意以下幾點:

1)土倉口、人閘位置。目前主要盾構機土倉口及人閘門有位于盾構機頂部和中部兩種。當需開倉作業時，土倉口位置的不同，必然導致出土量的不同。土倉口位置越低，出土量越大，這將不利于掌子面的穩定。因此，建議盾構土倉口位于盾構機頂部。

2)人閘宜選擇并聯雙倉結構(見圖5)，即主倉和副倉，宜在主倉內單獨設置吊裝刀具的吊具。閘門宜采用向人閘倉內開啟的形式，若采用向外開啟，土倉內可能因結泥餅而使倉門無法打開。

3)配備完善的壓氣作業通風、通訊和輔助系統。

圖5 人閘并列雙倉設置

2.5 螺旋輸送器

在螺旋狀圓筒上需布置泡沫液管以改善渣土的流動。因為螺旋輸送器內的渣土可能處于壓密狀態，所以應預留檢修口進行清理或取出卡在內部的石塊。另外，螺帶前端應完全伸入土艙內(圖6)，以保證送土效率。為了達到更好的封水效果，還可以在靠近出土口的地方設置一段反向螺帶，人為地在螺管中形成土塞。另外，為達到更好的封水效果，應在出渣口設置兩道閘門。即在螺旋輸送器的前端設置可關閉的前閘門，后閘門應有蓄能器關閉的功能(圖7)［3］，以保證在意外斷電的情況下也能夠有效地切斷這一通道。

圖6 軸式螺旋輸送機

圖7 設置雙閘門及反葉片的螺旋輸送機

為保證盾構機正常出渣，需要為螺旋輸送器配備足夠的驅動功率。根據地鐵施工經驗，直徑900 mm的螺旋輸送器，驅動功率應大于200 kW，最大扭矩在200 kN·m左右。

2.6 盾構機注漿系統選型

1)根據同步注漿管與盾殼的相對關系，主要分為凸出式和內嵌式兩種［4］。內嵌式注漿管則在一定程度上增大了盾構外徑和盾尾間隙。相對而言，增加了盾構掘進過程對周圍土體的擾動，但有利于管片拼裝，且由于不易磨損，其地層適應性更為廣泛。廈門地鐵采用內嵌式注漿管設計，以降低注漿管路磨損，并降低總推力，做到單管單泵。同時，在盾構機盾尾設置清洗口，便于機械設備清洗;要求貯漿罐容量不小于理論注漿量的180%，即≥7 m3。

2)盾構機上應配置方便搬運的二次注漿系統，能對拖出盾尾的隧道管片、聯絡通道及洞門等重點部位進行注漿，解決施工常見的噴涌問題。盾構機選型時需考慮二次注漿中B液罐和雙液注漿泵配備及放置位置。為了保障注漿效果，建議選用螺桿泵中雙液注漿泵進行二次注漿，且雙液注漿設備能夠動態調整A，B液配比。

3)超前注漿系統是盾構機上配備的可向盾構機前方超前注漿的設備，主要用于保護前方建筑物、開倉檢查前的加固、超前探測等。由于廈門地鐵花崗巖球狀風化體地層需頻繁開倉作業，為保證開倉安全，應配備超前注漿系統。

3 結語

復合地層條件下的盾構選型是一項復雜的系統工程，不僅需要綜合考慮地層條件及盾構系統設備的功能來進行合理配置，還存在一定的矛盾性和局限性。目前國內在硬巖地段使用盾構機滾刀正面間距最小能做到90 mm左右，但限制了刀盤開口率，影響出渣。同時，在軟巖地區，其施工功效明顯，但是這種刀間距在微風化的花崗巖地層就不一定完全適合了。廈門地層中存在大面積的基巖突起、孤石地段，如孤石粒徑較小，盾構機通過合理選型可直接掘進通過，但往往容易遇到滯排困難。經過爆破的花崗巖地層穩定性較差，加之在上軟下硬地層中出現滯排，不但會影響盾構機掘進控制，造成地面沉降，而且可能發生塌方事故。

因此，廈門盾構機穿越基巖突起、孤石及上軟下硬等地層的有效解決方式，不僅需要合理的盾構機選型，還需要更為有效的輔助工法。另外，已經在國外及珠三角沿海城市開始使用的雙模盾構機，具備優良的排渣優勢，能有效地應對廈門復合地層。所謂雙模盾構機是指同時具備泥水平衡和土壓平衡兩種模式的盾構機。雙模盾構既能發揮泥水盾構的平衡優勢，又能充分發揮土壓盾構排渣優勢。

［1］李俊偉，李麗琴，呂培印.復合地層條件下盾構選型的風險分析［J］.地下空間與工程學報，2007，3(7):1241-1244.

［2］竺維彬，鞠世建.復合地層中的盾構施工技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2006.

［3］鐘長平，孔少波，楊木桂.廣州地鐵二/八號線拆解段盾構隧道工程施工技術研究［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］王暉，譚文，黃威然.廣州地鐵三號線北延段盾構隧道工程施工技術研究［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［5］李婕，吳起星.廣州地區軟硬復合地層盾構施工技術研究［J］.廣州建筑，2014，42(3):26-32.

(責任審編趙其文)

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.19

1003-1995(2015)12-0070-04

2015-07-07;

2015-09-07

李世佳(1984—)，男，工程師。