京張高鐵清華園隧道復合地層盾構機械配置研究

周慶合

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250101)

北京地區的卵石土、砂、粉質黏土互層會導致盾構刀盤磨損速度快，換刀作業困難，刀盤結泥餅，掘進參數難以選擇與控制等問題，影響盾構機的正常掘進，甚至可能造成事故[1]。合理的盾構選型有助于提高施工效率，延長使用壽命，節約使用費用[2-3]。根據盾構施工的工程地質及水文地質條件，合理選用刀盤結構形式、優化刀具配置及盾構配套系統是決定盾構選型成敗的關鍵因素[4]。

王洪新探究了在不同地質條件下刀盤開口率對出土量的影響，給出一種刀盤開口率與地層適應性之間的定量關系，為刀盤開口率的設定提供了依據[5]。劉永勤對北京地鐵九號線穿越的砂卵石地層特性進行分析，例舉了若干種在該地層施工中通常會遇到的意外情況并提出了相應的對策[6]。江玉生依托北京地鐵7號線某標段的盾構施工情況，根據工程地質和水文情況等因素，綜合對比了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的優缺點，可為類似工程提供參考和借鑒[7]。

以京張鐵路清華園隧道為背景，根據實際情況，分析刀盤、刀具及盾構配套系統的適應性，明確提出了針對卵石土、砂、粉質黏土互層的盾構選型方案。

1 工程概況

1.1 區間線路概況

清華園隧道總長6 020 m(包含明挖段及U形槽)，其中盾構段分為3#～2#和2#～1#兩個區間。2#～1#區間長2 707.5 m，3#～2#區間長1741 m。采用2臺φ12.64 m盾構機掘進，管片外徑12.2 m，內徑11.1 m，幅寬2.0 m，盾尾間隙45 mm。

3#～2#盾構區間縱斷面為進洞后以12.9‰的坡度下坡；進洞埋深為6.8 m，出洞埋深為19.14 m，出洞處為區間最低點。

2#～1#盾構區間縱斷面為進洞后以20‰的坡度下坡；進洞埋深為21.4 m，出洞埋深為5.8 m，區間最低點埋深28.68 m。

1.2 工程地質條件

全斷面均為粉質黏土、粉土的區段長約750 m；粉質黏土、粉土含量為30%～35%的地層區段長約1 200 m；其余為卵石土地層。

相對而言，粉土、粉質黏土的自穩性較好，砂類土、卵石土自穩能力差，易出現坍塌等問題。

1.3 工程水文地質

上層滯水：水位高程一般在44.91～49.62 m之間，含水層為粉土②1層及粉砂②2層，主要接受大氣降水補給，其次為管溝滲漏補給。鉆探揭示，該層水位埋藏深度為3.4～5.7 m。

承壓水：水頭高程為27.97～29.00 m(水頭埋深為21.70～22.50 m)。鉆探揭示，該層水位埋藏深度為21.0～25.0 m。

2 盾構選型的適應性

盾構法施工要特別注意各要素之間相互適應的問題。盾構機型的選取應綜合考慮具體的地質條件和施工實際，以得出符合條件的合理方案。選型不合理可能帶來工期延誤、費用浪費乃至人員傷亡等情況。

參閱相關資料，結合經驗，盾構適用性主要包含以下幾個方面[8]。

(1)刀盤、刀具設計對地層的適應性：地質條件對刀盤、刀具結構型式的設計起主導性作用。

(2)盾構選型對地層擾動的適應性：施工必然會擾動土體，合理的盾構選型有利于控制地表沉降。

(3)對經濟適用性的要求：滿足地質條件等要求后，需從經濟的角度考慮盾構選型，以節約工程造價。

3 盾構機具體選型

3.1 盾構機型確定

(1)從地層滲透系數考慮

粉質黏土的滲透系數K=1.61×10-9m/s，小于10-7m/s，適宜用土壓平衡盾構；卵石土滲透系數K=9.26×10-4～1.16×10-3m/s，大于10-4m/s，適宜用泥水平衡盾構；粉細砂滲透系數K=5.79×10-5m/s，兩種盾構均適用；中粗砂滲透系數K=3.47×10-4～5.79×10-4m/s，大于10-4m/s，適宜用泥水平衡盾構。綜合考慮，選用泥水平衡盾構。

(2)從地層顆粒級配考慮

在卵石土地層中，2～6 cm卵石占比為2/3左右，卵石粒徑最大超過13 cm，土壓平衡盾構難以在土艙中建立平衡壓力，工作面易失穩，適宜采用泥水平衡盾構。綜合考慮，針對本工程富水卵石土與粉砂、粉土互層的情況，應采用泥水平衡盾構，但應注意粉質黏土層帶來的廢漿多、泥漿處理困難，以及卵石土地層泥膜形成困難、泥漿滲逸量大等問題。

(3)從地下水壓角度考慮

本工程的水壓力不大，不是重點考慮的因素；但本工程2#～1#盾構區間隧道埋深較大，地下水資源豐富，水量較大，泥水平衡盾構可發揮優勢。

(4)從周邊環境角度考慮

盾構多次下穿重要建(構)筑物以及地下管線，宜選用對地層擾動較小的泥水平衡盾構。

(5)從隧道規模角度考慮

本隧道開挖洞徑為12.64 m，目前土壓平衡盾構難以達到如此規模，應選用泥水平衡盾構。

根據以上比選結果，清華園隧道最終選用了泥水平衡盾構。

3.2 盾構機刀盤選型

該隧道全斷面卵石地層段達1 800 m，母巖成分主要為砂巖、花崗巖，巖質較硬，需加強刀具、刀盤的耐磨性設計。

刀盤結構形式通常有輻條式、輻條面板式、面板式三種，結構形式的選擇及開口率的設計一般需考慮以下內容[12]：

①在穩定性好的地層，如單一砂卵石、漂石或無水黏土地層，一般選擇較大開口率的刀盤，有利于順利排出渣土，延長刀具的使用壽命。這種情況下，應選擇輻條式刀盤。但是，輻條式刀盤不利于開挖過程中的開倉作業，在穩定性差的地層中宜選擇開口率小的面板式或輻條面板式刀盤。泥水平衡盾構對穩定性的要求較高，應選擇較小的開口率。

②最大的排渣粒徑要大于渣土的最大粒徑。

③黏土地層應盡量加大開口，以減少結泥餅的情況發生。

本工程穿越的地層中卵石土含量達到65%，并且粒徑較大，如果按照以往的相關經驗，常會采用較大開口率的輻條式刀盤，有利于渣土流動及快速掘進，降低刀具磨損，提高刀具的一次掘進距離。

本工程采用的刀盤直徑達12.64 m，若采用如此大直徑的輻條式結構刀盤，由于跨度太大，結構剛度很難得到保證，刀盤鋼圈易變形，甚至會導致失穩破壞。

本工程隧道的規模大、里程長，必須制定中途更換刀具的預案。故采用了常壓換刀技術，要求刀盤特別是中心區域的開口率較低。同時，更換刀具的停機時間較長，容易造成盾構整體沉降，從而引起地層及地表沉降。因此，相對適中的開口率有利于換刀時開挖面的穩定。

另外，泥水平衡盾構的渣土為比重1.35左右的稀泥漿形式，流塑性良好，較小的開口率也能滿足快速掘進要求。

考慮到國內外既有的大直徑泥水盾構無一例外都選擇了開口率15%～40%左右的輻條面板式或純面板式刀盤結構[11]，最終決定采用輻條面板式結構，開口率為36%，最大可允許進入的粒徑約為96 cm。刀盤形式見圖1。

圖1 適合本工程的刀盤形式

3.3 盾構機刀具選型

適宜的刀具有利于減緩刀具磨損，增加刀具的使用時間，提高掘進效率。另外，在長距離掘進過程中需充分考慮常壓換刀問題[12]。

根據本工程的地質情況，主要配置切削型刀具。通過齒刀及刮刀的合理組合，增強刀具耐磨性。該種刀具采取阿基米德螺線法布置，牙型交錯連續排列。刮刀寬度為220 mm，切割軌跡有所重疊，可將開挖土體清除干凈。刀具布置如圖2所示，其中，綠色標記為常規可更換的刮刀，藍色標記為大氣常壓中可更換的刮刀，紅色標記為大氣常壓中可更換的撕裂刀。刀具配置數量見表1。

表1 盾構刀具配置

圖2 盾構刀具布置示意

3.4 常壓換刀技術

刀具會隨著掘進的進行不斷磨損，需制定換刀方案。通常采用高水土壓力條件下的常壓換刀作業。

在盾構刀盤的中心設置了中空區域，作為換刀的作業空間。可更換刀具固定在主刀梁上，其刀筒設計為背裝式，嵌于主刀梁的空心箱體內，刀筒內設閘板阻擋渣土。換刀時，施工人員由通道進入裝有磨損刀具的主刀臂內，利用液壓油缸配合刀腔閘板將刀具從刀腔內抽出。對刀具進行必要的檢查與更換后，將刀具裝回，完成刀具更換。

該技術具有安全系數高、施工速度快、不需制備高黏度泥漿等優點[14]。

3.5 泥水環流系統

盾構施工中，需有效形成泥膜及泥水倉壓力，保持工作面和漿液循環穩定，控制地表沉降，不跑漿[14]。

泥水環流系統由送排泥裝置與地面泥漿處理站共同形成，送排泥裝置主要由送泥管、排泥管及攪拌裝置等構成，見圖3。當地層存在巨石、卵石時，應設置卵石處理裝置(見圖4)。

圖3 泥水環流系統示意

考慮到本工程存在大粒徑卵石土地層，設置了較大口徑的泥管(450 mm)，最大可通過粒徑為240 mm，碎石機最大可破碎粒徑為1 000 mm(大于巖芯采樣最大粒徑130 mm)。

圖4 碎石機示意

4 結束語

主要探討了清華園隧道盾構機型選取、刀盤選型及刀具配置等相關問題，主要結論如下。

(1)從滲透系數大小、顆粒級配、地下水壓、周邊環境影響以及隧道規模五個角度進行分析論述，綜合比選后，確定采用泥水平衡盾構。

(2)對于富水卵石土與粉砂、粉土互層地層，刀盤結構形式應為輻條面板型，對應的開口率約為36%，開口尺寸(最大可允許進入的粒徑)約為96 cm。

(3)為增強刀具的耐磨性，延長刀具使用壽命，提高掘進效率，選擇的刀具主要為齒刀和刮刀，并配置先行刀、鏟刀以及超挖刀。

(4)為排出大粒徑卵石土，防止粉質黏土粘附堵塞壓力艙，設置了較大口徑的泥管(450 mm)，碎石機最大可破碎粒徑為1 000 mm。