風化花崗巖地層中地鐵盾構隧道施工關鍵技術

吳敏敏 劉先行

1.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；2.中國電建集團國際工程有限公司，北京 100036

隧道盾構法施工在我國應用越來越廣泛，特別在城市地鐵建設中。較之均質地層，盾構機在混合層中掘進，更易出現刀盤擁堵、刀具磨損、地層沉降、掘進效率低下等問題［1-5］，更需對盾構機選型、泥漿配比、操作方法、施工參數等進行研究，以適應工程實際情況。本文以新加坡地鐵湯東線T217 標段盾構隧道在不同風化程度花崗巖地層中的掘進施工為例，介紹了復雜地質條件下地鐵盾構隧道施工關鍵技術。

1 工程概況

該工程項目位于新加坡市中心最繁華地段，周圍有外交部和多個國家駐新加坡大使館。主要工程包括一個地下車站，兩條長約750 m 的地鐵隧道以及聯絡通道、逃生井等。地下車站位于納比雅路—克倫尼路交叉口，盾構隧道下穿東陵區居民區，施工過程中安全、環保、噪聲、地面沉降等要求嚴格。

地鐵隧道始發時為上下重疊式，逐漸轉變為水平平行式抵達下一車站。下層隧道稱為北向隧道，上層隧道稱為南向隧道。

隧道穿越地層巖性為花崗巖。根據新加坡規范SS CP4：2003《基礎工程實施準則》，隧址區花崗巖按風化程度可分為新鮮或弱風化、微風化、中等風化、高度風化、全風化花崗巖和殘積土六個等級。其中全風化花崗巖仍存留原巖結構，而殘積土中原巖結構完全破壞。地質勘查資料顯示，北向隧道約40%長度穿越全～中等風化花崗巖混合層，38%為全斷面中等風化花崗巖層，其余為全斷面全風化花崗巖層；南向隧道約10%長度為全～中等風化花崗巖混合層，其余為全斷面全風化花崗巖層。巖土物理力學參數見表1。其中：新鮮或弱風化花崗巖與微風化花崗巖采用相同的參數；括號內是限制值，當5 倍標準貫入擊數大于120時，不排水剪切強度只能取120 kPa。

表1 巖土物理力學參數

因工程位于熱帶地區，降水豐沛，地下水位變化大，編制施工方案時地下水位按地面高程考慮。

2 隧道施工過程中的風險控制

在盾構隧道掘進過程中澳大利亞大使館、外交部等11 座建筑（圖1）會受到較大影響，需逐一進行風險分析，并制定相應的控制措施。

圖1 受盾構隧道掘進影響的建筑

受影響建筑物基礎統計情況見表2。淺基礎建筑對不均勻沉降敏感，遭受不均勻沉降時易發生墻體開裂；樁基礎建筑則必須在掘進前確認樁尖距擬施工隧道頂部的凈空距離，評估切樁的可能性。

表2 建筑物基礎統計情況

3 盾構機系統選型設計

結合現場地質條件［6］，對國內外廠家設備進行比選，最終采用德國海瑞克的復合式泥水平衡盾構機S930和離心式泥水分離系統。

3.1 刀盤和驅動系統

根據地質資料［7］，花崗巖的抗壓強度達到241 MPa，且極端情況下抗壓強度可能達到400 MPa。刀盤直徑6.7 m，結構設計見圖2。北向隧道以穿越中等風化花崗巖為主，考慮盾構機切割全斷面巖石的能力，刀盤上多配滾刀，減少刮刀數量；采用滾刀46 把（含邊刀2 把），刮刀48 把；開孔率26%。南向隧道則以穿越全風化花崗巖為主，兼顧刀盤切割能力和掘進效率，刀盤上適當減少滾刀，增加刮刀；采用滾刀40把（含邊刀2 把），刮刀56 把；開孔率35%。滾刀直徑457 mm，刀刃厚19 mm；滾刀間距多刀型為90 mm，單刀型為80～85 mm。

圖2 盾構機刀盤結構設計

為滿足各種巖土斷面掘進需要，主驅動采用9 臺功率160 kW 變頻驅動電機，安裝功率1 440 kW，最大推進力48 657 kN。主軸承直徑3 m，額定扭矩4 769 kN·m，最大扭矩6 200 kN·m，脫困扭矩6 677 kN·m。

3.2 泥水艙壓力平衡系統

隧道穿越不同風化程度地層，地表建筑物林立，為防止盾構機掘進時開挖面土體流失嚴重引起地表沉降，S930 復合式泥水平衡盾構機采用氣壓艙和泥水艙相結合的雙艙模式，兩艙底部通過泥漿連通，解決了單艙泥水盾構掘進過程中泥水艙經常遇到的壓力突升或突降問題。

泥水艙壓力參考值由地下水壓力、靜土壓力和動土壓力綜合判定［8］。為了確保泥水艙壓力平衡系統的靈敏性，S930復合式泥水平衡盾構機采用Samson壓力調節器與繩式液位傳感器相結合的方式。盾構推進時，一旦氣壓艙壓力值與參考值發生偏差，通過壓力調節器差分控制系統控制進氣閥或排氣閥，維持設定的壓力值。同時由液位傳感器監測泥漿液位的升降變化，通過控制進泥泵或排泥泵的轉速，使氣壓艙內泥漿液位恢復到盾構軸線附近位置。

3.3 泥漿輸出監控系統

泥水盾構機的工作原理是利用加壓泥漿確保開挖面穩定，同時泥漿將開挖的渣土攪拌混合后形成泥水，經排泥管輸送到地面的泥水分離設備進行處理，然后通過進漿泵輸送至泥水艙。盾構機掘進時開挖土方。理論干土重量Md為

式中：D為刀盤直徑，m；ΔL為凈進尺，m；ω為開挖土體的含水率，%；ρs為開挖土體的密度，t∕m3。

實際干土重量Ma為

式中：t1、t2分別為盾構機開始、結束時間，s；Qout、Qin分別為泥漿排出、泵入速率，m3∕s；ρout、ρin分別為排出、泵入泥漿密度，t∕m3；ΔVc為氣壓艙泥漿容積變化量，m3。

通過泥漿輸出監控系統記錄盾構掘進時實際出渣量，通過數據分析和可視化界面，對掘進過程中出渣的異常情況及時預警。本項目按實際干土重量達理論值的1.15倍設置預警值。

3.4 泥水分離系統

海瑞克離心機式泥水分離系統的功率為1 200 m3∕h，保證盾構機最大日進尺16～20 m。其具有三項優勢：①多級分離，篩分顆粒粒徑分別為12.0 mm、3.1 mm、180 μm、35 μm。②自動化程度高，通過可視化控制平臺，對盾構機掘進過程中進漿泵和排漿泵工作狀態、泥漿濃度等關鍵指標適時控制，與盾構機操作平臺實現無縫對接，保障了盾構機的運行安全。③集裝箱式設計，節省空間。噪聲在50 dB 以下，可在城市居民區24 h運行。

3.5 輔助設備

輔助設備主要有碎石機、管片拼裝機、安全艙、材料設備艙等。

4 泥漿關鍵性能指標

北向隧道盾構機掘進到P90環時不同風化程度地層頻繁交替變化。為指導泥漿制備與調整，施工前針對可能遇到的各種工況設計了5 組泥漿關鍵性能指標，見表3。

表3 不同工況下泥漿關鍵性能指標

5 施工情況及現場監測

5.1 施工情況

盾構機工作時通過泥漿循環維持泥水艙壓力的動態平衡，同時根據地層情況確定合理的推進力和刀盤轉速，使盾構機保持合適的掘進速度和工作狀態，避免超挖和地表沉降。盾構機進入全斷面中等風化花崗巖層時，推進力保持在25～27 MN，刀盤平均轉速在2.8～2.9 r∕min；進入全斷面全風化花崗巖層時，推進力保持在 24 MN 左右，刀盤轉速為 2.3 r∕min；進入全～中等風化花崗巖混合層時，推進力保持在24～26 MN，刀盤轉速在2.6～2.8 r∕min。實踐中發現，在混合層中掘進時若推進力超過30 MN，刀盤中心區域的刀具磨損非常嚴重，此時應適當減小推進力和刀盤轉速。

每環掘進凈用時見圖3。計算可得：P90—P225環管片平均每環掘進凈用時102.4 min。全斷面中等風化花崗巖層（P119—P143 環、P198—P225 環）中掘進凈用時最高，全～中等風化花崗巖混合層（P90—P118環、P144—P154 環、P167—P197 環）中掘進凈用時與在全斷面全風化花崗巖層（P155—P166 環）中相當。在混合層中掘進效率正常，刀具磨損也基本可控，只有在P186—P197環因為巖石強度過高，推進力設置偏大，刀具磨損嚴重，不得不放慢掘進速度，安排了兩次停機檢修，更換部分刀具。

圖3 P90—P225環掘進凈用時統計

5.2 現場監測

在隧道沿線、建筑物周圍布置測點，在盾構機掘進前對地下水位、地表沉降、地表建筑和市政設施的變形進行觀測。在盾構機掘進過程中掌子面前后30 m 范圍內觀測頻率為 2 次∕d，其余為 1次∕d。

地下水位快速下降會引起地表沉降和建筑物破壞。兩次連續觀測的地下水位下降超過1.0 m 時，由業主、設計、監理和施工方共同商討，研究決定是否采取工程措施，如啟用回灌井等。隧道掘進結束后，地面最大沉降出現在P170環（外交部和舍伍德路公寓之間），其值為7 mm。參照Peck 公式［9-10］算得地層損失率約1.01%，滿足小于2.00%的設計要求。地表建筑物未出現開裂、傾斜。

6 結語

以新加坡地鐵湯東線T217項目為例，從盾構機系統選型設計、泥漿關鍵性能指標控制、施工情況、現場監測等方面，介紹了不同風化程度花崗巖地層中地鐵盾構隧道施工技術。

通過精心策劃和組織，盾構機在掘進過程中順利通過了混合層區段，未發生超挖現象。現場監測顯示地表最大沉降7 mm，地表建筑物未出現開裂、傾斜，達到了工程目標。