珠三角水資源配置工程B2標盾構機選型及應用分析

鄧選滔，李甫福

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣州 510000；2.廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

隨著我國經濟的快速發展，水利工程建設也邁上了新臺階，盾構法因其先進性已普遍應用于水利工程建設領域，本文通過對珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標地質水文條件分析，整理了該標段盾構機選型情況，全面總結其應用效果，相關工程經驗可為類似復雜環境的水利工程盾構選型提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標，其施工任務為新建GZ16#、GZ17#、GZ18#、GZ32#、GZ33#5個工作井、1條盾構輸水干線及1條盾構輸水支線。輸水干線外徑為8.3 m，長度為8.243 km，采用無粘結預應力混凝土內襯結構；南沙支線外徑為4.1 m，長度為7.244 km，采用鋼筋混凝土內襯結構。線路下穿西瀝水道、騮崗水道、地鐵4號線、地鐵18號線、南沙港快速、京港澳高速等重點地段(見圖1所示)。

圖1 土建施工B2標工程示意

1.2 線路情況

1.2.1線路平面設計

在平面上，盾構區間總體線路線型基本是以直線為主，最小平面曲線半徑R=350 m。

1.2.2線路縱剖面設計

隧洞埋深變化大，線路起伏，坡度大，干線隧洞埋深為28.3～54.2 m，存在上坡與下坡，最大坡度為30.1‰。支線隧洞埋深為25.5～56.4 m，存在上坡與下坡，最大坡度為28.4‰。

1.3 管片設計簡介

盾構管片采用C55鋼筋混凝土預制，抗滲等級為W12，控制裂縫寬度≤0.2 mm。輸水干線管片外徑均為8 300 mm，內徑為7 500 mm，厚為400 mm，環寬為1 600 mm，楔形量為46 mm，采用“4+2+1”分塊模式，錯縫拼裝方式。南沙支線管片外徑為4 100 mm，內徑3 500 mm，襯砌管片厚為300 mm，襯砌環寬為1 200 mm；管片為雙面楔形通用環，楔形量為46 mm，采用“3+2+1”分塊模式，錯縫拼裝方式。

1.4 工程地質、水文情況描述

1.4.1工程地質

隧洞區間地層統計見圖2～圖4所示，所掘進的地層包含淤泥、砂等第四系覆蓋軟弱地層及高強度巖層，另外還需穿越多條區域性斷層，地下水豐富，地質情況復雜。

圖2 GS01#～GS02#區間地層統計示意

圖3 GS02#～GS03#區間地層統計示意

圖4 GS03#～GS04#區間地層統計示意

1.4.2水文地質條件

地下水類型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補給地下水，枯水季地下水補向河流，勘察期間沿線地下水位普遍埋深較淺，為0.5～3 m，揭露高程約0～2 m，受潮汐影響較大。局部丘陵地帶以基巖裂隙水為主，地下水主要受大氣降雨補給，向溝谷排泄，地下水位隨地形變化，一般埋深為2.0～5.0 m，大多在強風化底部～弱風化帶頂部。

根據鉆孔揭露，②-3淤質粉細砂層、②-5細砂、泥質細砂層、②-6中粗砂、礫砂層、②-7砂卵石層以及③-3細砂、泥質細砂層、③-4礫砂層、③-5砂卵石層等為主要含水層。其中②-6、②-7、③-4、③-5層含水較豐富。

②-1層、②-2層、②-4層、③-1層、③-2和全風化帶滲透性微～極微，為相對隔水層，砂層含水量豐富，中～強滲透性，具微承壓～承壓。

強風化砂巖、含礫砂巖、礫巖、花崗巖透水性較強，為中～強透水層；強風化泥巖、粉砂質泥巖具中～弱透水性；弱風化巖一般透水性較弱，為弱透水層；斷層以張性為主，斷層帶較破碎，富水及滲透性較好，阻水斷層少見。

2 盾構機選型及實施效果

2.1 盾構機模式選擇

結合地層特點，原計劃盾構機選型見表1。經各參建單位多次論證，認為本工程埋深大、地下水豐富，土壓盾構存在保壓不穩定、容易超挖、螺旋機容易噴涌等問題，不適應本工程，決定變更為泥水平衡盾構機。

表1 盾構機選型原計劃

2.2 刀盤針對性選型

2.2.1需解決的問題

隧洞區間地質條件以富水砂層、中、強風化砂礫巖、泥質粉砂巖為主，兼顧華南地區其它地質條件，刀盤選擇應考慮以下幾個問題：① 如何防止刀盤中心區域及土倉產生泥餅，保證渣土的流塑性；② 如何提高刀具在較高強度巖層中的破巖問題；③ 刀盤外圈梁在巖層掘進的耐磨問題；④ 刀盤在軟硬不均地帶掘進的異常損壞問題。

2.2.2針對性選型

為了應對上述問題，刀盤針對性選型及應用效果見表2所示。

表2 刀盤針對性選型及就應用效果

2.3 盾體針對性選型

2.3.1需解決的問題

根據工程地質情況，盾體選型時需要考慮以下幾個問題：① 盾體的結構剛度滿足實際工程需要；② 盾體設計滿足超前地質加固情況的預留接口；③ 盾尾周向具有多通道的注漿和注脂通道；④ 盾體密封系統可承受較大的壓力范圍。

2.3.2針對性選型

為了應對上述問題，盾體針對性選型及應用效果見表3所示。

表3 盾體針對性選型及應用效果

2.4 泥漿循環系統選型

2.4.1需解決的問題

根據工程地質情況，泥水循環系統需重點考慮以下問題：① 粘性地層刀盤泥餅和滯排問題；② 管路延伸文明施工問題；③ 長距離掘進管路磨損的問題。

2.4.2針對性選型

為了應對上述問題，泥漿循環系統針對性選型及應用效果見表4所示。

表4 泥漿循環系統針對性選型及應用效果

3 存在的不足

3.1 個別區間刀盤開口率選型弊端

工程在盾構機選型時，為了確保盾構渣料順利進入土倉，刀盤開口率設置較大，干線盾構開口率為35%，支線盾構開口率為38%。雖然未出現刀盤面結泥餅現象，適應了大部分區域，但少部分區域為破碎帶，掌子面巖層裂隙較發育，過大的刀盤開口使大塊徑漂石(見圖5部分塊徑超過50 cm)直接進入泥水倉，引起渣土滯排、堵塞采石箱、沖擊土倉內部件，進而多次引起盾構機停機。

圖5 引起滯排的大塊徑漂石示意

改進建議：進一步分析巖層的完整性，有針對性的減小開口率或配置破碎機減小進入土倉的漂石。

3.2 超前注漿作業空間不足

此情況在4.43 m支線盾構中較為明顯，支線盾構在3、9點位各布置了1根超前注漿管，用于應對掌子面不穩定的情況(見圖6)，但通過現場實踐，該超前注漿孔后方的作業寬度僅1.2 m，難以滿足鉆機作業要求，超前注漿功能失效。

圖6 超前注漿作業面及注漿孔位示意

改進措施：改良拼裝機構造，在需要超前注漿時可主動騰出作業空間。

3.3 刀具固定措施存在缺陷

部分滾刀采用兩根單頭螺栓固定在刀座上，在巖層中掘進時，刀具重復收到沖擊，螺栓容易松動，引起壓塊掉落，進而引起刀具失效。

改進措施：在兩根螺栓中間焊接一根鋼條或改良壓塊構造為螺栓設置專用槽口，防止螺栓松動。

3.4 出渣未實現量化

泥水盾構機環流系統只能讀出進漿、排漿流量和壓力，無法計算盾構機出渣量，只能通過在篩分系統目測，誤差較大。

改進措施：環流管上增加壓差式密度計(見圖7)，通過算法程序可將環流系統中的含渣量計算出來并實時顯示，有效控制了超挖量。

4 結語

目前國內盾構機生產技術已日趨成熟，盾構法施工在水利工程建設中的應用越來越多，基于水利工程較其它行業存在有特殊性，其隧洞往往更深、地質條件更為復雜。根據不同的工程地質、水文地質條件和施工環境與工期的要求，合理選擇盾構機類型，對保證施工質量及地面與地下建(構)筑物安全和加快施工進度是至關重要。根據珠江三角洲水資源配置工程土建施工B2標的經驗，泥水平衡盾構機在大埋深富水地層中優勢較為明顯，其中，復合式刀盤、大流量環流系統、自動化接管裝置、渣土計量系統等應用較為成功，但刀盤開口率過大、超前注漿系統作業空間不足、刀具固定選型缺陷、渣土未能量化等也為盾構掘進帶來較多的困難，類似工程在盾構機選型時應吸取經驗教訓。