富水砂層泥水盾構機選型及適應性研究

張 英，趙旭升

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

泥水平衡盾構的工作機理：通過向盾構機密封艙中注入適當壓力的泥漿，使其在開挖面形成泥膜，通過氣壓自動調節方式，對泥水壓力進行控制來平衡掌子面土體。盾構掘進時由刀盤旋轉切削下來的渣土經攪拌后形成高濃度泥渣，用排漿泵送到地面泥水處理系統。與土壓平衡盾構機相比，泥水平衡盾構機在軟弱地層適應能力更強，尤其在全斷面富水砂層、砂卵石地層、軟土等不同地層時，泥水平衡盾構機施工優勢更加明顯。因此，盾構機正確選型是盾構法隧道施工成功的必要條件。

1 工程概況及特點

1.1 工程簡介

中華西路站～安谷路站區間線路從中華西路站出站后，沿現狀彩虹二路地下敷設，先以25‰和5.961‰下坡并側穿規劃書香河畔小區、下穿DN800 雨水管、DN800 污水管，后下穿渭河，再以23.729‰的坡度穿越規劃宇宏健康花城小區進入安谷路站。區間隧道洞頂覆土約9.75～29.38m，線間距13～18.13m，左右線各含兩處平面曲線，最小段曲線轉彎半徑為400m；線路縱向呈“V”字型，線路最大縱坡25‰。區間計里程：Y（Z）CK2+830.818～Y（Z）CK4+885.600（左線短鏈26.885）。左、右線長分別為2027.897m 和2054.782m。

區間線路縱斷面為V 字型節能坡，區間左線線路以2‰下坡出安谷路站后，以25.0‰的下坡前進，隨后以5.938‰、25‰的上坡到達接收井，線路最大縱坡為25‰。區間右線線路以2‰下坡出安谷路站后，以23.729‰的下坡前進，隨后以5.961‰、25‰的上坡到達接收井，線路最大縱坡為25‰，線路軌面埋深15.86～35.70m。

根據設計圖紙和勘察文件顯示，本區間隧道穿越地層為粉質黏土（始發230m）、細砂、中砂、粗砂、圓礫（130m），其中盾構下穿渭河段以中砂層為主，石英、云母含量高，對刀盤刀具磨損較大。盾構始發端隧道埋深約為11m、穿越渭河兩側河堤處隧道埋深約為29m、穿越渭河段區間隧道距離河床底部最小距離約為15m。

根據場地水文地質試驗成果，結合本地區工程經驗，各層土的滲透系數建議值如表1 所示。

表1 土層滲透系數經驗值

本工程采用標準型管片，接縫布設凹凸隼，管片分為標準環和轉彎環，環寬1.5m，管片厚度300mm，采用3+2+1 的組合形式，38mm 楔形量。

1.2 工程特點

本項目地層以中砂、細砂層為主，同時存在礫砂、圓礫、黏土層，存在如下施工特點如圖1 所示。

圖1 工程特點

1.2.1 盾構長距離下穿渭河

渭河為常年徑流水域，河床寬度約為630m，徑流河道約為120m，地層透水性極強，區間下穿渭河段主要為中砂層，局部夾雜粗砂、礫砂層，可能與河道存在水力聯系，盾構施工過程中如參數控制不當，可能產生冒頂、河水倒灌涌水等情況，影響盾構施工安全，甚至產生重大安全事故。

1.2.2 砂層掘進，刀盤刀具、泥漿管磨損問題

盾構砂層掘進時，特別是遇到石英含量高的砂層地層，刀盤的面板及外圓環、泥漿管出口及彎頭處磨損嚴重。

1.2.3 軟土地層管片上浮和沉降控制的特性和難點

當同步砂漿未凝固處于流動狀態時，管片環排開體積的浮力大于管片環自重，且當后部砂漿未凝固的距離長，壓不住多余的浮力時，前面的管片環會上浮；在盾構掘進過程中地表沉降控制分3 個過程，主要為穿越前、穿越過程、穿越后的沉降，盾構掘進過程中每環掘進的出渣量直接影響地面沉降，因素在軟弱地層如何有效控制泥水倉壓力，減少渣土排出量，控制地面沉降是施工的難點。

2 盾構機選型及適應性分析

2.1 盾構機類型的選擇

2.1.1 選型原則

盾構合理選型是盾構法隧道能否安全、經濟、快捷、高效、連續的關鍵工作之一，盾構選型應從安技術可行性、經濟合理性等方面綜合考慮，所選擇的盾構形式要能盡量減少輔助措施的增加和對周圍地層的破壞，合理的刀盤及刀具設計，刀盤開口率、開口位置，刀盤、刀具配置，盾構能有效地防止噴涌，同時還要綜合考慮以下因素[1]。

（1）可以滿足的輔助工法有：超前鉆孔注漿、保壓法、冷凍法和鉆爆法等。

（2）滿足區間工程長度、轉彎半徑、坡度的要求。

（3）后配套設備、始發裝置能與盾構的開挖能力相匹配。

（4）盾構的作業環境如圖2 所示。

圖2 盾構機選型

2.1.2 盾構機選型確定

盾構機類型有土壓平衡和泥水平衡兩種。下面就以下幾方面進行重點闡述。

根據本工程的工期要求、場地情況、地質及水文資料、覆土埋深、自穩性、土質強度、周邊風險源情況、盾構隧道襯砌結構、施工環境多方面要求，可供選擇的盾構機主要有復合土壓平衡盾構及泥水平衡式盾構。盾構選型對比與相關因素分析如表2 所示。

表2 盾構選型對比與相關因素分析

通過對土壓盾構和泥水盾構的適應性及優缺點綜合對比，地層滲透系數、地層粒徑、地下水壓為選型的基本依據。根據相關施工經驗，兩種盾構能夠適應的地層滲水系數范圍如下，當地層的透水系數小于10-7m/s 時，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲水系數在10-7m/s和10-4m/s 之間時，土壓平衡盾構和泥水式盾構都可選用；當地層的透水系數大于10-4m/s 時，宜選用泥水盾構。本工程區間長距離下穿渭河隧道通過的地層中最大透水系數大于10-4m/s，應采用泥水盾構[2]。

泥水平衡盾構一次性投入較土壓平衡盾構大，特備是地面泥水處理系統占地面積大、成本高，但泥水盾構在大埋深、高水壓地層中對控制開挖工作面穩定性、控制地表沉降方面、保證施工進度方面明顯優于土壓平衡盾構。在盾構機穿越江河湖海時，泥水平衡盾構具有較為明顯的技術優勢。

2.2 盾構機關鍵部位適應性分析

本工程盾構段在仔細分析區間勘查設計資料的基礎上，綜合考慮施工組織籌劃安排，結合我部既有盾構施工經驗，本工程盾構機選型分析如下。

本工程采用泥水平衡盾構機，從結構形式及工作機理上分為氣墊式泥水盾構和直排式泥水盾構。

通過前期充分考察及實地踏勘、討論分析、專家評估和論證，本工程選用泥水平衡盾構機為氣墊式泥水盾構和直排式泥水盾構的結合優化升級：氣墊直排式泥水盾構，在傳統的直排式和氣墊式泥水盾構的基礎上，增加更具針對性的技術配置，有效解決渣土滯排、地表沉降、高水壓、大埋深等因素可能帶來的問題。氣墊直排式盾構機選型如圖3 所示。

圖3 氣墊直排式盾構機選型

（1）氣墊+直排設計，主要有以下優點。

提高在黏性地層及泥巖地層的掘進效率；增加了前倉進漿比重，減少刀盤結泥餅的風險；減少了氣墊式泥水盾構氣墊倉底部滯排的風險；能夠有效控制地表沉降，確保施工安全。

（2）整機設計壓力為6bar，主驅動設計承壓能力為10bar，針對本項目高水壓、大埋深的特點，具有安全性和可靠性。

（3）主驅動采用3.06m 直徑主軸承，可承受較大偏載；最大工作扭矩6307kN·m，脫困7569kN·m，針對復雜地層扭矩儲備安全系數高。

（4）刀盤刀具設計特點：刀盤結構采用6 主+6 副梁+6 扭腿結構，刀盤主梁、扭腿為圓形鋼管，副梁為方形箱梁，刀盤開口率為50%，能快遞排出切削的渣土。刀盤主梁布置重型焊接撕裂刀，副梁布置可更換撕裂刀，可以有效應對長距離掘進刀盤刀具磨損問題；刀盤配備12 把保徑撕裂刀，在長距離掘進過程中依舊擁有較強的保徑能力[3]。

（5）針對泥水機黏性地層滯排問題，刀盤主動攪拌棒加長設計，可以有效攪拌泥水倉底部，減少滯排；環流系統在主機段小循環設計，增強倉內的循環力度，加快排渣速度，提高掘進效率。

3 結語

盾構機選型及適應性分析建議如下。

（1）盾構施工時，應合理配置組織機構及熟練的作業和維保人員，確保掘進順利。

（2）在全斷面富水砂層施工中，刀盤所受推力和刀盤扭矩都將大大增加，控制推進速度，盡量勻速推進，控制推進速度不能過快。

（3）嚴格控制盾構姿態，在施工前調整好盾構的軸線，避免在穿越風險源施工過程中出現糾偏的情況。

（4）掘進的過程及時進行同步壓漿，采用注漿壓力與注漿方量“雙控”指標控制注漿量。

（5）盾構機主要關鍵部件選取均為國內外知名廠家，關鍵部件質量較為可靠。