天津濱海新區軟土地層軌道交通盾構選型研究

張月輝，岳彬

（1.天津濱海新區建投軌道交通建設有限公司，天津 300459；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

盾構機作為盾構法施工的大型專用設備，其選型正確與否，無論是對盾構施工的技術水平，還是對盾構施工的成本和效益，均有著舉足輕重的意義。地鐵盾構技術經過多年的發展，盾構機機型變得多種多樣，盾構工法也不盡相同，不同機型的盾構對施工的工期、經濟、管理、完整性等各方面都有顯著的影響；因此，在城市地鐵施工過程中，盾構的選型尤其重要[1]。針對不同的工程條件，合理選用盾構機可以降低施工風險，保證工程的安全性和可靠性，從而滿足項目的工期要求。天津濱海新區軟土地層特殊，本文以實際工程為例，對盾構機選型進行研究分析，為類似地層盾構機選型提供經驗和參考。

1 工程概況及水文地質條件

天津濱海新區某軌道交通工程區間線路均為地下工程。其中，北段區域設6站4區間，區間雙線長度9 871 m，均采用盾構法施工，最大坡度25.57‰，隧道覆土5.22～19.5 m，最小曲線半徑400 m。隧道襯砌為預制鋼筋混凝土管片，采用3塊標準塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊形式的通用楔形環，管片環寬采用1 500、1 200 mm兩種類型、厚350 mm、外徑6 600 mm、內徑5 900 mm，管片混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P10。

濱海新區地層分布比較有規律，無較大地層突變，區間隧道主要穿越淤泥質粉質黏土層、黏土層、粉質黏土層、黏質粉土層及粉砂層，靜止水埋深約0.8～3.00 m，局部穿越粉砂層為第一承壓水層。各區間隧道均分布有淤泥質粉質黏土層，土體呈流塑狀態，為濱海新區典型軟土，具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等不良工程特性，同時還具有低滲透性、觸變性和流變性等特點。

2 盾構機選型

2.1 選型原則

盾構機選型是區間隧道是否安全、優質、快速建成的基本條件，一般按照適用性、可靠性、先進性、經濟性相統一的原則進行選型[2]。首先要確保開挖面的穩定，確保地表沉降可控，以水文地質資料為依據，重點注意地層種類、強度、滲透系數、粒徑等參數，結合隧道周邊環境情況及其他特殊條件，同時考慮技術經濟性綜合提出選型方案；此外，盾構機設備應對濱海軟土地層有較強的適應性且需滿足區間隧道縱坡、曲線半徑、長度、埋深、施工現場與周邊環境等條件的控制要求。

2.2 需重點考慮的因素

2.2.1 盾構機類型選擇

目前，國內盾構施工多數采用土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機，兩種類型分別適應不同地層，一般根據土層顆粒大小及滲透性等主要因素綜合確定[3]：細顆粒土具有良好的流塑性，能夠在土倉內填充密實；粗顆粒土流塑性相對較差，難以在土倉內填充密實。結合兩種類型盾構機施工原理，針對細顆粒地層，如淤泥質粉質黏土、黏土、粉土等地層，土壓平衡盾構機能夠較好形成不透水的流塑體，在土倉內密實填充，滿足土壓平衡原理。見圖1。

圖1 盾構機選型土體顆粒參考范圍

此外，土層滲透性也是盾構機類型選擇的主要依據之一，結合國內外施工經驗，滲透性劃分為3部分：當滲透系數＞10-4m/s時，應選用泥水平衡盾構機；當滲透性系數＜10-7m/s時，應選用土壓平衡盾構機；介于兩者之間時，土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機皆可選用[4]。

基于盾構機選型土層影響因素，本工程北段區域主要穿越淤泥質粉質黏土層占比約35%，黏土層占比約14%，粉質黏土層占比約29%，黏質粉土層占比約9%，粉砂層占比約13%。

從盾構機穿越土層占比不難看出，主要穿越淤泥質黏土、黏土及粉質黏土層且土層顆粒較細。盾構穿越低滲透性土層，基本屬于弱透水層～不透水層。見表1。

表1 盾構穿越土層滲透性指標cm/s

結合國內外施工經驗總結，本工程宜選擇土壓平衡盾構機。土壓平衡盾構機不需要進行泥漿處理，施工占地小，對環境影響較小，每延米綜合價格相對較低[5]。

2.2.2 軟土地層沉降控制

天津濱海新區特殊軟土地層具有高含水性、高壓縮性、高靈敏性、高觸變性、低強度、低滲透性等特點，在盾構掘進振動擾動下極易破壞原有土體結構，使土體強度驟然降低，形成觸變性沉降；因此減少開挖過程中的擾動是盾構機設計與選型重點考慮的問題。為使開挖面達到良好的土壓平衡效果，倉內土壓計應具備良好的靈敏度和相應精度；考慮到區間穿越重要風險源，地表沉降控制要求高，部分區段需應用克泥效等輔助工法，盾體應具備徑向注漿與超前注漿能力；此外，軟土地層掘進同步注漿，采用膠凝時間可調的漿液或者含砂率較大的可硬性漿液，盾構注漿系統應具備與掘進速度、漿液稠度相適應的注漿速度和注漿壓力。

2.2.3 軟土地層盾構軸線與姿態控制

由于軟土地層自身抗剪能力較弱、觸變性較大，受外力作用時容易被壓縮變形，導致盾構位置的保持能力相對較差，存在額外不平衡力作用時極易改變狀態，姿態一旦改變不易恢復原位；地層的高壓縮性決定一旦盾構機停止推進便失去刀盤反力，不能平衡盾構中心靠前帶來的栽頭趨勢導致盾構低頭；此外，本工程北段區域最小曲線半徑為400 m，盾構應具有良好的糾偏能力，適應小半徑曲線段軸線擬合要求。綜合因素對盾構機的靈敏度提出一定要求，以適應軟土地層掘進和糾偏的需求；掘進糾偏過程中，盾尾和管片間隙隨時變化，為避免盾尾間隙過小造成尾刷磨損，盾尾間隙也應進行合理設計。

2.2.4 粉質黏土施工結泥餅問題防控

區間隧道穿越粉質黏土和黏質粉土層，當土體改良效果不佳時，刀盤結泥餅及土倉發生堵塞風險高，影響掘進施工效率。刀盤、土倉設計與選型時應合理考慮添加劑、膨潤土注入口數量、布置形式，合理的土倉內攪拌棒數量與分布位置。

2.2.5 富水砂層掘進問題防控

盾構在砂層掘進時，對刀盤、刀具及螺旋機的磨損較嚴重，刀盤、刀具與排土機的耐磨性應與區間長度、地層情況相適應，確保盾構耐久性。本工程部分區段于承壓水層掘進，土體改良效果不佳時，螺旋機出土口存在泥砂噴涌風險，需設置前閘門，螺旋機具備前后伸縮功能；此外，考慮承壓水層壓力，主軸密封、鉸接密封抗擊穿能力應與地層深度、水文情況相匹配；考慮到富水砂層掘進，盾尾刷磨損較嚴重，盾尾存在漏水、漏泥風險，對盾尾刷質量應進行針對性設計。

2.3 盾構機選型結果

根據各區間的工程地質、土建設計情況及周邊環境因素，結合盾構機選型應重點考慮的因素，對盾構機進行了量身定制。

2.3.1 刀盤及刀具系統

4臺盾構機刀盤均采用了主梁加小面板形式，開口率均＞40%，在整個盤面均勻分布，利于渣土流動及土壓傳遞。區間貫通后，除個別刀盤輻條上的羊角刀因合金質量發生磨損，其余魚尾中心刀、貝殼刀、刮刀、保徑刀磨損情況輕微，磨損不超過10 mm。

2.3.2 刀盤驅動系統

3臺盾構機采用電機驅動，1臺為液壓驅動，驅動功率均達到770 kW以上，最小額定扭矩6 600 kN·m，3道唇形密封最大承壓能力均為0.5 MPa。濱海軟土強度不高，4臺盾構機刀盤脫困能力（大瞬時功率、大轉矩輸出抗沖擊）均滿足掘進要求。

2.3.3 液壓推進系統

液壓推進系統具有大功率、變負載、適應惡劣工作條件等特點，千斤頂油缸數量較多，系統既要實現對每個液壓缸的單獨控制和對所有液壓缸的同時控制，還要保證所有液壓缸具有同步性和隨動性；故4臺盾構的推進液壓油缸均沿圓周方向分為上下左右4組，分區控制，下分區控制數量多于上分區，滿足軟土地區抬坡困難的控制要求。簡化的系統結構，減少了操作變量個數，減輕了施工操作人員強度，提高了施工效率。

2.3.4 渣土改良系統

4臺盾構機刀盤配置了4路以上的泡沫噴口，3路膨潤土噴口和相關逆止閥，每個噴口均為單管、單泵設計，保證添加劑注入率的同時，避免回流及管路堵塞。在軟土地層掘進時，注水基本滿足了渣土和易性要求；在富水砂層掘進時，添加了泡沫和高分子聚合物，有效避免了噴涌。施工過程中，刀盤未出現結泥餅現象。

2.3.5 導向系統

4臺盾構機分別采用了中鐵裝備ZED導向系統、鐵建重工DDJ導向系統和上海力信RMS-D導向系統。盾構機操作司機根據導向系統提供關于盾構立體方位的最新信息，可準確控制盾構沿著設計的隧道軸線方向掘進，將盾構控制在設計隧道線路允許公差范圍內，實現信息化施工。掘進過程中，盾構姿態偏差基本控制在±50 mm范圍內，未發生超偏現象。

3 應用效果

3.1 沉降控制

本區間地面風險較多，下穿津秦高鐵、西中環快速路橋、輸油管線、高壓鐵塔、孟港排河、云山道公路橋、濱海職業技術學院等重要風險源與多處市政管線、箱涵，地面沉降控制要求高。結合第三方地面監測數據情況，各區間地表整體以下沉為主，沉降量基本控制在15 mm以內，最大沉降量20.9 mm，最大隆起3 mm，均未超過設計值范圍，滿足地面沉降及風險保護要求。

3.2 掘進施工參數

設置監控中心，采用數據采集監控系統對4個區間的盾構施工進行了全程監控。通過調取數據與現場掘進指令、原始數據比較，各區間掘進參數和計算預期值基本保持一致，掘進指令參數基本合理，現取常規掘進段進行簡要分析。

3.2.1 總推力和推進速度

由于地層較軟弱，推力不大，推進時可以保持較快的推進速度，實際施工中，推進速度可以提高到70 mm/min以上；但為了保證注漿量與注漿均勻性，將推進速度控制在70 mm/min范圍內比較合理。

3.2.2 刀盤扭矩和土倉壓力

地層掘進時，刀盤扭矩一般包括切削土體阻力扭矩、刀盤旋轉與土體摩擦扭矩、密封裝置的摩擦扭矩、刀盤后的摩擦扭矩、土倉內攪動扭矩等，在軟土地層中刀盤扭矩整體較小。根據扭矩系數經驗公式

式中：T為刀盤扭矩；Kα為土壓平衡盾構機扭矩系數，取值范圍為14～23；D為盾構機開挖直徑。

按盾構最小額定扭矩6 600 kN·m計算，4臺盾構機的扭矩系數取值在20.6～21.2，設計較為合理。

施工過程中，保持土倉壓力與作業面的水土壓力平衡是防止超挖造成地表沉降的重要因素。土倉壓力應能與地層土壓和靜止水壓力抗衡

式中：P為土倉壓力；P0為靜止水壓力抗衡；K為土的滲透系數。

根據實際情況，進行±50 kPa土倉壓力調整，K在黏性土中取值宜為1.0。

4 結論

1）盾構機選型應結合工程水文地質、工程安全性、技術及經濟性進行綜合確定，盾構機選型的基本出發點是能夠適應隧道所穿越地層條件，具備安全可靠的性能，確保工程安全及質量控制要求。

2）濱海新區地層一般分布較有規律，無較大的地層突變情況，土體滲透性較差且土體顆粒較細，采用土壓平衡盾構機施工效果較好。

3）軟土地層盾構機選型應重點考慮因土體擾動所導致的地層沉降及盾構機本身保持能力；必要時，考慮適當減輕主機重量，主機中心位置設置在合理位置，以降低施工風險。