復合地層施工全斷面隧道掘進機選型探討

張照煌，安 濤

華北電力大學能源動力與機械工程學院 北京 102206

全斷面隧道掘進機是用于地下工程全斷面開挖的機械化施工設備。地下工程地質條件往往很復雜，就具體工程而言，施工設備選型至關重要。現階段，土質地層施工已廣泛使用盾構機 (Shield)，如城市地鐵隧道施工；巖石質地層施工已廣泛使用全斷面巖石掘進機 (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，如鐵路公路隧道、煤礦巷道、引輸水隧洞等工程。隨著施工地質的復雜化，全斷面隧道掘進機既要適應土質地層，又要適應巖石質地層，亦即能在復合地層中施工，促使盾構機與 TBM 技術的逐漸融合，產生了復合盾構機[1-2]。

關于 TBM 選型，張軍偉等人以遼寧大伙房輸水工程為例，通過考慮地質條件適應性，以及對不良地質洞段處理方式、占地和環境影響因素的比較，得出敞開式 TBM 和雙護盾式 TBM 的適用條件[3]；毛擁政等人以引紅濟石工程為例，分析了敞開式 TBM 和雙護盾 TBM 各自的技術特點，并根據 TBM 主機選型原則，對比了敞開式 TBM 和雙護盾 TBM 的性能[4]；董安然以高黎貢山隧道工程為例，根據圍巖軟硬程度和巖石穩定性，劃分出敞開式 TBM、單護盾 TBM 以及雙護盾 TBM 各自的適用范圍[5]。關于盾構機選型，江玉生等人以北京地鐵 7 號線百化區間施工為例，從工程地質、水文地質情況，以及施工對環境、地層、進度、經濟性等實際情況的影響，總結出土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機各自的優缺點[6]；楊志強以濟南泉水排泄區地鐵區間為例，綜合考慮滲水性、地層顆粒級配，以及環境、經濟性對盾構機選型的影響，最終確定該工程采用土壓平衡盾構機[7]。上述研究對于 TBM 和盾構機的選型具有一定的參考價值和借鑒性。然而，對于復合地層全斷面隧道掘進機選型的研究在公開資料中很少看到。基于此，筆者提出了斷面復合地層和軸線復合地層的概念，并從斷面復合地層、復合程度及沿隧道軸線分布長度方面，分別探討了隧道掘進機選型，以期為全斷面隧道掘進機的選型提供借鑒。

1 復合地層施工設備選型

簡單地層施工，根據地質大類及施工設備選型的一般性或理論性分析[8]，全斷面隧道掘進機適用范圍如表1 所列。對于復合地層全斷面隧道掘進機選型則要復雜得多。

表1 施工隧道地質與所用全斷面隧道掘進機Tab.1 Tunnel geology and full face tunnel boring machine used in construction

復合地層可分為斷面復合地層和軸線復合地層，其中斷面復合地層是指在施工區間 (L0) 開挖斷面上存在“巖”和“土”的互層 (見圖1)，且在該長度段所有斷面上，“巖”和“土”的復合程度沒有質的變化；軸線復合地層是指在施工區間 (L00) 內沿隧道軸線一定長度段地層以土質為主，一定長度段地層以巖石質為主 (見圖2)，且以土質為主洞段的各斷面地質情況變化不大，同理，以巖石質為主洞段的各斷面地質情況變化也不大。針對斷面復合地層，施工時一般采用簡單復合盾構機，即在普通盾構機刀盤上安裝部分盤形滾刀破碎掘進面巖石，就能進行正常掘進。而對于軸線復合地層，進行全斷面施工可分為兩類：①土質地層段 (地層 1) 和巖石質地層段 (地層 2) 都較長，可分別采用盾構機和 TBM 施工，如圖2(a) 所示；②土質地層段和巖石質地層段的長度不足以分別采用盾構機和 TBM 施工，就應采用復雜復合盾構機施工，如圖2(b) 所示。表2 給出了復合地層施工設備分類及施工地層特點。

圖1 斷面復合地層示意Fig.1 Diagram of composite strata in cross section

圖2 軸線復合地層示意Fig.2 Diagram of axial composite strata

表2 復合地層施工設備分類及地層適應性Tab.2 Classification of construction equipment and strata adaptability in composite strata

2 斷面復合地層施工設備選型

斷面復合地層是在開挖斷面上存在軟硬互層，且沿隧道 (洞) 軸線各斷面地質狀況基本不變。在這樣地質條件下，如果采用普通盾構機施工，容易導致刀盤和盾構機刀具損傷嚴重，基于此，一般采用簡單復合盾構機，即在相應盾構機刀盤上安裝盤形滾刀破巖，就能正常施工的盾構機。

2.1 簡單復合盾構機及施工

簡單復合盾構機可分為簡單復合 (式) 土壓平衡盾構機和簡單復合 (式) 泥水平衡盾構機。在適合泥水平衡盾構機施工的地層[9]，如地面條件敏感、沉降控制要求高，或土層黏性物質含量小、砂性物質含量多，但該地層的施工斷面中存在一定巖石質地層，宜選用簡單復合泥水平衡盾構機施工；在適合土壓平衡盾構機施工的地層，如土層中黏粒含量多，但在施工斷面中存在一定巖石質地層，則宜選用簡單復合土壓平衡盾構機施工。

2.2 工程案例

2.2.1 工程概況

福州地鐵 4 號線一期工程東門站至三角池站區間線路，中途下穿晉安河、東郊河，而后接入三角池站。該區間分為左右兩線，穿越地層較為復雜，屬于典型濱海軟硬交替地層，洞身圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級，地下水主要分為孔隙水和基巖裂隙水，地層滲透性為弱～強，地層分布情況如表3 所列[10]。

表3 東門站至三角池站區間線路地層分布統計Tab.3 Statistics of strata distribution of sections from Dongmen Station to Sanjiaochi Station

2.2.2 盾構機選型及刀盤、刀具配置

根據表3 所列，盾構機施工區間無論左線還是右線，巖石質地層占比均超過 50%。因此，若在該區間采用普通盾構機施工，會嚴重損傷刀盤和刀具。所以，應考慮選用簡單復合盾構機。又因該區間穿越的地層主要為粉質黏土、風化花崗巖、風化正長斑巖，地層滲透系數較小，地下水壓不大，適宜施工的普通盾構機應是土壓平衡盾構機。綜合考慮施工斷面復合情況、復合強度、工程投資和環境影響等因素，選用復合土壓平衡盾構機。

針對工程區間上軟下硬地層條件，為保證掘進穩定性、渣土流動性，以及刀盤負荷等因素，對該復合土壓平衡盾構機刀盤和刀具進行了如下配置 (見圖3)：刀盤面板增加了耐磨層硬度為 57～ 62HRC 的復合耐磨板，適用于如風化花崗巖等石英含量較高的地層；刀盤開口率不小于 33%，保證粒徑較大的土體進入土倉，防止產生“泥餅”；刀盤中心區齒刀和盤形滾刀可互相替換；刀盤邊緣區配置了多把盤形滾刀和邊緣刮刀；軟土地層掘進時可將盤形滾刀更換為齒刀；刀座為背裝式設計，方便刀盤背后換刀；為減輕刀具磨損，采用較小的刀間距設計，盤形滾刀間距為75 mm，同時增加邊緣滾刀數量，最多可配置 12 把；盤形滾刀和刮刀高差設計為 57.5 mm，切刀和刮刀均使用大塊合金，當遇到高強度基巖突起或孤石時，可更換為重型盤形滾刀進行破碎[11]。

圖3 刀盤配置示意Fig.3 Diagram of cutterhead configuration

施工實踐證明，選用簡單復合土壓平衡盾構機，以及對刀盤上盤形滾刀和切削刀具、刮刀等的設計和配置，符合工程施工要求。

3 軸線復合地層施工設備選型

軸線復合地層是指沿隧道 (洞) 軸線一定長度段，開挖斷面“巖”“土”的復合程度或強度、地質狀況基本一致，一旦超過這“一定長度段”，開挖斷面“巖”“土”的復合程度或強度、地質狀況將發生根本性變化，如土質變為巖石質，或砂質地層變為黏性土質地層等。因此，在這種地質條件下施工的全斷面隧道掘進機選型相對復雜些。

3.1 盾構機與 TBM 分別施工

軸線復合地層，若沿隧道 (洞) 軸線開挖斷面上地質狀況基本一致的長度足夠長，分別采用盾構機和TBM 施工較經濟，則可考慮采用盾構機和 TBM 分別施工。這類情況多出現在大型工程中，如英吉利海峽隧道工程。

3.1.1 工程概況

英吉利海峽隧道工程包括陸地隧道和海底隧道兩部分，表4 所列為英法兩側主要穿越地層情況[12]。

表4 英法兩側主要穿越地層情況Tab.4 Conditions of crossing strata on both sides of England and France

3.1.2 施工設備選型

根據英法兩側主要穿越地層情況，英國端隧道施工均采用 TBM；法國端海底隧道施工選用 TBM，而近陸段隧道施工選用土壓平衡盾構機。根據法國側海床下地質條件，將該側隧道分為 6 段 (T1～ T6)，其中海底段隧道 T1、T2 和 T3 分別采用 3 臺護盾式 TBM施工，而近陸段隧道 T4、T5 和 T6 采用 2 臺土壓平衡盾構機施工，其中隧道 T5 和 T6 共用 1 臺盾構機施工[13]。

通過選型分析，法國側地質條件具有非典型性的軸線復合地層特點，而當從海底施工轉換到陸地施工，即 T3 到 T4 時，地層中土質地層段和巖石質地層段都較長，因此采用 TBM 和盾構機分別施工。

3.2 復雜復合盾構機選型與施工

軸線復合地層，若沿隧道 (洞) 軸線開挖斷面上的地質狀況基本一致的長度不夠長，分別采用盾構機與 TBM 施工并不經濟，則可考慮采用復雜復合盾構機施工。所謂復雜復合盾構機是指其在巖石質地層段施工時具有 TBM 作業模式，而在土質地層段施工時則具有盾構機作業模式，具有“一機多功能”特點。圖4 所示為一臺具有泥水式、土壓平衡式和 TBM 等3 種工作模式的復雜復合盾構機，也可稱為三模式盾構機[14]。而在實際工程中，雙模式盾構機應用比較廣泛。根據其對不同地層的適應性，可將雙模式盾構機分為三類：土壓/TBM 雙模盾構機、泥水/TBM 雙模盾構機和土壓/泥水雙模盾構機。

圖4 具有 3 種工作模式的復雜復合盾構機Fig.4 Complex composite shield with three working modes

3.2.1 土壓/TBM 雙模盾構機

土壓/TBM 雙模盾構機實際上是單護盾 TBM 與土壓平衡盾構機的結合體。該類型雙模盾構機既能在中硬巖地層中高速順利掘進，也能夠在不良地層中正常施工[15]。因此，當隧道區間內開挖斷面上同時存在軟土及軟巖、中等堅硬、堅硬巖地質時，適宜采用土壓/TBM 雙模盾構機進行施工。

土壓/TBM 雙模盾構機在土壓平衡模式掘進時采用螺旋輸送機出渣，而在 TBM 模式掘進時采用中心帶式輸送機或中心螺旋機出渣，2 種出渣模式特點如表5 所列。基于此，可將土壓/TBM 雙模盾構機分為中心帶式輸送機土壓/TBM 雙模盾構機 (見圖5)和中心螺旋輸送機土壓/TBM 雙模盾構機兩類 (見圖6)[16-17]。

圖5 中心帶式輸送機布置示意Fig.5 Layout of belt conveyor

圖6 中心螺旋機布置示意Fig.6 Layout of screw machine

表5 中心帶式輸送機式出渣和中心螺旋機式出渣模式特點Tab.5 Characteristics of slag discharge modes in belt conveyor type and screw machine type

3.2.1.1 出渣方式對比

土壓/TBM 雙模盾構機 2 種出渣方式的選擇需從施工地質條件、施工效果及施工成本等多方面考慮，這兩類土壓/TBM 雙模盾構機施工特性的對比如表6所列[18]。

表6 中心帶式輸送機式和中心螺旋機式雙模盾構機施工特性對比Tab.6 Comparison of construction characteristics between belt conveyor type and screw machine type dual-mode shields

由表6 可以看出：當存在富水破碎帶地層時，中心帶式輸送機主驅動與帶式輸送機無法封閉，如遇到突泥突水，易導致主機積水，因此，不宜采用中心帶式輸送機土壓/TBM；當遇到石英含量高、磨蝕性較強的硬巖時，會對螺旋輸送機造成較大的磨損，對于該類地層，可直接采用中心帶式輸送機土壓/TBM；當地質條件均適用于這 2 種出渣方式時，中心螺旋機土壓/TBM 相較于中心帶式輸送機土壓/TBM 轉換更方便，施工風險小，施工環境友好，設備故障少，設備成本低，宜選用中心螺旋機土壓/TBM。

3.2.1.2 應用案例

(1) 工程概況 深圳地鐵十四號線布吉至石芽嶺區間隧道長 3 230 m，主要穿越強風化、中風化、微風化角巖層，并且區間還存在 2 條斷層破碎帶，屬于典型的復雜復合地層。分類統計各區段工程地質參數與水文地質參數，可將隧道劃分為9個區段，如圖7所示。各區段地質條件參數如表7 所列[19]。

圖7 布吉至石芽嶺區間地質縱斷面圖Fig.7 Geological vertical sections from Buji Station to Shiyaling Station

表7 各區段地層參數統計Tab.7 Statistics of strata parameters in each section

(2) 設備選型及施工特點 根據該區間各區段穿越地質地層特點，施工設備選用 2 臺中心螺旋機土壓/TBM 雙模盾構機，盾構機參數如表8 所列[17]。

表8 中心螺旋機土壓/TBM 雙模盾構機主要參數Tab.8 Main parameters of screw machine type shield with dual-mode of earth pressure/TBM

鑒于深圳地鐵 14 號線布吉站到石芽嶺站區間隧道全線巖層的風化程度不一，單軸抗壓強度差異達 60 MPa 以上，因此，確定該區間隧道區段 1、區段 3、區段 5、區段 8、區段 9 采用土壓模式施工，區段 2、區段 4、區段 6、區段 7 采用 TBM 模式施工。中間風井至布吉站隧道掘進進度如表9 所列。統計分析顯示，在 TBM 模式下平均日進度為 3.0～ 4.2 環，土壓平衡模式下平均日進度約為 4.5 環[20]。

表9 掘進情況統計Tab.9 Statistics of tunneling

3.2.2 土壓/泥水雙模盾構機

當某段區間內不存在硬巖地質，但開挖斷面上軟土和軟巖地層自穩性、水壓等分布不均勻時，一般采用土壓/泥水雙模盾構機。土壓/泥水雙模盾構機具有技術先進、功能齊全、操作便捷、適應性強、環保經濟等特點。若施工土體自穩性好，采用土壓模式可降低施工成本；當土體自穩性差，采用泥水模式可有效控制掘進面穩定，且對地表沉降控制要求高、高水壓下滲透較強及不穩定地層中的隧道施工也具有較好的地質適應性[21]。

3.2.2.1 土壓/泥水盾構機施工模式選擇

應根據地質條件的適應性選擇土壓/泥水雙模盾構機的施工模式，如表10 所列。

表10 土壓/泥水兩種模式下地層適應性Tab.10 Strata adaptability under two modes of earth pressure/mud-water

由表10 可以看出，穿越城市居民區、周邊環境復雜及重要建筑物等對地表沉降要求較為嚴格的隧道 (洞)，且地層滲透系數≥10-4m/s、粉粒和黏粒含量 ≤40%、水壓 ≥0.3 MPa 的地質，一般宜選用泥水平衡模式施工；而穿越以全斷面泥巖為主、地層細粒含量高的地層隧道，且地層滲透系數≤10-7m/s、粉粒和黏粒含量 ≥40%、水壓≤0.3 MPa 的地質地層，宜選用土壓平衡模式施工；在不考慮其他因素的條件下，當地層滲透系數為 10-7～ 10-4m/s 時，采用土壓平衡或泥水平衡兩種掘進模式均可[22]。

3.2.2.2 土壓/泥水雙模盾構機出渣方式選擇

在施工過程中，根據出渣方式不同，土壓/泥水雙模盾構機可分為并聯式土壓/泥水雙模盾構機 (見圖8) 和串聯式土壓/泥水雙模盾構機 (見圖9)，相應的出渣方式及特點如表11 所列[23-25]。

圖8 并聯式出渣Fig.8 Slag discharge in parallel mode

圖9 串聯式出渣Fig.9 Slag discharge in series mode

表11 并聯式和串聯式土壓/泥水盾構機出渣特點Tab.11 Characteristics of slag discharge in parallel mode and series mode for earth pressure/mud-water shield

土壓/泥水雙模盾構機的 2 種出渣方式，主要體現在泥水平衡模式下渣土的排出方式，相對于串聯式出渣，并聯式出渣具有模式切換時無需拆裝部件，耗時短，以及泥水模式下大粒徑石塊可直接排出，無需使用破碎機或采石箱等優點，因此，在進行兩類盾構機選型時，并聯式土壓/泥水雙模盾構機更具優勢。

3.2.2.3 應用案例

(1) 工程概況 南寧地鐵 5 號線五一立交站至新秀公園站區間 (以下簡稱五新區間)，盾構機隧道全長2 098.086 m (YDK18+254.848～ YDK20+352.934)，區間平面如圖10 所示。區間沿線上有建筑物 22 棟，房屋建筑年代為 21 世紀 80—90 年代，基礎為磚混結構，基礎埋深為 1～ 2 m。遂道穿越地層多為粉細砂、圓礫等強透水地層，地層自穩能力差，對地層敏感性較高。

圖10 五新區間平面位置示意圖Fig.10 Plan position diagram of sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

(2) 施工模式選擇及施工特點 根據五新區間地質條件、地面建筑物特點，采用并聯式土壓/泥水雙模盾構機。其中，地面有老舊建筑物，下穿粉細砂地層區間，須要精準控制沉降，采用泥水平衡模式施工；穿越邕江段為全斷面泥巖地層，采用土壓平衡模式施工。該區間掘進模式劃分如表12 所列[26]。

表12 五新區間掘進模式劃分表Tab.12 Division of tunneling modes during sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

根據以上分析，該雙模盾構機分別在 YDK18 +896.849、YDK19+490.848 處進行模式轉換。經過一段時間的掘進，該雙模盾構機順利完成了泥水模式粉細砂地層穿越老舊建筑物群及土壓模式穿越邕江泥巖段掘進任務。

3.2.3 泥水/TBM 雙模盾構機

當某段區間內開挖斷面上同時存在軟土以及軟巖地質、中等堅硬、堅硬巖地質，其中軟土和軟巖地層中水壓高且地層敏感性較強、自穩能力差且軟硬巖分布不均勻時，宜采用泥水/TBM 雙模式盾構機進行施工。泥水/TBM 雙模盾構機集成了泥水平衡盾構機和單護盾 TBM 的功能和特性，融合了泥水平衡和單護盾 TBM 2 種開挖模式。在高水壓裂隙地層段，采用泥水平衡模式施工 (見圖11)，泥漿管道出渣；在無水或少水巖石地層段[23]，采用單護盾 TBM 模式施工 (見圖12)，帶式輸送機出渣。

圖11 泥水模式Fig.11 Mud-water balance model

圖12 單護盾 TBM 模式Fig.12 Single-shield TBM mode

(1) 工程概況 瑞士聯邦某鐵路隧道工程項目穿越地質基本情況：隧道兩端洞口區段主要由富含地下水的松散沉積物構成，中央段則為穩定的巖層。包括兩端開口凹槽在內，該隧洞的總長為 6 294 m，最陡坡度為 0.5%，隧洞最大埋深為 120 m。地質概況如圖13 所示。

圖13 隧道工程地質概況Fig.13 General geology of tunnel engineering

(2) 施工方案與設備選型 早期招標時曾有建議，先降低含水層水位，然后用 2 臺敞開式 TBM 從東、西 2 個入口同時掘進。但是要降低水位投資巨大，而且十分困難。由于土層和砂礫顆粒尺寸的高滲水性，在一開始就排除了土壓平衡盾構機施工方法。由于冰磧層的高磨耗，使用簡單復合盾構機會造成刀盤及刀具嚴重磨損。因此，中標方案根據隧洞穿越 2種完全不同的地層情況，建議整條隧洞用 1 臺泥水/TBM 雙模盾構機施工。該復合盾構機可在洞內實現泥水系統轉換成帶式運輸系統，實現泥水循環到帶式輸送機出渣的模式轉換 (見圖14)。即在松散沉積土、淺埋深的巖石及混合地層中，采用泥水式盾構機開挖，用泥水壓力平衡水和土的壓力，支撐開挖面；而在巖石區段，則采用敞開式 TBM 掘進。隧洞從東邊開始掘進，泥水/TBM 雙模盾構機開始以泥水方式運行，到中心巖石區段時轉換成敞開式；中心巖石區段掘進完成后，再轉換回到泥水工作方式[14]。

圖14 泥水/TBM 雙模盾構Fig.14 Shield with dual-mode of mud-water/TBM

該復合盾構機的實際掘進速度從 2 cm/min 至 5 cm/min，最高達 30 m/d，每星期平均掘進 80 m。從一種工作模式轉換到另一種工作模式，只需 1 個工作日就可以完成。經過施工實踐，證明選擇的機型正確。

4 結語

全斷面隧道掘進機施工地質可分為斷面復合地層和軸線復合地層兩類。其中斷面復合地層是指在開挖斷面上存在“巖”“土”的互層；軸線復合地層是指沿隧道軸線一定長度段地層以土質為主，一定長度段地層以巖石質為主。

用于斷面復合地層施工的全斷面隧道掘進機稱為簡單復合盾構機，簡單復合盾構機分為簡單復合泥水平衡盾構機和簡單復合土壓平衡盾構機。對于軸線復合地層，當軸線上土質地層段和巖石質地層段都較長時，可采用盾構機和 TBM 分別施工；土質地層段和巖石質地層段的長度不足以分別采用盾構機和 TBM施工時，宜采用復雜復合盾構機施工。

復雜復合盾構機分為多模盾構機和雙模盾構機，其中多模盾構機一般是指土壓/泥水/TBM 多模盾構機，雙模盾構機分別為土壓/TBM 雙模盾構機、土壓/泥水雙模盾構機和泥水/TBM 雙模盾構機等 3 種類型。