城市鐵路隧道盾構(gòu)選型研究

苗壯　唐偉

摘要：盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)隧道施工最重要的設(shè)備，盾構(gòu)選型直接關(guān)系到盾構(gòu)隧道的成敗。在選擇盾構(gòu)型式時(shí)，應(yīng)綜合分析影響盾構(gòu)機(jī)選型的主要因素，最重要的是要保證開挖面的穩(wěn)定。文章結(jié)合北京市某大直徑盾構(gòu)隧道工程，通過對其地質(zhì)條件、地下水情況、周圍環(huán)境等因素進(jìn)行詳細(xì)分析，最終選定了安全、經(jīng)濟(jì)、合理的盾構(gòu)型式。

關(guān)鍵詞：隧道工程；盾構(gòu)機(jī)；盾構(gòu)選型；盾構(gòu)隧道施工；盾構(gòu)型式；泥水平衡盾構(gòu) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）09-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0772

1 國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道的發(fā)展

21世紀(jì)以來，隨著國內(nèi)多個(gè)城市地鐵建設(shè)的不斷推進(jìn)和中國地下空間高效的開發(fā)利用，盾構(gòu)法施工隧道技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。尤其是在鐵路隧道領(lǐng)域，不同地質(zhì)條件下的大直徑盾構(gòu)相繼開始使用，盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)長度、開挖深度和工程復(fù)雜程度更是不斷的刷新紀(jì)錄。

目前，大直徑盾構(gòu)施工已經(jīng)在越江隧道、跨海隧道、城市鐵路隧道等工程中得到廣泛應(yīng)用。我國使用大直徑盾構(gòu)施工的隧道已有20余座。其中直徑最大的達(dá)到15m，如上海長江隧道；使用盾構(gòu)施工的最長隧道其長度已近10km，如廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道盾構(gòu)段長9.34km。除此之外，還有武漢長江隧道、北京地下直徑線前三門隧道、天津地下直徑線海河隧道等一大批有代表性的世紀(jì)工程。這些盾構(gòu)隧道的修建極大地促進(jìn)了我國盾構(gòu)法施工技術(shù)的進(jìn)步。

2 土壓平衡、泥水平衡盾構(gòu)適用性分析

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)隧道施工最重要的設(shè)備，盾構(gòu)選型直接關(guān)系到盾構(gòu)隧道的成敗。選擇盾構(gòu)型式時(shí)，應(yīng)綜合分析影響盾構(gòu)機(jī)選型的主要因素，如地質(zhì)條件、地面情況、隧道斷面、隧道長度、線路走向、工期要求等，最重要的是要保證開挖面的穩(wěn)定。為了選擇合適的盾構(gòu)型式，應(yīng)對工程的地質(zhì)條件、地下水情況、周圍環(huán)境等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并保證其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 地層適用性分析

土壓平衡盾構(gòu)適用于含水量和顆粒組成比較適中的地層，開挖面的土砂可以直接流入壓力艙及螺旋輸送機(jī)，從而保持開挖面的穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)是根據(jù)土壓力的狀況同時(shí)進(jìn)行挖土和推進(jìn)，通過檢查土壓力可以控制開挖面的穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)貙訛樯傲：枯^多而不具有流動性的土質(zhì)地層時(shí)，采用土壓平衡盾構(gòu)施工需要通過添加水、泥水或其他添加材料使泥土壓力很好地傳遞到開挖面。通過這種辦法，土壓平衡盾構(gòu)可以適用于沖擊砂礫、砂、粉土、黏土等固結(jié)度比較低的軟弱地層、洪積地層以及軟硬相間互層等地層。

泥水平衡盾構(gòu)是通過施加略高于開挖面水土壓力的泥漿壓力來維持開挖面的穩(wěn)定。一般比較適用于在河底、海底等高水壓條件下隧道的施工，具有很高的安全性和良好的施工環(huán)境。對周圍環(huán)境的影響較小。泥水平衡盾構(gòu)適用于沖洪積、洪積形成的砂礫、砂、粉砂、黏土層、弱固結(jié)的互層地層以及含水率高而不穩(wěn)定的地層，是一種適合多種地層條件的盾構(gòu)型式。

2.2 地層滲透性適用分析

地層滲透性對于盾構(gòu)機(jī)的選型也是一個(gè)很重要的影響因素。根據(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道的施工經(jīng)驗(yàn)：細(xì)顆粒含量多的地層滲透率小，粗顆粒含量多的地層滲透率大。當(dāng)顆粒粗且水量充足時(shí)，碴土為流體狀，盾構(gòu)的螺旋機(jī)形成不了土塞，土倉建立不了壓力，僅依靠大顆粒充滿土倉來形成機(jī)械力支撐土體時(shí)，即使土倉充滿水也會造成堵倉。因此，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s時(shí)，宜選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7～10-4m/s之間時(shí)，既可選用土壓平衡盾構(gòu)也可選用泥水平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10-4m/s時(shí)，宜選用泥水平衡

盾構(gòu)。

3 實(shí)際工程中的盾構(gòu)選型研究

3.1 隧道概況

位于北京市東北部五、六環(huán)之間的某高速鐵路隧道全長8.1km，設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道，盾構(gòu)直徑近11m。其中盾構(gòu)段全長約7km，設(shè)盾構(gòu)井3座，在盾構(gòu)段中間區(qū)域設(shè)接收井、兩端設(shè)始發(fā)井，盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)長度約3.5km。盾構(gòu)段先后下穿城市河流、居民區(qū)、地鐵車站、高速公路等既有構(gòu)筑物，線路周邊環(huán)境復(fù)雜。

3.2 工程特點(diǎn)分析

3.2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)距離長，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后獨(dú)頭掘進(jìn)長度約3.5km。

3.2.2 隧道埋深大。根據(jù)線路資料可知最大埋深達(dá)35m，大多數(shù)段落埋深范圍為20～30m。

3.2.3 隧道斷面大。隧道結(jié)構(gòu)外輪廓直徑約10.5m，因此盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑將達(dá)到11m。

3.2.4 地下水位高、水壓力大。根據(jù)地質(zhì)資料可知：在枯水期地下水位線距結(jié)構(gòu)底高度距離最大超過30m，在豐水期地下水位還會抬升，因此隧道結(jié)構(gòu)需承受的水壓力大致在3～4bar之間。

3.2.5 盾構(gòu)穿越段地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)地質(zhì)資料可知：盾構(gòu)穿越地段粉質(zhì)黏土約占53%、細(xì)砂約占24%、

粉砂約占10%、中砂約占6%、黏土約占4%、粉土約占3%。

3.2.6 地表沿線周邊環(huán)境復(fù)雜。盾構(gòu)段共下穿道路30余條，其中多條為高速公路，多處下穿既有地鐵車站、城市河流、人工湖、燃?xì)夤芫€、居民區(qū)等。

3.3 盾構(gòu)選型研究

盾構(gòu)機(jī)選型影響因素很多，按照重要程度分析主要有以下種類：開挖面的穩(wěn)定性、地層滲透性、隧道埋深、地下水位、隧道斷面大小、沿線既有構(gòu)筑物、工期要求、設(shè)備購置成本等。

3.3.1 地層適應(yīng)性的影響：根據(jù)工程地質(zhì)資料可知盾構(gòu)段穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉砂地層。顆粒粒徑主要集中在0.075～1mm之間。根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)可知，該粒徑范圍內(nèi)的地層盾構(gòu)適應(yīng)性介于土壓平衡與泥水平衡之間。

3.3.2 地層滲透性的影響：根據(jù)工程地質(zhì)資料可知粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)約為10-7m/s，砂質(zhì)地層的滲透系數(shù)更大。根據(jù)地層滲透系數(shù)與盾構(gòu)選型關(guān)系，該隧道宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

3.3.3 隧道埋深、地下水壓力的影響：隧道埋深大、地下水壓力大，則盾構(gòu)開挖面處的壓力大，不容易形成穩(wěn)定開挖面，且對盾構(gòu)掘進(jìn)的阻力也大。該隧道最大埋深達(dá)35m，結(jié)構(gòu)需承受的水壓力在3～4bar之間。根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)水壓大于3bar時(shí)，宜選用泥水平衡盾構(gòu)，如若選用土壓平衡盾構(gòu)，僅采用螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生碴土噴涌現(xiàn)象，引起土倉中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌。由于該隧道是全線控制性工程，因此確保盾構(gòu)施工期間的安全是重中之重。從這一點(diǎn)出發(fā)，泥水平衡盾構(gòu)要優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。

3.3.4 沿線既有構(gòu)筑物的影響：對于土壓平衡盾構(gòu)，壓力波動敏感度低，因此開挖面平衡土壓力的控制精度相對較低，對開挖面周邊土體的干擾較大，使地面沉降量的控制精度降低，對沿線既有構(gòu)筑物影響大，更適合于中小直徑盾構(gòu)隧道的施工。對于泥水平衡盾構(gòu)：壓力波動敏感度高，因此開挖面平衡泥水壓力的控制精度高，對開挖面周邊土體的干擾減少，從而地面沉降量的控制精度提高，對沿線既有構(gòu)筑物影響小，更適合大直徑盾構(gòu)隧道的施工。

根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，泥水平衡盾構(gòu)在控制地表變形方面要優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。由于該隧道地表沿線存在大量對于沉降變形有嚴(yán)格控制要求的既有構(gòu)筑物，且地表沿線存在大量民房，這些房屋多為磚混結(jié)構(gòu)，遇到振動或變形時(shí)易發(fā)生垮塌。因此從控制沿線既有構(gòu)筑物的沉降、變形方面考慮，宜選用泥水平衡盾構(gòu)。

3.3.5 工期控制的影響。泥水平衡盾構(gòu)需配有一套龐大而復(fù)雜的泥水處理系統(tǒng)，要對泥水進(jìn)行分離、調(diào)制漿、余漿處理等；而土壓平衡盾構(gòu)不需泥水處理系統(tǒng)，盾構(gòu)開挖出碴土可以直接外運(yùn)。就單純的施工速度而言：土壓平衡盾構(gòu)較泥水平衡盾構(gòu)施工速度快。根據(jù)既有施工經(jīng)驗(yàn)，同類的大直徑盾構(gòu)隧道施工使用泥水平衡盾構(gòu)月掘進(jìn)速度能達(dá)到160m，而使用土壓平衡盾構(gòu)月掘進(jìn)速度能達(dá)到200m。

然而，當(dāng)隧道埋深較大時(shí)，由于地層壓力大，使用土壓平衡盾構(gòu)刀盤掘削扭矩大、刀具磨損程度大、更換刀頭頻繁，造成掘進(jìn)速度降低。而使用泥水平衡盾構(gòu)，由于泥水滲入地層后對地層的浸泡作用，使掘削面地層變得松軟，盾構(gòu)的刀盤掘削扭矩小，更換刀頭的頻率較土壓平衡盾構(gòu)低，減少了進(jìn)倉換刀、設(shè)備維修時(shí)間。另外，如果在盾構(gòu)施工過程中停機(jī)維修增加了地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在施工工期要求不是異常嚴(yán)格的前提下，選用泥水平衡盾構(gòu)要優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)。

3.3.6 設(shè)備造價(jià)對盾構(gòu)選型的影響。由于土壓平衡盾構(gòu)無需購置泥水處理系統(tǒng)，因此單純的設(shè)備購置成本較低。但土壓平衡盾構(gòu)刀盤及刀具磨損程度大，換刀頻繁，施工費(fèi)用較高。由于泥水平衡盾構(gòu)需購置泥水處理系統(tǒng)，所以盾構(gòu)設(shè)備購置費(fèi)用較高。但從刀具的使用成本來看，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)由于泥水盾構(gòu)的刀具有泥水的潤滑和冷卻作用，土壓平衡盾構(gòu)消耗的刀具費(fèi)用約為泥水平衡盾構(gòu)的1.5倍。

另外，根據(jù)對國內(nèi)外幾家盾構(gòu)設(shè)備制造商的調(diào)研：直徑約11m左右的泥水平衡盾構(gòu)整套設(shè)備目前市場價(jià)格約為1.6億元，而土壓平衡盾構(gòu)整套設(shè)備目前市場價(jià)格也近1.3億元。所以對工程全階段總的設(shè)備造價(jià)而言，土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)二者的費(fèi)用孰大孰小尚不能確定。

4 結(jié)語

泥水平衡盾構(gòu)能抗較高的水壓，洞內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備簡單，但因泥水處理設(shè)備復(fù)雜且龐大，單純的設(shè)備購置費(fèi)用高于土壓平衡盾構(gòu)，更適用于高水壓、長距離、厚覆土、大斷面的隧道工程。土壓平衡盾構(gòu)抗高水壓能力不如泥水平衡盾構(gòu)，洞內(nèi)運(yùn)輸和提升系統(tǒng)較復(fù)雜，但無泥水處理設(shè)備，單純的設(shè)備購置費(fèi)用較泥水平衡盾構(gòu)低，更適用于水壓不高、覆土較淺的隧道工程。

在本研究中，對于該大直徑城市鐵路隧道若采用泥水平衡盾構(gòu)，最能適應(yīng)隧道地質(zhì)條件、施工總長度、線路走向、隧道埋深及周邊環(huán)境條件等，順利完成本隧道工程的施工，保證施工安全，因此，建議選用泥水平衡盾構(gòu)。

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作者簡介：苗壯（1989-），男，山東棗莊人，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司助理工程師，碩士。

（責(zé)任編輯：周 瓊）