淺析設(shè)備選型對隧道施工的重要性及選型的思路方法

■ 粵水電軌道交通建設(shè)有限公司 賈劍虹

1.項目概況

湛江市鑒江供水樞紐工程—湛江灣跨海盾構(gòu)隧道項目位于湛江灣的最窄處，起止樁號分別為0+000.000～2+750.000，隧道總長度為2.75km。該隧道橫穿海底，施工難度大、安全風(fēng)險高，線路為從南三島至東海島。

2.工程特點、難點及對盾構(gòu)機的要求

2.1 地層條件

（1）隧道地質(zhì)分布統(tǒng)計

該盾構(gòu)區(qū)間隧道主要穿過的地質(zhì)情況如表1所示。

（2）洞身地層強度統(tǒng)計

該盾構(gòu)工程地層強度分析如下：

隧道洞身范圍大部分為軟弱地層，主要處于③-2中粗砂層、⑥砂質(zhì)粘土層，天然抗壓強度較低，局部隧道洞身范圍存在鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層，厚度約10mm。

根據(jù)上述分析，并結(jié)合項目實際以及相關(guān)工程案例和經(jīng)驗，盾構(gòu)刀具易使用“周邊滾刀＋貝殼刀”的刀具組合。中心刀和刀盤周邊滾刀刀圈，需要使用特制合金鋼材料，用來增加刀具的耐磨性。針對局部隧道洞身出現(xiàn)的鐵質(zhì)和鈣質(zhì)層，以及可能引起刀具的磨損，擬準(zhǔn)備軟硬兩種刀盤的配置，在必要情況下通過人閘氣壓進倉更換刀具。

2.2 基本功能要求

在選擇盾構(gòu)機時，要求盾構(gòu)機必須具備適當(dāng)?shù)拈_挖、管片安裝、土體支撐等能力，同時也要兼具測量導(dǎo)向、背后填充、密封等系統(tǒng)能力。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)該工程的實際情況，再對盾構(gòu)機提出針對性的設(shè)計要求，例如，增強刀盤的強度，加上盾尾刷的密封可靠性，增強其同步注漿系統(tǒng)的容量和可靠性、土倉內(nèi)泥漿循環(huán)流量、土倉中部泥漿沖刷系統(tǒng)等。

（1）在多種復(fù)雜地層掘進

①在軟土地層和砂層中高水壓下掘進

該工程主要穿越海陸交互相沉積砂層和沖積—洪積砂層，土質(zhì)較為松散，地下水豐富，泥水盾構(gòu)在這種地層中掘進時地層沉降控制有出色的表現(xiàn)，關(guān)鍵是盾構(gòu)掘進參數(shù)的調(diào)整，掘進時要求環(huán)流系統(tǒng)能穩(wěn)定運行才能控制好切口水壓，同時也要求功能強大的同步注漿系統(tǒng)。

②在鐵質(zhì)層中掘進

盾構(gòu)隧道在穿越海底深處可能存在4處鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層，巖質(zhì)較為堅硬，其余洞身為砂質(zhì)黏土層。這就要求盾構(gòu)機刀盤必須有足夠的強度，刀具必須有足夠的耐磨性，在不換刀的前提下能切削巖層。

表1 盾構(gòu)隧道區(qū)間洞身主要地質(zhì)分布表

③隧道頂砂層

該工程盾構(gòu)隧道線路埋深雖大，但由于臨近海邊，砂層分布較廣，隧道在到達南三島接收井前約82m的周邊，存在③-2中粗砂層傾入隧道現(xiàn)象，為保證隧道在使用過程中的安全，必須對隧道頂部進行加固處理。

（2）大坡度掘進及到達

盾構(gòu)隧道線路存在一處39.1‰的下坡段和一處30.9‰的上坡段，產(chǎn)度分別為1039m和711m。這就要求盾構(gòu)機具備中折裝置、仿行刀、超挖刀和高精度的激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)，由于坡度大、坡線長，要求中折密封的耐久性和仿行刀的可控性、可靠性和耐磨性，要求高質(zhì)量的盾尾密封刷，為了保證長期偏心受壓的狀態(tài)下管片不破損、不錯臺，必須將推進千斤頂安裝在后筒上，同時還要求具備強大的同步雙液注漿系統(tǒng)及時固定管片。在掘進急轉(zhuǎn)彎隧道時，盾構(gòu)機還必須具備各個方向的糾偏能力，這就要求中折裝置的最大偏轉(zhuǎn)角度大于1.2°。

（3）泥餅清理

本標(biāo)段地質(zhì)主要由砂質(zhì)黏土局部粉土組成，此類地層存在形成泥餅的可能性，如“泥餅”形成后，土倉中部及刀盤正反面泥土板結(jié)，推力變大，刀盤扭矩過大或過小，會造成掘進困難。

在“泥餅”形成后，清理會十分困難并影響進度，要求盾構(gòu)機必須加大土倉內(nèi)泥漿循環(huán)流量，及時帶走切削下來的黏土，同時具備土倉中部環(huán)流沖刷系統(tǒng)和刀盤高壓水（能添加黏土分散劑）清洗系統(tǒng)。刀具和刀盤開口布置及主動和被動攪拌棒的布置須充分考慮預(yù)防“泥餅”的因素，必要時通過配備的人閘系統(tǒng)人工清理泥餅。

（4）沉降控制

該工程地層偏軟，隧道覆蓋層全部是易沉降、易塌陷的砂層和砂質(zhì)黏土層，隧道上方雖為深海，但海中有軍事設(shè)施及跨海光纜等設(shè)施。因此，該工程需要對地表的沉降進行嚴(yán)格控制，需要盾構(gòu)機具有相應(yīng)的地表沉降控制能力。為了達到沉降控制的目的，盾構(gòu)機在設(shè)計時需要考慮刀盤的開口率、切口水壓的穩(wěn)定性以及注漿系統(tǒng)的適用性，可以采用雙液同步注漿系統(tǒng)來及時對管片壁后進行注漿填充，進而獲得后期更小、更穩(wěn)定的沉降控制。

（5）盾構(gòu)機需要具備技術(shù)先進性、可靠性及經(jīng)濟適用性的特性

盾構(gòu)機的可靠性是盾構(gòu)隧道工程能否順利完成的必要條件，其關(guān)鍵核心部件必須在設(shè)計壽命范圍和期限內(nèi)做到萬無一失。其可靠性主要表現(xiàn)在設(shè)計的適應(yīng)性，即針對工程相關(guān)特點的適應(yīng)性；盾構(gòu)機本身質(zhì)量固有的可靠性，例如壽命、性能等。同時，也不能為了單方面提升盾構(gòu)機的可靠性，而一味的加大盾構(gòu)機的建造成本，在盾構(gòu)機設(shè)計時，也要兼顧其技術(shù)先進性和經(jīng)濟適用性，這樣才能確保工程成本的控制要求。

（6）盾構(gòu)機施工生產(chǎn)能力滿足項目工程進度的要求

根據(jù)該項目的工期安排，其隧道在正常掘進段的工程進度要求為180m/月，盾構(gòu)機的施工生產(chǎn)能力必須滿足工程進度的要求。

3.對盾構(gòu)機進行選型

3.1 選型要點

由于盾構(gòu)隧道的特性，盾構(gòu)機選型是工程能否順利完工的關(guān)鍵，必須結(jié)合工程相關(guān)特點，選擇具備安全性、可靠性、技術(shù)先進性和經(jīng)濟適用型的盾構(gòu)機，其選型需要注意的要點包括以下幾點：

①必須是適用于圍巖條件的機種；

②必須是能合理兼用輔助施工法的機種；

③必須是適用于施工長度、工期要求、設(shè)計線路要求的機種；

④后配設(shè)備、始發(fā)基地等施工設(shè)備必須要配備成盾構(gòu)機種的開挖能力；

⑤必須對勞動環(huán)境進行考慮。

由以上可知，盾構(gòu)機的選型，需要綜合考慮項目的地質(zhì)、障礙物、設(shè)計線路、隧道長度、工期要求、環(huán)境保護、經(jīng)濟性等。

3.2 選型依據(jù)

根據(jù)該工程的相關(guān)特點，盾構(gòu)機選型時須滿足以下幾個條件：

①隧道單端掘進長度大于2.75km；

②地下水位埋深：21m～60m；設(shè)計外水壓力0.6MPa，最大外水壓力0.7Mpa；

③隧道覆土厚度：20m～46.7m；平面為直線，最大坡度為39.1‰；

④隧道內(nèi)凈空：5.4m，管片外徑：6.3m，管片厚度：0.45m，管片寬度1.5m；

⑤計劃進度：平均月進度180m；

⑥特殊地段：跨海掘進、隧道頂砂層、全斷面砂質(zhì)黏土層，局部斷面夾鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層等；

⑦盾構(gòu)機掌子面需滿足壓力平衡的要求，在中細(xì)砂層和黏土層等軟弱地層中掘進施工時，應(yīng)具備加固掌子面和盾構(gòu)機周圍土體的能力；

⑧在碰到石英砂含量高的地層時，盾構(gòu)刀具及刀盤應(yīng)具有硬度高及耐磨的能力；

⑨該項目隧道地層可能會有1cm～10cm厚的鐵質(zhì)和鈣質(zhì)結(jié)核，其特點是膠結(jié)致密堅硬，需要配備合適的刀具；

⑩因隧道在海水下掘進，其地下水具有一定的腐蝕性，要求盾構(gòu)機相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)具備一定的耐腐蝕能力。

3.3 選型確定

根據(jù)盾構(gòu)頭部的結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機大致分為開放式和密封式兩大類，開放式盾構(gòu)機包括人工式、半機械式、機械式；密封式盾構(gòu)機包括擠壓式、泥水平衡式、土壓平衡式。其中，開放式盾構(gòu)機用于不受土壓、水壓影響的工作面，自穩(wěn)性較好的地段，或配合采用某種輔助工法、氣壓法、土體加固等，使工作面處于穩(wěn)定狀態(tài)。該工程的地質(zhì)和環(huán)境要求只能采用土壓平衡和泥水平衡兩種方式。兩者的比較如表2所示。

該工程要穿越飽和砂層、軟土層，地質(zhì)條件差，土層結(jié)構(gòu)易受破壞，抗剪強度和承載力都低，易引起地面或建筑物下陷。針對本標(biāo)段的情況，我們對盾構(gòu)機對地層的適應(yīng)性（主要討論切削面穩(wěn)定效果和沉降影響兩個方面）作了進一步比較，如表3、表4所示。

分析結(jié)果表明，軟弱地層以及滲透系數(shù)較高的地層，因該項目跨海隧道最大外部水壓達到0.6MPa，水壓較大，極易導(dǎo)致噴涌情況的發(fā)生，如采用土壓平衡盾構(gòu)機，則需要設(shè)計較長的螺旋輸送機用來出土，或者額外在螺旋輸送機末端增加設(shè)置減壓閥，需要占用較大的空間，本隧道洞徑較小，不適于土壓平衡盾構(gòu)機，用泥水平衡盾構(gòu)機會更加合適。

表2 泥水平衡式盾構(gòu)和土壓平衡式盾構(gòu)比較表

表3 切削面穩(wěn)定效果比較表

表4 地表沉降影響比較表

綜合以上分析對比，本區(qū)間采用泥水平衡式盾構(gòu)機，無論從工程需要還是地層適應(yīng)性，都是最佳選擇。

4.小結(jié)

本文從工程的實際情況入手，通過對工程區(qū)間的地質(zhì)情況進行分析判斷，并收集對比泥水平衡盾構(gòu)機和土壓平衡盾構(gòu)機的性能和參數(shù)，結(jié)合不同地質(zhì)條件下地表沉降對比分析情況，選擇了泥水平衡盾構(gòu)機。同時在選定設(shè)備的基礎(chǔ)上，再對設(shè)備的適用性進行了分析，確保了該選型設(shè)備能夠滿足安全順利完成施工目標(biāo)的要求。本文的設(shè)備選型思路，對同類施工具有一定的借鑒意義。