富水砂層地鐵隧道盾構(gòu)選型及實(shí)施效果

耿 坤，韓 清，張自光，曹廣勇,翟朝嬌

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601;2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230012)

近年來，城市的軌道交通發(fā)展迅速。在隧道施工中，盾構(gòu)法是必不可少的辦法。盾構(gòu)法施工對周圍環(huán)境影響不大、它具有施工進(jìn)度快、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、隧道工程質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，盾構(gòu)法在地鐵隧道施工中得到廣泛地應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)法施工中是不可缺少的。正確選擇合適的盾構(gòu)機(jī)能夠保證隧道施工的安全性、高效性。因?yàn)榈刭|(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，所以盾構(gòu)設(shè)備的選型是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。

國內(nèi)很多學(xué)者對地鐵隧道的盾構(gòu)選型展開了相關(guān)研究。張雙亞等[1]對北京鐵路地下隧道盾構(gòu)選型進(jìn)行了研究，從地層滲透性、粘土含量、顆粒級配、地表沉降、刀具磨損等方面對盾構(gòu)選型進(jìn)行了闡述和比較。李到洪等[2]針對復(fù)合地層江底的實(shí)際情況進(jìn)行盾構(gòu)選型，對比分析了泥水平衡及土壓平衡兩種盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)劣。王全華[3]結(jié)合蘇州的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對富水含沙軟土地層進(jìn)行盾構(gòu)選型，最終選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。田四明等[4]結(jié)合太原市的地質(zhì)情況和水文地質(zhì)，有針對性地選擇盾構(gòu)機(jī)類型和確定盾構(gòu)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，最終采用大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。蔡仲銀等[5]結(jié)合潮河段的水文地質(zhì)、隧道結(jié)構(gòu)、管片特征以及施工特性，對該隧道進(jìn)行盾構(gòu)選型和適應(yīng)性分析；侯凱文等[6]針對南寧地鐵2號(hào)線所遇到多種地層相結(jié)合的復(fù)雜地形進(jìn)行了盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)和分析，對盾構(gòu)施工進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；曹智等[7]結(jié)合成都地鐵隧道的地質(zhì)的復(fù)雜性，尤其是盾構(gòu)施工要穿越富水砂卵石地層，針對盾構(gòu)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李鳳遠(yuǎn)[8]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論，對隧道的盾構(gòu)選型，從選型原則、選型方法以及主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了論述。結(jié)合以上研究結(jié)論可以看出，在特定的地質(zhì)情況下，盾構(gòu)選型對施工的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，起著很重要的作用。

本文針對淮安特定地質(zhì)條件，依照盾構(gòu)機(jī)選型一般的流程，從顆粒級配、滲透系數(shù)、周邊環(huán)境及環(huán)境保護(hù)等方面，對盾構(gòu)的選型進(jìn)行分析和探討，為類似的地質(zhì)條件施工提供依據(jù)。

1 項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

淮安東站盾構(gòu)下穿連鎮(zhèn)鐵路路基，盾構(gòu)工作井區(qū)間上行右線長度563.664 m，下行左線長度為561.901 m，隧道是兩條單洞單線圓形隧道，區(qū)間左右線各設(shè)一處半徑為1 000.5 m的平曲線，線間距為13.4 m-19.1 m，縱斷面成上坡趨勢，坡度為4‰。區(qū)間穿越范圍內(nèi)構(gòu)(建)筑物主要包括制梁場、存梁場樁基、連鎮(zhèn)鐵路路基、G2京滬高速公路。

1.2 水文地質(zhì)條件

沿線地表水主要為盾構(gòu)工作井東北部水塘內(nèi)的水，勘察期間水深約0.81 m，地表水和潛力水力聯(lián)系較為緊密。雨季補(bǔ)給潛水，旱季接收潛水補(bǔ)給。通過勘探結(jié)果可以看出，對本工程有影響的承壓水為第Ⅰ和第Ⅱ?qū)映袎核?。第Ⅰ層承壓水大部分埋藏于砂質(zhì)粉土和粉砂層中，主要接受側(cè)向徑流的補(bǔ)給。徑流以側(cè)向?yàn)橹饕绞?，排泄方式主要為徑流，局部人工開采。第Ⅱ?qū)映袎核饕癫赜谥猩昂头凵皩又?，主要接受?cè)向徑流補(bǔ)給。徑流以側(cè)向?yàn)橹?，排泄方式以徑流為主，局部人工開采。隧道主要穿越地層為粉砂層，其土質(zhì)特征如表1所示。

表1 土質(zhì)特性表

1.3 工程特點(diǎn)及選型需求

1.3.1 工程特點(diǎn)

(1)盾構(gòu)隧道穿越主要是富水砂層，主要有粉砂、黏土等，該地層的施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)大，需要所選盾構(gòu)機(jī)具有良好的地層適應(yīng)性。

(2)周邊環(huán)境比較復(fù)雜，要穿越主要有制梁場、存梁場樁基、連鎮(zhèn)鐵路路基等建筑物，對盾構(gòu)施工沉降控制要求嚴(yán)格。

1.3.2 選型需求

為確保盾構(gòu)施工能夠安全、高效地進(jìn)行，結(jié)合本工程特點(diǎn)，提出了盾構(gòu)選型需求。

(1)因?yàn)榉凵昂蜕百|(zhì)粉土中的水量較大，而且有承壓性，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象，對隧道盾構(gòu)施工的安全性產(chǎn)生不利的影響，應(yīng)預(yù)防突發(fā)性的涌水和流砂，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)渣土改良、合理選擇泥水壓力，

(2)盾構(gòu)施工要保護(hù)環(huán)境，能夠減少施工對周圍土體的影響，在掘進(jìn)過程中要保證沿線及地下管線的安全性。

(3)盾構(gòu)機(jī)的性能良好，能夠防止在穿越建(構(gòu))筑物時(shí)發(fā)生同步注漿管路堵塞或者設(shè)備的故障引起的盾構(gòu)機(jī)停機(jī)的情況發(fā)生。

2 盾構(gòu)選型的原則以及依據(jù)

2.1 盾構(gòu)選型的原則

盾構(gòu)選型一般按照適用性、可靠性、先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則進(jìn)行的。

(1)適用性原則。依據(jù)本工程的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境、施工要求，合理選擇適合本工程施工的盾構(gòu)機(jī)。

(2)可靠性原則。依據(jù)施工的要求例如地表沉降要求、施工防水要求、環(huán)境保護(hù)要求，合理選擇施工可靠的盾構(gòu)機(jī)。

(3)先進(jìn)性原則。根據(jù)盾構(gòu)行業(yè)的發(fā)展情況，綜合比較選擇先進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)，以便施工企業(yè)集中管理和操作。

(4)經(jīng)濟(jì)性原則。結(jié)合工程特點(diǎn)，對比選擇性價(jià)比的盾構(gòu)機(jī)，滿足工程預(yù)算的要求。

2.2 影響因素

2.2.1 盾構(gòu)選型與地層特性的關(guān)系

盾構(gòu)施工法是由穩(wěn)定開挖面、盾構(gòu)機(jī)挖掘和襯砌3大要素組成。按開挖面和作業(yè)室之間隔墻構(gòu)造可以分成敞式、半開敞式及密閉式3種盾構(gòu)機(jī)。目前，密閉式盾構(gòu)機(jī)使用的較多，其主流機(jī)型是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用范圍為粉土、砂土、粉質(zhì)粘土、粉砂等土質(zhì)的施工，在掘進(jìn)的過程，把土料作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板和開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉(zhuǎn)開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出，泥土室內(nèi)土壓可由刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)適用于滯水細(xì)砂層、砂礫層、漂礫層等土質(zhì)的施工。在掘進(jìn)的過程中，加壓泥水或泥漿用來穩(wěn)定開挖面，在機(jī)械式盾構(gòu)刀盤的后側(cè)，其刀盤后面有一個(gè)密封隔板，把水、粘土及其添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水倉，待泥水充滿整個(gè)泥水倉，并具有一定壓力，形成泥水壓力室，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿重復(fù)使用。

2.2.2 盾構(gòu)選型與顆粒級配的關(guān)系

根據(jù)盾構(gòu)選型與顆粒級配的關(guān)系，在淤泥粘土地層中，適合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；在粗礫、細(xì)沙地層中，適合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，也可通過土質(zhì)改良后使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；在卵石礫石粗礫地層中，適合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

2.2.3 盾構(gòu)選型與滲透系數(shù)的關(guān)系

滲透系數(shù)是影響盾構(gòu)選型的因素之一。一般地，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10-4m/s時(shí)，選擇泥水平衡盾構(gòu)機(jī)較好；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s時(shí)，選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)較好；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)位于兩者之間時(shí)，選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)都可以。

2.2.4 其他因素

(1)為了保證盾構(gòu)施工過程中地面建筑物及管線受隧道施工影響降到最小，保證所有地面建筑物及管線正常、安全運(yùn)行,應(yīng)該對盾構(gòu)下穿范圍的管線的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的控制精度高，對開挖面周邊的土體的影響小，所以能夠有效地控制地表沉降。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的控制精度低，對開挖面周邊土體的影響較大，對地表沉降量的控制精度較低。通過合理控制掘進(jìn)參數(shù)，建立良好的壓力平衡，采取一系列措施，兩種盾構(gòu)機(jī)都能有效地控制地表沉降，滿足建(構(gòu))物的沉降要求。

(2)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)能更好的控制地表沉降，但其工藝復(fù)雜，輔助設(shè)備多，尤其是需要配置專門的泥水處理系統(tǒng)，其占地面積大、施工投入大、掘進(jìn)每米平均成本相比土壓平衡盾構(gòu)機(jī)高出40%左右。然而土壓盾構(gòu)不需要泥水處理系統(tǒng)，占地面積小、設(shè)備造價(jià)低，通過添加劑可擴(kuò)大適用范圍。另外，維護(hù)相對泥水盾構(gòu)機(jī)簡單、方便。

3 盾構(gòu)選型及實(shí)施效果

3.1 盾構(gòu)選型

(1)從地層特性上來看，在本工程施工中，兩種盾構(gòu)機(jī)都可以使用，但是泥水平衡盾構(gòu)機(jī)對粘土的分離較困難，地表施工占地面積大，施工成高，所以此工程選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)較為適宜。

(2)此工程主要穿越砂質(zhì)粉土層和粉砂層，通過勘測發(fā)現(xiàn)，粉砂土質(zhì)較均勻，穿越地層顆粒級配曲線分布在土壓平衡和水泥平衡盾構(gòu)機(jī)適宜的范圍之內(nèi)。此工程穿越土層土質(zhì)較為均勻，細(xì)顆粒含量多，容易充滿土倉的每個(gè)部位，在土倉中可以建立壓力平衡開挖面土體，較適宜采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

(3) 淮安東站地鐵穿越土層主要為粉砂層，各土層滲透系數(shù)如表2所示，由表2可知，淮安東站粉砂層的滲透系數(shù)大于10-4m/s，宜選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)更為合適；砂質(zhì)粉土層的滲透系數(shù)小于10-4m/s，選用土壓和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)都可以。由勘探資料可以看出，穿越土層的細(xì)顆粒含量占很大比重，在掘進(jìn)過程中，會(huì)產(chǎn)生細(xì)粒粉土，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥水分離難度大，并且排渣效率低。因此選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)更為適宜。

(4)在對本工程盾構(gòu)下穿范圍的管線的現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，實(shí)地調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)下穿范圍內(nèi)無管線及其他預(yù)埋設(shè)施，所以選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)都可以。但由于泥水平衡盾構(gòu)機(jī)工藝復(fù)雜，輔助設(shè)備多，尤其是需要配置專門的泥水處理系統(tǒng)，其占地面積大、施工投入大，所以本工程宜選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

通過從本工程的地層特性、顆粒級配、滲透系數(shù)、周邊環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行對比和分析，可以得出本工程施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

表2 各土層滲透系數(shù)

3.2 實(shí)施效果

3.2.1 土壓平衡盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)及實(shí)施效果

根據(jù)上述盾構(gòu)選型分析，結(jié)合本工程的工程特性，經(jīng)計(jì)算，滿足本工程施工特性要求的土壓平衡盾構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2.2 施工效果

為了保證施工的安全性，盾構(gòu)區(qū)間穿越鐵路區(qū)域，軌道路基沉降量應(yīng)控制在沉降為-10 mm，隆起為+10 mm。地表沉降監(jiān)測圖如圖1所示。從圖1可以看出，本工程的地表沉降量在合理范圍之內(nèi)，保證了隧道施工的安全。

表4 地表沉降 單位：mm

4 結(jié) 語

(1)盾構(gòu)選型必須要有科學(xué)的根據(jù)和合理的分析，根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件和不同類型盾構(gòu)的適用性和經(jīng)濟(jì)效益等因素綜合考慮。

(2)在本地層條件下的盾構(gòu)選型需要綜合考慮盾構(gòu)系統(tǒng)的功能進(jìn)行合理配置，保持盾構(gòu)機(jī)對此地層的適應(yīng)性。此外，要充分考慮到盾構(gòu)機(jī)在施工過程中出現(xiàn)的情況，保證盾構(gòu)機(jī)能夠順利施工。

(3)本文提到盾構(gòu)機(jī)施工過程中出現(xiàn)的問題，為類似的地質(zhì)條件的施工提供參考。