地鐵區(qū)間軟土隧道復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性改造技術(shù)*

錢茂春，廖龍君，王良俊，李 圍

(1中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2上海同隧土木工程技術(shù)有限公司，上海 201306)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的進(jìn)行，人口在大城市的聚集以及私家車數(shù)量的快速增加導(dǎo)致交通擁堵不堪，制約了城市的發(fā)展，而地鐵具有大運量、快速、安全、舒適、準(zhǔn)時及環(huán)保等特點，成為了世界各國解決城市交通擁堵的首選?！笆濉笔俏覈罔F發(fā)展的高峰期，平均每年建成通車1000公里左右。截止2017年底，我國已有35座城市開通運營軌道交通，總里程達(dá)5083.45公里。上海軌道交通運營總里程已達(dá)666公里，位居全球第一，但所占公共交通的比例還遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)國家的水平，說明我國城市軌道交通的建設(shè)量還很大。

隨著我國地鐵的不斷發(fā)展，遇到了地上地下環(huán)境條件和工程地質(zhì)復(fù)雜甚至不同的氣候條件下的施工技術(shù)難題，如城市立交橋下修建車站[1]、既有運營車站下新建車站[2]、市政道路隧道運營下施工區(qū)間盾構(gòu)隧道[3]、區(qū)間隧道穿越砂卵石地層[4]以及高寒地區(qū)對地鐵地連墻防水的要求及防水施工[5]等。

隨著我國城市地鐵行業(yè)的發(fā)展，因所處的地質(zhì)條件和運營速度的不同，導(dǎo)致了區(qū)間隧道斷面大小也不相同。針對設(shè)計時速為80 km/h左右的普通地鐵線，目前我國主要有兩種建筑限界的區(qū)間隧道，一種為以上海軟土為代表的管片外徑為6.2 m、一種以深圳不同風(fēng)化花崗巖為代表的管片外徑為6.0 m。然而，我國大部分施工企業(yè)均承建了這兩種斷面的城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道，面臨著同一臺盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)不同地質(zhì)和區(qū)間隧道直徑導(dǎo)致的盾構(gòu)設(shè)備不能通用的問題。因此，研究盾構(gòu)機(jī)對不同地質(zhì)及洞徑的適應(yīng)性具有重要意義，可增加大型關(guān)鍵設(shè)備盾構(gòu)的利用率。

目前，關(guān)于城市地鐵區(qū)間隧道用盾構(gòu)機(jī)的改造主要為刀盤刀具[6]的改造，也有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7]和泡沫系統(tǒng)[8]的改造。而關(guān)于盾構(gòu)直徑的擴(kuò)大改造[9]，為適應(yīng)在上海軌道交通建設(shè)中不同隧道直徑，李劍彤介紹了進(jìn)行的盾構(gòu)機(jī)擴(kuò)徑改造的目的、方案和經(jīng)濟(jì)效益等。

我公司承建的福州地鐵六號線濱海新城站—蓮花站區(qū)間隧道管片外徑6.2 m，其盾構(gòu)外徑為6.48 m，計劃采用我公司針對深圳地鐵7號線桃深區(qū)間購買的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，其外徑僅為6.28 m，只有擴(kuò)徑改造方能應(yīng)用。本文分析了桃深區(qū)間復(fù)合地層的工程難點及盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)所面臨的難題，選擇了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，并針對濱蓮區(qū)間的工程特點，對復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了適應(yīng)性改造，最后成功進(jìn)行了現(xiàn)場100環(huán)掘進(jìn)試驗，驗證了改造復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軟土地層的技術(shù)可行性，為今后類似工程提供技術(shù)參考。

1 依托工程概述

濱海新城站—蓮花站區(qū)間全長1190 m。區(qū)間左右隧道線間距14 m，線路縱斷面呈“V”字坡，并于XK27+800.933設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道和泵站。該區(qū)間隧道覆土深度最小在蓮花站端頭，為6.81 m，而最深在聯(lián)絡(luò)通道處，為14.51 m，在濱海新城站端頭處的覆土深度為7.36 m。區(qū)間隧道主要穿越地層為軟土(淤泥、淤泥質(zhì)土)、含泥細(xì)中砂、砂質(zhì)粘性土，如圖1所示。地表主要為農(nóng)田、池塘，施工影響范圍內(nèi)無重要建筑物，無地下管線情況。

地表分布少量的小河涌，其寬度為10～30 m、水深1.00～4.00 m。小河涌未采用防滲措施，地表水受潮汐影響不明顯。地下水位埋深為0.00～1.89 m，年變化幅度為1.0～1.5 m。區(qū)間隧道管片外徑為6.2 m，計劃采用我公司針對深圳地鐵7號線桃深區(qū)間購買的海瑞克盾構(gòu)(編號S812，為復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，直徑為φ6280 mm)直徑擴(kuò)大為φ6480 mm后由濱海新城站始發(fā)，掘進(jìn)到蓮花站接收，其施工組織如圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological longitudinal profile of the section tunnel

圖2 施工組織圖Fig.2 Construction organization

2 復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)難點分析

深圳地鐵7號線桃深區(qū)間(桃源村站、深云站)DK6+782.293～DK7+764.599，全長976.083 m，其中盾構(gòu)段長876.382 m、礦山法暗挖后盾構(gòu)空推段長99.701 m，在DK7+185.315處設(shè)置1座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。區(qū)間隧道埋深6.5～13.6 m，左右線間距7.2～16.4 m。桃深區(qū)間地質(zhì)的主要難點為上軟下硬的復(fù)合地層、孤石地層和高強(qiáng)度硬巖地層。

(1)上軟下硬的復(fù)合地層

區(qū)間盾構(gòu)主要通過上軟下硬的復(fù)合地層，隧道上部為礫質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或全風(fēng)化花崗巖，隧道下部為中風(fēng)化花崗巖或微風(fēng)化花崗巖。軟弱不均勻地層盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)難題為：刀具的偏磨比較嚴(yán)重，更換困難，掘進(jìn)速度慢；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較難控制，容易造成隧道軸線偏移；容易造成地面產(chǎn)生較大沉降，危及地面建(構(gòu))筑物的安全。

(2)孤石地層

補(bǔ)勘揭示該區(qū)間存在大量孤石，其中左線里程DK6+988、DK7+138.7、DK7+151.3、DK7+206.3、DK7+225.9、DK7+245.2、DK7+628.2，右線里程YK6+947.9、YK7+285.4，孤石較為集中。孤石強(qiáng)度高，并侵入隧道內(nèi)，故盾構(gòu)掘進(jìn)難度大。其中，右線YK6+890-YK7+060孤石分布情況見圖3所示。

圖3 孤石分布Fig.3 Distribution of boulders

在軟土地層中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時滾刀很難產(chǎn)生足夠的反力將孤石破碎。若孤石不破碎，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時，孤石會在刀盤前方隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向移動，對地層造成很大的擾動，且盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)很難控制。因此，在孤石地層中掘進(jìn)效率低，刀盤刀具磨損嚴(yán)重，易產(chǎn)生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨、線路偏移等問題，處理難速度慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。甚至?xí)?dǎo)致因施工無法進(jìn)行而不得改線，成本高，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中孤石的探測與處理技術(shù)難題大。

(3)高強(qiáng)度硬巖地層

同時，隧道DK7+704.599～DK7+764.599區(qū)間隧道范圍巖層堅硬，為微風(fēng)化花崗巖，其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到了150 MPa，盾構(gòu)掘進(jìn)磨損大、速度慢，嚴(yán)重影響工期，故采用了“先礦山法暗挖再盾構(gòu)空推”的施工方案。

3 復(fù)合地層盾構(gòu)適應(yīng)軟土地層的性能改造

由于深圳地鐵7號線桃深區(qū)間地層滲透系數(shù)均小于10～4 m/s、巖土顆粒總量大于40%且水壓小于0.3 MPa，并結(jié)合區(qū)間地質(zhì)難點，綜合考慮場地條件及施工成本，選用了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。為了適應(yīng)福州地鐵六號線濱海新城站～蓮花站區(qū)間隧道直徑大小及軟土地質(zhì)條件，對海瑞克S812盾構(gòu)機(jī)主要進(jìn)行了以下幾方面的性能改造：

(1)盾體外徑擴(kuò)大

盾構(gòu)外徑從6.28 m擴(kuò)大到6.48 m，直徑擴(kuò)大了0.2 m。盾構(gòu)外徑的擴(kuò)大導(dǎo)致其盾體(前盾、中盾和盾尾)周長增加，因復(fù)合地層對盾體的磨損比較嚴(yán)重(如圖4(a)所示)，故直接換新的盾體(如圖4(b)所示)。但內(nèi)置的系統(tǒng)基本不變，包括鉸接密封、緊急氣囊、盾尾刷、止?jié){板、撐靴、拖車墊塊、螺旋機(jī)、拼裝機(jī)、皮帶機(jī)、循環(huán)水系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、顯示屏、推進(jìn)系統(tǒng)控制盒和盾體內(nèi)控制線各1套以及鉸接油缸2個。

圖4 盾構(gòu)改造前后照片F(xiàn)ig.4 Photographs of the shield before and after reforming

(2)刀盤刀具更換

由于復(fù)合地層巖石強(qiáng)度高，對刀盤的磨損特別嚴(yán)重，且其刀具主要以滾刀為主，配有4把中心雙刃滾刀和31把單刃滾刀(如圖4(c)所示)，還配有52把刮刀、8把邊緣鏟刀和1把超挖刀，刀盤開口率為30%。而濱蓮區(qū)間為軟土地層，主要應(yīng)配撕裂刀，包括可更換的8把中心撕裂刀和32把撕裂刀以及23把焊接撕裂刀，還配有16把邊刮刀、36把切刀、1把超挖刀、16把大圓環(huán)保護(hù)刀和8把保徑刀，刀盤開口率增大為40%。刀盤采用液壓驅(qū)動、功率為945 kW，額定扭矩為6228 kN·m、最大脫困扭矩為7440 kN·m，最大轉(zhuǎn)速4.4 rpm，泡沫注入孔6個。

(3)推進(jìn)系統(tǒng)改造

原盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸為30個，現(xiàn)因外徑擴(kuò)大，故增加2個共配32個推進(jìn)油缸。原盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸由10組雙缸和10組單缸組成，上下左右各5組共20組。推進(jìn)系統(tǒng)改造后為16組雙缸，上3組、下5組、左4組、右4組。油缸型號為φ220/180×2200 mm，推力為1330 kN，原盾構(gòu)機(jī)總推力為39900 kN，改造后總推力為42560 kN。油缸推進(jìn)行程為2200 mm，速度為80 mm/min，帶行程傳感器油缸數(shù)為4個。

4 改造后的刀盤刀具對地層的適應(yīng)性分析

(1)軟土地層刀盤適應(yīng)性分析

a)刀盤中心部位開口率的增大、向后傾斜的出料開口及合理的泡沫注入設(shè)置等提高了泥渣通過刀盤的能力，減小了對刀盤的磨損；

b)刀盤上刀座的特殊設(shè)計使所有刀具都可以在刀盤背后換裝，一旦需要換刀就可以通過帶壓進(jìn)倉進(jìn)行更換；

c)刀盤采用Q345B材料制造并焊有耐磨條、耐磨焊層和耐磨塊，提高了刀盤的耐磨性；

d)刀盤背面設(shè)有攪拌棒，有利于對螺旋機(jī)進(jìn)行喂料；

e)對刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元受力分析，刀盤結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于150 MPa，最大等效應(yīng)力為218.7 MPa，最大位移為4.5 mm，刀盤強(qiáng)度和剛度均滿足地層掘進(jìn)的受力要求。

(2)軟土地層刀具適應(yīng)性分析

a)配置的貝殼撕裂刀采用E5類硬質(zhì)合金和洛氏硬度56-58HRC，且背面又焊有耐磨層，提高了刀具的耐磨性；

b)刮刀和撕裂刀的刀座形式相同，根據(jù)地質(zhì)的不同情況兩種刀具可以互換，提高了盾構(gòu)對軟土的適應(yīng)性；

c)采用寬刃切刀，抗沖擊抗脫落性能好，同時在保證覆蓋率前提下，切刀間距較大，有利于減少刀梁泥餅；

d)切刀和刮刀背部均設(shè)有強(qiáng)保護(hù)塊，防止碴塊從背部對刀具的反向沖擊；

e)配置合金刀具擴(kuò)挖刀，用作邊刀新刀安裝擴(kuò)挖。

5 現(xiàn)場掘進(jìn)試驗

在組織研討某區(qū)間盾構(gòu)施工工藝的基礎(chǔ)上，于2017年4月至7月進(jìn)行了區(qū)間地質(zhì)情況詳細(xì)補(bǔ)堪，完成了S812盾構(gòu)機(jī)軟土適應(yīng)性改造技術(shù)方案的編制，并通過了福州地鐵公司及海瑞克和中鐵裝備公司的專家進(jìn)行的方案評審。2017年8月至2018年1月完成了地鐵區(qū)間軟土隧道復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性改造工作，2018年2月完成了盾構(gòu)在某區(qū)間的下井吊裝。2018年3月4日進(jìn)行了盾構(gòu)始發(fā)，3月4日至3月18日完成了盾構(gòu)負(fù)環(huán)掘進(jìn)拼裝，3月18日至4月7日成功完成了盾構(gòu)掘進(jìn)100環(huán)試驗，試驗結(jié)果如下；

a)盾構(gòu)機(jī)總推力在含泥中細(xì)沙中控制在1000～1500 tF，在上部中細(xì)沙下部淤泥質(zhì)土中控制在1100～1400 tF；

b)刀盤轉(zhuǎn)速0.9～1.3 rpm，刀盤扭矩在500～1600 kN·m；

c)掘進(jìn)速度控制在30～60 mm/min之內(nèi)，為了矯正滾動角掘進(jìn)速度降低至30 mm/min；

d)100環(huán)區(qū)間隧道的埋深為9.74～13.24 m，土壓力控制在0.9～1.23 bar；

e)每環(huán)出土量平均值為45方，略低于理論值46.5～48.3 m3/環(huán)；

f)同步注漿每環(huán)注漿總量控制在4～7 m3；

g)100環(huán)試掘進(jìn)中平均每天掘進(jìn)5環(huán)，滿足對盾構(gòu)機(jī)的性能要求。

掘進(jìn)中累計沉降量最大值為-166.29 mm，其單日變化最大量為-26.12 mm。由于濱海新城站—蓮花站區(qū)間隧道穿越的主要為農(nóng)田和魚塘，較大的沉降量不會引起太大的安全問題，但也應(yīng)控制沉降量。故通過調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)來減小地表沉降量，得出的掘進(jìn)參數(shù)總推力800～1600 tF、刀盤扭矩1000～1600 kN·m、刀盤轉(zhuǎn)速1.0 rpm左右、掘進(jìn)速度50 mm/min左右、土壓力1.2～1.4 bar、出土量45方左右、同步注漿量5～7 m3。采用調(diào)整后的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)后，地面沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

我公司在深圳地鐵7號線桃深區(qū)間遇到了復(fù)合地層上軟下硬、孤石和高強(qiáng)度硬巖盾構(gòu)掘進(jìn)的難題，選擇了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)。隨后我公司承擔(dān)了某地鐵六號線某區(qū)間，為軟土地層，盾構(gòu)直徑為6.48 m，采用直徑6.28 m的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)改造后施工。主要進(jìn)行了盾體擴(kuò)徑、刀盤刀具更換和推進(jìn)系統(tǒng)改造，并就改造后的刀盤結(jié)構(gòu)和刀具配置掘進(jìn)軟土地層進(jìn)行了詳細(xì)的適應(yīng)性分析，經(jīng)現(xiàn)場100環(huán)掘進(jìn)試驗，得出了盾構(gòu)機(jī)總推力、刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、土壓力、出土量以及同步注漿量等掘進(jìn)參數(shù)，驗證了改造復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)軟土地層地鐵區(qū)間隧道的可行性，為今后類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。