高硬度巖溶地層盾構(gòu)機(jī)選型及針對性設(shè)計(jì)研究

張守同

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

1 引言

在城市軌道交通區(qū)間隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)以其較高安全性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市軌道交通區(qū)間隧道施工的主要工法。盾構(gòu)機(jī)選型具有“量體裁衣”的特點(diǎn)，針對不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)的主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與配置相差較大。

巖石硬度超過100 MPa時，常規(guī)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤配置17″滾刀時破巖能力較弱，掘進(jìn)效率低。王軍［1］等以廈門2號線越海段盾構(gòu)施工為例，根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘資料及實(shí)際工程環(huán)境提出海上注漿加固技術(shù)，并對滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，取得了良好效果。楊民強(qiáng)［2］以廈門3號線某區(qū)間盾構(gòu)施工為例，研究90 MPa以上硬巖地層采用爆破預(yù)處理后盾構(gòu)掘進(jìn)效率、刀具磨損等優(yōu)于盾構(gòu)刀盤直接破巖掘進(jìn)。王凱［3］以南昌地鐵3號線某區(qū)間為例，分析盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具對上軟下硬地層的適應(yīng)性，并對盾構(gòu)機(jī)渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)和螺旋輸送機(jī)提出優(yōu)化建議。孫峰梅［4］以廣佛環(huán)線東環(huán)隧道為例，研究土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)在大埋深軟弱地層掘進(jìn)時，圍巖收斂變形特征和圍巖與盾殼的相互作用關(guān)系，探討大埋深軟巖區(qū)段雙模式盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)風(fēng)險控制和處理措施。文獻(xiàn)［5－6］研究復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)及風(fēng)險地質(zhì)問題，并提出相應(yīng)對策。

針對區(qū)間隧道穿越斷裂帶、碎石區(qū)段、巖層破碎區(qū)段及全斷面80～150 MPa硬巖地層，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、土壓平衡／TBM雙模、單護(hù)盾TBM皆有選用，但少有文獻(xiàn)對不同設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入研究。本文以濟(jì)南軌道交通4號線某區(qū)間隧道設(shè)備選型為例對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、土壓平衡／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并分析不同設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，以確定適合該區(qū)間隧道的施工設(shè)備。

2 工程及水文地質(zhì)概況

（1）工程概況

濟(jì)南軌道交通4號線鳳凰路站－林家莊站區(qū)間長度1 265 m，沿經(jīng)十路布設(shè)，區(qū)間兩端的車站布置于經(jīng)十路兩側(cè)綠化帶內(nèi)，中間區(qū)段斜穿經(jīng)十路。林家莊站－雪山路站區(qū)間長度1 056 m，區(qū)間隧道沿經(jīng)十路北側(cè)綠化帶布設(shè)。

（2）水文地質(zhì)概況

濟(jì)南軌道交通4號線鳳凰路站－林家莊站區(qū)間穿越地層主要以中風(fēng)化石灰?guī)r為主，如圖1所示。隧道上層覆土依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土。隧道下主要為21-2中風(fēng)化石灰?guī)r（局部有溶洞），巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大129.6 MPa，部分地帶為21-2-1中風(fēng)化石灰?guī)r（破碎），區(qū)間局部地質(zhì)屬上軟下硬復(fù)合地層。

圖1 鳳凰路站－林家莊站區(qū)間地質(zhì)縱斷面

林家莊站－雪山路站區(qū)間隧道穿越地層主要以21-2中風(fēng)化石灰?guī)r為主，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大122.8 MPa，如圖2所示。隧道上層覆土依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土，隧道下主要為21-2中風(fēng)化石灰?guī)r（局部有溶洞），部分地帶為21-2-1中風(fēng)化石灰?guī)r（破碎）。

圖2 林家莊站－雪山路站區(qū)間地質(zhì)縱斷面

3 選型原則與方法

根據(jù)區(qū)間工程水文地質(zhì)勘查資料，地下水位均位于隧道底板以下，施工不考慮地下水影響。鳳凰路站－林家莊站區(qū)間斷裂帶長度約100 m，受季節(jié)性降水影響，在降水季節(jié)應(yīng)予以考慮。

3.1 盾構(gòu)機(jī)選型原則

在深入研究工程具體地質(zhì)條件、水文條件、隧道施工條件、工程環(huán)境的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)結(jié)構(gòu)型式、刀盤驅(qū)動方式、主要技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行調(diào)查分析，并參考國內(nèi)外已有的類似盾構(gòu)工程經(jīng)驗(yàn)，遵循安全可靠、適用、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)先進(jìn)、綠色的原則來選型［7］。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)選型方法，滲透系數(shù)大于10－7m／s時，選用泥水平衡盾構(gòu)；滲透系數(shù)小于10－4m／s時，選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)滲透系數(shù)介于10－7～10－4m／s時既可選擇泥水平衡盾構(gòu)，也可選擇土壓平衡盾構(gòu)。巖土中的粉粒與黏粒總量達(dá)40%以上時，宜選用土壓平衡盾構(gòu)；反之宜選擇泥水平衡盾構(gòu)。

根據(jù)工程水文地質(zhì)資料，區(qū)間隧道地下水位均位于隧道底板以下，可選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

3.2 TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)

在工程實(shí)踐中，為滿足長距離、復(fù)雜多變地層盾構(gòu)安全掘進(jìn)的需要，研發(fā)出雙模盾構(gòu)機(jī)。雙模盾構(gòu)機(jī)包括土壓／泥水雙模盾構(gòu)、TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)。基于本工程地質(zhì)條件，也可以選用TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)，但雙模盾構(gòu)機(jī)其制造、使用成本高于單一模式盾構(gòu)機(jī)［8］，其使用范圍相對較小，導(dǎo)致雙模盾構(gòu)機(jī)折舊成本較高，經(jīng)濟(jì)性劣于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

3.3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)比選

針對全斷面硬巖、復(fù)合地層區(qū)間，可選用土壓／TBM盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)以土壓平衡盾構(gòu)為母機(jī)，在復(fù)合地層采用土壓平衡模式掘進(jìn)，在全斷面硬巖地層可以轉(zhuǎn)換成TBM模式（敞開式）掘進(jìn)。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)對比如表1所示。

表1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)對比

根據(jù)土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型原則，進(jìn)一步分析土壓平衡平衡盾構(gòu)機(jī)、土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性。

鳳凰路站－林家莊站區(qū)間有510 m巖層硬度達(dá)80～100 MPa，中部有溶洞存在，溶洞實(shí)際大小未探明，地勘資料顯示溶洞為充填型，充填狀況不明。若選用土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)，在溶洞處存在較大卡機(jī)風(fēng)險，在斷裂帶區(qū)域存在較大的地面沉降控制風(fēng)險；選用重型刀盤配置的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)［9］可滿足本區(qū)段安全掘進(jìn)的需要。

若不考慮溶洞影響，采用重型刀盤配置土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤轉(zhuǎn)速0～3.2 rpm，土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速0～4.5 rpm，雙模盾構(gòu)機(jī)增加了螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)換功能，重型刀盤配置盾構(gòu)機(jī)可滿足螺旋機(jī)轉(zhuǎn)換功能。在常規(guī)設(shè)計(jì)中雙模盾構(gòu)機(jī)多用18″滾刀，重型刀盤配置盾構(gòu)機(jī)多采用19″滾刀。19″滾刀的承載能力、抗沖擊性能、使用壽命均優(yōu)于18″滾刀（18″滾刀與17″滾刀刀體、軸承等主要構(gòu)件一致，僅將 17″刀圈換成 18″刀圈）。

在實(shí)際掘進(jìn)中根據(jù)滾刀破巖機(jī)理及巖石特性，盾構(gòu)（TBM）在高硬度巖層掘進(jìn)采用較高的轉(zhuǎn)速，重型刀盤配置盾構(gòu)機(jī)可達(dá)到2.5～3 rpm，土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)在TBM模式下，刀盤轉(zhuǎn)速多為3 rpm左右，轉(zhuǎn)速過高會發(fā)生較大振動。

雙模盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)不同于TBM，單一TBM設(shè)計(jì)有較高的轉(zhuǎn)速，TBM實(shí)際掘進(jìn)中刀盤轉(zhuǎn)速為6～8 rpm。雙模盾構(gòu)機(jī)采用盾構(gòu)設(shè)計(jì)理念，為保證較大的刀盤扭矩并考慮經(jīng)濟(jì)性，較難達(dá)到較高的刀盤轉(zhuǎn)速。雙模盾構(gòu)機(jī)出渣模式不同于盾構(gòu)，在一定程度上利于降低刀具磨損，其出渣效率優(yōu)于盾構(gòu)。土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)采用TBM模式掘進(jìn)時，螺旋機(jī)（皮帶機(jī)）位于土艙中心部位，土艙不具備保壓功能。

圖3為鳳凰路站－林家莊站區(qū)間地層分布，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工效對比如表2所示。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)縱斷面可知，該區(qū)間若選用TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)需進(jìn)行3次模式轉(zhuǎn)換，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)每次模式轉(zhuǎn)換（包括前期準(zhǔn)備、設(shè)備調(diào)試等）需30 d，若進(jìn)行一次模式轉(zhuǎn)換TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，但其成本高于1 000萬元，其經(jīng)濟(jì)效益劣于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

圖3 鳳凰路站－林家莊站區(qū)間地層分布

表2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與TBM／土壓平衡雙模盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工效對比

綜上可知：本工程選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)滿足盾構(gòu)掘進(jìn)施工安全及工期要求。

4 針對性設(shè)計(jì)

根據(jù)類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)［10－11］，結(jié)合本工程實(shí)際情況，刀盤選用重型結(jié)構(gòu)，配19″滾刀，圖4為重型刀盤結(jié)構(gòu)圖片。主驅(qū)動功率8×160 kW，額定扭矩8 620 kN·m、脫困扭矩9 830 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速0～3.2 rpm（無級調(diào)速），根據(jù)地質(zhì)條件選用球齒滾刀，如圖5所示，刀圈噴涂耐磨層既提高了刀具的抗沖擊性能，又提高了刀具的耐磨性。在全斷面硬巖區(qū)段，采用敞開式掘進(jìn)模式及較高的刀盤轉(zhuǎn)速、較小的貫入度，可滿足硬巖掘進(jìn)要求。

圖4 重型刀盤結(jié)構(gòu)

圖5 球齒滾刀

根據(jù)滾刀的破巖機(jī)理，刀盤旋轉(zhuǎn)的同時推進(jìn)油缸向前推進(jìn)，滾刀在推力作用下轉(zhuǎn)動，巖層在滾刀的擠壓下剪切破碎。在推力一定的情況下，刀具作用在巖層的應(yīng)力與刀刃寬度有關(guān)，刀具對巖石的作用力與刀盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，刀盤轉(zhuǎn)速越高作用力越大，刀具作用在巖層上的應(yīng)力越大，巖石越易于破裂。刀盤轉(zhuǎn)速增大，導(dǎo)致刀具受力增加，易造成刀圈崩裂。

根據(jù)類似地層的成功施工經(jīng)驗(yàn)及不同區(qū)段的巖石硬度，合理選用刀圈結(jié)構(gòu)型式及熱處理工藝，提高滾刀與巖層硬度的適應(yīng)性［12］。

5 結(jié)論

在高強(qiáng)度硬巖、溶洞與斷裂帶共存、上軟下硬交互的復(fù)雜地質(zhì)條件下，盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)統(tǒng)籌考慮水文地質(zhì)條件、工程環(huán)境、盾構(gòu)始發(fā)場地，充分借鑒類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)；保證安全可靠的前提下，考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性，兼顧綠色施工原則，做到地鐵施工與周邊人居環(huán)境的和諧共生。

在80 MPa以上的高強(qiáng)度硬巖地層，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、土壓／TBM雙模盾構(gòu)機(jī)均可滿足施工要求，但應(yīng)考慮雙模盾構(gòu)機(jī)模式轉(zhuǎn)換次數(shù)、轉(zhuǎn)換時間所占施工工期的比例；還應(yīng)該考慮盾構(gòu)機(jī)在所施工城市的后續(xù)應(yīng)用前景，考慮施工區(qū)間工程量與設(shè)備投入的產(chǎn)出比。

在80 MPa以上的高強(qiáng)度硬巖地層選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，應(yīng)對刀盤、刀具進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，根據(jù)不同地層合理配置刀具，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，對提高刀具的破巖能力意義重大，是保證硬巖地層盾構(gòu)長距離掘進(jìn)的關(guān)鍵因素；同時保證刀盤驅(qū)動功率、額定（脫困）扭矩等主要參數(shù)與掘進(jìn)地層的匹配性。