天津?yàn)I海新區(qū)軟土地層軌道交通盾構(gòu)選型研究

張?jiān)螺x，岳彬

（1.天津?yàn)I海新區(qū)建投軌道交通建設(shè)有限公司，天津 300459；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

盾構(gòu)機(jī)作為盾構(gòu)法施工的大型專用設(shè)備，其選型正確與否，無論是對盾構(gòu)施工的技術(shù)水平，還是對盾構(gòu)施工的成本和效益，均有著舉足輕重的意義。地鐵盾構(gòu)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)機(jī)型變得多種多樣，盾構(gòu)工法也不盡相同，不同機(jī)型的盾構(gòu)對施工的工期、經(jīng)濟(jì)、管理、完整性等各方面都有顯著的影響；因此，在城市地鐵施工過程中，盾構(gòu)的選型尤其重要[1]。針對不同的工程條件，合理選用盾構(gòu)機(jī)可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證工程的安全性和可靠性，從而滿足項(xiàng)目的工期要求。天津?yàn)I海新區(qū)軟土地層特殊，本文以實(shí)際工程為例，對盾構(gòu)機(jī)選型進(jìn)行研究分析，為類似地層盾構(gòu)機(jī)選型提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

天津?yàn)I海新區(qū)某軌道交通工程區(qū)間線路均為地下工程。其中，北段區(qū)域設(shè)6站4區(qū)間，區(qū)間雙線長度9 871 m，均采用盾構(gòu)法施工，最大坡度25.57‰，隧道覆土5.22～19.5 m，最小曲線半徑400 m。隧道襯砌為預(yù)制鋼筋混凝土管片，采用3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊形式的通用楔形環(huán)，管片環(huán)寬采用1 500、1 200 mm兩種類型、厚350 mm、外徑6 600 mm、內(nèi)徑5 900 mm，管片混凝土強(qiáng)度等級為C50，抗?jié)B等級為P10。

濱海新區(qū)地層分布比較有規(guī)律，無較大地層突變，區(qū)間隧道主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、黏土層、粉質(zhì)黏土層、黏質(zhì)粉土層及粉砂層，靜止水埋深約0.8～3.00 m，局部穿越粉砂層為第一承壓水層。各區(qū)間隧道均分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，土體呈流塑狀態(tài)，為濱海新區(qū)典型軟土，具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高等不良工程特性，同時還具有低滲透性、觸變性和流變性等特點(diǎn)。

2 盾構(gòu)機(jī)選型

2.1 選型原則

盾構(gòu)機(jī)選型是區(qū)間隧道是否安全、優(yōu)質(zhì)、快速建成的基本條件，一般按照適用性、可靠性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則進(jìn)行選型[2]。首先要確保開挖面的穩(wěn)定，確保地表沉降可控，以水文地質(zhì)資料為依據(jù)，重點(diǎn)注意地層種類、強(qiáng)度、滲透系數(shù)、粒徑等參數(shù)，結(jié)合隧道周邊環(huán)境情況及其他特殊條件，同時考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合提出選型方案；此外，盾構(gòu)機(jī)設(shè)備應(yīng)對濱海軟土地層有較強(qiáng)的適應(yīng)性且需滿足區(qū)間隧道縱坡、曲線半徑、長度、埋深、施工現(xiàn)場與周邊環(huán)境等條件的控制要求。

2.2 需重點(diǎn)考慮的因素

2.2.1 盾構(gòu)機(jī)類型選擇

目前，國內(nèi)盾構(gòu)施工多數(shù)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，兩種類型分別適應(yīng)不同地層，一般根據(jù)土層顆粒大小及滲透性等主要因素綜合確定[3]：細(xì)顆粒土具有良好的流塑性，能夠在土倉內(nèi)填充密實(shí)；粗顆粒土流塑性相對較差，難以在土倉內(nèi)填充密實(shí)。結(jié)合兩種類型盾構(gòu)機(jī)施工原理，針對細(xì)顆粒地層，如淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉土等地層，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)能夠較好形成不透水的流塑體，在土倉內(nèi)密實(shí)填充，滿足土壓平衡原理。見圖1。

圖1 盾構(gòu)機(jī)選型土體顆粒參考范圍

此外，土層滲透性也是盾構(gòu)機(jī)類型選擇的主要依據(jù)之一，結(jié)合國內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，滲透性劃分為3部分：當(dāng)滲透系數(shù)＞10-4m/s時，應(yīng)選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)；當(dāng)滲透性系數(shù)＜10-7m/s時，應(yīng)選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；介于兩者之間時，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)皆可選用[4]。

基于盾構(gòu)機(jī)選型土層影響因素，本工程北段區(qū)域主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層占比約35%，黏土層占比約14%，粉質(zhì)黏土層占比約29%，黏質(zhì)粉土層占比約9%，粉砂層占比約13%。

從盾構(gòu)機(jī)穿越土層占比不難看出，主要穿越淤泥質(zhì)黏土、黏土及粉質(zhì)黏土層且土層顆粒較細(xì)。盾構(gòu)穿越低滲透性土層，基本屬于弱透水層～不透水層。見表1。

表1 盾構(gòu)穿越土層滲透性指標(biāo)cm/s

結(jié)合國內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本工程宜選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)不需要進(jìn)行泥漿處理，施工占地小，對環(huán)境影響較小，每延米綜合價格相對較低[5]。

2.2.2 軟土地層沉降控制

天津?yàn)I海新區(qū)特殊軟土地層具有高含水性、高壓縮性、高靈敏性、高觸變性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點(diǎn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)振動擾動下極易破壞原有土體結(jié)構(gòu)，使土體強(qiáng)度驟然降低，形成觸變性沉降；因此減少開挖過程中的擾動是盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)與選型重點(diǎn)考慮的問題。為使開挖面達(dá)到良好的土壓平衡效果，倉內(nèi)土壓計(jì)應(yīng)具備良好的靈敏度和相應(yīng)精度；考慮到區(qū)間穿越重要風(fēng)險(xiǎn)源，地表沉降控制要求高，部分區(qū)段需應(yīng)用克泥效等輔助工法，盾體應(yīng)具備徑向注漿與超前注漿能力；此外，軟土地層掘進(jìn)同步注漿，采用膠凝時間可調(diào)的漿液或者含砂率較大的可硬性漿液，盾構(gòu)注漿系統(tǒng)應(yīng)具備與掘進(jìn)速度、漿液稠度相適應(yīng)的注漿速度和注漿壓力。

2.2.3 軟土地層盾構(gòu)軸線與姿態(tài)控制

由于軟土地層自身抗剪能力較弱、觸變性較大，受外力作用時容易被壓縮變形，導(dǎo)致盾構(gòu)位置的保持能力相對較差，存在額外不平衡力作用時極易改變狀態(tài)，姿態(tài)一旦改變不易恢復(fù)原位；地層的高壓縮性決定一旦盾構(gòu)機(jī)停止推進(jìn)便失去刀盤反力，不能平衡盾構(gòu)中心靠前帶來的栽頭趨勢導(dǎo)致盾構(gòu)低頭；此外，本工程北段區(qū)域最小曲線半徑為400 m，盾構(gòu)應(yīng)具有良好的糾偏能力，適應(yīng)小半徑曲線段軸線擬合要求。綜合因素對盾構(gòu)機(jī)的靈敏度提出一定要求，以適應(yīng)軟土地層掘進(jìn)和糾偏的需求；掘進(jìn)糾偏過程中，盾尾和管片間隙隨時變化，為避免盾尾間隙過小造成尾刷磨損，盾尾間隙也應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.2.4 粉質(zhì)黏土施工結(jié)泥餅問題防控

區(qū)間隧道穿越粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土層，當(dāng)土體改良效果不佳時，刀盤結(jié)泥餅及土倉發(fā)生堵塞風(fēng)險(xiǎn)高，影響掘進(jìn)施工效率。刀盤、土倉設(shè)計(jì)與選型時應(yīng)合理考慮添加劑、膨潤土注入口數(shù)量、布置形式，合理的土倉內(nèi)攪拌棒數(shù)量與分布位置。

2.2.5 富水砂層掘進(jìn)問題防控

盾構(gòu)在砂層掘進(jìn)時，對刀盤、刀具及螺旋機(jī)的磨損較嚴(yán)重，刀盤、刀具與排土機(jī)的耐磨性應(yīng)與區(qū)間長度、地層情況相適應(yīng)，確保盾構(gòu)耐久性。本工程部分區(qū)段于承壓水層掘進(jìn)，土體改良效果不佳時，螺旋機(jī)出土口存在泥砂噴涌風(fēng)險(xiǎn)，需設(shè)置前閘門，螺旋機(jī)具備前后伸縮功能；此外，考慮承壓水層壓力，主軸密封、鉸接密封抗擊穿能力應(yīng)與地層深度、水文情況相匹配；考慮到富水砂層掘進(jìn)，盾尾刷磨損較嚴(yán)重，盾尾存在漏水、漏泥風(fēng)險(xiǎn)，對盾尾刷質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

2.3 盾構(gòu)機(jī)選型結(jié)果

根據(jù)各區(qū)間的工程地質(zhì)、土建設(shè)計(jì)情況及周邊環(huán)境因素，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素，對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了量身定制。

2.3.1 刀盤及刀具系統(tǒng)

4臺盾構(gòu)機(jī)刀盤均采用了主梁加小面板形式，開口率均＞40%，在整個盤面均勻分布，利于渣土流動及土壓傳遞。區(qū)間貫通后，除個別刀盤輻條上的羊角刀因合金質(zhì)量發(fā)生磨損，其余魚尾中心刀、貝殼刀、刮刀、保徑刀磨損情況輕微，磨損不超過10 mm。

2.3.2 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)

3臺盾構(gòu)機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動，1臺為液壓驅(qū)動，驅(qū)動功率均達(dá)到770 kW以上，最小額定扭矩6 600 kN·m，3道唇形密封最大承壓能力均為0.5 MPa。濱海軟土強(qiáng)度不高，4臺盾構(gòu)機(jī)刀盤脫困能力（大瞬時功率、大轉(zhuǎn)矩輸出抗沖擊）均滿足掘進(jìn)要求。

2.3.3 液壓推進(jìn)系統(tǒng)

液壓推進(jìn)系統(tǒng)具有大功率、變負(fù)載、適應(yīng)惡劣工作條件等特點(diǎn)，千斤頂油缸數(shù)量較多，系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)對每個液壓缸的單獨(dú)控制和對所有液壓缸的同時控制，還要保證所有液壓缸具有同步性和隨動性；故4臺盾構(gòu)的推進(jìn)液壓油缸均沿圓周方向分為上下左右4組，分區(qū)控制，下分區(qū)控制數(shù)量多于上分區(qū)，滿足軟土地區(qū)抬坡困難的控制要求。簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了操作變量個數(shù)，減輕了施工操作人員強(qiáng)度，提高了施工效率。

2.3.4 渣土改良系統(tǒng)

4臺盾構(gòu)機(jī)刀盤配置了4路以上的泡沫噴口，3路膨潤土噴口和相關(guān)逆止閥，每個噴口均為單管、單泵設(shè)計(jì)，保證添加劑注入率的同時，避免回流及管路堵塞。在軟土地層掘進(jìn)時，注水基本滿足了渣土和易性要求；在富水砂層掘進(jìn)時，添加了泡沫和高分子聚合物，有效避免了噴涌。施工過程中，刀盤未出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象。

2.3.5 導(dǎo)向系統(tǒng)

4臺盾構(gòu)機(jī)分別采用了中鐵裝備ZED導(dǎo)向系統(tǒng)、鐵建重工DDJ導(dǎo)向系統(tǒng)和上海力信RMS-D導(dǎo)向系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)操作司機(jī)根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供關(guān)于盾構(gòu)立體方位的最新信息，可準(zhǔn)確控制盾構(gòu)沿著設(shè)計(jì)的隧道軸線方向掘進(jìn)，將盾構(gòu)控制在設(shè)計(jì)隧道線路允許公差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)信息化施工。掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)姿態(tài)偏差基本控制在±50 mm范圍內(nèi)，未發(fā)生超偏現(xiàn)象。

3 應(yīng)用效果

3.1 沉降控制

本區(qū)間地面風(fēng)險(xiǎn)較多，下穿津秦高鐵、西中環(huán)快速路橋、輸油管線、高壓鐵塔、孟港排河、云山道公路橋、濱海職業(yè)技術(shù)學(xué)院等重要風(fēng)險(xiǎn)源與多處市政管線、箱涵，地面沉降控制要求高。結(jié)合第三方地面監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，各區(qū)間地表整體以下沉為主，沉降量基本控制在15 mm以內(nèi)，最大沉降量20.9 mm，最大隆起3 mm，均未超過設(shè)計(jì)值范圍，滿足地面沉降及風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)要求。

3.2 掘進(jìn)施工參數(shù)

設(shè)置監(jiān)控中心，采用數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)對4個區(qū)間的盾構(gòu)施工進(jìn)行了全程監(jiān)控。通過調(diào)取數(shù)據(jù)與現(xiàn)場掘進(jìn)指令、原始數(shù)據(jù)比較，各區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)和計(jì)算預(yù)期值基本保持一致，掘進(jìn)指令參數(shù)基本合理，現(xiàn)取常規(guī)掘進(jìn)段進(jìn)行簡要分析。

3.2.1 總推力和推進(jìn)速度

由于地層較軟弱，推力不大，推進(jìn)時可以保持較快的推進(jìn)速度，實(shí)際施工中，推進(jìn)速度可以提高到70 mm/min以上；但為了保證注漿量與注漿均勻性，將推進(jìn)速度控制在70 mm/min范圍內(nèi)比較合理。

3.2.2 刀盤扭矩和土倉壓力

地層掘進(jìn)時，刀盤扭矩一般包括切削土體阻力扭矩、刀盤旋轉(zhuǎn)與土體摩擦扭矩、密封裝置的摩擦扭矩、刀盤后的摩擦扭矩、土倉內(nèi)攪動扭矩等，在軟土地層中刀盤扭矩整體較小。根據(jù)扭矩系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

式中：T為刀盤扭矩；Kα為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)扭矩系數(shù)，取值范圍為14～23；D為盾構(gòu)機(jī)開挖直徑。

按盾構(gòu)最小額定扭矩6 600 kN·m計(jì)算，4臺盾構(gòu)機(jī)的扭矩系數(shù)取值在20.6～21.2，設(shè)計(jì)較為合理。

施工過程中，保持土倉壓力與作業(yè)面的水土壓力平衡是防止超挖造成地表沉降的重要因素。土倉壓力應(yīng)能與地層土壓和靜止水壓力抗衡

式中：P為土倉壓力；P0為靜止水壓力抗衡；K為土的滲透系數(shù)。

根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行±50 kPa土倉壓力調(diào)整，K在黏性土中取值宜為1.0。

4 結(jié)論

1）盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)結(jié)合工程水文地質(zhì)、工程安全性、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合確定，盾構(gòu)機(jī)選型的基本出發(fā)點(diǎn)是能夠適應(yīng)隧道所穿越地層條件，具備安全可靠的性能，確保工程安全及質(zhì)量控制要求。

2）濱海新區(qū)地層一般分布較有規(guī)律，無較大的地層突變情況，土體滲透性較差且土體顆粒較細(xì)，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工效果較好。

3）軟土地層盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)重點(diǎn)考慮因土體擾動所導(dǎo)致的地層沉降及盾構(gòu)機(jī)本身保持能力；必要時，考慮適當(dāng)減輕主機(jī)重量，主機(jī)中心位置設(shè)置在合理位置，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。