深圳穗莞深城際隧道復(fù)合地層超大直徑盾構(gòu)機(jī)選型

張立業(yè)

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100000）

1 工程概況

1.1 線路情況

1#明挖段～皇崗口岸站區(qū)間長(zhǎng)度3 511.280 m，區(qū)間線路縱斷面為雙V型坡，本區(qū)間最大線路縱坡27‰，最小縱坡為2‰，豎曲線最小半徑為15 000 m，隧道拱頂埋深為13.61 m～30.4 m。區(qū)間線路出1號(hào)明挖段后向東沿福榮路依次下穿福保隧道、地鐵3號(hào)線、廣深港客專深港隧道、保稅區(qū)3號(hào)橋、皇崗加油站、10號(hào)線益田停車入場(chǎng)線、加福廣場(chǎng)華爾登府邸、保稅區(qū)管理局、地鐵10號(hào)線及4號(hào)線換乘通道、地鐵4號(hào)線福田口岸站、裕亨花園、港城華庭、福田保稅區(qū)一號(hào)通道等風(fēng)險(xiǎn)源。

1.2 地質(zhì)情況

隧道主要穿越淤泥質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、土塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖層、砂質(zhì)黏性土、卵石土、砂、細(xì)圓礫土、淤泥質(zhì)黏土。其中硬巖（抗壓強(qiáng)度在58～115 MPa）占比33%，上軟下硬占比31%，軟土地層占比36%。

1.3 工程項(xiàng)目難點(diǎn)

結(jié)合工程的地質(zhì)水文和下穿建構(gòu)筑物的情況，總結(jié)項(xiàng)目難點(diǎn)如下：

（1）下穿重要建構(gòu)筑多，風(fēng)險(xiǎn)源多，地表沉降控制要求高；（2）長(zhǎng)距離穿越上軟下硬巖石地層，對(duì)刀盤(pán)破巖能力要求更高；刀盤(pán)和刀具磨損、滾刀異常損壞；大粒徑渣土堵管、堵泵、堵艙；（3）盾構(gòu)穿越淤泥質(zhì)黏土地層，刀盤(pán)易結(jié)泥餅；（4）局部存在破碎狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，渣土滯排風(fēng)險(xiǎn)。（5）高水壓頻繁換刀（最大水壓4.6 bar），帶壓換刀效率低、風(fēng)險(xiǎn)大；（6）長(zhǎng)距離、大斷面，區(qū)間長(zhǎng)度3 511 m， 開(kāi)挖直徑達(dá)13.1 m。

2 盾構(gòu)機(jī)選型

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型原則

盾構(gòu)機(jī)選型是盾構(gòu)法隧道施工的關(guān)鍵工作，直接關(guān)乎工程的成敗。盾構(gòu)選型需要綜合考慮，主要是從安全適用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面出發(fā)。盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的所適應(yīng)是不同的，盾構(gòu)機(jī)選型原則的第一位是適應(yīng)性，以確保盾構(gòu)法施工的安全可靠；在安全可靠的情況下再考慮先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。

盾構(gòu)機(jī)選擇的兩個(gè)主要因素地層滲透系數(shù)和顆粒級(jí)配。結(jié)合不同地層的施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)小于10-7cm/s 時(shí)，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B水系數(shù)在 10-7cm/s 和 10-4cm/s 之間時(shí)，土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu)均可；當(dāng)?shù)貙拥耐杆禂?shù)大于10-4cm/s 時(shí)，宜選用泥水盾構(gòu)。對(duì)于顆粒級(jí)配，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要適用于黏稠土壤地層的施工，如粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土，粉砂層等。在黏性土層中掘進(jìn)時(shí)，切削下來(lái)的土體進(jìn)入土倉(cāng)后經(jīng)主、被動(dòng)攪拌軸的攪拌，由螺旋輸送機(jī)排出，（螺旋機(jī)前閘門(mén)壓力為土倉(cāng)壓力，螺旋機(jī)后閘門(mén)壓力為0，土壓梯降在螺旋機(jī)內(nèi)完成）保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，使開(kāi)挖面土層處于穩(wěn)定。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，細(xì)顆粒含量多，經(jīng)過(guò)渣土改良后，渣土的流塑性、不透水性較好，更易充滿土倉(cāng)的每個(gè)部位，達(dá)到土壓平衡，易于開(kāi)挖面的土體。盾構(gòu)機(jī)類型與顆粒級(jí)配的關(guān)系詳見(jiàn)下圖，圖中黏土、淤泥質(zhì)土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍；礫石粗砂區(qū)，為泥水盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍。

圖1 顆粒級(jí)配圖

2.2 盾構(gòu)機(jī)選型

根據(jù)本工程的地勘報(bào)告，結(jié)合深圳地區(qū)類似施工案例，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水盾構(gòu)機(jī)滿足要求。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過(guò)控制推進(jìn)速度和螺旋機(jī)出土速度來(lái)控制土倉(cāng)壓力。但大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)難以有效地控制螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土壓力，同時(shí)考慮滾刀線速度的限制，大直徑比小直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速慢，所以大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的土倉(cāng)壓力的控制精度相對(duì)較低，地表沉降會(huì)較高。而本區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源眾多，且工程地點(diǎn)處于繁華地段，同時(shí)泥水盾構(gòu)的壓力機(jī)控制精度不受盾構(gòu)機(jī)直徑大小的限制，不論直徑多大，泥水壓力的控制精度較高，地表沉降效果明顯好于土壓盾構(gòu)機(jī)。同時(shí)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在上軟下降地層種，極易能形成滲透性差的渣土，造成噴涌，使隧道內(nèi)污染。而隧道污染之后，只能在大量的清理泥渣后拼裝，長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)又使土倉(cāng)積水增加，再次造成噴涌，如此惡性循環(huán)，難以保證施工進(jìn)度。而泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采用管道出渣，能夠保證排渣的連續(xù)性，加快施工進(jìn)度。綜合考慮本工程宜采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

2.3 盾構(gòu)刀盤(pán)選型

本工程硬巖和上軟下硬地層總共2 279 m，巖石強(qiáng)度較高，存在破碎地層，水壓較大。常規(guī)刀盤(pán)（常帶壓復(fù)合刀盤(pán)由于刀筒尺寸的限制），可以保證更小刀間距，在破巖效果上較好，但是由于帶壓換刀、控制沉降時(shí)，地層的穩(wěn)定性的控制具有不確定性，所以常帶壓復(fù)合刀盤(pán)優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)項(xiàng)目概況和工程地質(zhì)條件的分析和評(píng)價(jià)以及刀盤(pán)的對(duì)比分析，宜采用常帶壓復(fù)合刀盤(pán)，同時(shí)為了方便硬巖中刀具更換，配備伸縮主驅(qū)動(dòng)。相對(duì)帶壓換刀，常壓換刀是盾體內(nèi)通過(guò)液壓油缸將刀具抽出，閘閥關(guān)閉后檢查更換刀具，整個(gè)過(guò)程在常壓下進(jìn)行，減少進(jìn)倉(cāng)人員風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了進(jìn)倉(cāng)前建立泥膜，排倉(cāng)等環(huán)節(jié)，大大加快了換刀速率，提高了功效。

3 結(jié)合工程重難點(diǎn)的盾構(gòu)機(jī)針對(duì)性設(shè)計(jì)

結(jié)合本工程重點(diǎn)中開(kāi)挖直徑大，下穿重要建筑物多，風(fēng)險(xiǎn)源多，地表沉降控制要求的問(wèn)題，選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。針對(duì)高水壓頻繁換刀，采用常帶壓復(fù)合刀盤(pán)可以大大提高效率。在選用常帶壓泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的前提下，著重展開(kāi)以下幾點(diǎn)針對(duì)性設(shè)計(jì)：

3.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常帶壓復(fù)合刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用6主梁加6輔助面板結(jié)構(gòu)，主梁上安裝12把常壓可更換中心滾刀，48把常壓可更換正面滾刀，12把常壓可更換邊緣滾刀。復(fù)合式設(shè)計(jì)可以提供對(duì)掌子面的機(jī)械支撐，減少對(duì)地層的擾動(dòng)，約25%的開(kāi)口率保證了進(jìn)渣順暢，同時(shí)可防止大粒徑孤石進(jìn)入土艙。刀盤(pán)正面采用厚板并配以后部結(jié)構(gòu)筋板的設(shè)計(jì)，保證了中心區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，刀盤(pán)前部與圓形支腿焊接成整體，主輻條采用厚鋼板，保證刀盤(pán)整體強(qiáng)度和剛度滿足長(zhǎng)距離的掘進(jìn)要求。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖2 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

3.2 刀具設(shè)計(jì)

（1）針對(duì)硬巖、上軟下硬地層施工。正面采用19寸雙聯(lián)滾刀（可裝配20寸，增大允許磨損量），可延長(zhǎng)滾刀壽命，減少換刀頻率，采用加強(qiáng)型滾刀軸承設(shè)計(jì)，增大滾刀承載能力，增強(qiáng)抗沖擊性。同時(shí)，縮小滾刀刃間距，正面刀間距離由100 mm降低為90 mm，提高刀盤(pán)破巖能力。可更換刀具刀筒采用前置式滾刀刀筒設(shè)計(jì)，刀筒承載能力強(qiáng)、連接螺栓受力工況較好、可靠性高。

（2）針對(duì)長(zhǎng)距離、硬巖及復(fù)合地層施工。刀盤(pán)正面和背面面板采用全覆蓋耐磨復(fù)合鋼板保護(hù)設(shè)計(jì)，提高大盤(pán)整體耐磨性能，外周邊緣采用3道鑲嵌合金耐磨環(huán)。刀盤(pán)正面和外周設(shè)置液壓式磨損監(jiān)測(cè)、正面面板設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)配置刀具全狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)滾刀旋轉(zhuǎn)、磨損、溫度、載荷，并傳輸?shù)街骺厥绎@示，為刀具更換提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 泥水循環(huán)管路設(shè)計(jì)

結(jié)合本工程地質(zhì)情況，泥水循環(huán)系統(tǒng)需重點(diǎn)考慮：淤泥質(zhì)黏土地層刀盤(pán)結(jié)泥餅，破碎狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層滯排問(wèn)題，距離長(zhǎng)掘進(jìn)管路耐磨性等問(wèn)題。

（1）刀盤(pán)沖洗設(shè)計(jì)。盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)黏土地層時(shí)，黏土顆粒在高溫高壓環(huán)境下極易附著在到盤(pán)上，越積越厚，在高溫?cái)D壓下硬化板結(jié)附著在刀盤(pán)面板上，而刀盤(pán)中心線速度慢，所以最早也最容易形成中心泥餅。因此盾構(gòu)機(jī)在中心區(qū)域配置大流量沖洗泵，布置6組共12路沖刷回路，每個(gè)沖刷口孔徑為DN25 mm，沖刷流速快、流量大，實(shí)現(xiàn)高壓、分時(shí)、分區(qū)沖刷。同時(shí)在可更換的滾刀刀筒處增加了清水沖洗裝置，保證滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)，防止偏磨。

（2）渣土防滯排設(shè)計(jì)。針對(duì)破碎狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，在設(shè)計(jì)上了配置顎式破碎機(jī)和采石箱，降低大粒徑渣土堵管、堵泵、堵艙風(fēng)險(xiǎn)。外置式泥漿門(mén)設(shè)計(jì)，緊急情況下可實(shí)現(xiàn)常壓進(jìn)入氣墊倉(cāng)底部進(jìn)行維修作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)采用1 100 kW額定進(jìn)漿流量2 600 m3/h的進(jìn)漿泵和額定排漿流量3 000 m3/h的排漿泵以滿足施工。同時(shí)，設(shè)計(jì)采用掘進(jìn)模式、開(kāi)挖艙直排模式、逆洗模式、旁通模式、停機(jī)保壓模式等多種模式，滿足正常掘進(jìn)和對(duì)堵倉(cāng)、堵管問(wèn)題進(jìn)行疏通。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)管道采用雙金屬?gòu)?fù)合管，同時(shí)管路內(nèi)堆焊耐磨的方式，來(lái)緩解長(zhǎng)距離管路的磨損問(wèn)題。為解決土倉(cāng)出土口前面滯渣問(wèn)題，底部配置7路增壓沖刷管道，其中V03、V04 兩路從進(jìn)漿取漿，V05、V06、V07、V41、V42 五路從P0.2泵取漿；V03和V04分別對(duì)準(zhǔn)碎石機(jī)兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)沖洗，V05對(duì)準(zhǔn)格柵區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)沖洗；V06和V07對(duì)準(zhǔn)碎石機(jī)與泥漿門(mén)之間進(jìn)行增壓沖洗，V41和V42對(duì)準(zhǔn)泥漿門(mén)底部區(qū)域進(jìn)行增壓沖洗。

（3）地表沉降控制設(shè)計(jì)。①針對(duì)本工程，盾尾注漿采用雙液漿設(shè)計(jì)，同時(shí)配置濃泥漿柱塞泵，可在破碎巖層施工時(shí)向盾殼外部注入砂漿等材料填充空洞，有利于控制主機(jī)姿態(tài)，保證施工的正常進(jìn)行。②盾體外周預(yù)留徑向注入孔，利用徑向濃泥注入系統(tǒng)將高濃度膨潤(rùn)土注入孔注入地層，并及時(shí)對(duì)注入?yún)?shù)進(jìn)行修正，抑制地表沉降。

圖3 前盾徑向盾殼膨潤(rùn)土口分布

圖4 中盾徑向盾殼膨潤(rùn)土口分布

③盾體外周及正面共預(yù)留30路超前鉆孔，應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中超前鉆探和超前加固施工需求。

4 結(jié)論

（1）本工程下穿地層復(fù)雜，且下穿多條隧道地鐵、隧道，地表建構(gòu)筑物復(fù)雜，地表沉降要求高，如盾構(gòu)機(jī)選型不當(dāng)，存在下穿地鐵線路沉降過(guò)大，地表坍塌等安全風(fēng)險(xiǎn)，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)更為穩(wěn)妥。

（2）本工程地層中硬巖、上軟下硬地層占比較大，施工過(guò)程中刀具磨損情況較為嚴(yán)重，換刀頻繁，且水壓較高，采用常帶壓復(fù)合刀盤(pán)，能夠有效提高施工效率。

（3）結(jié)合本工程盾構(gòu)機(jī)選型和針對(duì)性設(shè)計(jì)，為深圳地區(qū)長(zhǎng)距離硬巖、上軟下硬、高承壓水復(fù)雜地層的大直徑盾構(gòu)機(jī)選型提供了參考。