軌道交通越江隧道盾構(gòu)選型及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

閆寒冰

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，盾構(gòu)施工技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。城市軌道交通地下隧道工程施工中，盾構(gòu)機(jī)的選型成為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。本文結(jié)合軌道交通資陽(yáng)線寶臺(tái)大道站—萇弘廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間，在綜合分析各項(xiàng)影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)盾構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討分析，以期為今后其他類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

軌道交通資陽(yáng)線寶臺(tái)大道站—萇弘廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間自寶臺(tái)大道站始發(fā)后，以550 m 曲線半徑進(jìn)入寶臺(tái)大道后，下穿富力花園小區(qū)及沱江，又以720 m 的曲線半徑拐入濱江大道后到達(dá)萇弘廣場(chǎng)站。區(qū)間管片外徑7 900 mm，管片厚度400 mm，環(huán)寬1 500 mm；區(qū)間長(zhǎng)2 450 m，最小埋深約11.6 m，最大埋深約55 m，最小曲線半徑550 m，最大平面曲線半徑720 m，最大縱向坡度28‰；區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源主要為下穿沱江、富力花園，側(cè)穿沱江一橋。線路平面如圖1 所示。

圖1 區(qū)間線路平面示意圖

2.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)間盾構(gòu)穿越地層主要為中風(fēng)化泥巖、砂巖地層，局部穿越強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖地層，在萇弘廣場(chǎng)站接收端主要穿越卵石層及粉質(zhì)黏土層。

2.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)間主要穿越沱江，隸屬長(zhǎng)江上游左岸一級(jí)支流，主流水面寬300 m，常年河床水位347.50 m?？辈炱陂g在鉆孔中測(cè)得場(chǎng)地地下水位埋深為5.4～9.4 m。

區(qū)間共勘測(cè)到3 層含水層，包含賦存于填土層的上層滯水，第四系孔隙水，基巖裂隙水。

3 下穿沱江段多波束水下地形測(cè)量及高密度電法勘察

區(qū)間最大風(fēng)險(xiǎn)源為下穿沱江，為確保施工安全，充分了解沱江地質(zhì)情況，施工人員對(duì)下穿沱江段開(kāi)展多波束水下測(cè)量及高密度電法勘察[2]，查明該段河道中基巖頂界面的起伏結(jié)構(gòu)特征，為后期盾構(gòu)選型與施工提供判斷依據(jù)。

根據(jù)沱江隧道在河道以下空間的線路設(shè)計(jì)，在隧道施工區(qū)及其鄰區(qū)共計(jì)布設(shè)了3 條跨江水上高密度電法勘探剖面，如圖2 所示。3 條剖面呈平行分布，相互間距為30 m，道間距為4.5 m，長(zhǎng)度均為409.5 m，共計(jì)布設(shè)電極數(shù)量276 極，最大勘探深度＞40 m。

圖2 沱江段多波束水下地形測(cè)量（單位：m）

3.1 多波束水下地形測(cè)量

采用水下多波束聲吶技術(shù)對(duì)下穿沱江段河道的河水覆蓋區(qū)進(jìn)行探測(cè)，獲得水下河床表面的三維數(shù)字化地形圖[3]，如圖2 所示。

由圖可見(jiàn)清晰沖刷階地狀河床，推測(cè)河道中心處河床基本無(wú)卵礫石等覆蓋物，應(yīng)是基巖裸露。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理分析

綜合水上高密度電法勘探成果和前期的巖土工程勘察資料，未發(fā)現(xiàn)軌道交通線沱江段地層有明顯的線狀斷裂、斷層或規(guī)模破碎帶；通過(guò)鉆孔巖芯判識(shí)，該段巖體整體質(zhì)量較好。沱江段詳勘地質(zhì)剖面圖如圖3 所示。

圖3 沱江段詳勘地質(zhì)剖面圖

4 盾構(gòu)選型研究

根據(jù)地質(zhì)條件，工程可選用的盾構(gòu)機(jī)有土壓、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)及泥水-土壓雙模盾構(gòu)機(jī)，各盾構(gòu)機(jī)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 3 類盾構(gòu)機(jī)主要特點(diǎn)比較

4.1 地層滲透性分析

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，地層滲透系數(shù)與盾構(gòu)機(jī)初步選型關(guān)系如表2 所示。

表2 滲透系數(shù)法選型

4.2 盾構(gòu)選型分析

選型時(shí)對(duì)中風(fēng)化泥巖及砂卵石地層的適應(yīng)性，以及穿越沱江進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。根據(jù)軌道交通資陽(yáng)線工程特點(diǎn)及地質(zhì)條件，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程盾構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)選型分析如下：

1）根據(jù)滲透系數(shù)分析法，選用泥水平衡盾構(gòu)或土壓平衡盾構(gòu)施工均可；

2）從地質(zhì)方面考慮，土壓平衡和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)均可在中風(fēng)化泥巖、砂巖地層施工，但泥水平衡盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層易發(fā)生刀盤(pán)被卡、排渣困難等問(wèn)題；

3）從安全方面考慮，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)密封性能更好，水下掘進(jìn)的適宜性更佳，而土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，易發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象，因此，穿越沱江段采用泥水平衡盾構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)更低；

4）從工期進(jìn)度方面考慮，土壓平衡盾構(gòu)通過(guò)添加泡沫或膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良，改良后的渣土呈塑性狀態(tài)，流動(dòng)性好，連續(xù)出渣效率高，更利于實(shí)現(xiàn)洞通節(jié)點(diǎn)目標(biāo)；

5）從經(jīng)濟(jì)方面考慮，土壓平衡盾構(gòu)不需要進(jìn)行泥水處理，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，掘進(jìn)時(shí)消耗的電、油脂、油料相對(duì)較低。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，土壓平衡盾構(gòu)每米掘進(jìn)成本比泥水平衡盾構(gòu)低10%～38%[4]。

綜上所述，軌道交通資陽(yáng)線寶臺(tái)大道站—萇弘廣場(chǎng)站區(qū)間選用泥水-土壓雙模盾構(gòu)機(jī)更合理，能最大限度地控制工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效掘進(jìn)。

5 盾構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

5.1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)采用六輻條復(fù)合式刀盤(pán)，開(kāi)挖直徑8 240 mm，設(shè)計(jì)主要用于風(fēng)化泥巖地層的掘進(jìn)，開(kāi)口率約38%。撕裂刀、刮刀、滾刀安裝在刀盤(pán)面上的6 個(gè)輪輻上；在刀盤(pán)面和輪緣上，共計(jì)8 個(gè)獨(dú)立操作渣土改良注射口；在刀盤(pán)倉(cāng)內(nèi)裝有渣土改良注射口和土壓傳感器；設(shè)有2 個(gè)磨損檢測(cè)點(diǎn)，所有的刀具均為背裝式，可以在開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行拆卸和更換。

5.2 防結(jié)泥餅設(shè)計(jì)

由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，中間部位線速度小，為防止中間結(jié)泥餅，中間的開(kāi)口率較高，從而使中間部位的渣土極易進(jìn)入土倉(cāng)。在刀盤(pán)上設(shè)計(jì)有8 個(gè)分別獨(dú)立控制的渣土改良噴嘴，用于對(duì)刀盤(pán)中心及各個(gè)容易結(jié)泥餅部位的沖洗和清理。

4 個(gè)主動(dòng)攪拌棒裝在刀盤(pán)背部，與土倉(cāng)內(nèi)部4 個(gè)被動(dòng)攪拌臂配合，主要用于攪拌土倉(cāng)底部的沉渣，增大渣土流動(dòng)性，進(jìn)一步降低結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。

泥水模式掘進(jìn)時(shí)，針對(duì)易結(jié)泥餅的泥巖地段，可采取以下措施：主機(jī)段小循環(huán)系統(tǒng)，增大泥水倉(cāng)進(jìn)漿量，降低主機(jī)段滯排概率；主機(jī)段底部多層沖刷系統(tǒng)可以降低滯排概率；連續(xù)逆沖洗功能（反向沖洗），可以降低滯排概率。

5.3 防噴涌設(shè)計(jì)

螺旋輸送機(jī)尾部設(shè)計(jì)雙出渣門(mén)，噴涌時(shí)，可交替打開(kāi)進(jìn)行掘進(jìn)，或者減小閘門(mén)開(kāi)口，利用“迷宮密封”原理，降低噴涌程度；螺旋輸送機(jī)前部配置防涌門(mén)；螺旋輸送機(jī)筒體上配置多路渣土改良劑注入口，可通過(guò)渣土改良劑注入口向螺旋機(jī)內(nèi)部注入添加劑，改善渣土的流塑性，降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)；螺旋輸送機(jī)尾部預(yù)留保壓泵渣接口，在必要地層可配置管路及管路附件導(dǎo)向后方渣斗內(nèi)。

5.4 高水壓針對(duì)性設(shè)計(jì)

為滿足大埋深、高水壓地層掘進(jìn)，采用2 道組合密封，通過(guò)12 點(diǎn)EP2 注入口持續(xù)注入EP2 油脂，其能夠起潤(rùn)滑鉸接密封及密封外界砂土進(jìn)入的作用。這種形式的鉸接形式有保持密封狀態(tài)的優(yōu)越性，可以滿足任意方向的鉸接運(yùn)動(dòng)，使曲線施工和方向調(diào)整更加便利，且鉸接密封耐壓可達(dá)1 MPa（10 bar）。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，選用雙模盾構(gòu)機(jī)能最大限度地控制工程風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效掘進(jìn)。穿越自穩(wěn)性較強(qiáng)，低透水地層時(shí)，可采用土壓模式以降低施工成本、提高工效；穿越土體自穩(wěn)性較差、高透水富水地層，或者穿越高風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，可采用泥水模式以確保隧道施工的質(zhì)量安全。