土壓平衡盾構(gòu)在不同地層中的應(yīng)用

狄曉紅，譚順輝

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450016)

0 引言

近些年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模開展，盾構(gòu)施工技術(shù)由于其具有快速、安全和工廠化施工的特點，在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，尤其是城市軌道交通建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。進入2011年，全國有28個城市在建設(shè)地鐵，盾構(gòu)應(yīng)用市場前景良好［1］。但中國地域遼闊，東西南北的工程地質(zhì)和水文條件各不相同，在這些不同地層中進行盾構(gòu)施工，遇到的施工情況極其復雜，不僅要采用不同的盾構(gòu)，而且要采取各種不同的施工措施。國內(nèi)建設(shè)者們由于進入市場時間不同，采用盾構(gòu)施工的經(jīng)驗也不一樣。由于盾構(gòu)施工還具有高投入、高風險和投資回收慢的特點，造成大家對盾構(gòu)施工的理解和觀念上的差異較大，有的過高估計了其風險而持謹慎態(tài)度，有的寄希望于包打天下的盾構(gòu)，也有的理解存在片面性，在盾構(gòu)應(yīng)用中因施工技術(shù)措施單一而發(fā)生不少事故。本文主要從國內(nèi)各典型城市不同土壓平衡盾構(gòu)施工的具體情況出發(fā)，闡述了在不同地質(zhì)條件下，采用的盾構(gòu)及施工技術(shù)也不同。

1 盾構(gòu)發(fā)展簡況

1.1 國外發(fā)展簡況

1825年英國人馬克·布魯諾爾發(fā)明 Brunel盾構(gòu)，1846年由意大利人Maus發(fā)明硬巖掘進機。到目前為止，國外盾構(gòu)研發(fā)技術(shù)已經(jīng)相當成熟，主要經(jīng)歷了4個發(fā)展階段:1)以Brunel盾構(gòu)為代表的手掘式第1代盾構(gòu);2)以機械式、氣壓式盾構(gòu)為代表的第2代盾構(gòu);3)以閉胸式盾構(gòu)(泥水加壓平衡式、土壓平衡式)為代表的第3代盾構(gòu);4)以大直徑、大推力、大扭矩、高智能化、多樣化為特色的第4代盾構(gòu)，這也是國外盾構(gòu)技術(shù)的最新特色。

1.2 國內(nèi)發(fā)展簡況

我國盾構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用始于1953年，東北阜新煤礦用手掘式盾構(gòu)修建了直徑2.6m的疏水巷道。1962年2月，上海城建局研制出1臺直徑4.16 m的手掘式普通敞胸盾構(gòu)用于當?shù)剀浲恋貙邮┕ぁ?966年5月，中國第1條水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程設(shè)計院設(shè)計、江南造船廠制造的直徑10.22m網(wǎng)格擠壓盾構(gòu)施工，輔以氣壓穩(wěn)定開挖面，在水深為16 m的黃浦江底順利掘進隧道，掘進總長度1 322 m，打浦路隧道于1970年年底建成通車。1986年，中鐵隧道集團研制出半斷面插刀盾構(gòu)，并成功用于修建北京地鐵復興門折返線，半斷面插刀盾構(gòu)將“盾構(gòu)法”與“淺埋暗挖法”緊密結(jié)合，取消了小導管超前注漿，在盾構(gòu)殼體和尾板的保護下，進行地鐵隧道上半斷面的開挖。20世紀60～80年代，在長三角上海地域使用網(wǎng)格式盾構(gòu)的居多。直到1990年，上海地鐵1號線工程全線開工，18 km區(qū)間隧道引進了7臺由法國FCB公司制造的6.34 m土壓平衡盾構(gòu)，中國開始了土壓平衡盾構(gòu)施工的時代［2］。

20世紀90年代末期，中國開始大量引進國外盾構(gòu)，日本、德國、美國和加拿大等國家的廠家相繼進入中國市場，并在中國建設(shè)者的大力推動下，盾構(gòu)施工技術(shù)得到長足發(fā)展，一些國內(nèi)廠家也逐步發(fā)展起來，目前國內(nèi)約有30余家不同形式的盾構(gòu)制造企業(yè)。盾構(gòu)施工技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用正在向更多的領(lǐng)域(鐵路、公路、水利、石油、核電和城市地下空間縱深)推廣［3］。

2 盾構(gòu)的主要特點

眾所周知，盾構(gòu)施工原理主要是依靠一個在鋼制殼體保護下的液壓驅(qū)動或電驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)的開挖裝置來切削巖土，該裝置又在液壓推進油缸的作用下不斷向前行進，達到在一定行程內(nèi)連續(xù)切削渣土的目的。一個行程完成后通過自身配帶的輔助設(shè)備系統(tǒng)，對隧道進行管片襯砌、軌管線延伸和材料準備等工作。然后再進行下一個循環(huán)的掘進施工?，F(xiàn)階段的盾構(gòu)設(shè)備本身集成了機械、電子電氣、液壓、流體、軟件和程序控制等先進工業(yè)技術(shù)，完全類似一個地下機器人，專門用于各種斷面(圓形、矩形為主)掘進和襯砌施工一體化的地下隧道工程。

1)具有安全施工的特點。盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，使作業(yè)人員完全脫離與掌子面(地層)的直接接觸，全是在鋼盾殼的保護范圍內(nèi)作業(yè)。只要刀盤前方的泥土壓力平衡控制得當、管片同步注漿緊跟，不用擔心地層的坍塌、突泥突水的工程風險。

2)具有快速施工的特點。由于這類盾構(gòu)具有循環(huán)掘進施工的功能，在地層沒有特殊變化的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)快速施工，正常情況下，常規(guī)地鐵盾構(gòu)的施工速度能夠達到10～25 m/d，甚至更快，與同類地層相比，其平均施工速度是應(yīng)用鉆爆法或其他開挖工法的1～3倍。

3)具有工廠化流水線作業(yè)的特點。在作業(yè)人員的操控下，盾構(gòu)的掘進、管片安裝、同步注漿、渣土運輸、材料供應(yīng)和風水電以及軌道延伸都是流水線、全自動或半自動機械化作業(yè)，可以做到有條不紊、規(guī)范有序。

3 土壓平衡盾構(gòu)在不同地層的應(yīng)用

3.1 重慶地鐵砂巖地層

3.1.1 地質(zhì)水文情況

盾構(gòu)穿越地層以砂質(zhì)泥巖和砂巖居多。其中，砂質(zhì)泥巖石英含量占54% ～80%，天然抗壓強度為20～26 MPa，屬軟巖—較軟巖，巖體完整性系數(shù)0.63～0.68，巖體較完整。砂巖石英含量占54% ～71%，巖石天然抗壓強度為40～48 MPa，屬較硬巖，巖石完整系數(shù)0.63～0.72，巖體較完整。地下水主要存于不發(fā)育裂隙中，水量較少。地質(zhì)樣品如圖1所示。

3.1.2 工程重難點

1)盾構(gòu)在砂質(zhì)硬巖中長距離掘進，地層中黏性顆粒少。

2)掘進振動大，對刀盤結(jié)構(gòu)強度、刀具設(shè)計要求高。

3)石英含量高，要求刀盤刀具、螺旋機耐磨性好。

3.1.3 采取的設(shè)計對策和施工技術(shù)措施

1)根據(jù)盾構(gòu)要分別在硬巖和軟巖中掘進的情況，結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗［4］，刀盤設(shè)計采用結(jié)構(gòu)強化的面板式復合刀盤，開口率28%;分2種變頻電驅(qū)，在砂巖地層居多的標段為1 200 kW，泥巖地層居多的標段為660 kW;均配置重型滾刀、重型切刀和重型刮刀，滿足硬巖掘進的要求。

2)刀盤及刀具、螺旋機各個與巖碴接觸的表面，采用耐磨設(shè)計措施，以減緩磨損速率。

3)螺旋機具有可維修設(shè)計，考慮高石英含量地層和硬巖出碴的施工工況，螺旋機的磨損無法避免，盡管采取耐磨設(shè)計，也只能是減慢磨損的速率。故設(shè)計螺旋機具備洞內(nèi)檢查維修的功能。

4)盾構(gòu)具備土壓平衡掘進模式、氣壓模式掘進和敞開模式功能，而且轉(zhuǎn)換簡便，屬于復合式土壓平衡盾構(gòu)。

5)設(shè)計功能儲備足夠的輔助保障系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)、管片機安裝系統(tǒng)和出碴運輸系統(tǒng)等，滿足盾構(gòu)的快速掘進要求。

6)在具體施工中多數(shù)地段采取氣壓模式掘進，部分地段采取敞開模式和土壓平衡掘進模式。前2種模式既降低了推進阻力，又加快了渣土在刀盤土倉和螺旋機中的流動速度，提高掘進效率。

7)為減少設(shè)備磨損或加快渣土流動，在砂巖地層加入適量膨潤土泥漿和泡沫劑來改良渣土，在泥巖中以泡沫為主來改良渣土。

8)在硬巖地段，采取刀盤高轉(zhuǎn)速、低貫入度的參數(shù)掘進，以減少振動，防止刀具異常損壞。

9)加強硬巖掘進地段的刀具管理，實行定期和定掘進長度刀具檢查制度，每次批量換刀和掘進15～20 m進行刀具(尤其是滾刀)的檢查并處理。

該項目所用盾構(gòu)全貌和其掘進的作業(yè)面狀況如圖2和圖3所示。

圖2 盾構(gòu)全貌Fig.2 EPB shield machine

3.1.4 取得的效果

自2010年9月中旬起，4個月內(nèi)陸續(xù)投入9臺，其中最高日掘進33m，最高月掘進598m，截至2011年底，累計施工約22 km。盾構(gòu)施工效果良好，盾構(gòu)各項指標均達到了預期的設(shè)計要求。

圖3 掌子面狀況Fig.3 Tunnel face

3.2 北京砂礫石地層

3.2.1 地質(zhì)水文情況

盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越的地層主要為卵石圓礫⑤層和卵石⑦層。卵礫石層較厚，卵石地層中經(jīng)常夾雜大粒徑的漂石，且卵石、漂石以堅硬巖為主，卵石粒徑一般為20～80 mm，最大粒徑為600 mm。隧道頂板覆土厚度10～15 m，在穿河段覆土厚度約為7 m。地下水類型為潛水，水位一般為11.47～28.0 m，透水性很好。

3.2.2 工程重難點

1)破巖困難。由于盾構(gòu)多數(shù)在砂礫石、圓礫石地層中掘進，地層密實，還有大粒徑卵石，掌子面地層切削面不規(guī)則，掘進時這些密實地層和卵石不易被盾構(gòu)刀具破裂，對刀盤刀具沖擊大。

2)排渣困難。大粒徑的卵石在刀盤開口、土倉內(nèi)部、或者螺旋機出渣入口處堆積，造成巖碴流動和出碴困難。

3)砂礫石地層在掘進擾動后容易出現(xiàn)崩塌，導致卡刀盤情況，要求盾構(gòu)的驅(qū)動功率強大。

4)渣土改良系統(tǒng)配備要求高。

5)地面沉降控制要求高。項目地處北京城市繁華地段，地面地下建(構(gòu))筑物眾多，不允許地表沉降異常。

工程地層如圖4所示。

3.2.3 采取的設(shè)計對策和施工技術(shù)措施

基于這種特殊地質(zhì)情況，結(jié)合北京地區(qū)以及國內(nèi)類似工程以往盾構(gòu)施工對策和經(jīng)驗［5－7］，該項目采用土壓平衡盾構(gòu)。其總體設(shè)計思路是:盾構(gòu)破巖排渣以排為主，排破結(jié)合，刀盤刀具滿足破巖要求;設(shè)備驅(qū)動扭矩、推進能力具有必要的儲備?？傮w施工對策是如何降低卵石地層掘進中刀盤的扭矩和卵石地層對刀盤刀具的磨損［8］。

3.2.3.1 設(shè)計措施

1)采用輻條加小面板式刀盤，既保證刀盤的剛度和強度，又具有一定開口率(38%)。

2)設(shè)計采用重型滾刀、切刀刀具，其強度高，耐磨性好，滿足掘進密實性砂礫石地層要求。

3)刀盤中心采用較大開口設(shè)計以及直徑800 mm的無軸式螺旋機排渣設(shè)計，可滿足排除粒徑500 mm×600 mm的卵石需求。

4)刀盤驅(qū)動采用變頻電驅(qū)，功率660 kW，脫困扭矩可達6 800 kN·m，具備必要的功率儲備。

5)設(shè)計采用的渣土改良系統(tǒng)具備供應(yīng)膨潤土泥漿(16 m3/h)和泡沫劑(150 L/min)的能力。

6)為防止盾殼被卡，設(shè)計配置盾殼膨潤土注入系統(tǒng)，根據(jù)需要可以向盾殼表面注入潤滑用膨潤土，以降低地層對盾殼的包裹阻力。

7)螺旋機設(shè)計有3道閘門，加上人員艙保壓系統(tǒng)、最快以80 mm/min速度的推進系統(tǒng)，以及人性化、可操作性強的掘進操控系統(tǒng)，確保掘進中掌子面的渣土壓力平衡，以保證地層穩(wěn)定的需要。

3.2.3.2 施工技術(shù)措施

1)采用合適的掘進參數(shù)，選擇適當?shù)牡侗P轉(zhuǎn)速(1.5～3 r/min)和略低的推進速度(5～25 mm/min)，以達到破除密實地層和大粒徑卵石的目的。

2)采用以膨潤土泥漿為主、泡沫劑為輔的渣土改良工藝，應(yīng)對砂礫石地層的掘進工況，在地層中含水量低時，還相機加大泥漿輸入量(10～15 m3/環(huán))，以保持良好的渣土流塑性和減小渣土對刀盤刀具的磨損，以及對刀盤旋轉(zhuǎn)的阻力，即控制好刀盤扭矩。

3)加強刀具的檢查管理工作，在地層穩(wěn)定情況下50～80 m或者地層不穩(wěn)定情況下100～160 m檢查一次刀盤，掘進過程中嚴密監(jiān)視渣土排放情況，監(jiān)控有無刀具異物流出。

4)加強出土量的控制，確保實際出土量與掘進長度產(chǎn)生的渣土量相符。

5)加強同步注漿管理，確保注漿量和注漿壓力，必要時增加二次注漿，以保證地層的穩(wěn)定。

6)加強地面沉降監(jiān)控量測，隨時指導掘進施工。

3.2.4 取得的效果

該項目自開工以來，掘進較為順利，累計施工2746.8 m，盾構(gòu)掘進破巖排渣順利，刀盤刀具磨損正常，地層穩(wěn)定較好。只是由于地層大粒徑卵石量比勘探資料預計得多，地層的密實程度也比預期得大，設(shè)備刀盤旋轉(zhuǎn)力矩富余量不多，今后需要類似地層項目在總體驅(qū)動能力上再提高些。

3.3 西安黃土地層

3.3.1 地質(zhì)水文情況

地質(zhì)主要為古土壤、老黃土、粉質(zhì)黏土、細砂、中砂和粗砂，土體密實。盾構(gòu)隧道通過斷面以老黃土、粉質(zhì)黏土、中細沙和粗砂為主，局部地段存在砂礫石、圓礫石，礫石粒徑為0.1～40 mm，缺黏性顆粒。隧道線路多數(shù)地層中缺水，水位線一般在隧道斷面底板以下［9］。地質(zhì)土樣見圖5。

圖5 土樣(粗砂、砂礫石)Fig.5 Soil sample

3.3.2 工程重難點

1)地層可掘性相對較差。由于屬于失水性砂礫土地層，以小粒徑砂礫石為主，若不用滾刀來切削，一般的切刀又切不動。

2)地層和易性差。對刀盤驅(qū)動扭矩要求高，對渣土改良系統(tǒng)要求多。

3.3.3 采取的主要設(shè)計對策和施工技術(shù)措施

1)結(jié)合砂卵石地層刀盤設(shè)計經(jīng)驗［10］，如圖6所示，設(shè)計采用輻條式加小面板刀盤，并采用大開口率(約46%)，以撕裂刀和重型切刀為切削刀具。

2)采用660 kW的變頻電機驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，能力足夠。

3)渣土改良系統(tǒng)配備泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)和加水系統(tǒng)，在降低刀盤旋轉(zhuǎn)阻力矩的同時，滿足不同地層的要求。

圖6 盾構(gòu)全貌Fig.6 EPB shield machine

3.3.4 實施效果

該項目選用的重型刀具能夠滿足切削砂礫石土層的需要，設(shè)備故障率低。由于在一開始對無水砂礫石地層掘進和渣土改良作用認識不足，僅用泡沫劑和水來改良地層，出現(xiàn)刀盤扭矩高達5 000 kN·m，推進速度只有2～5mm/min，推進力達到30 000kN，而且由于掘進時間過長，主軸承齒輪油溫度、渣土溫度和螺旋機齒輪油溫度遠高于平常，達60～70℃，每天只有1環(huán)的進度，地面還不時出現(xiàn)異常沉降，基本無法掘進，還曾一度認為是盾構(gòu)設(shè)備本身驅(qū)動能力和破巖能力不足造成。在采用膨潤土泥漿進行渣土改良后，刀盤扭矩下降到3 300～4 500 kN·m，掘進速度最高達到55 mm/min，每天6～8環(huán)的進度，地面沉降在允許范圍內(nèi)。設(shè)備和渣土等各種溫度也趨于正常，掘進施工變得順利起來。

該項目最大的收獲是，盾構(gòu)能夠滿足失水性黃土、沙土地層的掘進。膨潤土泥漿改良地層是一種非常適合的施工技術(shù)措施。

3.4 大連鈣質(zhì)板巖地層

3.4.1 地質(zhì)水文情況

盾構(gòu)穿越的地層主要為風化灰綠巖、碎裂巖和鈣質(zhì)板巖，以鈣質(zhì)板巖居多，其強度在70 MPa以下，能夠自穩(wěn)，巖體韌性高;地下水為孔隙水和基巖裂隙水，水量由弱富水到富水，水位高程為2.8～9.2m，最高水位在隧道斷面中部。

3.4.2 工程重難點

1)盾構(gòu)在一定長度內(nèi)要敞開式掘進，對刀盤及刀具要求高。鈣質(zhì)板巖(見圖7)具有一定強度，具有自穩(wěn)性，盾構(gòu)掘進在很大程度上類似于硬巖掘進，雖然巖性偏軟，但掘進中的振動依舊會非常大，對刀具的損壞比較大。

2)要求刀盤刀具、螺旋機具有耐磨性。硬巖掘進采用螺旋機出渣，會加快各表面的磨損，而且有一個出渣效率與磨損速率相匹配的設(shè)計問題。

3)地下水的影響大。由于存在反坡掘進，若地下水過大，不僅掘進困難，而且水流會造成碴土中僅有的一點細顆粒被沖走，留下來的碴土(大塊巖碴)會堆積在刀盤下半部分，不容易被輸送走，還會造成刀具損壞加劇，導致螺旋機卡軸。

4)有地層坍塌風險。若碎裂巖地段(見圖8)有過多地下水時，地層會很不穩(wěn)定，若掘進控制不當，地層有坍陷的可能。

3.4.3 采取的設(shè)計對策和施工技術(shù)措施

1)設(shè)計采用土壓平衡盾構(gòu)(見圖9)，采用復合刀盤，開口率約30%，配置滾刀、重型刮刀和切刀，刀盤采用變頻電機驅(qū)動，功率為660 kW，直徑3 m主軸承。

2)刀盤面板、刀具和螺旋機都有耐磨設(shè)計，能夠滿足一定施工長度的不維修的要求。

3)盾構(gòu)設(shè)計配有膨潤土和泡沫等渣土改良系統(tǒng)。

4)掘進過程中若出現(xiàn)地下水以排為主。由于鈣質(zhì)板巖地層相對完整性好，即使出現(xiàn)地下水也能夠自穩(wěn)。此時地下水通過盾構(gòu)土艙隔板設(shè)計的排水閥可以自動排到前盾下部區(qū)域，然后通過水泵抽走。在碎裂巖地段，若有地下水，地層又不穩(wěn)定時，則采取土壓平衡模式掘進，以勻速快速通過為原則。同時注意控制好土艙壓力和出渣土速度的平衡，以保證掘進順利進行。

5)在地下水小的鈣質(zhì)板巖段掘進時，可向刀盤前后和土艙內(nèi)輸入一定的膨潤土泥漿來改良板巖巖碴，以減少其對盾構(gòu)的磨損，提高出碴效率。

鈣質(zhì)板巖地段的巖碴如圖10所示，都是塊狀巖碴。

3.4.4 項目實施情況

該類型盾構(gòu)2臺分別于2011年3月初和9月初始發(fā)掘進，項目累計掘進1 636m左右，總體施工順利。第1臺盾構(gòu)在穩(wěn)定性好的輝綠巖和板巖中掘進，實際地質(zhì)與預測的相近，期間也遇到過水量豐富和水壓大的問題，在采取以排為主的施工措施后，施工順利進行。第2臺盾構(gòu)在始發(fā)后即遇到大水量和高硬度的鈣質(zhì)板巖段，實際地質(zhì)變化較大，地質(zhì)完整性好，強度在50 MPa以上，出現(xiàn)了部分刮刀與切刀的合金塊剝落現(xiàn)象，在不斷的停機排水過程中，排出的地下水把巖碴中的細顆粒也同時帶走，造成粗顆粒居多的巖碴不利于輸送，出碴輸送效果不好，螺旋機葉片和筒體內(nèi)壁磨損速度加快，出現(xiàn)合金塊掉落的現(xiàn)象，在采用整體耐磨鋼條取代合金塊后該問題得以解決。

4 結(jié)論與討論

在上述4種典型地層中采用盾構(gòu)施工，都取得了良好的效果。由于工程地質(zhì)及水文條件的不同，設(shè)計采用的盾構(gòu)類型其設(shè)備系統(tǒng)配置也不同;即使在同一工程項目中，對不同的地質(zhì)情況，同一臺盾構(gòu)掘進施工中采取的掘進參數(shù)和施工技術(shù)措施也不一樣，必須適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，采用合適的掘進參數(shù)和施工措施，才能保證掘進施工的順利進行。

隨著國內(nèi)機械、液壓、流體、電子和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)技術(shù)將日益成熟，盾構(gòu)設(shè)備研制技術(shù)將得到更大的提高，如果同一種類型盾構(gòu)能夠一機多用，一機不同地域、不同地層使用，這樣可以大大提高其使用效率，減少資源配置和投資浪費。具有復雜地質(zhì)適應(yīng)性的復合盾構(gòu)將會被越來越重視，前景也越來越廣闊。

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［11］ 大連市勘察測繪研究院有限公司.大連地鐵2號線第一標段詳勘報告［R］.大連:勘察測繪研究院有限公司，2009.