武漢地鐵湖新區(qū)間盾構(gòu)選型技術(shù)研究

王延輝　徐向前

摘要：針對(duì)湖新區(qū)間隧道工程的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，結(jié)合水土壓力、工程籌劃、工期要求、區(qū)間穿越建筑物的沉降控制、土壓盾構(gòu)的輔助措施等方面進(jìn)行分析，提出適合本區(qū)間隧道工程使用的盾構(gòu)機(jī)型，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵區(qū)間；富水砂層；高水壓；盾構(gòu)選型

0.引言

隨著城市地鐵的建設(shè)，區(qū)間隧道不可避免的需要下穿區(qū)間線路上的建筑物、構(gòu)筑物，對(duì)于基礎(chǔ)埋深較大，或已建成的地下通道、隧道而言，地鐵隧道往往需要下穿，從而造成地鐵區(qū)間埋深加大；若遇高水壓、強(qiáng)滲透性地層，往往會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的保壓能力帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。此前，武漢地鐵沿用穿江越海選用泥水盾構(gòu)，其他區(qū)間選用土壓盾構(gòu)的傳統(tǒng)選型模式。但湖新區(qū)間需要下穿已運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)江隧道行車道，區(qū)間埋深達(dá)33m，主要穿越強(qiáng)透水細(xì)砂、粉細(xì)砂地層，區(qū)間緊鄰沙湖及長(zhǎng)江，水力聯(lián)系緊密。本文從水土壓力、建筑物沉降、地層滲透性等方面進(jìn)行分析，提出適用于該區(qū)間的盾構(gòu)機(jī)型。

1.工程概況

湖新區(qū)間為左右兩條平行隧道，區(qū)間隧道長(zhǎng)1.8km，隧道縱坡28‰，最小曲線半徑500m，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用通用楔形環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝，管片外徑6.2m，管片厚度350mm，環(huán)寬1.5m，全環(huán)分6塊，混凝土強(qiáng)度C50。

1.1區(qū)間穿越地層及地下水情況

湖新區(qū)間洞身主要穿越粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土夾粉土互層、粘土等地層；地下水分布主要為上層滯水及承壓水，上層滯水，水位不連續(xù)，無(wú)統(tǒng)一自由水面，上層滯水埋深1.6～3.2m。

孔隙承壓水主要賦存于（3-5）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層及（4）單元砂性土中，上覆黏性土及下伏基巖為相對(duì)隔水層頂板、底板。含水層厚度一般為20～40m，含水層滲透性一般隨深度遞增與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，呈互補(bǔ)關(guān)系，區(qū)間隧道穿越地層主要為孔隙承壓水。承壓水位距地面10～11m。

1.2土層滲透性

根據(jù)滲透試驗(yàn)資料分析，粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層滲透系數(shù)為0.8～1.0×10-2 cm/s，粉細(xì)砂地層滲透系數(shù)為1.0×10-2 cm/s，細(xì)砂地層滲透系數(shù)2.7×10-2cm/s，粉土、粉砂互層為中等透水地層，粉細(xì)砂、細(xì)砂為強(qiáng)透水地層。湖新區(qū)間互層土占16%，粉細(xì)砂地層站20%，細(xì)砂地層占38%，即強(qiáng)透水地層占區(qū)間地層的58%。

1.3地層巖性及顆粒含量

根據(jù)不同地層統(tǒng)計(jì)分析，細(xì)砂地層占區(qū)間長(zhǎng)度的38%，細(xì)砂、粉細(xì)砂占地層的20%，粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層土占地層比例的21%，粘土、粉質(zhì)粘土占地層比例的21%。

地層顆粒級(jí)配分析統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

由地層顆粒級(jí)配可以看出，3-5地層中黏粒含量為30%，4-1b地層中黏粒含量位25.5%。4-1中黏粒含量位12.87%，4-3中黏粒含量位11.98%。

1.4區(qū)間穿越建筑物情況

（1）區(qū)間下穿長(zhǎng)江隧道進(jìn)出口匝道，下穿長(zhǎng)江隧道主隧道，該位置隧道埋深33m，區(qū)間穿越地層為中砂；

（2）左線區(qū)間側(cè)穿沙湖大橋；

（3）區(qū)間下穿武九鐵路橋。

1.5掘進(jìn)指標(biāo)

擬投入2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)間隔1個(gè)月，分別從湖北大學(xué)站始發(fā)，區(qū)間施工時(shí)間5個(gè)月。

進(jìn)度指標(biāo)：1800÷5=360m/月。

2.盾構(gòu)選型基本要求及工作機(jī)理

針對(duì)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)的調(diào)查分析，針對(duì)湖新區(qū)間的盾構(gòu)法施工，在滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)型及工程工期要求的前提下，盾構(gòu)選型需滿足以下幾個(gè)原則：

（1）具備承受高水壓、土壓的保壓能力（0.46MPa）；

（2）能夠滿足湖新區(qū)間穿越不同地層的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的地層的施工需要。

土壓平衡盾構(gòu)是利用安裝在盾構(gòu)最前面的全斷面切削刀盤，將正面土體切削下來(lái)進(jìn)入刀盤后面的土倉(cāng)內(nèi)，并使土倉(cāng)具有適當(dāng)壓力與開(kāi)挖面水土壓力平衡，以減少盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地層土體的擾動(dòng)，從而控制地表沉降，在出土?xí)r由安裝在土倉(cāng)下部的螺旋運(yùn)輸機(jī)向排土口連續(xù)的將土渣排出。

泥水平衡盾構(gòu)是通過(guò)支承環(huán)前面裝置隔板的密封倉(cāng)中，注入適當(dāng)壓力的泥漿使其在開(kāi)挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，與泥水混合后，形成高密度泥漿，由排漿泵及管道輸送至地面處理，盾構(gòu)出土由泥水管道輸送，速度快而連續(xù)；工進(jìn)度快；刀具、刀盤磨損小，易于長(zhǎng)距離盾構(gòu)施工；缺點(diǎn)是需要較大規(guī)模的泥水處理設(shè)備及設(shè)置泥水處理設(shè)備的場(chǎng)地。

3.湖新區(qū)間盾構(gòu)選型分析

3.1地層滲透性

地層滲透系數(shù)對(duì)于盾構(gòu)的選型是一個(gè)很重要的因素，根據(jù)國(guó)內(nèi)外施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)小于10-4m/s且水頭小于0.3MPa時(shí)比較適宜選用土壓盾構(gòu)，當(dāng)?shù)貙訚B透性在10-4m/s～10-7m/s時(shí)即可選用土壓盾構(gòu)也可選用泥水盾構(gòu)。當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)大于10-4m/s宜選用泥水盾構(gòu)，地層的滲透性與盾構(gòu)選型的關(guān)系見(jiàn)圖2。

本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地層以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，屬?gòu)?qiáng)透水地層，滲透系數(shù)Kv=1.0～3.0×10-2 cm/s，

土壓盾構(gòu)在滲透系數(shù)大的地層中掘進(jìn)時(shí)，對(duì)高水壓適應(yīng)性差，螺旋輸送機(jī)無(wú)法保證正常的壓力梯降，不能形成有效的土塞效應(yīng)，易產(chǎn)生渣土噴涌現(xiàn)象，泥水盾構(gòu)對(duì)高水壓、強(qiáng)滲透性地層適應(yīng)性好；能夠滿足安全要求。

所以在地層滲透系數(shù)方面，推薦選用泥水盾構(gòu)。

3.2水土壓力的影響

當(dāng)水壓大于0.3MPa時(shí)，因土壓盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象，引起土倉(cāng)壓力下降，導(dǎo)致開(kāi)挖面失穩(wěn)、坍塌。

本工程拱頂最大水土壓力為0.34MPa，隧道底最大水土壓力為：0.46MPa

使用泥水盾構(gòu)，由于采用管道輸送系統(tǒng)將開(kāi)挖后的土渣成泥水排出，所以不會(huì)產(chǎn)生水及土砂的噴涌。只要通過(guò)對(duì)泥水壓力及流量的正確管理，完全能保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定。因此宜采用泥水盾構(gòu)。

結(jié)論：在水土壓力方面，宜選用泥水盾構(gòu)。

3.3地層顆粒成分影響

由表2可以看出，粘性地層顆粒粒徑小于0.075mm的比例約占20%，砂性地層顆粒粒徑小于0.075mm的比例約占10%。

對(duì)湖新區(qū)間地層顆粒成分的統(tǒng)計(jì)并形成樣件曲線，盾構(gòu)選型與顆粒級(jí)配的關(guān)系詳見(jiàn)圖3。

上圖左邊區(qū)域?yàn)槁咽[石粗砂區(qū)，為泥水平衡盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍。右邊區(qū)域?yàn)榧?xì)砂淤泥粘土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍。中間為泥水及土壓均適合的區(qū)域。

從上圖盾構(gòu)主要穿越的地層顆粒級(jí)配曲線分析，在地層顆粒方面土壓及泥水盾構(gòu)基本都能夠滿足要求。

結(jié)論：從地層顆粒成分角度，土壓及泥水盾構(gòu)均適用于本標(biāo)段。

4.影響盾構(gòu)選型的其他因素

4.1盾構(gòu)選型對(duì)長(zhǎng)江隧道的影響分析

湖北大學(xué)～新河街區(qū)間需下穿長(zhǎng)江隧道進(jìn)出匝道及主行車道，長(zhǎng)江隧道抗拔樁底距隧道頂部間距4.6m，位于細(xì)砂地層中，該位置最大水土壓力0.46MPa，土壓盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)無(wú)法保壓，將造成噴涌、同時(shí)造成隧道頂部坍塌，危及長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)及行車安全。采用泥水盾構(gòu)完全可以控制沉降，保證長(zhǎng)江隧道結(jié)構(gòu)安全。

4.2土壓盾構(gòu)輔助措施分析

在富水粉細(xì)砂、細(xì)砂地層中，渣土中沒(méi)有足夠多的細(xì)顆粒（粘土）物質(zhì)，顆粒間隙較大，這些間隙高水頭壓力的地下水通道，土壓盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，砂性土無(wú)法糅合成流塑或軟塑固體，在土倉(cāng)內(nèi)就會(huì)形成“水是水、渣是渣”的狀態(tài)，在此情況下，螺旋輸送機(jī)就成為高壓水的通道，一旦打開(kāi)螺旋輸送機(jī)的閘門就會(huì)有高壓渣水噴射出來(lái)，造成掌子面坍塌，地表塌陷。

輔助措施的目的：

（1）使渣土形成流塑狀態(tài)，易于傳遞及攪拌；

（2）使渣土具有不透水性、不發(fā)生噴涌，以便于出土。

4.2.1雙螺旋輸送機(jī)

雙螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)在一定程度上可以控制噴涌，該設(shè)計(jì)僅在成都地鐵個(gè)別設(shè)備上安裝，但沒(méi)有使用，目前無(wú)成功案例，同時(shí)雙螺機(jī)需要同步進(jìn)行渣土改良配合。

4.2.2保壓泵

保壓泵最大理論輸出量為120m3/h，最大有效輸出量為60～70m3/h；而螺旋輸送機(jī)的輸送能力為300m3/h；同時(shí)，保壓泵對(duì)于過(guò)渣粒徑有一定適應(yīng)性，經(jīng)調(diào)查50～100mm的渣塊即可堵塞保壓泵，造成泵體無(wú)法工作。

經(jīng)調(diào)查，保壓泵在廣州地鐵進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，因泵渣能力受限，且易堵塞，后被放棄。

對(duì)于360m/月的掘進(jìn)指標(biāo)，保壓泵顯然無(wú)法滿足施工進(jìn)度要求。

4.2.3高分子聚合物

高分子聚合物在理論及室內(nèi)試驗(yàn)取得過(guò)較好的效果，但在施工生產(chǎn)方面，受注入條件及操作人員人為因素，存在一定不確定性，偶然發(fā)生的聚合物渣土改良失誤在高水壓下即可發(fā)生噴涌的嚴(yán)重后果。

5.盾構(gòu)類型的確定

綜上所述，針對(duì)本項(xiàng)目標(biāo)段，從隧道施工安全、高效的角度考慮，綜合地質(zhì)適應(yīng)性、高水壓、高透水性、深覆土、管線、區(qū)間穿越建筑物等方面分析得出泥水平衡盾構(gòu)可以滿足本工程需要。

6.結(jié)論及建議

湖新區(qū)間采用泥水盾構(gòu)是可行的，也是目前唯一適應(yīng)高水壓、強(qiáng)透水地層并快速掘進(jìn)的方案。

從該區(qū)間的盾構(gòu)機(jī)選型可以看出，盾構(gòu)機(jī)選型需要從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地層滲透性、水土壓力、工程環(huán)境、工期工效、施工安全性等多方面進(jìn)行對(duì)比分析，而不僅僅是從工程投資角度或穿江越海及陸地等粗線條劃分，往往施工的安全性及工期的可靠性才是盾構(gòu)選型的首選。

泥水盾構(gòu)在湖新區(qū)間的適應(yīng)性，還需要進(jìn)一步的工程實(shí)踐。