大埋深長距離輸水隧洞工程的盾構(gòu)機選型

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆某長距離輸水隧洞SS段后段地質(zhì)條件復雜，分布著極軟巖、中強膨脹性巖體、沖洪積覆蓋層、含水富水層等多種復雜地層和不良地質(zhì)條件，平均埋深71 m。采用鉆爆法及盾構(gòu)法施工均可行，考慮施工工期及安全風險等方面因素，最終確定采用3臺盾構(gòu)機結(jié)合鉆爆法施工，其中盾構(gòu)段長19 km。由于該段地質(zhì)條件復雜，且埋深大、距離長，國內(nèi)無類似已建或在建工程，為保證隧洞施工的可靠性，盾構(gòu)機選型至關(guān)重要。

1 工程地質(zhì)

1.1 盾構(gòu)1段

1.1.1 樁號72+400—77+362段

該段沿線為山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。洞身段穿過巖性以白堊土黃—紅黃色砂巖為主，局部夾砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂礫巖，屬極軟巖。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，水位高于隧洞頂部37.7～71.3 m，對混凝土具有強腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚63～75 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內(nèi)。圍巖天然含水率16.0%～25.0%，飽和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，飽和密度2.10～2.39 g/cm3，滲透系數(shù)6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為83%～98%，屬中—強膨脹巖，自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形。

1.1.2 樁號77+362—78+300段

該段沿線為山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。洞身段穿過巖性以白堊土黃—紅黃色砂巖為主，局部夾砂巖、泥質(zhì)砂礫巖，屬極軟巖。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，對混凝土具有腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚66 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內(nèi)。圍巖大多較完整，為Ⅴ類圍巖。天然含水率16.0%～25.0%，飽和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，飽和密度2.10～2.39 g/cm3，滲透系數(shù)6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為83%～98%，屬中—強膨脹巖，自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形。

1.2 盾構(gòu)2段

1.2.1 樁號78+400—79+208段

該段工程地質(zhì)與樁號77+362—78+300段相同。

1.2.2 樁號79+208—82+735段

該段沿線為山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。隧洞上覆巖體厚61～64 m，洞身段穿過的巖性以新近系紅色、灰色砂巖為主，局部夾泥巖、泥質(zhì)砂巖，屬極軟巖。砂巖呈巨厚層狀，泥巖、泥質(zhì)砂巖呈中厚層狀。巖層總體產(chǎn)狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°。除樁號66+015.307處附近發(fā)育F92活動斷層（紙房斷裂）外，其他地段斷層及節(jié)理裂隙不發(fā)育。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，水位高于隧洞頂部41.2～60.3 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

洞身附近圍巖天然含水率10.0%～17.0%，飽和含水率14.3%～19.7%，天然密度2.05～2.15 g/cm3，干密度1.85～1.94 g/cm3，飽和密度2.15～2.23 g/cm3，滲透系數(shù)6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為40%～67%，屬弱膨脹巖。洞段自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形，建議在開挖中采取短進尺、強支護、快襯砌方法施工。F92斷層斷裂活動對圍巖一般不會產(chǎn)生突發(fā)性大的剪切破壞，主要產(chǎn)生變形破壞，建議采取抗變形措施。

1.2.3 樁號82+735—84+500段

該段沿線為山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。地表分布第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)洪積含礫粉土層，一般厚2.0～78 m。洞身段穿過的巖性以新近系紅色、灰色泥巖為主，局部夾泥質(zhì)砂巖，屬極軟巖。砂巖呈巨厚層狀，泥巖、泥質(zhì)砂巖呈中厚層狀，巖層總體產(chǎn)狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°。斷層及節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為泥質(zhì)砂巖，水位高于隧洞頂部54.7～60.9 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚63～76 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內(nèi)。圍巖屬極軟巖，大多較完整，為Ⅴ類圍巖。圍巖泥巖的天然含水率17.0%～22.4%，飽和含水率19.7%～25.0%，天然密度2.03～2.11 g/cm3，干密度1.65～1.77 g/cm3，飽和密度2.07～2.12 g/cm3。泥巖的自由膨脹率一般為45%～70%，屬弱膨脹巖。自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形。

1.3 盾構(gòu)3-1段

該段沿線為山前沖洪積扇區(qū)，地勢由北向南傾斜。隧洞上覆巖土厚度30～65 m，洞身段穿過巖性分別為：樁號103+184.708—103+494段處于新近系泥質(zhì)砂礫巖內(nèi)，屬Ⅴ類圍巖；103+494—105+263段處于第四系上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)洪積（Q3+4pl）含土角礫夾含礫黏土質(zhì)砂層內(nèi)，屬Ⅴ類圍巖；105+263—105+471段處于下石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖內(nèi)，屬Ⅲ類圍巖；105+471—105+555段處于新近系泥質(zhì)砂礫巖內(nèi)，屬Ⅴ類圍巖。新近系泥質(zhì)砂礫巖屬于極軟巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育。含土角礫層最大粒徑＜60 mm，角礫含量占50%～60%，土占10%～15%，干密度2.0～2.05 g/cm3，相對密度0.85，結(jié)構(gòu)密實，滲透系數(shù)6.2×10-2cm/s，屬強透水層。下石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖和凝灰角礫巖，巖體主要呈巨厚層狀，屬堅硬巖，與洞軸線夾角約50°，石英含量一般＜5%。地下水均為松散類孔隙潛水，水位埋深一般12～45 m，水位高于隧洞頂部11～20 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形和突水、突泥現(xiàn)象。

1.4 盾構(gòu)3-2段

1.4.1 樁號85+500—89+273段

該段工程地質(zhì)與樁號82+735—84+500段相同。

1.4.2 樁號89+273—90+480段

該段沿線為山前沖洪積扇區(qū)，地勢由北向南傾斜。隧洞上覆蓋層厚86～112 m，洞身段穿過的巖性均為第四系上更新統(tǒng)洪積含碎石黏土層。碎石粒徑＜40 mm，含量占35%～40%，砂與土各占30%左右，密實，未膠結(jié)，干密度1.90 g/cm3，飽和密度2.10 g/cm3，滲透系數(shù)2.54×10-2cm/s，屬強透水層。地下水均為松散類孔隙潛水，水位高于隧洞頂部57～59 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。圍巖屬極軟巖，為Ⅴ類圍巖，自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形和突水、突泥現(xiàn)象。

2 盾構(gòu)機選型因素

不同類型盾構(gòu)機其適用的地質(zhì)范圍各不相同。因此，應根據(jù)地質(zhì)條件，選擇與之相適應的盾構(gòu)機類型。該SS段后半段輸水隧洞盾構(gòu)區(qū)間穿越極軟地層，圍巖具有不穩(wěn)定性，使用的盾構(gòu)機類型為密閉型的土壓平衡盾構(gòu)機或泥水平衡盾構(gòu)機。

2.1 土壓平衡盾構(gòu)機

該類型盾構(gòu)機優(yōu)點有：①工程成本低：本身造價相對泥水盾構(gòu)機價格低，且無需復雜的泥水處理系統(tǒng)，占地面積小、設(shè)備投入少、成本低；②出土效率高：盾構(gòu)機只是對渣土性能的改良，不存在泥裝分離處理工序，排土效率高；③適用地層范圍寬：目前土壓平衡盾構(gòu)機對所有地層均適用。

該類型盾構(gòu)機存在缺點有：①掘削扭矩大：改良土體時所添加材料的相對密度比土層的要大，對地層的浸滲作用小，刀盤的掘削摩阻力增大即刀盤扭矩大，導致盾構(gòu)機的裝備扭矩大、功耗大；②地層沉降變化大：相對于泥水平衡盾構(gòu)機來說，對周圍地層的擾動較大；③直徑不宜過大，否則會對地層變形影響加劇，目前最大僅為11 m。

2.2 泥水平衡盾構(gòu)機

該類型盾構(gòu)機優(yōu)點有：①對地層的擾動?。浩湓硎抢媚嗨畨簩归_挖面的水壓、土壓，同時泥漿在開挖面處滲入地層并形成不透水泥膜，刀盤對地層的擾動小，開挖后需注漿加固的部位少且注漿量小，有利于控制成本，減少環(huán)境污染；②適用于特殊的高地下水壓：在江底、河底、海底隧道施工中，可通過選用面板型刀盤來增加開挖面的穩(wěn)定性，另外盾構(gòu)機的泥水壓力與地下水壓形成相互平衡，開挖面穩(wěn)定性可靠；③適于大直徑化：泥水浸泡使掘削地層存在不同程度的松軟，開挖時的刀盤切削扭矩小，同樣扭矩驅(qū)動設(shè)備條件下，泥水平衡盾構(gòu)機的直徑要比土壓平衡盾構(gòu)機大；④掘進中盾殼擺動?。河捎诘貙邮艿浇葑饔?，刀盤所受的切削阻力小，盾構(gòu)機的姿態(tài)容易控制，水平、豎直擺動較小；⑤適用地層范圍廣：適用的土質(zhì)從軟黏土層、滯水細砂層、砂礫層一直到漂礫層，甚至包括固結(jié)游泥層及含甲烷氣體的特殊地層等，最適于在洪積層砂性土中施工。

2.3 盾構(gòu)機選型的主要方法

盾構(gòu)機選型除對土質(zhì)條件、地下水進行勘察外，還應對占地環(huán)境做充分勘察，依據(jù)有：①工程地質(zhì)條件、巖性（抗壓、抗拉、粒徑、成層等各參數(shù)）；②開挖面穩(wěn)定措施；③隧道埋深、地下水位；④設(shè)計隧道斷面；⑤環(huán)境條件（附近管線和建筑物及其結(jié)構(gòu)特性）；⑥襯砌類型；⑦工期；⑧造價；⑨宜用的輔助工法；⑩設(shè)計路線、線形、坡度、電氣及其他設(shè)備條件。

基于以上依據(jù)，盾構(gòu)機選型的主要方法為：①根據(jù)地層滲透系數(shù)：該段地層多為泥巖和泥質(zhì)砂巖，宜優(yōu)先選用土壓平衡盾構(gòu)機。②根據(jù)地層顆粒級配：黏土、淤泥質(zhì)土區(qū)適用土壓平衡盾構(gòu)機，礫石粗砂區(qū)適用泥水平衡盾構(gòu)機，粗砂、細砂區(qū)適用泥水及改良后的土壓平衡盾構(gòu)機。③根據(jù)地層類別：土壓平衡盾構(gòu)機的工作原理是在開挖掘進時，刀盤切削的渣土進入土倉后經(jīng)螺旋輸送機輸出，因為螺旋輸送機渣土出口為斜起向上一定角度，渣土在螺旋輸送機內(nèi)會形成壓力遞降而保持土倉壓力穩(wěn)定，其主要適用于流塑性較好的土層中施工，易使開挖面土層處于穩(wěn)定。泥水平衡盾構(gòu)機工作原理是采用泥漿作為支護材料，利用循環(huán)泥漿將開挖的渣土顆粒懸浮并輸送至泥水室內(nèi)，再通過處理設(shè)備將泥水和渣土分離；在開挖面上形成不透水的泥膜，保持水壓力，以平衡土壓力和水壓力。一般而言，泥水平衡盾構(gòu)機適合切削渣土顆粒比較大的地層。

3 各段盾構(gòu)機選型

3.1 盾構(gòu)1段

從地層滲透系數(shù)考慮，圍巖屬中等透水層，滲透系數(shù)接近10-7m/s，適用土壓平衡盾構(gòu)機。隧道施工中僅有滲水、線狀流水現(xiàn)象，最大涌水量僅924 m3/h，水量不大，且可使開挖面土體流塑性增大，減小盾構(gòu)機殼體與地層間的摩阻，有利于盾構(gòu)機掘進。

從洞身巖性角度考慮，洞身穿越巖性以砂巖、泥巖為主，細顆粒含量較多，渣土較易形成不透水的流塑體，易充滿土艙，從而建立平衡壓力，較適宜采用土壓平衡盾構(gòu)機。

從地下水壓力角度考慮，泥水平衡盾構(gòu)機和土壓平衡盾構(gòu)機對地下承壓水的適應能力基本相當。對于后者而言，當水壓大時，螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，在輸送機排土閥門處易發(fā)生水土噴涌，引起土倉中土壓力下降，導致開挖面坍塌；需在螺旋輸送機出口處安裝保壓泵，同時還可采用多級螺旋輸送機出土，降低出口處水壓力。在高地下水壓、細泥沙、中粗沙和礫石層地層中掘進時，可在螺旋輸送機上布置注漿孔，注入聚合物與渣土混合，形成不透水的混合渣體，控制渣土安全排出。該段最大孔隙裂隙水壓為0.43 MPa，而土壓平衡盾構(gòu)機能夠承受的水壓可以達到0.6 MPa。因此，泥水平衡盾構(gòu)機和土壓平衡盾構(gòu)機均適用。

從環(huán)境保護角度考慮，土壓平衡盾構(gòu)機掘進渣土可直接棄渣，施工場地小，對周圍環(huán)境影響小；而泥水平衡盾構(gòu)機需要在地面占用較多的場地來布置泥水處理系統(tǒng)，同時還要布置廢漿棄置場地，會造成很大的環(huán)境污染。

從工程成本角度考慮，泥水平衡盾構(gòu)機泥水分離及泥漿輸送系統(tǒng)管理復雜、造價高、耗電量大、運行費用高，成本高于土壓平衡盾構(gòu)機。

綜合以上幾點，盾構(gòu)1段適合采用土壓平衡盾構(gòu)機。

3.2 盾構(gòu)2段

該段與盾構(gòu)1段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)類似，圍巖為中等透水層，隧道施工中僅有滲水、線狀流水現(xiàn)象，最大涌水量為1 961 m3/h；洞身巖性以砂巖、泥巖為主；最大孔隙裂隙水壓為0.36 MPa。選型分析類似盾構(gòu)1段，亦適合采用土壓平衡盾構(gòu)機。

3.3 盾構(gòu)3-1段

從地層滲透系數(shù)考慮，圍巖為強透水層，滲透系數(shù)6.2×10-5m/s，泥水、土壓平衡盾構(gòu)機均適用。隧道施工有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現(xiàn)象，最大涌水量達到2 087 m3/h，水量很大，使用土壓平衡盾構(gòu)機時應注意防噴涌措施。

從洞身巖性角度考慮，該段穿越地層巖性主要為泥質(zhì)砂礫巖、含土角礫夾含礫黏土質(zhì)砂層、凝灰質(zhì)砂巖，含土角礫層，最大粒徑＜60mm，角礫含量占50%～60%，顆粒粒徑較大，適宜采用泥水平衡盾構(gòu)機。但根據(jù)國內(nèi)外工程實例，通過渣土改良等技術(shù)，土壓平衡盾構(gòu)機在大粒徑卵石土地層中亦有良好適應性。因此，土壓、泥水平衡盾構(gòu)機均適用。

從地下水壓力角度考慮，該段最大孔隙裂隙水壓為0.18 MPa，兩者均適用。

綜合以上分析，該段土壓及泥水平衡盾構(gòu)機均適用?？紤]到環(huán)保和工程成本，更適宜采用土壓平衡盾構(gòu)機，且考慮到可能出現(xiàn)的噴涌問題，應選用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。

3.4 盾構(gòu)3-2段

該盾構(gòu)段地質(zhì)條件變化較大，分兩段討論。

3.4.1 樁號85+500—89+273段

根據(jù)地勘報告，該段地質(zhì)條件與盾構(gòu)2段樁號82+735—84+500段相同，較適合采用土壓平衡盾構(gòu)機。

3.4.2 樁號89+273—90+480段

從地層滲透系數(shù)考慮，圍巖屬強透水層，滲透系數(shù)2.54×10-5m/s，泥水、土壓平衡盾構(gòu)機均適用。隧道施工中有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現(xiàn)象，最大涌水量約2 390 m3/h，水量很大，使用土壓平衡盾構(gòu)機時應注意防噴涌措施。

從洞身巖性角度考慮，該段洞身穿越巖性為含碎石黏土層，地層中顆粒粒徑不大，渣土能形成不透水的流塑體，易充滿土艙，建立壓力平衡。若采用泥水平衡盾構(gòu)機，需在地面布置泥水分離和調(diào)漿制漿裝置和沉淀池，易造成環(huán)境污染問題，因此較適宜選用土壓平衡盾構(gòu)機。

從地下水壓力角度考慮，該盾構(gòu)段最大孔隙裂隙水壓為0.47 MPa，泥水平衡盾構(gòu)機和土壓平衡盾構(gòu)機均能適應。

綜合以上分析，盾構(gòu)3-2段適合采用土壓平衡盾構(gòu)機，考慮到可能出現(xiàn)的噴涌問題，應選用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機。

4 結(jié)語

盾構(gòu)機選型需要考慮的因素較多，針對工程特點，應先從主要因素進行分析對比，其中地層的滲透系數(shù)、穿越地層的巖性、地下水等影響較大，再結(jié)合現(xiàn)場占地環(huán)境等其他因素綜合考慮，最終確定盾構(gòu)機選型。