灰?guī)r與粉砂巖復(fù)合地層雙模盾構(gòu)選型技術(shù)研究

江益輝，楊延棟，孫 彰，王承山，蔣偉強(qiáng)

（1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.深圳鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；4.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

城市地面可利用空間嚴(yán)重不足，修建地下隧道已成為發(fā)展城市交通的重要舉措。然而，我國(guó)華南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，用于隧道修建的盾構(gòu)需要穿越的地層復(fù)雜多變，傳統(tǒng)單一模式的盾構(gòu)裝備難以適應(yīng)復(fù)雜地層隧道施工需求，尤其是灰?guī)r巖溶地層易導(dǎo)致土壓盾構(gòu)噴涌失壓、泥水盾構(gòu)渣土滯排，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層易導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)泥餅?；?guī)r巖溶與粉砂巖復(fù)合地層對(duì)盾構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性提出了新的挑戰(zhàn)，有必要開(kāi)發(fā)該復(fù)合地層雙模盾構(gòu)的選型配置技術(shù)，為隧道順利穿越復(fù)雜地質(zhì)條件提供解決方案。

國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者對(duì)復(fù)合地層盾構(gòu)施工進(jìn)行了分析研究，無(wú)論采用單一模式的土壓平衡盾構(gòu)還是泥水平衡盾構(gòu)，均難以應(yīng)用灰?guī)r巖溶與粉砂巖復(fù)合地層噴涌失壓、渣土滯排、刀盤(pán)結(jié)泥餅等工程難題，針對(duì)深大城際2標(biāo)白大工作井—大運(yùn)站區(qū)間線隧道工程，開(kāi)展土壓/泥水雙模盾構(gòu)選型與配置技術(shù)研究，對(duì)于解決上述工程難題具有重要意義。

1 工程概況

粵港澳大灣區(qū)深圳都市圈寶安機(jī)場(chǎng)至大亞灣城際鐵路一期工程止于深圳聚龍站，線路全長(zhǎng)約68.8km。深大城際2 標(biāo)線路全長(zhǎng)約37.4km，該區(qū)間涉及五和站、白坭坑站、大運(yùn)站、坪山站（劃大鵬支線建設(shè)）、聚龍站5 座車站，5 座車站和6個(gè)工作井將深大城際2 標(biāo)劃分為10 個(gè)盾構(gòu)隧道區(qū)間，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑?9130mm，隧道成型直徑?8 000mm。

如圖1 所示，深大城際2 標(biāo)白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間線路全長(zhǎng)約5.2km，2 臺(tái)盾構(gòu)先后從大運(yùn)站始發(fā)，先穿越1.1km 的微風(fēng)化灰?guī)r，然后穿越長(zhǎng)度2.1km 的強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖（占比27%）、微風(fēng)化灰?guī)r（占比16%）、中風(fēng)化粉砂巖（占比31%)、微風(fēng)化粉砂巖（占比26%）的復(fù)合地層，最后在白大工作井接收。微風(fēng)化灰?guī)r巖石單軸抗壓強(qiáng)度21～57MPa、平均值為39MPa，實(shí)測(cè)巖體完整性指數(shù)平均值為0.59、巖體較完整，但存在大量巖溶；微風(fēng)化粉砂巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度32～94MPa、平均值為57MPa，實(shí)測(cè)巖體完整性指數(shù)平均值為0.56、巖體較完整；中風(fēng)化粉砂巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度18～58MPa、平均值為36MPa，實(shí)測(cè)巖體完整性指數(shù)平均值為0.50、巖體較破碎，存在碎裂巖。微風(fēng)化灰?guī)r巖溶地層實(shí)測(cè)滲透系數(shù)1.005m/d，中風(fēng)化粉砂巖碎裂巖地層滲透系數(shù)1.785m/d，這兩種地層透水性均較強(qiáng)。

圖1 白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

另外，盾構(gòu)還需要下穿鐵路、高速公路、地鐵管廊、地下管線、人行天橋、廠房等建（構(gòu)）筑物多次，在巖石地層地表沉降風(fēng)險(xiǎn)小，但在土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖（土質(zhì)地層）地表沉降風(fēng)險(xiǎn)極大。

2 雙模盾構(gòu)選型

2.1 盾構(gòu)選型要求

白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間盾構(gòu)穿越的地層可以歸納為3 類：土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層、中微風(fēng)化粉砂巖地層、富水巖溶和碎裂巖地層。盾構(gòu)在土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層掘進(jìn)，泥水平衡模式有利于控制地表沉降，土壓模式存在噴涌失壓風(fēng)險(xiǎn)，TBM 模式無(wú)法控制地表沉降；盾構(gòu)在中微風(fēng)化粉砂巖地層掘進(jìn)，TBM 模式掘進(jìn)效率更高，土壓模式下不帶壓掘進(jìn)也滿足掘進(jìn)需求；盾構(gòu)在富水巖溶和碎裂巖地層掘進(jìn)，土壓模式存在噴涌失壓?jiǎn)栴}，泥水模式存在渣土滯排問(wèn)題，TBM 模式更不能滿足掘進(jìn)需要。

2.2 盾構(gòu)機(jī)型選擇

為了滿足上述幾種地層下盾構(gòu)掘進(jìn)需要，選擇了土壓/泥水雙模盾構(gòu)；為了既滿足土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層地表沉降控制需求、又滿足富水巖溶和碎裂巖地層不噴涌、不滯排的需求，采用了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)，該土壓/泥水雙模盾構(gòu)壓力倉(cāng)隔板上并聯(lián)布置了螺旋機(jī)和排漿管，螺旋機(jī)尾部也布置了與之串聯(lián)的排漿管，可代替螺旋機(jī)尾部的皮帶機(jī)出渣。該土壓/泥水雙模盾構(gòu)包括3 種出渣模式：壓力倉(cāng)處排漿管直接出渣的泥水平衡模式、壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部排漿管出渣的泥水平衡模式、壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部皮帶出渣的土壓平衡模式。

2.3 串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)適應(yīng)性分析

盾構(gòu)在土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層掘進(jìn)時(shí)，地層穩(wěn)定性較差，控制地表沉降是該地層盾構(gòu)施工控制的重點(diǎn)；該地層下渣土粒徑小、泥水管路渣土滯排風(fēng)險(xiǎn)小，優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好地控制地表沉降。盾構(gòu)在中微風(fēng)化粉砂巖地層掘進(jìn)，地層穩(wěn)定性較好，提高出渣效率是該地層盾構(gòu)施工的重點(diǎn)；該地層下渣土粒徑大、泥水管路因滯排出渣效率低，優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。盾構(gòu)在富水巖溶和碎裂巖地層掘進(jìn)，既要避免土壓平衡模式噴涌失壓?jiǎn)栴}，又要防止直排泥水平衡模式渣土滯排問(wèn)題，因此優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部排漿管出渣的泥水平衡模式；該模式既能避免壓力倉(cāng)處渣土的滯排，又能防止螺旋機(jī)噴涌失壓。

綜上所述，串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)能夠滿足白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間灰?guī)r巖溶和粉質(zhì)砂巖復(fù)合的復(fù)雜地層施工。

3 土壓/泥水雙模盾構(gòu)設(shè)備配置

串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)主機(jī)設(shè)備主要由刀盤(pán)、前盾、中盾、盾尾、主驅(qū)動(dòng)、推進(jìn)油缸、鉸接油缸、管片拼裝機(jī)、進(jìn)漿管、螺旋機(jī)、排漿管（包括壓力倉(cāng)處排漿管、螺旋機(jī)尾部排漿管）、稀釋箱等組成，如圖2 所示。該土壓/泥水雙模盾構(gòu)與土壓或泥水單模盾構(gòu)最大的區(qū)別是出渣系統(tǒng)。

圖2 雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)主機(jī)配置示意圖

3.1 雙通道出渣系統(tǒng)配置

壓力倉(cāng)隔板底部螺旋機(jī)與排漿管并聯(lián)布置，兩根排漿管對(duì)稱布置于螺旋機(jī)出渣口兩側(cè)，如圖3 所示。螺旋機(jī)在壓力倉(cāng)內(nèi)設(shè)置1 道閘門(mén)，尾端設(shè)置2 道閘門(mén)，均能夠緊急關(guān)閉；螺旋機(jī)軸采用可伸縮設(shè)計(jì)，模式轉(zhuǎn)換時(shí)螺旋機(jī)軸前端可縮回至壓力倉(cāng)隔板后方，前端閘門(mén)關(guān)閉螺旋機(jī)進(jìn)渣口。

圖3 螺旋機(jī)與排漿管并聯(lián)布置示意圖

泥水平衡模式下壓力倉(cāng)由泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)構(gòu)成，二者通過(guò)聯(lián)通管連接，可通過(guò)氣墊倉(cāng)內(nèi)加入壓縮空氣或泥漿來(lái)控制泥水倉(cāng)壓力，也可通過(guò)泥水倉(cāng)內(nèi)注入泥漿直接控制泥水倉(cāng)壓力；排漿管直接伸入泥水倉(cāng)，縮短了排渣距離，排渣更高效、不易滯排，如圖4所示。

圖4 壓力倉(cāng)氣墊式直排結(jié)構(gòu)示意圖

盾構(gòu)采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部排漿管出渣的泥水平衡模式出渣時(shí)，螺旋機(jī)與排漿管之間配置稀釋箱，稀釋箱中部布置顎式破碎機(jī)，如圖5所示；相對(duì)常規(guī)泥水盾構(gòu)壓力倉(cāng)內(nèi)布置破碎機(jī)的方式，該土壓/泥水雙模盾構(gòu)采用了破碎機(jī)外置的設(shè)計(jì)，后期維護(hù)更方便。

圖5 稀釋箱內(nèi)破碎機(jī)布置示意圖

盾構(gòu)采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部皮帶出渣的土壓平衡模式時(shí)，皮帶機(jī)采用10°小角設(shè)計(jì)，并在斜坡段兩側(cè)設(shè)計(jì)擋板及橡膠護(hù)板，解決稀渣在斜坡段的飛濺問(wèn)題；皮帶機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)利于帶載啟動(dòng)，配置渣土計(jì)量裝置便于及時(shí)掌握出渣量。

3.2 刀盤(pán)刀具系統(tǒng)配置

刀盤(pán)刀具系統(tǒng)配置既要滿足盾構(gòu)在巖石地層掘進(jìn)有效破巖的需求，又要盡可能防止強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層刀盤(pán)刀具結(jié)泥餅。土壓/泥水雙模盾構(gòu)采用八主梁+八副梁+外圈梁的結(jié)構(gòu)形式，刀盤(pán)正面焊接耐磨鋼板、刀盤(pán)外圈梁焊接耐磨合金塊用于保護(hù)刀盤(pán)本體。刀具布置采用滾刀（可替換撕裂刀）、切刀分離的布局形式，便于渣土的流動(dòng)，降低結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

1）刀具布置 刀盤(pán)開(kāi)挖直徑?9 130mm，配置了4把19寸的雙聯(lián)滾刀、54把19寸的單刃滾刀，中心滾刀刀間距100mm、正滾刀刀間距以75mm為主，保證巖石地層強(qiáng)勁的破巖能力；弧形區(qū)域邊滾刀刀間距依次減小，最外2把滾刀同軌跡，兩把保徑刀在該掘進(jìn)區(qū)間R400m小曲線半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)能保證開(kāi)挖半徑；配置1把超合金式超挖刀，獨(dú)立泵站控制，最大超挖量20mm，在小曲線轉(zhuǎn)彎必要時(shí)進(jìn)行超挖。刀盤(pán)配置了104把寬刃切刀、16把邊刮刀，切刀采用寬刃加強(qiáng)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了刮削效果，大切刀刀間距利于渣土流動(dòng)。

2）防結(jié)泥餅設(shè)計(jì) 刀盤(pán)整體開(kāi)口率32%、中心開(kāi)口率34%，刀盤(pán)中心大開(kāi)口、環(huán)筋采用弧形設(shè)計(jì)，利于渣土順利流入土倉(cāng)；刀盤(pán)背部配置6根主動(dòng)攪拌棒，主驅(qū)動(dòng)隔板和盾體隔板配置3根被動(dòng)攪拌棒，交錯(cuò)布置提高渣土流動(dòng)性。刀盤(pán)正面布置了10個(gè)泡沫口和2個(gè)膨潤(rùn)土口，均為單管單泵型式，通過(guò)渣土改良改善流動(dòng)性；中心隔板位置和排漿孔位置各配置了2路高壓水沖刷，通過(guò)對(duì)刀盤(pán)中心和壓力倉(cāng)底部的渣土沖刷來(lái)防止刀盤(pán)背面結(jié)泥餅。

3.3 泥水環(huán)流系統(tǒng)特殊配置

泵的出口及重要90°彎頭處采用高鉻合金鋼整體鑄造而成，具有高合金鋼的高抗磨性、較高機(jī)械強(qiáng)度和較高的抗沖擊性能。泵的短接采用進(jìn)口的天然橡膠進(jìn)行內(nèi)襯，用于泵的進(jìn)出口連接，具有良好的耐磨性能和抗沖擊性能。對(duì)于常規(guī)彎頭采用覆板設(shè)計(jì)，增加了彎頭處強(qiáng)度，提高了泥漿管的使用壽命，并且配置了磨損檢測(cè)裝置；膨脹節(jié)承擔(dān)著泵進(jìn)出口管路連接的減震作用，膨脹節(jié)采用獨(dú)有的內(nèi)襯耐磨管，提高了使用壽命，同時(shí)外層增加保護(hù)套，防止膨脹節(jié)破損時(shí)泥漿泄漏。

為滿足正常掘進(jìn)時(shí)泥漿管不斷向前延伸，配置了一套臥式軟管式管路延伸裝置，通過(guò)延伸裝置周期性對(duì)進(jìn)漿和排漿管路進(jìn)行加長(zhǎng)。為了解決以往管路延伸時(shí)泥漿外流污染隧道作業(yè)環(huán)境的問(wèn)題，配置了一套泥漿收集系統(tǒng)如圖7所示，在拆解管路前將進(jìn)漿管和排漿管內(nèi)的泥漿排送至氣墊倉(cāng)和臨時(shí)收漿罐，實(shí)現(xiàn)零排放、零污染。

圖7 泥漿收集系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論與討論

針對(duì)深大城際鐵路2標(biāo)白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間灰?guī)r巖溶與粉砂巖復(fù)合的復(fù)雜地層隧道工程，研發(fā)了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)設(shè)備選型配置技術(shù)，為盾構(gòu)順利穿越該復(fù)雜地層提供了解決方案。

通過(guò)對(duì)深大城際鐵路2標(biāo)白大工作井-大運(yùn)站區(qū)間灰?guī)r巖溶與粉砂巖復(fù)合的復(fù)雜地層盾構(gòu)施工的功能需求分析，選擇了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)型。土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好控制地表沉降；中微風(fēng)化粉砂巖地層優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率；富水巖溶和碎裂巖地層優(yōu)先采用壓力倉(cāng)處螺旋機(jī)+螺旋機(jī)尾部排漿管出渣的泥水平衡模式，既能避免壓力倉(cāng)處渣土的滯排，又能防止螺旋機(jī)噴涌失壓。

通過(guò)對(duì)土壓/泥水雙模盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配置了螺旋機(jī)與排漿管串并聯(lián)的雙通道出渣、高效破巖與防結(jié)泥餅的刀盤(pán)刀具、高抗磨與零排放的泥水環(huán)流等關(guān)鍵系統(tǒng)。壓力倉(cāng)隔板底部螺旋機(jī)與排漿管并聯(lián)布置，螺旋機(jī)尾部排漿管通過(guò)稀釋箱與螺旋機(jī)串聯(lián)布置，可實(shí)現(xiàn)土壓平衡、排漿管直排泥水平衡、螺旋機(jī)與排漿管接力的泥水平衡3種出渣模式；刀盤(pán)刀具系統(tǒng)通過(guò)合理配置大直徑、小刀間距的滾刀和寬刃、大刀間距的切刀，可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)刀具高效破巖；通過(guò)刀盤(pán)中心沖刷、渣土攪拌改良，可防止刀盤(pán)結(jié)泥餅；泥水環(huán)流系統(tǒng)通過(guò)彎頭覆板、耐磨監(jiān)測(cè)等提高抗磨性，通過(guò)配置泥漿收集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)泥漿管路延伸零排放、零污染。

串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)設(shè)備的選型配置為盾構(gòu)順利穿越灰?guī)r巖溶與粉砂巖復(fù)合地層提供了設(shè)備保障，實(shí)施效果待現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)一步驗(yàn)證。