譚順輝， 孫 恒

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

在過去的20年中，大直徑盾構(gòu)技術(shù)取得了重大突破，超大直徑盾構(gòu)隧道建造技術(shù)自日本東京灣道路隧道于1996年建成以來得到了蓬勃發(fā)展。越來越多的海底、江底隧道的設(shè)計(jì)傾向于采用大直徑斷面，實(shí)現(xiàn)多車道，達(dá)到快速公路車流要求。如： 中國南京緯三路雙管公路隧道，其開挖用盾構(gòu)的刀盤直徑為14.93 m，隧道管片外徑14.5 m，單管雙層雙向，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km; 中國武漢三陽路雙管隧道是世界上首例公鐵合建的盾構(gòu)法隧道，使用了直徑15.76 m的盾構(gòu)開挖，單管上層為3車道公路通道，下層為地鐵7號線軌道通道[1]。

隨著隧道需求直徑的增大，盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造直徑也在不斷增大。1985年設(shè)計(jì)制造的最大盾構(gòu)直徑為6.10 m，該泥水盾構(gòu)用于漢堡Hera隧道的開挖[2]，在當(dāng)時(shí)看來直徑6 m以上的盾構(gòu)已是大直徑機(jī)型了。之后不到5年時(shí)間，即1989年，用于Grauholz 鐵路隧道的泥水盾構(gòu)直徑達(dá)11.60 m[3]。1994年日本東京灣橫斷公路隧道項(xiàng)目使用盾構(gòu)直徑達(dá)14.14 m[4]，1997年易北河第4隧道使用的泥水盾構(gòu)直徑達(dá)14.20 m，此后直徑14 m以上盾構(gòu)的使用項(xiàng)目數(shù)量快速增加。到目前，越來越多的行業(yè)人士習(xí)慣于把刀盤開挖直徑5～7 m的盾構(gòu)列為常規(guī)直徑盾構(gòu)，而把直徑大于14 m的盾構(gòu)稱作超大直徑盾構(gòu)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，全球完成設(shè)計(jì)和制造的直徑14 m以上的盾構(gòu)項(xiàng)目有42個(gè)，其中泥水盾構(gòu)項(xiàng)目30個(gè)，土壓盾構(gòu)項(xiàng)目12個(gè)，超大直徑盾構(gòu)發(fā)展統(tǒng)計(jì)如表1所示。從國家和地區(qū)分布來看，中國共有超大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目26個(gè)，占總項(xiàng)目的61.9%。

表1 超大直徑盾構(gòu)發(fā)展統(tǒng)計(jì)

表1(續(xù))

本文以中國汕頭海灣隧道和深圳春風(fēng)隧道為例，分析超大直徑盾構(gòu)研發(fā)制造和施工中遇到的難題，并提出解決高水土壓力下刀盤維護(hù)及換刀、破碎地層長距離掘進(jìn)等一系列難題的關(guān)鍵技術(shù)。

1 超大直徑泥水盾構(gòu)的選型

隨著盾構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平的飛速進(jìn)步，盾構(gòu)選型的彈性邊界也有擴(kuò)大。但工程項(xiàng)目的地質(zhì)巖性及其強(qiáng)度、石英含量、完整性、地下水位、土體滲透系數(shù)以及顆粒級配信息仍是盾構(gòu)選型的重要參考依據(jù)[5]。

1.1 超大直徑盾構(gòu)的選型要素

超大直徑盾構(gòu)除了具有常規(guī)直徑盾構(gòu)的特點(diǎn)外，還包括開挖工作面大、地質(zhì)不均概率高、工作面上部和下部水土壓力差別顯著、地層擾動(dòng)相對較大等新情況，所以對于超大直徑盾構(gòu)的選型，如何確保工程施工安全成為需要考慮的重點(diǎn)。常規(guī)直徑盾構(gòu)和超大直徑盾構(gòu)規(guī)模因數(shù)比較見表2。

表2 常規(guī)直徑和超大直徑盾構(gòu)規(guī)模因數(shù)比較

從表1可看出，超大直徑盾構(gòu)規(guī)模因數(shù)是常規(guī)直徑盾構(gòu)的數(shù)倍。超大直徑盾構(gòu)的應(yīng)用需重點(diǎn)考慮的是盾構(gòu)直徑增大后，在刀盤向前掘進(jìn)和注漿施工時(shí)，能否順利破除不均質(zhì)的掌子面地層、能否順利排渣土和控制好地層擾動(dòng)對周邊環(huán)境帶來的不利影響。當(dāng)然，由于設(shè)備直徑的增加，刀盤、盾體、主驅(qū)動(dòng)箱等關(guān)鍵部件和整機(jī)框架結(jié)構(gòu)件的尺寸、質(zhì)量也同步增加，因此剛度、強(qiáng)度問題也需要認(rèn)真考慮。

1.2 泥水盾構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢

泥水盾構(gòu)為閉式系統(tǒng)，利用旋轉(zhuǎn)刀盤在懸浮液和泥膜環(huán)境中切削掌子面巖土，通過泥水循環(huán)系統(tǒng)來維持掌子面的壓力平衡并以懸浮液的形式帶走開挖下來的渣土。相比土壓盾構(gòu)，正常掘進(jìn)情況下，泥水盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩低一些，刀盤、刀具磨損速率也會減緩。同時(shí)，因泥水盾構(gòu)的泥水艙、掌子面壓力穩(wěn)定控制相對較為容易，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，對周圍土體影響小，故泥水盾構(gòu)應(yīng)對軟弱地層、地下水豐富、砂層、沖積層等較為理想[6]。從超大直徑泥水盾構(gòu)應(yīng)用案例來看，對于砂層地質(zhì)，相比土壓盾構(gòu)，掘進(jìn)斷面越大，泥水盾構(gòu)應(yīng)用效果越好[7]。

在上述統(tǒng)計(jì)的42個(gè)超大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目中，土壓盾構(gòu)項(xiàng)目占比約1/3。經(jīng)驗(yàn)表明，對于滲透系數(shù)小于1×10-4m/s，黏土、粉土等細(xì)顆粒地層，土壓盾構(gòu)是較好的選擇。土壓盾構(gòu)施工時(shí)，掌子面壓力穩(wěn)定與掘進(jìn)速度、渣土狀態(tài)及螺旋輸送機(jī)的排渣速度密切相關(guān)。而對于超大直徑土壓盾構(gòu)應(yīng)用而言，掌子面壓力穩(wěn)定要求較高，如遇非理想地層掘進(jìn)段，渣土改良務(wù)必要達(dá)到良好的效果，才能減少出現(xiàn)渣土滯排、刀盤轉(zhuǎn)矩劇增、或者對周邊地層擾動(dòng)增大的情況。

由于泥水盾構(gòu)要設(shè)置泥水循環(huán)系統(tǒng)和地面泥水處理站等設(shè)施，地面場地要求較大。就設(shè)備系統(tǒng)造價(jià)而言，常規(guī)直徑泥水盾構(gòu)比土壓盾構(gòu)價(jià)格高15%～25%。而由于刀盤驅(qū)動(dòng)功率的降低和刀盤刀具磨損的減少，超大直徑泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)的使用成本相差無幾。由于地質(zhì)的復(fù)雜性，在實(shí)際項(xiàng)目選型中，幾乎沒有理想地質(zhì)對應(yīng)理想機(jī)型的情況，尤其是對于超大斷面、長距離隧道項(xiàng)目，很難出現(xiàn)斷面上下地層均一、隧道線路方向地質(zhì)均一的情況。隨著盾構(gòu)研制技術(shù)及其施工應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得超大直徑盾構(gòu)在應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)隧道施工時(shí)更加安全。

2 中國汕頭海灣隧道工程

2.1 工程項(xiàng)目概況

汕頭海灣隧道工程是汕頭干線公路網(wǎng)的重要組成部分，項(xiàng)目起點(diǎn)位于龍湖區(qū)天山南路與金砂東路平交口，終點(diǎn)位于中信濱海新城南濱片區(qū)虎頭山山腳，路線全長6.8 km，其中，北岸接線長0.5 km,隧道長4.95 km，南岸接線長1.35 km。西線盾構(gòu)段長3 045.75 m,東線盾構(gòu)段長3 047.5 m。隧道按雙向6車道、行車速度為時(shí)速60 km設(shè)計(jì)，工程總投資約38.45億元。工程建成后將有助于增進(jìn)汕頭市南北區(qū)的聯(lián)通以及與粵港澳大灣區(qū)的融合。

汕頭海灣隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道結(jié)構(gòu)由隧道管片、中間箱涵和現(xiàn)澆筑車道板構(gòu)成，管片外徑14 500 mm，管片寬度2 000 mm。隧道穿越地層主要為花崗巖、凝灰質(zhì)砂巖、片巖、變質(zhì)砂巖、糜棱巖、少量卵石及礫砂地層。其中，中微風(fēng)化巖層普遍抗壓強(qiáng)度約為50 MPa，微風(fēng)化(硅化)片巖最大強(qiáng)度為173.7 MPa。全斷面巖層(中、微風(fēng)化)長度占整條隧道長度的77.3%，巖石強(qiáng)度最高達(dá)到203 MPa。其中，各類巖石的長度和巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)為： 碎裂巖，22～37 m,95%RQD=0； 微風(fēng)化片巖，46～62 m, 50%RQD>40%； 中風(fēng)化片巖，24～39 m,RQD=0； 微風(fēng)化變質(zhì)砂巖，20～35 m,50%RQD=40%。此外，隧道最大水壓為0.5 MPa。汕頭海灣隧道項(xiàng)目施工難點(diǎn)包括： 全隧下穿汕頭海灣，地層為極軟混合地層,帶壓進(jìn)艙換刀困難； 極軟地層中存在3段極硬基巖突起段，差值大的上軟下硬地層易造成掘進(jìn)困難、刀具異常損壞、軸承偏載、地層擾動(dòng)大、滯排堵艙問題； 隧道全線上覆土基本為淤泥層，覆土深約1倍洞徑，存在壓力擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 超大直徑泥水盾構(gòu)

針對汕頭海灣隧道項(xiàng)目水文地質(zhì)特點(diǎn)及施工難點(diǎn)，選擇設(shè)計(jì)制造直徑為15.03 m的超大直徑泥水盾構(gòu)來應(yīng)對諸多挑戰(zhàn)。

2.2.1 常壓換刀技術(shù)

根據(jù)英國健康與安全執(zhí)行局(UK HSE)出版的壓縮空氣作業(yè)規(guī)范(1996年發(fā)布，2002年重印)，推薦人工最大帶壓工作范圍不超過0.35 MPa[8]。在超過0.35 MPa壓力的空氣環(huán)境下工作，作業(yè)人員的聽覺、反應(yīng)敏捷度都會大大降低，而且?guī)毫Φ臍怏w對人體功能器官影響較大，作業(yè)安全難以得到保障。作業(yè)結(jié)束后減壓時(shí)間長，人體存在減壓病風(fēng)險(xiǎn)。

汕頭海灣隧道項(xiàng)目最高水壓接近0.5 MPa，隧道穿越極軟混合地層，包含3段極硬基巖凸起，刀具異常損壞可能較多，預(yù)期刀具檢查處理的工作頻次高，換刀困難，故刀盤刀具設(shè)計(jì)采用常壓換刀技術(shù)，極大地提高了換刀效率和作業(yè)安全性。作業(yè)人員可以通過刀盤中心艙進(jìn)入中空的刀盤輻條臂內(nèi)，并在常規(guī)大氣壓條件下進(jìn)行刀盤及刀具的檢查維護(hù)作業(yè)。刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為6個(gè)中空主梁，主梁上刮刀和滾刀可在常壓環(huán)境下更換，同時(shí)主梁內(nèi)集成設(shè)計(jì)了刀具更換油缸固定裝置、刀具運(yùn)輸系統(tǒng)、沖刷管路、爬梯、可拆卸作業(yè)平臺等，保證了主梁內(nèi)常壓更換刀具的安全性和快捷性。刀盤整體開口率為28%，在滿足中心區(qū)域常壓更換滾刀布置和刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度情況下，增大了中心開口率，有利于中心區(qū)域渣土流動(dòng)，減少中心刀具的磨損。同時(shí)，刀盤設(shè)置限徑格柵，可防止較大粒徑巖塊進(jìn)入艙內(nèi)造成堵塞。

通過對刀盤的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果見圖1。

(a) 刀盤等效應(yīng)力云圖(單位： MPa)

(b) 刀盤綜合位移云圖(單位： mm)

分析結(jié)果顯示，在所示的刀盤邊界條件下，刀盤結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為172.81 MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于86.45 MPa，刀盤的等效應(yīng)力分布云圖如圖1(a)所示。刀盤結(jié)構(gòu)的最大綜合位移為3.82 mm，刀盤的綜合位移分布云圖如圖1(b)所示。刀盤設(shè)計(jì)所用材料為Q345，該材料的許用應(yīng)力為295 MPa，因此該刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

刀盤維護(hù)人員通過中心艙進(jìn)入刀盤輻條臂內(nèi)進(jìn)行刀具更換，整個(gè)換刀過程處于常規(guī)氣壓環(huán)境，作業(yè)安全高效(見圖2和圖3)。

圖2 刀盤布置圖

圖3 刀盤輻條臂常壓狀態(tài)換刀

常壓換刀裝置是實(shí)現(xiàn)常壓換刀的壓力隔絕機(jī)構(gòu)，主要由密封座、閘門和刀筒等組成。常壓換刀裝置總成及部件見圖4。

圖4 常壓換刀裝置

刀盤輻條臂上刮刀和滾刀可在常壓環(huán)境下更換。常壓換刀裝置設(shè)計(jì)有防誤裝的對位銷釘，可以防止刀具錯(cuò)裝。

2.2.2 主驅(qū)動(dòng)及密封系統(tǒng)

由于地質(zhì)軟硬不均，且最大水壓高達(dá)0.5 MPa，要求刀盤刀具維護(hù)安全便捷，密封系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

為了便于刀盤刀具維護(hù)，超大直徑泥水盾構(gòu)設(shè)計(jì)采用伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見圖5)。該方式主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)允許刀盤縮回一定距離，為刀盤前面騰出一定空間從而使得刀盤維護(hù)更便捷；允許刀盤擺動(dòng)，提高了邊緣刀具的更換效率；同時(shí)也可以防止刀盤被卡。

圖5 伸縮擺動(dòng)式主驅(qū)動(dòng)

該盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4道唇形密封，能夠有效應(yīng)對高水壓作業(yè)環(huán)境。設(shè)計(jì)密封系統(tǒng)可承受0.6～1 MPa的壓力，能夠保護(hù)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不被外界水土侵入。

2.3 施工情況

該工程采用的2臺超大直徑盾構(gòu)從南岸圍堰始發(fā)向北岸掘進(jìn)。東線超大直徑盾構(gòu)于2017年12月26日始發(fā)，西線超大直徑盾構(gòu)于2018年10月21日始發(fā)。

截至2019年7月7日，項(xiàng)目東線盾構(gòu)完成掘進(jìn)952環(huán)(1 904 m)，平均每天掘進(jìn)4～5環(huán)；西線盾構(gòu)完成掘進(jìn)293環(huán)(586 m)，平均每天掘進(jìn)4～5環(huán)。東西線2臺超大直徑盾構(gòu)在始發(fā)階段通過加固體和圍堰回填段，均不同程度地遇到一些來自于異常地層的問題，存在一些困難。東線盾構(gòu)掘進(jìn)初期出現(xiàn)過刀具退回問題，西線盾構(gòu)出現(xiàn)過刀具傳感器失效問題，通過維護(hù)均得到了及時(shí)修復(fù)。目前，總體掘進(jìn)施工情況良好。東線隧道預(yù)計(jì)于2020年初率先實(shí)現(xiàn)貫通，其后3個(gè)月西線隧道也將實(shí)現(xiàn)貫通。

3 深圳春風(fēng)隧道工程

3.1 工程項(xiàng)目概況

春風(fēng)隧道為深圳市城市公路交通快速路隧道，上下2層，雙向4車道，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。隧道工程線路全長約5.08 km，其中盾構(gòu)隧道段全長3 583 m，其最小平曲線半徑750 m，最大縱坡49‰。隧道埋深23～62 m，隧道底部最大凈水頭壓力約0.59 MPa。隧道下穿地鐵9號線鹿丹村站人行通道、布吉河(河寬約50 m)、海關(guān)宿舍樓、大灘大廈、廣深鐵路股道及深圳站、深圳邊檢宿舍樓等建(構(gòu))筑物；隧道臨近深圳河，最近處約35 m。

隧道線路主要穿越地層為花崗巖、凝灰質(zhì)砂巖、片巖、變質(zhì)砂巖、糜棱巖、少量卵石及礫砂地層。中微風(fēng)化巖層普遍抗壓強(qiáng)度約為50 MPa，微風(fēng)化(硅化)片巖最大強(qiáng)度為173.7 MPa。片巖約占整條隧道長度的58%。全斷面巖層(中、微風(fēng)化)長度占整條隧道長度的77.3%。區(qū)間穿越11條破碎帶，破碎帶總長度約431 m，破碎帶影響區(qū)域總長度約543 m(地質(zhì)剖面圖見圖6)。RQD值為0的總長度約為580 m。隧道主要遇到孔隙水和基巖裂隙水。

圖6 春風(fēng)隧道地質(zhì)剖面圖

隧道襯砌結(jié)構(gòu)為管片外徑15.2 m，環(huán)寬2 m，全環(huán)采用7+2+1襯砌形式，通用襯砌環(huán)，錯(cuò)縫拼裝，隧道空間規(guī)劃見圖7。

圖7 隧道空間規(guī)劃

3.2 超大直徑泥水盾構(gòu)

該項(xiàng)目具有隧道開挖斷面大、區(qū)間長、埋深大、水壓高等特點(diǎn)。其超大直徑盾構(gòu)施工難點(diǎn)如下： 隧道為全斷面巖層，地質(zhì)巖石強(qiáng)度范圍大，石英含量高，刀盤、刀具、泥水管路易磨損；局部水壓高達(dá)0.49 MPa，人員帶壓進(jìn)艙作業(yè)困難；隧道穿越軟弱圍巖和破碎帶，碎石易受到擾動(dòng)掉落堆積造成堵艙滯排；隧道下穿重要建筑物和道路，地表沉降控制要求高。針對以上難點(diǎn)，項(xiàng)目選擇采用1臺專門設(shè)計(jì)的超大直徑泥水盾構(gòu)來施工。該盾構(gòu)刀盤開挖直徑15.8 m，同樣采用了常壓換刀刀盤，刀具間距盡可能小，以應(yīng)對長距離巖石掘進(jìn)問題；主驅(qū)動(dòng)功率6 300 kW，同樣具有伸縮擺動(dòng)功能，利于刀盤刀具維護(hù)工作；密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作壓力0.8 MPa，滿足最大水壓的要求；整機(jī)總長160 m，總質(zhì)量約4 800 t。

因該項(xiàng)目隧道區(qū)間要穿越11條斷層破碎帶，破碎帶總長度約431 m，單條破碎帶最長約117 m，破碎帶影響區(qū)域總長度約543 m。在破碎帶中掘進(jìn)時(shí)，伴隨著刀盤刀具開挖掌子面，部分破碎巖石大粒徑渣塊會掉落到刀盤底部，逐漸集聚到排漿管吸渣口前方區(qū)域，出現(xiàn)積渣并堵塞排漿管吸渣口，產(chǎn)生滯排現(xiàn)象，導(dǎo)致排漿管出渣不暢，掘進(jìn)將非常困難。

為了解決這種潛在的滯排風(fēng)險(xiǎn)，采用了艙內(nèi)艙外雙破碎機(jī)設(shè)計(jì)(見圖8)。艙內(nèi)顎式破碎機(jī)允許破碎粒徑大于艙外雙齒輥式破碎機(jī)破碎粒徑。穿越破碎帶區(qū)域時(shí)，艙內(nèi)底部渣土可先通過顎式破碎機(jī)進(jìn)行一次破碎，避免艙內(nèi)積渣和滯排。通過顎式破碎機(jī)后再經(jīng)過管路輸送至雙齒輥式破碎機(jī)進(jìn)行二次充分破碎，進(jìn)而達(dá)到出渣管路和泥水處理站的出渣和處理要求。

圖8 艙內(nèi)艙外雙破碎機(jī)設(shè)計(jì)

顎式破碎機(jī)布置在前盾氣墊艙底部(見圖9)，采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，破碎機(jī)具有破碎和攪拌2種工作模式。破碎機(jī)運(yùn)行次數(shù)為3次/min，最大破碎粒徑為1 200 mm，最大通過粒徑為200 mm×400 mm，最大破碎強(qiáng)度300 MPa。

圖9 艙內(nèi)顎式破碎機(jī)

艙外雙齒輥式破碎機(jī)(見圖10)設(shè)置在排漿泵前方，用于對一次破碎后石塊的進(jìn)一步破碎，保證排漿泵的通過粒徑。最大破碎粒徑350 mm，破碎后最大粒徑150 mm。

圖10 雙齒輥式破碎機(jī)

艙內(nèi)艙外雙破碎機(jī)設(shè)計(jì)可以有效防止滯排，提高了在穿越破碎帶的排渣效率和安全性。

4 結(jié)論與討論

超大直徑盾構(gòu)研制取得了快速的進(jìn)步，正在向更大直徑如19 m、20 m及以上發(fā)展，這類盾構(gòu)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性伴隨科技進(jìn)步正在日益提升。由于超大直徑盾構(gòu)自身直徑大，再加上洞徑1倍以上的覆土深度，故實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)常遭遇到較高的水土壓力。對于高水壓地質(zhì)，無論泥水盾構(gòu)還是土壓盾構(gòu)，常壓換刀裝置逐漸成為必要配置。

常壓換刀裝置和人員換刀作業(yè)的方式有多種，諸如汕頭海灣隧道項(xiàng)目和春風(fēng)隧道項(xiàng)目項(xiàng)目利用中心艙進(jìn)入常壓刀盤輻條臂，在常規(guī)大氣壓條件下進(jìn)行刀盤及刀具的檢查維護(hù)作業(yè)，是較為優(yōu)選的方法。刀盤整體開口率為28%，在滿足中心區(qū)域常壓更換滾刀布置和刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度情況下，增大了中心開口率，有利于中心區(qū)域渣土流動(dòng)，減少中心刀具的磨損。同時(shí)，刀盤設(shè)置限徑格柵，可防止較大粒徑巖塊進(jìn)入艙內(nèi)造成堵塞。由于地質(zhì)條件不同，刀盤形式不同，根據(jù)實(shí)際工況，其他類型的常壓刀盤和換刀技術(shù)也有不少的成功應(yīng)用。為確保壓力控制精準(zhǔn)和排渣順暢，選用艙內(nèi)艙外雙破碎機(jī)，可有效解決滯排問題。

由于作業(yè)空間的限制，當(dāng)前超大直徑常壓換刀技術(shù)尚不能支持全盤面刀具常壓條件下更換，隨著破巖刀具技術(shù)和換刀技術(shù)的進(jìn)步，未來有望實(shí)現(xiàn)全盤面刀具的常壓更換。