王 凱 趙 輝 林寶剛 連小濤 吳雙雙

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031；2.中國中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司 安徽合肥 230023）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，地鐵作為城市軌道交通的主要組成得到空前發(fā)展，規(guī)劃和修建地鐵的城市越來越多。盾構(gòu)法因其安全高效成為地鐵修建的主要工法之一，盾構(gòu)隧道施工遇到的地層越來越復(fù)雜，其中以上軟下硬地層最為典型。盾構(gòu)隧道穿越上軟下硬地層時，常遇到工作面穩(wěn)定性差、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、刀具偏磨嚴重、刀盤結(jié)泥餅，影響盾構(gòu)機的正常掘進，甚至造成地面塌陷等事故[1-4]。盾構(gòu)機選型直接影響盾構(gòu)的施工效率、盾構(gòu)的使用壽命、盾構(gòu)的使用費用以及盾構(gòu)施工的安全性[5-6]。根據(jù)盾構(gòu)施工的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)合理地選用刀盤結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化刀具配置及盾構(gòu)配套系統(tǒng)是盾構(gòu)選型成敗的關(guān)鍵因素[7-9]。

王洪新探究了不同地質(zhì)條件下刀盤開口率與出土量的相關(guān)關(guān)系，提出了一種定向分析刀盤開口率對地層適應(yīng)性的計算方法，進而指導(dǎo)實際盾構(gòu)工程中刀盤開口率的設(shè)定[10]。詹濤依托南昌地鐵1號線某標段的盾構(gòu)施工情況，對盾構(gòu)刀盤、刀具的適應(yīng)性進行分析，總結(jié)了該工程的刀盤、刀具配置方案，為類似工程提供參考和借鑒[11]。朱宏海對上軟下硬地層盾構(gòu)選型的難點進行了詳細介紹和分析，結(jié)合國內(nèi)大量工程的實施情況和經(jīng)驗，提出一種適應(yīng)上軟下硬地層的盾構(gòu)選型方案[12]。

本文以南昌地鐵3號線07合同段盾構(gòu)施工為背景，結(jié)合盾構(gòu)隧道參數(shù)及工程水文地質(zhì)條件，分析了刀盤、刀具及盾構(gòu)配套系統(tǒng)的適應(yīng)性，明確提出了針對上軟下硬地層的盾構(gòu)選型方案，以期所取得的技術(shù)成果對同類工程有借鑒作用。

2 工程概況

2.1 盾構(gòu)隧道參數(shù)

國威路站～青山湖西站區(qū)間位于青山湖區(qū)，區(qū)間呈西東走向，區(qū)間線路出國威路站西端后，沿國威路穿越青山湖隧道敞口段進入青山湖，至青山湖后下穿五湖大酒店引橋及220 kV電力隧道，后進入青山湖西站東端頭，國青區(qū)間線路走向如圖1所示。左線長1 889.612 m，右線長1 893.202 m，左右線線間距14 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m。隧道頂覆土厚度11.059～22.239 m。區(qū)間隧道縱坡呈“V”型，最大坡度26‰，最小坡度2‰。

圖1 國威路站～青山湖西站區(qū)間線路走向

2.2 工程水文地質(zhì)

隧道穿越地層主要為:粉質(zhì)黏土、礫砂、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。盾構(gòu)始發(fā)段與接收段均位于礫砂層，聯(lián)絡(luò)通道處在泥質(zhì)粉砂巖中風(fēng)化層。地層圍巖質(zhì)量主要為Ⅲ級，局部為Ⅴ級，綜合圍巖分級為Ⅵ級。盾構(gòu)機穿越上軟下硬地層，上層為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（軟巖），下層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（硬巖），且以硬巖為主，如圖2所示。

圖2 區(qū)間隧道穿越上軟下硬地層

區(qū)間隧道毗鄰青山湖，水域面積316公頃，水深約1.50～2.50 m，沿線地下水類型主要為上層滯水、松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水。

3 工程特點、難點對盾構(gòu)機的設(shè)計要求

3.1 基本功能要求

要求盾構(gòu)具有開挖系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、人閘氣壓裝置、渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、超前注漿裝置、安全可靠的鉸接裝置、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量導(dǎo)向系統(tǒng)、遇異常情況發(fā)生時能自動報警等基本功能[13]。

3.2 對上軟下硬地層的適應(yīng)性要求

盾構(gòu)穿越上軟下硬地層是國青區(qū)間盾構(gòu)施工的重難點，該地層以硬巖地層為主，上層為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（軟巖），下層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（硬巖）。盾構(gòu)穿越該地層面臨的風(fēng)險主要有掌子面穩(wěn)定性差、盾構(gòu)姿態(tài)控制難度大、刀盤表面易結(jié)泥餅、刀具偏磨嚴重。要求盾構(gòu)具備以下功能:具備土壓平衡式掘進能力；刀盤、刀具設(shè)計及配置合理；刀盤驅(qū)動扭矩和盾構(gòu)推力的設(shè)定安全可靠；完備的盾構(gòu)配套系統(tǒng)，如渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、螺旋的輸送機；如遇復(fù)雜地質(zhì)條件，需具備超前預(yù)測的能力，以便及時采取應(yīng)對措施[14-16]。

3.3 施工場地及環(huán)境保護要求

城市地鐵施工現(xiàn)場周邊建筑物密集，地下管線眾多，盾構(gòu)施工要能適應(yīng)施工場地面積小的特性。

盾構(gòu)施工要兼顧環(huán)境保護，降低對周圍環(huán)境的影響，嚴格控制地表沉降，做到標準化施工；盾構(gòu)施工中用到的一些輔助材料，如發(fā)泡劑泡沫等，選用環(huán)境友好型材料，廢棄物處理更要嚴格把控。

4 盾構(gòu)機選型

4.1 盾構(gòu)機型確定

根據(jù)南昌地鐵3號線國威路站～青山湖西站區(qū)間工程特點、難點對盾構(gòu)機的設(shè)計要求，尤其是盾構(gòu)機穿越上軟下硬地層的適應(yīng)性要求，結(jié)合類似工程盾構(gòu)的選型經(jīng)驗及南昌地鐵1、2號線施工經(jīng)驗，綜合考慮施工工期、工程造價等因素，建議選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機。

4.2 盾構(gòu)機刀盤選型

目前，國內(nèi)最常用的刀盤型式有面板式、輻條式以及介于兩者之間的復(fù)合式刀盤。面板式刀盤有利于掌子面的穩(wěn)定，但刀盤易結(jié)泥餅，影響掘削速度；輻條式刀盤排土容易，渣土流動性好，但不利于掌子面穩(wěn)定性控制，不適用于上軟下硬等復(fù)合地層[17]。綜合考慮本工程地質(zhì)情況和刀盤可能出現(xiàn)異常磨損，結(jié)泥餅等情況，決定選用復(fù)合式刀盤，復(fù)合式刀盤的開口率一般介于35%～45%之間。刀盤具體設(shè)計情況如下:

（1）刀盤材料為Q345B，主要由4個主刀梁、4個小面板及外圈梁組成。

（2）刀盤設(shè)計的開口率為36%，滿足復(fù)合式刀盤開口率的一般要求，利于渣土順利通過。

（3）刀盤的前面板和外圈梁含有耐磨層，保護刀盤本體，可降低刀盤在上軟下硬地層掘進時渣土對刀盤外圈梁的磨損。

（4）刀盤設(shè)置有4處磨損檢測裝置，避免刀盤帶傷掘進，威脅施工安全。

（5）刀盤面板上布置有6個渣土改良劑注入孔，便于注入添加劑，如發(fā)泡劑或膨潤土等，可以有效防止刀盤結(jié)泥餅。

4.3 盾構(gòu)機刀具選型

盾構(gòu)機在上軟下硬的復(fù)合地層中掘進時，刀具偏磨嚴重，磨損速度快，合理的盾構(gòu)機刀具選型能有效延長刀具的使用壽命，減少換刀次數(shù)，保證施工順利進行，降低工程成本。

結(jié)合盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的工程特點及刀具配置基本原則，本工程對原有的刀具配置型式進行了優(yōu)化，具體刀具設(shè)計及配置情況如下:

（1）配有17寸中心球齒滾刀4把，18寸球齒滾刀20把，18寸楔形齒刀12把，切刀32把，焊接撕裂刀29把，保徑刀8把，超挖刀1把，泡沫口保護刀4把，如圖3所示。

圖3 刀具配置

（2）保證滾刀裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)上，滾刀前端堆焊耐磨層，提高刀圈兩側(cè)的粗糙度，增加其與地層之間的摩擦力，避免地層與刀圈間摩擦力不足引起滾刀偏磨。

（3）合理設(shè)計滾刀啟動扭矩，保證滾刀具有較高的密封性能，減緩刀具偏磨。

（4）對初裝刮刀的合金刃口進行倒圓角處理，提高其抗沖擊性能，防止崩刃。

（5）在泡沫孔上方設(shè)置保護刀，并對保護刀本體進行鏤空處理，增加泡沫噴射的面積，保證泡沫口暢通，及時通入泡沫進行渣土改良。

（6）使用一套特殊的監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測刀具磨損情況，根據(jù)刀具磨損預(yù)警，及時更換刀具，避免刀具過度磨損后帶傷作業(yè)。

4.4 渣土改良系統(tǒng)

國青區(qū)間隧道穿越的上軟下硬地層，且以硬地層為主，盾構(gòu)機在該地層條件下掘進速度慢，易造成上層軟土的超挖，引起地表沉降。在盾構(gòu)掘進施工中，應(yīng)選用與地層特性相匹配的化學(xué)添加劑，如發(fā)泡劑等，改良渣土性能，進而約束地表沉降，防止變形過大造成地面建筑物傾斜和地下管線開裂。

盾構(gòu)機配置泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、聚合物輸送泵，其中泡沫系統(tǒng)采用4臺螺桿泵進行輸送，可同時注入刀盤前部。每路泡沫采用單管單泵設(shè)計，安裝壓力傳感器，在刀盤噴口阻力不同的情況下，確保每路泡沫等量排出，改善在上軟下硬地層中刀盤易結(jié)泥餅的特性?；旌习l(fā)泡劑和壓縮空氣產(chǎn)生大量泡沫，通過刀盤泡沫孔注入渣土，可以有效提升渣土的流動性，降低對刀盤及刀具的粘附性，改善刀盤結(jié)泥餅情況。膨潤土系統(tǒng)采用2臺擠壓泵作為注入泵，一臺用于刀盤前渣土改良，一臺用于盾殼外潤滑，如遇特殊情況膨潤土需求量大時，也可聯(lián)用2臺擠壓泵進行渣土改良。

4.5 同步注漿系統(tǒng)

為適應(yīng)區(qū)間上軟下硬的地質(zhì)特點，盾構(gòu)機同步注漿系統(tǒng)由一個帶攪拌器的漿液罐（7 m3）和2個雙出口注漿泵構(gòu)成，注漿泵的最大出口壓力達6 MPa，保證了工程的連續(xù)性，避免單泵失效影響施工。盾殼上配置10路注漿管，在盾尾左右兩側(cè)設(shè)有2路，出口均裝備壓力計，控制注漿壓力在2.0～4.0 bar之間，依據(jù)注漿壓力實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整注漿量。在上位機上，有專項注漿系統(tǒng)控制界面，可以實時反饋注漿壓力、注漿速度、累計注漿量等信息，便于及時做出反應(yīng)，調(diào)整注漿方案，注漿系統(tǒng)控制界面見圖4。

圖4 注漿系統(tǒng)控制界面

4.6 螺旋輸送機

國青區(qū)間盾構(gòu)機螺旋輸送機采用有軸螺旋機，可實現(xiàn)無極調(diào)速，螺旋機筒體內(nèi)徑為800 mm，出渣能力為306 m3/h，驅(qū)動形式采用中心驅(qū)動。為適應(yīng)上軟下硬的地質(zhì)特點，筒體表面設(shè)有膨潤土或泡沫的注入孔，螺旋輸送機構(gòu)造見圖5。螺旋輸送機的出渣口配有雙閘門，可依據(jù)主控室的監(jiān)控信息來調(diào)節(jié)閘門開啟度，通過控制排土量來實現(xiàn)“土塞效應(yīng)”，形成良好的排土止水效果，土壓平衡模式掘進下則可調(diào)節(jié)土倉壓力。當發(fā)生螺旋軸卡住現(xiàn)象，可以通過螺旋輸送機伸縮功能和控制液壓馬達正反轉(zhuǎn)來擺脫。螺旋輸送機尾部配備蓄能器，當盾構(gòu)機突然停電時，蓄能器工作，螺旋輸送機下閘門關(guān)閉，防止噴涌現(xiàn)象發(fā)生。為進一步保證施工的安全性，螺旋輸送機上留有保壓泵接口，發(fā)生噴涌時，迅速關(guān)閉閘門，接保壓泵調(diào)節(jié)土倉壓力。

圖5 螺旋輸送機構(gòu)造

5 結(jié)束語

盾構(gòu)機穿越上軟下硬地層的工程難點主要表現(xiàn)為開挖面穩(wěn)定性差、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制、刀盤表面易結(jié)泥餅、刀具偏磨嚴重。為解決上述問題，本文提出了一套上軟下硬地層的盾構(gòu)選型方案:刀盤建議選用適應(yīng)性較強的復(fù)合式刀盤，既有利于開挖面穩(wěn)定，又便于渣土排出，降低刀盤結(jié)泥餅的風(fēng)險；設(shè)計合理的刀具型式，如提高滾刀刀圈兩側(cè)的粗糙度等，能有效改善刀具偏磨；合理的啟動扭矩及刀具配置，也能有效提高刀具的使用壽命；優(yōu)化盾構(gòu)配套系統(tǒng)，提高其對上軟下硬地層的適應(yīng)性。

南昌市軌道交通3號線工程土建施工07合同段國威路站～青山湖西站區(qū)間左線盾構(gòu)機掘進過程中，盾構(gòu)機對地層的適應(yīng)性強，刀盤和刀具的合理配置克服了上軟下硬地層掘進的不利條件，盾構(gòu)配套系統(tǒng)的優(yōu)化進一步保證了盾構(gòu)機的順利掘進。本文的盾構(gòu)機選型方案對上軟下硬地層等復(fù)合地層盾構(gòu)施工具有一定的參考價值。