馮振魯，楊景超，衣紹彥

（1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100161）

隨著北京地鐵建設(shè)的發(fā)展，地表以下的淺層地下空間日益緊張，為更好地實(shí)現(xiàn)新建線路與既有線路的換乘，新建線路地鐵隧道的埋深將越來(lái)越深。根據(jù)北京地鐵的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，部分在建和新建線路埋深已經(jīng)超過(guò)35m，進(jìn)入受承壓水層影響的卵石層。如在建的8 號(hào)線三期部分區(qū)間和車站埋深已達(dá)35m 以上，將要開(kāi)工建設(shè)的3 號(hào)線、12 號(hào)線和19 號(hào)線（新機(jī)場(chǎng)線）部分隧道埋深將到達(dá)45m 以上。因此，以往的北京地區(qū)盾構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)對(duì)富水深埋的砂卵石地層指導(dǎo)和借鑒意義有限。

研究表明，土壓平衡盾構(gòu)通過(guò)合理的刀盤(pán)選型及刀具布置，在北京地鐵無(wú)水卵石地層中應(yīng)用較廣泛，適用性較強(qiáng)[1～2]。然而隨著隧道埋深的增加，深埋高水壓卵石地層采用泥水平衡盾構(gòu)施工的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，其具有能夠有效平衡水土壓力、刀盤(pán)扭矩小、對(duì)地層擾動(dòng)小、有效控制地表沉降等優(yōu)點(diǎn)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況對(duì)盾構(gòu)選型和施工技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作：張雙亞、陳饋、鎖曉明等、何峰、葉康慨以北京地下直徑線工程為基礎(chǔ)，對(duì)富水卵石地層盾構(gòu)選型進(jìn)行了研究，得出了北京地下直徑線富水卵石地層宜選用泥水平衡盾構(gòu)[4～8]；何川等[9]、晏啟祥等[10]結(jié)合成都地鐵盾構(gòu)隧道工程，對(duì)富水砂卵石地層盾構(gòu)選型進(jìn)行了研究，提出并總結(jié)了富水砂卵石地層盾構(gòu)選型和配置的一些具體對(duì)策；楊書(shū)江[11]將富水卵石地層泥水平衡盾構(gòu)的適應(yīng)性與土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)成本進(jìn)行了比較，得出富水卵石地層中泥水平衡盾構(gòu)每延米掘進(jìn)成本比土壓平衡盾構(gòu)高38%；Carrieri 等[12]通過(guò)對(duì)卵石地層中盾構(gòu)選型、刀盤(pán)設(shè)計(jì)、渣土改良技術(shù)進(jìn)行研究，得出了在卵石地層中土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)采用開(kāi)口率較大的刀盤(pán)，以減小刀盤(pán)扭矩、降低刀具磨損的結(jié)論；江玉生等[13]結(jié)合北京地鐵7 號(hào)線某區(qū)間隧道工程實(shí)例，介紹了盾構(gòu)選型的基本原則和主要步驟，并在一定程度上綜合對(duì)比了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及盾構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)于盾構(gòu)選型研究的分析具有一定的系統(tǒng)性及規(guī)范性，但實(shí)際工程中所考慮的因素往往比理論上更復(fù)雜。北京地區(qū)富水卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)壳皟H地下直徑線和地鐵9 號(hào)線軍事博物館～東釣魚(yú)臺(tái)區(qū)間2 個(gè)工程可供參考。富水卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)也僅處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)的技術(shù)體系。本文以北京地鐵8 號(hào)線三期王府井站～前門(mén)站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程（以下簡(jiǎn)稱：王府井站～前門(mén)站區(qū)間）為工程背景，根據(jù)本區(qū)間特有的富水卵石地層，結(jié)合周邊環(huán)境的特殊性，選擇合適的盾構(gòu)施工。研究成果具有較大的工程實(shí)用價(jià)值，也可對(duì)今后類似條件下區(qū)間盾構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 區(qū)間概況

北京地鐵8 號(hào)線三期王府井站～前門(mén)站區(qū)間隧道處于北京中心城區(qū)的王府井和前門(mén)商業(yè)、旅游、文化區(qū)，屬于北京城的核心區(qū)域，沿線施工環(huán)境復(fù)雜。王府井站～前門(mén)站區(qū)間隧道連接8 號(hào)線三期與1 號(hào)線換乘站（王府井站）和8 號(hào)線三期與2 號(hào)線換乘站（前門(mén)站），本區(qū)間線路埋深較深，隧道頂覆土厚度25～35m，線路最大縱坡為27‰，最小坡度為4‰，最小豎曲線半徑為3 000m。隧道襯砌采用鋼筋混凝土管片，外徑6m，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.2m。

1.2 地質(zhì)情況

王府井站～前門(mén)站區(qū)間隧道的上覆地層為砂卵石和黏土復(fù)合，隧道穿越地層為卵石層局部夾粉質(zhì)黏土，卵石粒徑為60～120mm，中粗砂充填（含量約25%～30%），卵石層滲透系數(shù)高達(dá)2×10-1cm/s。相關(guān)土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。地下水位的潛水層位于隧道頂部0.5～10.5m，隧道處于承壓水層中，水壓高達(dá)0.05～0.15MPa。因此，本區(qū)間隧道地層屬于高滲透性、高水壓地層，隧道穿越的地層及地下水位情況如圖1 所示。

2 鄰近線路對(duì)比

圖1 王府井站～前門(mén)站區(qū)間地質(zhì)剖面圖

表1 盾構(gòu)區(qū)間土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

鄰近地層的施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)于新建線路的盾構(gòu)選型尤為重要[14]，因此選取王府井站～前門(mén)站區(qū)間的鄰近工程：前門(mén)～珠市口區(qū)間（簡(jiǎn)稱：前～珠區(qū)間）和地下直徑線兩個(gè)工程的施工情況進(jìn)行對(duì)比和分析。

2.1 地質(zhì)情況對(duì)比

前～珠區(qū)間與王府井站～前門(mén)站區(qū)間同為北京地鐵8 號(hào)線三期項(xiàng)目，兩線路相接；既有地下直徑線工程為王府井站～前門(mén)站區(qū)間計(jì)劃下穿的特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，二者豎向距離最小僅3.6m。將前～珠區(qū)間、王府井站～前門(mén)站區(qū)間和地下直徑線（鄰近段）的地層情況描述并整理如表2 所示。

表2 線路地質(zhì)情況對(duì)比

2.2 盾構(gòu)及參數(shù)對(duì)比

地下直徑線與前～珠區(qū)間已分別于王府井站～前門(mén)站區(qū)間建設(shè)前竣工，其盾構(gòu)型式情況如表3 所示，盡管兩線路的地層類型、盾構(gòu)型式有所差別，但均選用了重型撕裂刀來(lái)保護(hù)刀盤(pán)和切刀，減小磨損，且效果良好。因此，在王府井站～前門(mén)站區(qū)間的盾構(gòu)選型中，重型撕裂刀的刀具布置應(yīng)該優(yōu)先被考慮。

表3 盾構(gòu)類型及部分參數(shù)對(duì)比

3 選型分析

3.1 盾構(gòu)類型

王府井站～前門(mén)站區(qū)間以砂卵石和局部黏土地層為主，根據(jù)鄰近線路的工程情況，土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)在該地層均有一定的適用性，因此，在確定盾構(gòu)類型之前，要著重考慮本區(qū)間以下因素。

1）地層滲透性高 隧道斷面主要為卵石地層，其滲透系數(shù)最高可達(dá)2×10-1cm/s，不管是對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)的渣土改良效果還是泥水平衡盾構(gòu)的泥漿質(zhì)量要求均較高。

2）高水壓 本區(qū)間地下水位位于拱頂0.5～10.5m，且隧道斷面富有承壓水，最高水壓可達(dá)0.15MPa，這對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)的螺旋輸送機(jī)的噴涌控制不利。

3）地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高 線路穿越段為北京市核心區(qū)域，有較大的政治影響，盾構(gòu)穿越的90%以上隧道區(qū)域均鄰近或穿越特、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程，因此，對(duì)于開(kāi)挖艙壓力的穩(wěn)定控制、同步注漿等措施要求極為嚴(yán)格。

鑒于以上因素，在考慮地層高滲透性、高水壓以及開(kāi)挖艙壓力的穩(wěn)定控制等方面，本工程最終選取了直徑?6.28m 氣墊型泥水平衡盾構(gòu)。

3.2 刀盤(pán)及刀具布置

本區(qū)間采用焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)合式刀盤(pán)，撕裂刀與切刀組合布置，刀具的高差配置為：撕裂刀175mm、邊緣刮刀140mm、寬切刀140mm。切刀為切削地層、剝離卵石的主力刀具；撕裂刀則用于敲擊、破碎卵石，其刀間距為90mm（中心）和95mm（正面）。刀盤(pán)的開(kāi)口率約35%，刀盤(pán)的中心部分開(kāi)口率大，這樣有利于中心部分渣土的流動(dòng)并順利進(jìn)入泥水艙，可以有效防止中心泥餅的產(chǎn)生。刀盤(pán)型式及刀具的布置情況如圖2 所示。

圖2 刀盤(pán)及刀具布置情況

3.3 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

3.3.1 盾構(gòu)推力

盾構(gòu)的推力F計(jì)算公式如式（1）所示

其中：F1表示盾構(gòu)四周與地層間的摩阻力或黏結(jié)力，kN；F2表示盾構(gòu)切口環(huán)刃口切入土層產(chǎn)生的貫入阻力，kN；F3為開(kāi)挖面正面作用在切削刀盤(pán)上的推進(jìn)阻力，kN；F4表示盾尾處盾尾板與襯砌間的摩阻力，kN；F5表示盾構(gòu)后備臺(tái)車的牽引阻力，kN；同時(shí)考慮到本工程27‰的縱向坡度和3 000m 的曲線開(kāi)挖等因素，計(jì)算推力可適當(dāng)增加20%～30%。

3.3.2 刀盤(pán)扭矩

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的工程經(jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)扭矩M與盾構(gòu)的開(kāi)挖直徑R0呈現(xiàn)3 次方關(guān)系，其計(jì)算如式（2）所示

其中：M為刀盤(pán)扭矩，kNm；a為扭矩經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般圍巖取0.9～1.5；R0為盾構(gòu)開(kāi)挖直徑，m。

3.3.3 泥水壓力

泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖艙內(nèi)泥水壓力的作用是平衡掌子面前方水土壓力，良好的泥水平衡效果有利于減輕地層擾動(dòng)、平穩(wěn)其他盾構(gòu)參數(shù)的作用。王府井站～前門(mén)站區(qū)間隧道斷面為高滲透性卵石地層，因此，泥水壓力采用水土分算的計(jì)算方式，其計(jì)算如公式（3）所示

其中：P為泥水壓力，kPa；K0為土層靜置側(cè)壓力系數(shù)，其取值見(jiàn)表1 所示；σv為豎直土壓力，kPa；γw為水的重度，取10kN/m3；H為地下水位以下的隧道埋深，m；PL為預(yù)壓，一般取20～30kPa。由于隧道拱頂全線位于承壓水以下，故本公式計(jì)算并未考慮承壓水影響，但在實(shí)際參數(shù)設(shè)定時(shí)可考慮增加承壓水壓50～150kPa。

由于本區(qū)間隧道以砂卵石地層為主，且埋深h＞2R0（R0為隧道直徑），故在計(jì)算豎直土壓力σv時(shí)土拱效應(yīng)的發(fā)揮不可忽略[15]。因此，采用太沙基松弛土壓力計(jì)算本工程的豎直土壓力σv，計(jì)算原理如圖3 所示，計(jì)算見(jiàn)公式（4）所示

其中：B為土拱計(jì)算范圍寬度，m；K為土的計(jì)算側(cè)壓力系數(shù)，其值大小與土體空間位置及土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度相關(guān)，通常取1；z為各土層厚度，m；γ 為土層重度，kN/m3；c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，°；γ、c、φ的取值見(jiàn)表1。

圖3 太沙基松弛土壓力計(jì)算原理

按照上述理論（經(jīng)驗(yàn)）計(jì)算方法，將盾構(gòu)推力、扭矩、泥水壓力的參數(shù)計(jì)算結(jié)果與盾構(gòu)機(jī)的額定配備參數(shù)對(duì)比整理如表4 所示，可以看出，推力與扭矩參數(shù)均小于盾構(gòu)的額定配備值，說(shuō)明本工程的盾構(gòu)選型可以滿足施工要求。

表4 盾構(gòu)參數(shù)計(jì)算值與額定配備值對(duì)比情況

4 盾構(gòu)適應(yīng)性分析

盾構(gòu)在始發(fā)后的前30 環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)段掘進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)段的調(diào)整后，各參數(shù)逐步趨于穩(wěn)定，因此，選取30～100 環(huán)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。開(kāi)挖艙的泥水壓力取于艙壁最上側(cè)的測(cè)點(diǎn)，其變化情況如圖4 所示，可以看出，其值穩(wěn)定在0.2MPa左右，并在理論計(jì)算的范圍之內(nèi)；扭矩、推力的變化情況如圖5 所示，扭矩值保持在3 700kNm以下，總推力不超過(guò)20 000kN，二者均控制在盾構(gòu)配備的額定值以下且保持在上述的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值之內(nèi)。

圖4 盾構(gòu)開(kāi)挖艙內(nèi)泥水壓力-環(huán)數(shù)變化曲線

圖5 盾構(gòu)推力、扭矩-環(huán)數(shù)變化曲線

5 結(jié)論與討論

北京地區(qū)的深埋卵石地層具有滲透系數(shù)大、高水壓的特點(diǎn)，結(jié)合工程特點(diǎn)確定了泥水平衡盾構(gòu)的選型，并通過(guò)實(shí)際工程參數(shù)的驗(yàn)證得出了如下結(jié)論與建議。

1）泥水平衡盾構(gòu)在北京地區(qū)的深埋富水地層具有一定的適用性，通過(guò)借鑒鄰近地層的已有工程，可為盾構(gòu)的初步選型提供一定依據(jù)。

2）撕裂刀與切刀的組合布置有效適用于王府井站～前門(mén)站區(qū)間地層，盾構(gòu)的實(shí)際施工參數(shù)與理論（經(jīng)驗(yàn)）計(jì)算參數(shù)能夠較好地吻合，并控制在盾構(gòu)機(jī)的額定配置以內(nèi)。

3）本文的盾構(gòu)選型思路對(duì)于北京或其他地區(qū)的深埋富水卵石地層具有較強(qiáng)的針對(duì)性，可為今后在類似地層及工程環(huán)境下的盾構(gòu)施工提供一定的借鑒作用。