耿 坤，韓 清，張自光，曹廣勇,翟朝嬌

(1.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601;2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012)

近年來，城市的軌道交通發(fā)展迅速。在隧道施工中，盾構法是必不可少的辦法。盾構法施工對周圍環(huán)境影響不大、它具有施工進度快、自動化程度高、勞動強度低、隧道工程質量高等優(yōu)點，盾構法在地鐵隧道施工中得到廣泛地應用。盾構機在盾構法施工中是不可缺少的。正確選擇合適的盾構機能夠保證隧道施工的安全性、高效性。因為地質條件的復雜性和不確定性，所以盾構設備的選型是一個很重要的環(huán)節(jié)。

國內很多學者對地鐵隧道的盾構選型展開了相關研究。張雙亞等[1]對北京鐵路地下隧道盾構選型進行了研究，從地層滲透性、粘土含量、顆粒級配、地表沉降、刀具磨損等方面對盾構選型進行了闡述和比較。李到洪等[2]針對復合地層江底的實際情況進行盾構選型，對比分析了泥水平衡及土壓平衡兩種盾構機的優(yōu)劣。王全華[3]結合蘇州的工程地質和水文地質條件，對富水含沙軟土地層進行盾構選型，最終選用土壓平衡盾構機。田四明等[4]結合太原市的地質情況和水文地質，有針對性地選擇盾構機類型和確定盾構機相關技術參數(shù)，最終采用大直徑土壓平衡盾構機。蔡仲銀等[5]結合潮河段的水文地質、隧道結構、管片特征以及施工特性，對該隧道進行盾構選型和適應性分析；侯凱文等[6]針對南寧地鐵2號線所遇到多種地層相結合的復雜地形進行了盾構選型設計和分析，對盾構施工進行了優(yōu)化設計；曹智等[7]結合成都地鐵隧道的地質的復雜性，尤其是盾構施工要穿越富水砂卵石地層，針對盾構的技術參數(shù)進行了優(yōu)化設計。李鳳遠[8]根據(jù)經(jīng)驗和理論，對隧道的盾構選型，從選型原則、選型方法以及主要技術參數(shù)進行了論述。結合以上研究結論可以看出，在特定的地質情況下，盾構選型對施工的安全、經(jīng)濟、環(huán)保，起著很重要的作用。

本文針對淮安特定地質條件，依照盾構機選型一般的流程，從顆粒級配、滲透系數(shù)、周邊環(huán)境及環(huán)境保護等方面，對盾構的選型進行分析和探討，為類似的地質條件施工提供依據(jù)。

1 項目背景

1.1 工程概況

淮安東站盾構下穿連鎮(zhèn)鐵路路基，盾構工作井區(qū)間上行右線長度563.664 m，下行左線長度為561.901 m，隧道是兩條單洞單線圓形隧道，區(qū)間左右線各設一處半徑為1 000.5 m的平曲線，線間距為13.4 m-19.1 m，縱斷面成上坡趨勢，坡度為4‰。區(qū)間穿越范圍內構(建)筑物主要包括制梁場、存梁場樁基、連鎮(zhèn)鐵路路基、G2京滬高速公路。

1.2 水文地質條件

沿線地表水主要為盾構工作井東北部水塘內的水，勘察期間水深約0.81 m，地表水和潛力水力聯(lián)系較為緊密。雨季補給潛水，旱季接收潛水補給。通過勘探結果可以看出，對本工程有影響的承壓水為第Ⅰ和第Ⅱ層承壓水。第Ⅰ層承壓水大部分埋藏于砂質粉土和粉砂層中，主要接受側向徑流的補給。徑流以側向為主要方式，排泄方式主要為徑流，局部人工開采。第Ⅱ層承壓水主要埋藏于中砂和粉砂層中，主要接受側向徑流補給。徑流以側向為主，排泄方式以徑流為主，局部人工開采。隧道主要穿越地層為粉砂層，其土質特征如表1所示。

表1 土質特性表

1.3 工程特點及選型需求

1.3.1 工程特點

(1)盾構隧道穿越主要是富水砂層，主要有粉砂、黏土等，該地層的施工難度大、風險大，需要所選盾構機具有良好的地層適應性。

(2)周邊環(huán)境比較復雜，要穿越主要有制梁場、存梁場樁基、連鎮(zhèn)鐵路路基等建筑物，對盾構施工沉降控制要求嚴格。

1.3.2 選型需求

為確保盾構施工能夠安全、高效地進行，結合本工程特點，提出了盾構選型需求。

(1)因為粉砂和砂質粉土中的水量較大，而且有承壓性，盾構掘進時容易產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象，對隧道盾構施工的安全性產(chǎn)生不利的影響，應預防突發(fā)性的涌水和流砂，應重點加強渣土改良、合理選擇泥水壓力，

(2)盾構施工要保護環(huán)境，能夠減少施工對周圍土體的影響，在掘進過程中要保證沿線及地下管線的安全性。

(3)盾構機的性能良好，能夠防止在穿越建(構)筑物時發(fā)生同步注漿管路堵塞或者設備的故障引起的盾構機停機的情況發(fā)生。

2 盾構選型的原則以及依據(jù)

2.1 盾構選型的原則

盾構選型一般按照適用性、可靠性、先進性以及經(jīng)濟性相統(tǒng)一的原則進行的。

(1)適用性原則。依據(jù)本工程的地質條件和周邊環(huán)境、施工要求，合理選擇適合本工程施工的盾構機。

(2)可靠性原則。依據(jù)施工的要求例如地表沉降要求、施工防水要求、環(huán)境保護要求，合理選擇施工可靠的盾構機。

(3)先進性原則。根據(jù)盾構行業(yè)的發(fā)展情況，綜合比較選擇先進的盾構機，以便施工企業(yè)集中管理和操作。

(4)經(jīng)濟性原則。結合工程特點，對比選擇性價比的盾構機，滿足工程預算的要求。

2.2 影響因素

2.2.1 盾構選型與地層特性的關系

盾構施工法是由穩(wěn)定開挖面、盾構機挖掘和襯砌3大要素組成。按開挖面和作業(yè)室之間隔墻構造可以分成敞式、半開敞式及密閉式3種盾構機。目前，密閉式盾構機使用的較多，其主流機型是土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機。

土壓平衡盾構機適用范圍為粉土、砂土、粉質粘土、粉砂等土質的施工，在掘進的過程，把土料作為穩(wěn)定開挖面的介質，刀盤后隔板和開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉將土料運出，泥土室內土壓可由刀盤旋轉開挖速度和螺旋輸出料器出土量進行調節(jié)。

泥水平衡盾構機適用于滯水細砂層、砂礫層、漂礫層等土質的施工。在掘進的過程中，加壓泥水或泥漿用來穩(wěn)定開挖面，在機械式盾構刀盤的后側，其刀盤后面有一個密封隔板，把水、粘土及其添加劑混合制成的泥水，經(jīng)輸送管道壓入泥水倉，待泥水充滿整個泥水倉，并具有一定壓力，形成泥水壓力室，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿重復使用。

2.2.2 盾構選型與顆粒級配的關系

根據(jù)盾構選型與顆粒級配的關系，在淤泥粘土地層中，適合土壓平衡盾構機；在粗礫、細沙地層中，適合泥水平衡盾構機，也可通過土質改良后使用土壓平衡盾構機；在卵石礫石粗礫地層中，適合泥水平衡盾構機。

2.2.3 盾構選型與滲透系數(shù)的關系

滲透系數(shù)是影響盾構選型的因素之一。一般地，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10-4m/s時，選擇泥水平衡盾構機較好；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s時，選擇土壓平衡盾構機較好；當?shù)貙拥臐B透系數(shù)位于兩者之間時，選用泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機都可以。

2.2.4 其他因素

(1)為了保證盾構施工過程中地面建筑物及管線受隧道施工影響降到最小，保證所有地面建筑物及管線正常、安全運行,應該對盾構下穿范圍的管線的現(xiàn)狀進行調查。泥水平衡盾構機的控制精度高，對開挖面周邊的土體的影響小，所以能夠有效地控制地表沉降。土壓平衡盾構機的控制精度低，對開挖面周邊土體的影響較大，對地表沉降量的控制精度較低。通過合理控制掘進參數(shù)，建立良好的壓力平衡，采取一系列措施，兩種盾構機都能有效地控制地表沉降，滿足建(構)物的沉降要求。

(2)泥水平衡盾構機能更好的控制地表沉降，但其工藝復雜，輔助設備多，尤其是需要配置專門的泥水處理系統(tǒng)，其占地面積大、施工投入大、掘進每米平均成本相比土壓平衡盾構機高出40%左右。然而土壓盾構不需要泥水處理系統(tǒng)，占地面積小、設備造價低，通過添加劑可擴大適用范圍。另外，維護相對泥水盾構機簡單、方便。

3 盾構選型及實施效果

3.1 盾構選型

(1)從地層特性上來看，在本工程施工中，兩種盾構機都可以使用，但是泥水平衡盾構機對粘土的分離較困難，地表施工占地面積大，施工成高，所以此工程選用土壓平衡盾構機較為適宜。

(2)此工程主要穿越砂質粉土層和粉砂層，通過勘測發(fā)現(xiàn)，粉砂土質較均勻，穿越地層顆粒級配曲線分布在土壓平衡和水泥平衡盾構機適宜的范圍之內。此工程穿越土層土質較為均勻，細顆粒含量多，容易充滿土倉的每個部位，在土倉中可以建立壓力平衡開挖面土體，較適宜采用土壓平衡盾構機。

(3) 淮安東站地鐵穿越土層主要為粉砂層，各土層滲透系數(shù)如表2所示，由表2可知，淮安東站粉砂層的滲透系數(shù)大于10-4m/s，宜選用泥水平衡盾構機更為合適；砂質粉土層的滲透系數(shù)小于10-4m/s，選用土壓和泥水平衡盾構機都可以。由勘探資料可以看出，穿越土層的細顆粒含量占很大比重，在掘進過程中，會產(chǎn)生細粒粉土，泥水平衡盾構機泥水分離難度大，并且排渣效率低。因此選用土壓平衡盾構機更為適宜。

(4)在對本工程盾構下穿范圍的管線的現(xiàn)狀進行實地調查，實地調查后，發(fā)現(xiàn)下穿范圍內無管線及其他預埋設施，所以選用泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機都可以。但由于泥水平衡盾構機工藝復雜，輔助設備多，尤其是需要配置專門的泥水處理系統(tǒng)，其占地面積大、施工投入大，所以本工程宜選用土壓平衡盾構機。

通過從本工程的地層特性、顆粒級配、滲透系數(shù)、周邊環(huán)境以及經(jīng)濟指標對泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機進行對比和分析，可以得出本工程施工采用土壓平衡盾構機。

表2 各土層滲透系數(shù)

3.2 實施效果

3.2.1 土壓平衡盾構主要技術參數(shù)及實施效果

根據(jù)上述盾構選型分析，結合本工程的工程特性，經(jīng)計算，滿足本工程施工特性要求的土壓平衡盾構及主要技術參數(shù)如表3所示。

表3 土壓平衡盾構機主要技術參數(shù)

3.2.2 施工效果

為了保證施工的安全性，盾構區(qū)間穿越鐵路區(qū)域，軌道路基沉降量應控制在沉降為-10 mm，隆起為+10 mm。地表沉降監(jiān)測圖如圖1所示。從圖1可以看出，本工程的地表沉降量在合理范圍之內，保證了隧道施工的安全。

表4 地表沉降 單位：mm

4 結 語

(1)盾構選型必須要有科學的根據(jù)和合理的分析，根據(jù)工程地質、水文條件和不同類型盾構的適用性和經(jīng)濟效益等因素綜合考慮。

(2)在本地層條件下的盾構選型需要綜合考慮盾構系統(tǒng)的功能進行合理配置，保持盾構機對此地層的適應性。此外，要充分考慮到盾構機在施工過程中出現(xiàn)的情況，保證盾構機能夠順利施工。

(3)本文提到盾構機施工過程中出現(xiàn)的問題，為類似的地質條件的施工提供參考。