李友良

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某市政工程跨海盾構(gòu)隧道起訖里程0+000.000—2+750.000，長2.75 km，為城市快速路，主線設(shè)計速度80 km/h，采取雙向6 車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。隧道橫穿海底，施工條件錯綜復(fù)雜，施工期間伴有較明顯的安全風(fēng)險，宜選擇與現(xiàn)場環(huán)境相適應(yīng)的盾構(gòu)機，以提高機械化作業(yè)水平，保證施工安全。

2 工程地層條件及對盾構(gòu)機的基本要求

2.1 地層條件

（1）地層條件：盾構(gòu)隧道區(qū)間洞身穿越地質(zhì)的具體情況見表1。

表1 盾構(gòu)隧道區(qū)間洞身主要地質(zhì)分布

（2）洞身地層強度：隧道洞身穿越區(qū)域以軟弱地層居多，占比較高的有中粗砂層、砂質(zhì)黏土層，其特點是抗壓強度低，易失穩(wěn)；局部存在鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層。

以現(xiàn)場地質(zhì)條件為立足點，結(jié)合工程建設(shè)要求，采取“周邊滾刀＋貝殼刀”的刀具組合方式。刀具以特質(zhì)合金鋼為基礎(chǔ)材料，以提高刀具的耐磨性。綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件以及盾構(gòu)期間刀具可能出現(xiàn)大范圍磨損的情況，擬配備軟、硬兩種刀盤，以提高盾構(gòu)施工的靈活性。

2.2 對盾構(gòu)機的基本要求

盾構(gòu)機為盾構(gòu)施工的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)兼具開挖、管片安裝、測量導(dǎo)向、密封等多重功能。此外，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)情況，在盾構(gòu)機既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作出優(yōu)化，例如提高刀盤的強度、提高盾尾刷的密封性、完善土倉中部泥漿沖刷系統(tǒng)、對同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行擴容等，全面豐富盾構(gòu)機的功能[1]。

2.2.1 各地層的掘進(jìn)

（1）軟土、砂層的掘進(jìn)。此類地層的穩(wěn)定性不足，地下水含量豐富，盾構(gòu)掘進(jìn)過程需要合理控制環(huán)流系統(tǒng)運行參數(shù)，使其維持穩(wěn)定運行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步控制切口水壓。

（2）鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層的掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果可知，盾構(gòu)隧道施工期間可能遇到4 處鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層，其硬度較大，易導(dǎo)致盾構(gòu)刀具磨損。對此，需提高盾構(gòu)機刀盤的強度和耐磨性，盡可能減少盾構(gòu)掘進(jìn)期間的換刀頻率，實現(xiàn)持續(xù)性切削。

（3）隧道頂砂層的掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場的砂層覆蓋范圍較廣，接收井前約82 m 的位置出現(xiàn)中粗砂層傾入隧道的情況，為保證盾構(gòu)施工的安全性，應(yīng)對隧道頂部采取加固措施，在安全的環(huán)境下高效掘進(jìn)。

2.2.2 大坡度掘進(jìn)及到達(dá)

盾構(gòu)隧道線路的平直性欠佳，包含39.1‰的下坡段和30.9‰的上坡段，為提高盾構(gòu)機的適應(yīng)能力，需要配置高靈敏度的激光自動導(dǎo)向系統(tǒng)，協(xié)調(diào)仿行刀和超挖刀的工作姿態(tài)。下坡段、上坡段的長度分別為1039 m 和711 m，仿行刀和超挖刀將長時間工作，因此需具有足夠的強度和耐磨性。此外，還需提高盾尾密封刷的工作能力，以免持續(xù)偏心受壓的施工條件引發(fā)管片受損等質(zhì)量問題。推進(jìn)千斤頂宜設(shè)置在后筒上，升級同步雙液注漿系統(tǒng)，采取管片固定措施。遇急轉(zhuǎn)彎隧道時，需保證盾構(gòu)機具有足夠的糾偏能力，并調(diào)整折中裝置的最大偏轉(zhuǎn)角度。

2.2.3 泥餅清理

盾構(gòu)現(xiàn)場地質(zhì)組成中，以砂質(zhì)黏土居多，在此環(huán)境下施工時易形成“泥餅”，導(dǎo)致土倉中部等部位出現(xiàn)泥土板結(jié)現(xiàn)象，盾構(gòu)推力增加，刀盤扭矩異常，難以順利完成掘進(jìn)作業(yè)[2-3]。而“泥餅”的處理難度較大，易阻礙正常的盾構(gòu)施工進(jìn)程，因此需從日常工作做起，例如提高土倉內(nèi)泥漿循環(huán)流量，及時清理切削所得的黏土，配置高性能的刀盤高壓水清洗系統(tǒng)。通過上述措施，從源頭上避免“泥餅”的形成。

2.2.4 沉降的檢測與控制

施工現(xiàn)場絕大部分地層偏軟弱，敷設(shè)有跨海光纜等基礎(chǔ)設(shè)施，加大了施工的復(fù)雜度。對此，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)加強對地表沉降的檢測與控制。盾構(gòu)機需具有高精度檢測和及時糾偏的能力，在選擇盾構(gòu)機時需兼顧刀盤的開口率、切口水壓的穩(wěn)定性及注漿系統(tǒng)的適用性，較為合適的是配置雙液同步注漿系統(tǒng)，在其支持下快速完成管片壁厚的注漿填充作業(yè)，以免隨施工時間的延長而出現(xiàn)大范圍沉降現(xiàn)象。

2.2.5 盾構(gòu)機的可靠性、適用性及經(jīng)濟性要求

盾構(gòu)機所處施工環(huán)境復(fù)雜，其可靠性將直接影響盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量，而盾構(gòu)機集豐富的精密元器件于一體，因此需保證各元器件具有較強的工作能力，并形成相協(xié)調(diào)的關(guān)系。盾構(gòu)機的可靠性主要體現(xiàn)在其適用性的層面，即在各類地層條件下均能穩(wěn)定運行。此外，在提升盾構(gòu)機可靠性的同時還需要兼顧成本需求，不可出現(xiàn)一味提高可靠性而導(dǎo)致成本投入過高的局面。

2.2.6 盾構(gòu)機的生產(chǎn)效率與工期要求的關(guān)系

根據(jù)工期安排，單月掘進(jìn)量應(yīng)達(dá)到180 m，工期相對較緊，加之現(xiàn)場環(huán)境較為苛刻，因此必須注重盾構(gòu)機選型問題，保證其具有較強的生產(chǎn)能力，以高效的方式保質(zhì)保量完成掘進(jìn)作業(yè)。

3 盾構(gòu)機選型要點及依據(jù)

3.1 選型要點

以現(xiàn)場盾構(gòu)施工環(huán)境、施工質(zhì)量要求為主要依據(jù)，圍繞技術(shù)可行性、適用性、經(jīng)濟性展開對比分析，保證選擇的土壓平衡盾構(gòu)機能夠滿足多方面的要求。盾構(gòu)機選型要點：①在現(xiàn)場各類圍巖條件下均具有適用性；②可滿足工期、質(zhì)量的雙重要求；③具有足夠的可靠性和耐久性，以便維持穩(wěn)定運行，減少中途維修或零部件更換的頻率。

盾構(gòu)機的選型是一項系統(tǒng)性工作，需兼顧現(xiàn)場地質(zhì)、設(shè)計線路、隧道長度、工期要求、突發(fā)情況、成本投入等多方面的內(nèi)容。

3.2 選型依據(jù)

以工程特點（地質(zhì)條件、質(zhì)量要求、工期要求、經(jīng)濟效益要求等）為依據(jù)，細(xì)化盾構(gòu)機的選型細(xì)則，選型主要需考慮以下依據(jù)：

（1）隧道單端掘進(jìn)長度＞2.75 km。

（2）地下水位埋深21～60 m，外水壓力0.6 MPa，最大值0.7 MPa。

（3）隧道覆土厚度20～46.7 m，最大坡度39.1‰。

（4）隧道內(nèi)凈空5.4 m，管片外徑6.3 m，管片厚度0.45 m、寬度1.5 m。

（5）正常工況下單月掘進(jìn)量應(yīng)達(dá)到180 m。

（6）盾構(gòu)施工期間的特殊地段主要有：強度較高的鐵質(zhì)層和鈣質(zhì)層、易失穩(wěn)的全斷面砂質(zhì)黏土層以及隧道頂砂層。

（7）掌子面施工期間，盾構(gòu)機應(yīng)維持壓力平衡的狀態(tài)，遇黏土層等穩(wěn)定性欠佳的地層時，應(yīng)有效加固掌子面。

（8）遇含有豐富石英砂的地層時，鑒于其硬度較大的特點，應(yīng)保證盾構(gòu)刀具滿足耐磨、強度的雙重要求，最大限度降低換刀頻率。

（9）部分地層存在鐵質(zhì)和鈣質(zhì)結(jié)核現(xiàn)象，該部分致密性較好且硬度加大，應(yīng)配置高強度刀具。

（10）在海水下掘進(jìn)，施工期間盾構(gòu)刀具等相關(guān)結(jié)構(gòu)易受到地下水的腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性下降，要求刀具具有較高的強度和抗腐蝕性能。

3.3 最終選型

以盾構(gòu)頭部的結(jié)構(gòu)形式為依據(jù)，可以分為開放式和密封式兩類盾構(gòu)機，各自又可細(xì)分為多種形式。其中，開放式盾構(gòu)機較為常見的類型有人工式、半機械式、機械式；密封式盾構(gòu)機則包含泥水平衡式、土壓平衡式等。各類盾構(gòu)機的應(yīng)用特點各異，開放式盾構(gòu)機常用于穩(wěn)定性較好的工作面（不存在氣壓及水壓作用），或是在此基礎(chǔ)上輔以其他手段，例如氣壓法、土體加固等，以達(dá)到提高施工技術(shù)水平的效果，全面確保工作面的穩(wěn)定性。根據(jù)該工程的現(xiàn)場地質(zhì)情況，為滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟性等方面的要求，宜采用土壓平衡盾構(gòu)機（圖1）。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)機

盾構(gòu)機自始發(fā)以來，已累計掘進(jìn)近l000 m，創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺20 m 的記錄，設(shè)備整體運行狀況良好。結(jié)合工程應(yīng)用情況，驗證了設(shè)備各系統(tǒng)選型與設(shè)計的合理性，對項目工程地質(zhì)有良好的適應(yīng)性，滿足設(shè)計施工需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，市政工程建設(shè)經(jīng)常涉及到盾構(gòu)施工作業(yè)，但由于施工環(huán)境較為復(fù)雜，需配置與現(xiàn)場環(huán)境相適應(yīng)的高性能盾構(gòu)機。以工程實例為背景，現(xiàn)場地質(zhì)情況作為立足點，提出盾構(gòu)施工設(shè)備的選型方法，希望作為類似工程的參考，發(fā)揮出盾構(gòu)機在市政工程中的應(yīng)用優(yōu)勢。