江益輝，楊延棟，孫 彰，王承山，蔣偉強

（1.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.深圳鐵路投資建設集團有限公司，廣東 深圳 518000；4.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

城市地面可利用空間嚴重不足，修建地下隧道已成為發(fā)展城市交通的重要舉措。然而，我國華南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，用于隧道修建的盾構(gòu)需要穿越的地層復雜多變，傳統(tǒng)單一模式的盾構(gòu)裝備難以適應復雜地層隧道施工需求，尤其是灰?guī)r巖溶地層易導致土壓盾構(gòu)噴涌失壓、泥水盾構(gòu)渣土滯排，強風化粉砂巖地層易導致盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅。灰?guī)r巖溶與粉砂巖復合地層對盾構(gòu)的地質(zhì)適應性提出了新的挑戰(zhàn)，有必要開發(fā)該復合地層雙模盾構(gòu)的選型配置技術(shù)，為隧道順利穿越復雜地質(zhì)條件提供解決方案。

國內(nèi)眾多專家學者對復合地層盾構(gòu)施工進行了分析研究，無論采用單一模式的土壓平衡盾構(gòu)還是泥水平衡盾構(gòu)，均難以應用灰?guī)r巖溶與粉砂巖復合地層噴涌失壓、渣土滯排、刀盤結(jié)泥餅等工程難題，針對深大城際2標白大工作井—大運站區(qū)間線隧道工程，開展土壓/泥水雙模盾構(gòu)選型與配置技術(shù)研究，對于解決上述工程難題具有重要意義。

1 工程概況

粵港澳大灣區(qū)深圳都市圈寶安機場至大亞灣城際鐵路一期工程止于深圳聚龍站，線路全長約68.8km。深大城際2 標線路全長約37.4km，該區(qū)間涉及五和站、白坭坑站、大運站、坪山站（劃大鵬支線建設）、聚龍站5 座車站，5 座車站和6個工作井將深大城際2 標劃分為10 個盾構(gòu)隧道區(qū)間，盾構(gòu)開挖直徑?9130mm，隧道成型直徑?8 000mm。

如圖1 所示，深大城際2 標白大工作井-大運站區(qū)間線路全長約5.2km，2 臺盾構(gòu)先后從大運站始發(fā)，先穿越1.1km 的微風化灰?guī)r，然后穿越長度2.1km 的強風化粉砂巖（占比27%）、微風化灰?guī)r（占比16%）、中風化粉砂巖（占比31%)、微風化粉砂巖（占比26%）的復合地層，最后在白大工作井接收。微風化灰?guī)r巖石單軸抗壓強度21～57MPa、平均值為39MPa，實測巖體完整性指數(shù)平均值為0.59、巖體較完整，但存在大量巖溶；微風化粉砂巖巖石單軸抗壓強度32～94MPa、平均值為57MPa，實測巖體完整性指數(shù)平均值為0.56、巖體較完整；中風化粉砂巖巖石單軸抗壓強度18～58MPa、平均值為36MPa，實測巖體完整性指數(shù)平均值為0.50、巖體較破碎，存在碎裂巖。微風化灰?guī)r巖溶地層實測滲透系數(shù)1.005m/d，中風化粉砂巖碎裂巖地層滲透系數(shù)1.785m/d，這兩種地層透水性均較強。

圖1 白大工作井-大運站區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

另外，盾構(gòu)還需要下穿鐵路、高速公路、地鐵管廊、地下管線、人行天橋、廠房等建（構(gòu)）筑物多次，在巖石地層地表沉降風險小，但在土狀強風化粉砂巖（土質(zhì)地層）地表沉降風險極大。

2 雙模盾構(gòu)選型

2.1 盾構(gòu)選型要求

白大工作井-大運站區(qū)間盾構(gòu)穿越的地層可以歸納為3 類：土狀強風化粉砂巖地層、中微風化粉砂巖地層、富水巖溶和碎裂巖地層。盾構(gòu)在土狀強風化粉砂巖地層掘進，泥水平衡模式有利于控制地表沉降，土壓模式存在噴涌失壓風險，TBM 模式無法控制地表沉降；盾構(gòu)在中微風化粉砂巖地層掘進，TBM 模式掘進效率更高，土壓模式下不帶壓掘進也滿足掘進需求；盾構(gòu)在富水巖溶和碎裂巖地層掘進，土壓模式存在噴涌失壓問題，泥水模式存在渣土滯排問題，TBM 模式更不能滿足掘進需要。

2.2 盾構(gòu)機型選擇

為了滿足上述幾種地層下盾構(gòu)掘進需要，選擇了土壓/泥水雙模盾構(gòu)；為了既滿足土狀強風化粉砂巖地層地表沉降控制需求、又滿足富水巖溶和碎裂巖地層不噴涌、不滯排的需求，采用了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)，該土壓/泥水雙模盾構(gòu)壓力倉隔板上并聯(lián)布置了螺旋機和排漿管，螺旋機尾部也布置了與之串聯(lián)的排漿管，可代替螺旋機尾部的皮帶機出渣。該土壓/泥水雙模盾構(gòu)包括3 種出渣模式：壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式、壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式、壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式。

2.3 串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)適應性分析

盾構(gòu)在土狀強風化粉砂巖地層掘進時，地層穩(wěn)定性較差，控制地表沉降是該地層盾構(gòu)施工控制的重點；該地層下渣土粒徑小、泥水管路渣土滯排風險小，優(yōu)先采用壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好地控制地表沉降。盾構(gòu)在中微風化粉砂巖地層掘進，地層穩(wěn)定性較好，提高出渣效率是該地層盾構(gòu)施工的重點；該地層下渣土粒徑大、泥水管路因滯排出渣效率低，優(yōu)先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構(gòu)掘進效率。盾構(gòu)在富水巖溶和碎裂巖地層掘進，既要避免土壓平衡模式噴涌失壓問題，又要防止直排泥水平衡模式渣土滯排問題，因此優(yōu)先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式；該模式既能避免壓力倉處渣土的滯排，又能防止螺旋機噴涌失壓。

綜上所述，串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)能夠滿足白大工作井-大運站區(qū)間灰?guī)r巖溶和粉質(zhì)砂巖復合的復雜地層施工。

3 土壓/泥水雙模盾構(gòu)設備配置

串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)主機設備主要由刀盤、前盾、中盾、盾尾、主驅(qū)動、推進油缸、鉸接油缸、管片拼裝機、進漿管、螺旋機、排漿管（包括壓力倉處排漿管、螺旋機尾部排漿管）、稀釋箱等組成，如圖2 所示。該土壓/泥水雙模盾構(gòu)與土壓或泥水單模盾構(gòu)最大的區(qū)別是出渣系統(tǒng)。

圖2 雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)主機配置示意圖

3.1 雙通道出渣系統(tǒng)配置

壓力倉隔板底部螺旋機與排漿管并聯(lián)布置，兩根排漿管對稱布置于螺旋機出渣口兩側(cè)，如圖3 所示。螺旋機在壓力倉內(nèi)設置1 道閘門，尾端設置2 道閘門，均能夠緊急關(guān)閉；螺旋機軸采用可伸縮設計，模式轉(zhuǎn)換時螺旋機軸前端可縮回至壓力倉隔板后方，前端閘門關(guān)閉螺旋機進渣口。

圖3 螺旋機與排漿管并聯(lián)布置示意圖

泥水平衡模式下壓力倉由泥水倉和氣墊倉構(gòu)成，二者通過聯(lián)通管連接，可通過氣墊倉內(nèi)加入壓縮空氣或泥漿來控制泥水倉壓力，也可通過泥水倉內(nèi)注入泥漿直接控制泥水倉壓力；排漿管直接伸入泥水倉，縮短了排渣距離，排渣更高效、不易滯排，如圖4所示。

圖4 壓力倉氣墊式直排結(jié)構(gòu)示意圖

盾構(gòu)采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式出渣時，螺旋機與排漿管之間配置稀釋箱，稀釋箱中部布置顎式破碎機，如圖5所示；相對常規(guī)泥水盾構(gòu)壓力倉內(nèi)布置破碎機的方式，該土壓/泥水雙模盾構(gòu)采用了破碎機外置的設計，后期維護更方便。

圖5 稀釋箱內(nèi)破碎機布置示意圖

盾構(gòu)采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式時，皮帶機采用10°小角設計，并在斜坡段兩側(cè)設計擋板及橡膠護板，解決稀渣在斜坡段的飛濺問題；皮帶機采用變頻電機驅(qū)動利于帶載啟動，配置渣土計量裝置便于及時掌握出渣量。

3.2 刀盤刀具系統(tǒng)配置

刀盤刀具系統(tǒng)配置既要滿足盾構(gòu)在巖石地層掘進有效破巖的需求，又要盡可能防止強風化粉砂巖地層刀盤刀具結(jié)泥餅。土壓/泥水雙模盾構(gòu)采用八主梁+八副梁+外圈梁的結(jié)構(gòu)形式，刀盤正面焊接耐磨鋼板、刀盤外圈梁焊接耐磨合金塊用于保護刀盤本體。刀具布置采用滾刀（可替換撕裂刀）、切刀分離的布局形式，便于渣土的流動，降低結(jié)泥餅的風險。刀盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

1）刀具布置 刀盤開挖直徑?9 130mm，配置了4把19寸的雙聯(lián)滾刀、54把19寸的單刃滾刀，中心滾刀刀間距100mm、正滾刀刀間距以75mm為主，保證巖石地層強勁的破巖能力；弧形區(qū)域邊滾刀刀間距依次減小，最外2把滾刀同軌跡，兩把保徑刀在該掘進區(qū)間R400m小曲線半徑轉(zhuǎn)彎時能保證開挖半徑；配置1把超合金式超挖刀，獨立泵站控制，最大超挖量20mm，在小曲線轉(zhuǎn)彎必要時進行超挖。刀盤配置了104把寬刃切刀、16把邊刮刀，切刀采用寬刃加強設計增強了刮削效果，大切刀刀間距利于渣土流動。

2）防結(jié)泥餅設計 刀盤整體開口率32%、中心開口率34%，刀盤中心大開口、環(huán)筋采用弧形設計，利于渣土順利流入土倉；刀盤背部配置6根主動攪拌棒，主驅(qū)動隔板和盾體隔板配置3根被動攪拌棒，交錯布置提高渣土流動性。刀盤正面布置了10個泡沫口和2個膨潤土口，均為單管單泵型式，通過渣土改良改善流動性；中心隔板位置和排漿孔位置各配置了2路高壓水沖刷，通過對刀盤中心和壓力倉底部的渣土沖刷來防止刀盤背面結(jié)泥餅。

3.3 泥水環(huán)流系統(tǒng)特殊配置

泵的出口及重要90°彎頭處采用高鉻合金鋼整體鑄造而成，具有高合金鋼的高抗磨性、較高機械強度和較高的抗沖擊性能。泵的短接采用進口的天然橡膠進行內(nèi)襯，用于泵的進出口連接，具有良好的耐磨性能和抗沖擊性能。對于常規(guī)彎頭采用覆板設計，增加了彎頭處強度，提高了泥漿管的使用壽命，并且配置了磨損檢測裝置；膨脹節(jié)承擔著泵進出口管路連接的減震作用，膨脹節(jié)采用獨有的內(nèi)襯耐磨管，提高了使用壽命，同時外層增加保護套，防止膨脹節(jié)破損時泥漿泄漏。

為滿足正常掘進時泥漿管不斷向前延伸，配置了一套臥式軟管式管路延伸裝置，通過延伸裝置周期性對進漿和排漿管路進行加長。為了解決以往管路延伸時泥漿外流污染隧道作業(yè)環(huán)境的問題，配置了一套泥漿收集系統(tǒng)如圖7所示，在拆解管路前將進漿管和排漿管內(nèi)的泥漿排送至氣墊倉和臨時收漿罐，實現(xiàn)零排放、零污染。

圖7 泥漿收集系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論與討論

針對深大城際鐵路2標白大工作井-大運站區(qū)間灰?guī)r巖溶與粉砂巖復合的復雜地層隧道工程，研發(fā)了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)設備選型配置技術(shù)，為盾構(gòu)順利穿越該復雜地層提供了解決方案。

通過對深大城際鐵路2標白大工作井-大運站區(qū)間灰?guī)r巖溶與粉砂巖復合的復雜地層盾構(gòu)施工的功能需求分析，選擇了串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)機型。土狀強風化粉砂巖地層優(yōu)先采用壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好控制地表沉降；中微風化粉砂巖地層優(yōu)先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構(gòu)掘進效率；富水巖溶和碎裂巖地層優(yōu)先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式，既能避免壓力倉處渣土的滯排，又能防止螺旋機噴涌失壓。

通過對土壓/泥水雙模盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計，配置了螺旋機與排漿管串并聯(lián)的雙通道出渣、高效破巖與防結(jié)泥餅的刀盤刀具、高抗磨與零排放的泥水環(huán)流等關(guān)鍵系統(tǒng)。壓力倉隔板底部螺旋機與排漿管并聯(lián)布置，螺旋機尾部排漿管通過稀釋箱與螺旋機串聯(lián)布置，可實現(xiàn)土壓平衡、排漿管直排泥水平衡、螺旋機與排漿管接力的泥水平衡3種出渣模式；刀盤刀具系統(tǒng)通過合理配置大直徑、小刀間距的滾刀和寬刃、大刀間距的切刀，可實現(xiàn)刀盤刀具高效破巖；通過刀盤中心沖刷、渣土攪拌改良，可防止刀盤結(jié)泥餅；泥水環(huán)流系統(tǒng)通過彎頭覆板、耐磨監(jiān)測等提高抗磨性，通過配置泥漿收集系統(tǒng)，可實現(xiàn)泥漿管路延伸零排放、零污染。

串并聯(lián)雙通道土壓/泥水雙模盾構(gòu)設備的選型配置為盾構(gòu)順利穿越灰?guī)r巖溶與粉砂巖復合地層提供了設備保障，實施效果待現(xiàn)場施工進一步驗證。