摘要 復(fù)雜地質(zhì)多風(fēng)險(xiǎn)源條件下盾構(gòu)的合理選型與針對(duì)性設(shè)計(jì)是保證盾構(gòu)隧道安全高效建設(shè)的重要前提與保障。依托合肥駱崗生態(tài)公園市政配套預(yù)留工程一期及合肥西站地下預(yù)留空間工程，分析了工程存在的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，介紹了盾構(gòu)選型與針對(duì)性設(shè)計(jì)。結(jié)果表明土壓平衡盾構(gòu)能較好地適應(yīng)該項(xiàng)目的地質(zhì)條件，而通過優(yōu)化刀具配置、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)以及改進(jìn)螺旋輸送機(jī)和注漿系統(tǒng)能解決復(fù)雜地質(zhì)多風(fēng)險(xiǎn)源條件下盾構(gòu)的掘進(jìn)問題。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜地質(zhì)； 風(fēng)險(xiǎn)源； 隧道掘進(jìn)； 盾構(gòu)選型； 針對(duì)性

關(guān)鍵詞 U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

目前在地下工程建設(shè)中盾構(gòu)法和鉆爆法是2類典型的施工方法，其中由于盾構(gòu)法具有安全、高效等特點(diǎn)而被廣泛用于城市地下交通設(shè)施建設(shè)。在多年的發(fā)展過程中，針對(duì)不同的地層特征和工程特點(diǎn)，工程界開發(fā)了多種盾構(gòu)機(jī)機(jī)型和工藝工法，典型的如土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。在盾構(gòu)法中盾構(gòu)設(shè)備的正確選型和適應(yīng)性設(shè)計(jì)是保證隧道安全、高效建設(shè)的關(guān)鍵［1］，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究。陳饋［2］依托南水北調(diào)中線穿黃隧洞的工程特征，探討了穿黃隧洞施工的盾構(gòu)選型方案及基本配置要求，指出盾構(gòu)是否能適應(yīng)地質(zhì)條件、是否能保證開挖面穩(wěn)定是盾構(gòu)選型的主要依據(jù)。靳世鶴［3］針對(duì)南京長(zhǎng)江隧道工程存在的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型中的十大系統(tǒng)進(jìn)行了分析比較。張雙亞［4］針對(duì)北京地下直徑線工程，分析了不同盾構(gòu)類型與地層滲透性、黏土含量及顆粒級(jí)配的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指出泥水平衡盾構(gòu)更適應(yīng)北京鐵路地下直徑線的工程與水文地質(zhì)。唐健等［5］針對(duì)成都地鐵含大漂石砂卵石地層的特征，分析了土壓平衡盾構(gòu)在該類地層中的適應(yīng)性。王夢(mèng)?。?］探討了不同類型的盾構(gòu)在不同地層中的適應(yīng)性，指出在自穩(wěn)性較好的地層中宜選用開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)。劉訓(xùn)華等［7］指出在下穿錢塘江時(shí)，泥水平衡盾構(gòu)在處理有害氣體、承壓水層及砂性土層施工方面優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)，但在經(jīng)濟(jì)性、施工方便性等方面不及后者。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)不同地層的盾構(gòu)選型開展了全面研究并形成了一系列有益成果，但是近年來盾構(gòu)隧道工程面臨的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，工程建設(shè)過程中面臨多種復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)源，典型的如下穿橋梁樁基、房屋結(jié)構(gòu)、管線等多種建（構(gòu)）筑物等。本文依托合肥駱崗生態(tài)公園市政配套預(yù)留工程一期及合肥西站地下預(yù)留空間工程，探討了復(fù)雜地質(zhì)多風(fēng)險(xiǎn)源條件下的盾構(gòu)選型，并介紹了不同風(fēng)險(xiǎn)源的針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

本文依托于合肥駱崗生態(tài)公園市政配套預(yù)留工程一期及合肥西站地下預(yù)留空間工程，在S1盾構(gòu)井與合肥西站之間設(shè)置一雙洞單線隧道，隧道長(zhǎng)544.654 m，采用盾構(gòu)法開挖。區(qū)間線路自S1盾構(gòu)井出發(fā)下后穿規(guī)劃清溪路高架向南敷設(shè)，隨后以R=500 m的平面曲線接R=3 000 m平面曲線下穿高鐵合肥西站站房樁基礎(chǔ)后到達(dá)合肥西站。區(qū)間線路縱斷面呈“一”型上坡，線路自S1盾構(gòu)井以7.05‰上坡升坡至合肥西站（圖1）。區(qū)間線間距13.0～21.5 m，隧道頂部埋深19.2～22.0 m。盾構(gòu)主要穿越強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中等風(fēng)化粉砂巖。

1.2工程重難點(diǎn)分析

根據(jù)工程地質(zhì)條件、區(qū)位特點(diǎn)等，分析本工程主要面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2.1軟硬不均地層掘進(jìn)設(shè)備損傷大

一般而言，盾構(gòu)穿越的地層較為單一，如北京地區(qū)以黏土、粉質(zhì)黏土為主，成都地區(qū)以砂卵石地層為主，在這種單一地層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)姿態(tài)平穩(wěn)，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的影響較小。而本工程區(qū)間在DK44+657.433～DK44+701.233范圍存在43.8 m的上軟下硬地段，洞身范圍內(nèi)上部為中風(fēng)化粉砂巖，下部為中風(fēng)化砂巖，而在DK44+784.043～DK44+840.503范圍存在56.46 m的上硬下軟地層，上部中風(fēng)化砂巖而下部為中風(fēng)化粉砂巖，其中中風(fēng)化砂巖最大天然單軸抗壓強(qiáng)度為124 MPa。當(dāng)盾構(gòu)在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)，當(dāng)?shù)毒咔邢鹘?jīng)過軟硬巖交界面時(shí)刀具在軟硬不均巖面作周期性碰撞，這種碰撞會(huì)引起局部刀具受力超載，同時(shí)刀盤承受偏心荷載作用至使主軸承受損或主軸承密封破損。在上軟下硬地層中掘進(jìn)，盾構(gòu)刀盤扭矩波動(dòng)較大，刀具受力點(diǎn)極其不均勻，容易使刀盤刀具產(chǎn)生偏磨。當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生偏磨后會(huì)進(jìn)一步惡化各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，因此在上軟下硬地層中掘進(jìn)如何做好刀具的保護(hù)工作是確保連續(xù)施工的難題。

1.2.2風(fēng)化巖層掘進(jìn)容易結(jié)泥餅

地勘資料表明區(qū)間洞身范圍為風(fēng)化巖層，而這類地層中黏土礦物含量較高（粒徑D不大于0.075 mm），在刀具和刀盤的切削作用下，風(fēng)化巖層極易變成粉末狀并附著在刀盤上，在遇水軟化后其粘性進(jìn)一步增大，粘附作用會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，這些粘附在刀盤上的黏土?xí)趬毫蜏囟鹊淖饔孟轮匦鹿探Y(jié)形成泥餅。泥餅的形成會(huì)增大推力和扭矩、降低掘進(jìn)速度并加速刀具磨損［8］，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率和安全，因此如何降低結(jié)泥餅的程度是本工程需解決的關(guān)鍵問題。

1.2.3盾構(gòu)穿越建構(gòu)物風(fēng)險(xiǎn)大

本工程位于城市密集區(qū)，沿線穿越多個(gè)建（構(gòu)）筑物，典型的有清溪路高架主線橋、清溪路高架B匝道橋、清溪路西廣場(chǎng)地下室、清溪路高架D匝道橋、合肥西站高鐵站房、污水管線、雨水管線等。其中盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿規(guī)劃清溪路高架D匝道橋樁基礎(chǔ)，最小側(cè)向距離約1.77 m，如圖2所示，同時(shí)該樁基為新建樁基，樁基施工過程中對(duì)土體的擾動(dòng)未完全固結(jié)，極易受擾動(dòng)變形。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會(huì)不可避免地對(duì)隧道周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)，而應(yīng)力狀態(tài)的改變則又會(huì)導(dǎo)致地層的沉降變形，過大的地層變形則會(huì)引起既有建（構(gòu)）筑物的不均勻沉降變形，引發(fā)開裂等災(zāi)害［9］。

2盾構(gòu)設(shè)備選型

在盾構(gòu)設(shè)備選型時(shí)應(yīng)滿足適用性、可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則［10］，同時(shí)在滿足適用性和可靠性的前提下，優(yōu)先考慮技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性。首先盾構(gòu)設(shè)備應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，既能確保開挖面與地層穩(wěn)定，同時(shí)能滿足地層變化大、巖性軟硬不均等復(fù)雜地質(zhì)條件的施工要求；其次盾構(gòu)設(shè)備應(yīng)能保證正常與極端條件下的安全掘進(jìn)，避免出現(xiàn)安全事故。而先進(jìn)性則要求所選設(shè)備具有較高的掘進(jìn)效率和穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性主要指后配套設(shè)備的能力與主機(jī)配套，滿足生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配，同時(shí)具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)。

根據(jù)上述原則，在設(shè)備選型過程中主要考慮地層滲透系數(shù)、顆粒級(jí)配、施工風(fēng)險(xiǎn)和施工成本等因素［11］。施工經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7 cm/s時(shí)，主要選用土壓平衡盾構(gòu)，而滲透系數(shù)在10-7～10-4 cm/s之間時(shí)，2類盾構(gòu)均可，而當(dāng)滲透系數(shù)大于10-4 cm/s時(shí)，則應(yīng)選用泥水平衡盾構(gòu)，而本工程中強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中等風(fēng)化粉砂巖的滲透系數(shù)均小于10-4cm/s。從顆粒級(jí)配來看，本工程中盾構(gòu)穿越的圍巖均屬細(xì)顆粒地層，這類地層中如果采用泥水平衡盾構(gòu)時(shí)，會(huì)影響泥水分離設(shè)備的處理效率，進(jìn)而影響掘進(jìn)效率。從施工風(fēng)險(xiǎn)來看，泥水平衡盾構(gòu)在高水壓情況下維持開挖面和地層穩(wěn)定的能力要強(qiáng)于土壓平衡盾構(gòu)，但本工程中地下水主要來源于大氣降水和地表水的入滲補(bǔ)給，由于受地形地貌、地層巖性控制，地下水徑流短，基本上是就地降雨入滲補(bǔ)給，地下水靜止水位埋深為1.5～5.0 m，因此地下水引發(fā)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較小。在工程成本方面，泥水平衡盾構(gòu)需要較大場(chǎng)地安裝泥水分離設(shè)備，同時(shí)還需要注入膨潤(rùn)土等來調(diào)整泥漿的密度和粘度，因此泥水平衡盾構(gòu)的施工成本大于土壓平衡盾構(gòu)。綜上分析可得，本工程宜采用土壓平衡盾構(gòu)。

3關(guān)鍵系統(tǒng)選型與針對(duì)性設(shè)計(jì)

3.1針對(duì)軟硬不均地層的設(shè)計(jì)

3.1.1刀具配置

為滿足軟硬復(fù)合地層的掘進(jìn)要求，本區(qū)間刀盤配置的切削刀具為硬巖刀具（中心雙聯(lián)滾刀、單刃滾刀、切刀、邊刮刀、保徑刀、焊接撕裂刀、超挖刀、大圓環(huán)保護(hù)），其中中心雙聯(lián)滾刀、單刃滾刀起到現(xiàn)行開挖作用，刮刀用于松動(dòng)開挖面，減低切刀的荷載。切刀和刮刀除起主切削作用外，還幫助進(jìn)碴，刀具配置如表1所示。同時(shí)為更好地保護(hù)刀具，避免刀具受撞擊破壞，采用滾刀超前設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)刮刀設(shè)置保護(hù)塊（圖3）。

3.1.2主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)刀盤由7組變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，出廠時(shí)刀盤額定扭矩9 030 kN·m，額定轉(zhuǎn)速1.43 r/min，刀盤最大（脫困）扭矩11 000 kN·m，刀盤最快轉(zhuǎn)速3.4 r/min。主驅(qū)動(dòng)密封采用唇形密封，內(nèi)密封4道，外密封4道，密封最大承壓力5 bar。

3.2針對(duì)風(fēng)化巖層結(jié)泥餅的設(shè)計(jì)

3.2.1刀盤系統(tǒng)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤直接與地層作用，刀具的數(shù)量、布置形式、刀盤結(jié)構(gòu)形式都會(huì)影響泥餅的形成，而研究表明當(dāng)開口率小于33%時(shí)泥餅形成的概率會(huì)大幅增加［12］。根據(jù)既有施工經(jīng)驗(yàn)，本工程盾構(gòu)機(jī)刀盤采用6輻條6面板結(jié)構(gòu)復(fù)合地層刀盤，刀盤主梁采用方形結(jié)構(gòu)，開口率為33%，中心開口率38%，該刀盤形式能保證對(duì)掌子面形成良好的切削并能避免渣土在刀盤位置的積聚（圖4）。

3.2.2渣土改良系統(tǒng)

切削土體的流動(dòng)性差是泥餅形成的重要原因，在工程實(shí)踐中常采用在刀盤前方注入改良材料調(diào)整渣土的流動(dòng)狀態(tài)。其中膨潤(rùn)土可以改善土體的流動(dòng)性和不透水性，而泡沫不僅能改善不透水性，還能增加流動(dòng)性，因此本盾構(gòu)通過配置泡沫系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)改良渣土。泡沫系統(tǒng)采用8路單管單泵的形式，在刀盤面板配置8路泡沫噴頭，而膨潤(rùn)土系統(tǒng)主要配置2臺(tái)18.5 kW膨潤(rùn)土泵。此外還通過增加主動(dòng)攪拌棒，利用刀盤的旋轉(zhuǎn)攪拌、土倉(cāng)攪拌裝置攪拌或螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)攪拌使添加劑與土碴混合，使盾構(gòu)切削下來的碴土具有好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩阻力，滿足在不同地質(zhì)條件下盾構(gòu)掘進(jìn)可達(dá)到理想的工作狀況。

3.3針對(duì)穿越建（構(gòu)）筑物的設(shè)計(jì)

在盾構(gòu)下穿建（構(gòu)）筑物時(shí)，主要通過控制掌子面穩(wěn)定和壁后注漿來降低地層擾動(dòng)程度，在本盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要從對(duì)螺旋輸送機(jī)和注漿系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

3.3.1螺旋輸送機(jī)

盾構(gòu)機(jī)采用內(nèi)徑950 mm對(duì)止水性更為有利的軸式螺旋機(jī)螺旋輸送機(jī)，通過碴土的最大尺寸為360 mm×570 mm。螺旋輸送機(jī)由電驅(qū)動(dòng)，出土量為430 m3/h（當(dāng)η=100%時(shí)），出土能力滿足最大掘進(jìn)速度80 mm/min的要求。螺旋機(jī)軸可伸縮，在必要時(shí)可收回螺旋輸送機(jī)，關(guān)閉前閘門，防止因不能形成土塞效應(yīng)而發(fā)生噴涌或土倉(cāng)壓力驟減地表沉降的事故。螺旋輸送機(jī)預(yù)留了膨潤(rùn)土和高分子聚合物注入接口，必要時(shí)，可向土倉(cāng)隔板和螺旋機(jī)內(nèi)注入膨潤(rùn)土或高分子聚合物，以緩解螺旋機(jī)的噴碴壓力。后閘門具有應(yīng)急功能，在突然斷電時(shí)，后閘門能自動(dòng)關(guān)閉，以防止噴涌。

3.3.2注漿系統(tǒng)

同步注漿采用雙活塞泵，每環(huán)的壓漿量理論空隙的150％～160％，即每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量為6.7～7.2 m3。注漿壓力應(yīng)控制0.3～0.5 MPa之間。盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)配置9 m3砂漿罐、3臺(tái)柱塞泵，采用壓力或流量控制模式控制同步注漿量。3臺(tái)同步注漿泵，即使盾構(gòu)機(jī)快速掘進(jìn)，也能保證同步注漿量的充足。每個(gè)泵有2個(gè)出口，盾尾配置6×2條注漿管，其中6用6備，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注漿的功能，在管路的注入端安裝了壓力傳感器，用于檢測(cè)注漿壓力。

4結(jié)論

近年來，我國(guó)盾構(gòu)建設(shè)面臨地質(zhì)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)源多等特點(diǎn)，如何選擇合適的盾構(gòu)設(shè)備是盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)的重要前提。本文依托合肥駱崗生態(tài)公園市政配套預(yù)留工程一期及合肥西站地下預(yù)留空間工程，分析了該工程施工面臨的主要技術(shù)難題與挑戰(zhàn)，介紹了該工程土壓平衡盾構(gòu)的選型原則和依據(jù)，并針對(duì)軟硬不均地層掘進(jìn)、風(fēng)化巖層結(jié)泥餅和下穿建（構(gòu)）筑物等主要風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，主要結(jié)論有：

（1）由于特殊的地質(zhì)條件，依托工程在掘進(jìn)過程中面臨軟硬不均地層掘進(jìn)設(shè)備損傷大、風(fēng)化巖層掘進(jìn)容易結(jié)泥餅、下穿建構(gòu)物風(fēng)險(xiǎn)大三大技術(shù)挑戰(zhàn)。

（2）在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)遵循適用性、可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則，地層滲透系數(shù)、顆粒級(jí)配、施工風(fēng)險(xiǎn)和施工成本等因素綜合分析表明土壓平衡盾構(gòu)能滿足本工程需求。

（3）通過優(yōu)化刀具配置、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)以及改進(jìn)螺旋輸送機(jī)和注漿系統(tǒng)能解決本工程掘進(jìn)過程中的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］曹向清.地鐵隧道施工盾構(gòu)機(jī)選型的重要性［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2022，No.511（22）：257-258.

［2］陳饋.南水北調(diào)中線穿黃工程盾構(gòu)選型［J］.建筑機(jī)械化，2005（12）：36-39.

［3］靳世鶴.南京長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)機(jī)選型分析［J］.建筑機(jī)械，2007，311（19）：74-75+88.

［4］張雙亞.北京鐵路地下直徑線盾構(gòu)選型［J］.隧道建設(shè)，2007，114（2）：21-23+46.

［5］唐健，陳饋.成都地鐵試驗(yàn)段盾構(gòu)選型探討［J］.建筑機(jī)械化，2006（6）：43-46.

［6］王夢(mèng)恕.不同地層條件下的盾構(gòu)與TBM選型［J］.隧道建設(shè)，2006（2）：1-3+8.

［7］劉訓(xùn)華，劉世武.杭州地鐵1號(hào)線穿越錢塘江隧道盾構(gòu)機(jī)選型［J］.浙江建筑，2008，171（7）：60-64.

［8］丁小彬，魏坤華，鄒東，等.基于多源參數(shù)分析的土壓平衡盾構(gòu)泥餅形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2022，55（S2）：119-128.

［9］潘天鵬.富水砂層地區(qū)盾構(gòu)機(jī)近距離側(cè)穿重要?dú)v史保護(hù)建筑的保護(hù)方案及影響分析［J］.隧道與軌道交通，2022，139（2）：66-68+82.

［10］李到洪，陳俐光，于藝林，等. 復(fù)合地層江底隧道盾構(gòu)選型技術(shù)［J］. 施工技術(shù)，2018，47（S1）：623-626.

［11］賈瑞華，谷海華，葉亦盛，等.大東湖深隧長(zhǎng)距離大埋深復(fù)雜地層盾構(gòu)選型研究［J］.施工技術(shù)，2020，49（19）：67-70.

［12］于勇，傅鶴林，史越，等.泥水盾構(gòu)江底掘進(jìn)泥餅形成機(jī)理研究［J］.施工技術(shù)，2019，48（5）：105-109.