深圳地區復合地層盾構針對性設計與選型探討

譚順輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 4 50016)

0 引言

深圳地區地質條件復雜，軌道交通建設10余年來，在施工中遇到了諸多困難和問題，如盾構刀盤刀具嚴重磨損、刀盤及盾體被卡、地表塌陷及盾構推進困難等。該地區盾構工程具有地質條件復雜、周邊建(構)筑物密集、地下水位高等特點。在先前的1，2，3號線和5號線區間隧道的盾構施工中，在設計選用盾構時，雖做了很多適應性設計，但總體上沒有完全克服上述問題，盾構掘進不順利，在過程中不得不采用輔助工法進行一些特殊地質段的處理。地質復雜是客觀條件，也是客觀存在，但在采用盾構工法施工隧道時，如何結合地質特點對盾構設備采用針對性的設計和選型，盡可能使設備在滿足土壓平衡條件下又具有足夠的掘進能力，滿足這些復雜地層掘進施工的要求，是一個值得認真研究和探討的技術難題。在以往的研究中:文獻［1］針對深圳地鐵土壓平衡盾構應用過程中所遇到的問題，對深圳地層特別是對盾構施工影響較大的特殊地層展開研究，得到特殊地層對土壓平衡盾構施工的主要影響因素，進而提出土壓平衡盾構對深圳特殊地層適應性的改進措施。文獻［2］總結十幾年來深圳地鐵盾構施工技術，提供深圳盾構法施工的寶貴經驗，展現盾構法施工的最新技術和應用成果。文獻［3］以廣州地鐵復合地層土壓平衡盾構施工的實踐為基礎，結合盾構穿越敏感建筑物的經驗和教訓，分析土壓平衡盾構在掘進施工管理中的特點，提出盾構掘進的指導原則。文獻［4］分析了刀盤開口率對出土率的影響，提出了定量分析刀盤開口率對地層適應性的計算方法，該方法能很好地解釋土壓平衡盾構在砂性土中模擬掘進時出土率異常的現象。文獻［5］為解決砂卵石地層掘進的刀盤刀具異常磨損、泥餅阻塞及地表沉降明顯等問題，從刀盤刀具、螺旋輸送機、渣土改良及注漿控制等方面進行研究，并結合成都地鐵和北京地鐵現場應用及試驗數據，對刀盤開口率的確定、刀具的布置、軸式/帶式螺旋輸送機的選取、渣土改良系統及注漿系統的配置進行比較，得到了相應地層土壓平衡盾構設計的解決方案。文獻［6］盾構法在某些地層特別是復合地層中施工時會遇到一些困難，文中結合工程實例進行分析探討。文獻［7］通過對盾構推進過程中盾構與圍巖相互作用規律的分析，系統分析了土壓平衡盾構總推力、刀盤扭矩的影響因素。文獻［8］針對復合地層掘進扭矩載荷突變進行研究，解釋我國昆明上公山隧道施工中頻繁出現堵轉事故的原因，為盾構復雜地質條件下順應性設計提供指導。文獻［9］結合南京地鐵工程，分析了盾構在復合地層中掘進時發生地面沉降的原因，介紹了處置沉陷的過程，以及處置沉陷的應急措施、相應的地面加固方案和恢復掘進后的施工方案，總結了盾構在復合地層中掘進施工的經驗。文獻［10］針對深圳羅湖區某盾構隧道需穿越全斷面全強風化巖、全斷面微風化巖、粉質黏性土層，隧道范圍還可能存在球狀風化體的地質情況，在盾構設計時針對上述問題做了一些改進，取得了良好的效果。而本文則結合深圳軌道交通11號線及9號線的盾構區間隧道工程，介紹所選用的中鐵系列盾構在針對性設計選型上的特點，并根據其在實際掘進施工中取得的效果，提出深圳地質條件下盾構設計選型的針對性重點，同時對盾構施工管理和盾構設計改進提出建議。

1 深圳地層特點

在深圳軌道交通建設中，盾構法施工的區間隧道穿越淤泥、礫質黏性土、砂卵、孤石、硬巖和軟硬不均等多種復雜地層，地下水豐富，施工難度極大，主要具有以下特點。

1)淤泥質地層。淤泥質地層主要集中在填海區域，淤泥地層結構松軟，承載力低，含水量高，容易產生觸變、流變。盾構在淤泥質地層中掘進時會對地層產生較大擾動，引起地基變形和失穩。

2)全風化、強風化花崗巖、殘積土、礫質黏性土地層。該地層顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點，顆粒成分中粗顆粒(＞2．0 mm)的組分及顆粒小的組分(＜0．075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少。在此地層中掘進，當刀盤結構適應性差及渣土改良效果差時，黏粒成分很容易造成刀盤和土倉結泥餅。刀盤泥餅如圖1所示。

圖1 刀盤泥餅Fig．1 Cutterhead clogging

3)軟硬不均地層。深圳地區基巖面起伏較大，軟硬不均現象明顯，盾構隧道施工時常遇到巖性變化較大的地層，其中以上軟下硬現象居多。盾構掘進過程中主要存在以下難點:①下部硬巖地層產生的塊狀混合渣土流動性差，即使渣土改良也會使刀盤扭矩大，特別是土倉建壓時尤為明顯，土倉欠壓又會發生地表沉降。②下部硬巖地層對刀盤的偏心荷載較大，刀盤的彈性變形較大，對主軸承承載能力和刀盤的強度要求高。在深圳前期盾構施工中，曾有刀盤外圈梁因承受偏載斷裂的情況，如圖2所示。③刀具在軟硬結合面受力突變，異常損壞的頻率高，換刀次數多，掘進進度慢。④盾構掘進姿態控制困難，易使盾構姿態向上偏移。

圖2 上軟下硬地層掘進損壞的刀盤Fig．2 Damaged cutterhead of shield after boring in heterogeneous ground

4)硬巖地層，如圖3所示。硬巖巖質堅硬，最大單軸抗壓強度高達230 MPa。如為全斷面硬巖且上覆層厚度合適，可采用敞開模式掘進，存在的問題是:①螺旋輸送機在常壓狀態下的出渣能力要求高。②渣土在土倉內的流動需滿足螺旋輸送機出渣需求。③當邊刀磨損后不能及時更換時，容易卡盾，轉向困難。④刀盤的振動較大。⑤盾構在硬巖中掘進，刀具磨損嚴重，換刀頻率加大，甚至有可能損壞刀盤，從而導致工期延誤。

圖3 全斷面硬巖掌子面巖層Fig．3 Hard rock of full tunnel face

5)孤石地層。根據以往盾構掘進施工經驗，孤石處理非常困難，如果處理不當，可能造成長時間停機、損壞刀盤)以及盾構轉向偏離隧道軸線等嚴重問題。圖4為在孤石地層中掘進時刀盤異常磨損的情況。

圖4 孤石地層掘進損壞的刀盤Fig．4 Damaged cutterhead of shield after boring in ground containing boulders

6)富水地層的噴涌問題。由于深圳地處沿海地區，地下水位高，水壓大，在部分砂質土、中粗砂和回填地層，可能出現噴涌現象，控制不當會導致地層異常沉降。

2 對盾構設計和選型的總體要求

根據深圳軌道交通工程地質和水文地質狀況、盾構特性、工程經濟性和環境等條件，結合以往施工經驗，盾構在設計時應著重注意以下幾點:

1)宜采用復合式土壓平衡盾構。

2)刀盤及刀具應具有很強的破巖能力及足夠的剛度和強度。

3)刀盤應具備較大驅動扭矩及合適的轉速。

4)刀盤及螺旋輸送機要有較強的耐磨性。

5)渣土改良應具備泡沫改良和膨潤土改良2種方式。

6)應充分考慮帶壓換刀保證措施。

7)應考慮必要的防噴涌設計。

8)應針對地質配置合理配套設備。

3 盾構針對性設計及主要參數

深圳軌道交通11號線采用了外徑6 700 mm和6 000 mm 2種管片規格，而9號線只有外徑6 000 mm 1種管片規格，因此存在2種規格的盾構，一種是適應外徑6 700 mm管片的φ6 980 mm變頻驅動土壓平衡盾構，一種是適應外徑6 000 mm管片的φ6 280 mm液壓驅動土壓平衡盾構。

3．1 盾構針對性設計

1)采用大功率驅動設計，以滿足深圳地區普遍地質條件要求。既可以在全斷面中、微風化巖地層提供高轉速(φ6 980 mm盾構最大轉速3．6 r/min，φ 6 280 mm盾構最大轉速3．35 r/min)，又可以在復合地層或砂層提供大扭矩(φ6 980 mm盾構最大工作扭矩7 806 kN·m，脫困扭矩9 757 kN·m;φ6 280 mm盾構最大工作扭矩6 650 kN·m，脫困扭矩8 100 kN·m，其扭矩見圖5)。

圖5 φ6 280 mm扭矩-轉速Fig．5 Torque Vs rotation speed:φ6 280 mm shield

2)刀盤采用面板結構設計，六主梁+六小面板結構，如圖6所示。刀盤開口率為32% ～34%，可安裝足夠數量的滾刀，在滿足破巖要求前提下，又具有較大的開口率;刀盤面板和周邊都設計有耐磨板。刀具配置上，通過轉換刀座可以實現滾刀和撕裂刀的互換，以適應不同的地層的配刀需要，如圖7所示。

圖6 φ6 980 mm刀盤Fig．6 Cutterhead of φ6 980 mm shield

圖7 滾刀與撕裂刀互換示意圖Fig．7 Replacing between disc cutter and ripper

3)采用φ800 mm或φ900 mm軸式螺旋輸送機，雙閘門設計。為提高螺旋輸送機的耐磨性，在螺旋軸最易磨損的前端葉片上加裝硬質合金塊，如圖8所示。在螺旋輸送機前端筒體加裝可更換的耐磨塊，如圖9所示。

圖8 前端葉片耐磨塊Fig．8 Anti-wearing block

4)渣土改良系統采用至少4路泡沫+2路膨潤土，使用單管單泵的方式。每路均可獨立工作，不受土倉壓力和管道阻力的影響;改良劑噴口采用成熟的防堵塞設計;泡沫系統采用泡沫劑提前預混合方式，可提高泡沫的發泡效果。

5)刀盤土倉中心防泥餅設計。改進常規中間驅動方式驅動箱結構，刀盤法蘭采用環狀結構，因此刀盤在土倉中心的結構與隔板中心區域存在相對運動，加上土倉中心隔板安裝固定攪拌棒(如圖10所示)。掘進時可與刀盤的旋轉形成相對的運動，達到中心區域渣土攪拌的功能;中心隔板上設計高壓水沖刷裝置，一定程度上可實現渣土沖刷的功能，并可防止土倉中心泥餅的產生。

圖9 筒體前端可更換耐磨塊Fig．9 Replaceable anti-wearing block

圖10 土倉隔板固定攪拌棒布置Fig．10 Layout of agitators on bulkhead

6)刀盤上選用重型滾刀和重型切刀，提高刀具的耐磨性能和抗沖擊性能。

7)設備配置有雙聯人倉，滿足必要的帶壓換刀作業需用。

8)配備有盾殼膨潤土注入系統，在前盾和中盾外表留有注漿口，可注入泥漿，減小盾殼外表摩擦阻力，防止卡盾。

9)為防止富水地層的噴涌問題，螺旋輸送機配置有前倉門、后閘門(雙門)，并在螺旋輸送機筒體外壁和土倉隔板上設計有聚合物注入系統的接入口。

3．2 2種盾構的主要設計參數

見表1。

表1 深圳軌道交通中鐵盾構主要技術參數Tabel 1 Main technical parameters of φ6 980 mm shield and φ 6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

4 盾構掘進施工應用情況

4．1 φ6 980 mm盾構使用情況

深圳軌道交通11號線車公廟站—紅樹灣站、南山站—前海灣站及機場站—福永站等3個區間共投入6臺φ6 980 mm盾構。該3區間除存在深圳地區的黏性土、全強中微風化巖、孤石、上軟下硬復合地層和富水砂層等普遍地質外，還存在長距離掘進設備耐磨的問題(車紅區間長5．5 km，南前區間長3．6 km，機福區間長3．4 km)。目前6臺盾構已累計安全順利掘進約10 km，最高日進度24 m，最高月進度591 m(主要是風化巖地層)。從掘進參數表(見表2)可以看出，掘進效果良好。盾構出洞后，刀盤及刀具磨損正常，如圖11所示。

表2 深圳φ6 980 mm盾構掘進參數統計表Table 2 Boring parameters of φ6 980 mm shield made by CREG used in Shenzhen

圖11 中鐵67號盾構出洞刀盤照片Fig．11 Cutterhead of CREG No．67 shield at breakthrough

4．2 φ6 280 mm盾構使用情況

該型號盾構主要應用在深圳軌道交通11號線及9號線的建設，共投入11臺盾構，區間地質除具有區域普遍性特點外，局部地段還有濱?；靥畹貙拥那闆r。目前已經累計安全掘進約7 100 m，最高日進度27 m，最高月進度426 m。從表3所示的掘進參數比對，以及圖12所示的盾構出洞后的圖片對照，實現了設計意圖，掘進效果良好。

表3 深圳φ6 280 mm盾構掘進參數統計表Table 3 Boring parameters of φ6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

圖12 中鐵103號盾構出洞刀盤照片Fig．12 Cutterhead of CREG No．103 shield after breakthrough

5 結論與建議

5．1 結論

1)深圳復雜地質條件下，采用土壓平衡盾構掘進是適宜的。

2)盾構的主要性能要求具備足夠的安全儲備，尤其在主驅動能力、刀盤及盾體脫困能力方面，要使盾構在建立足夠平衡土壓的情況下，能夠安全掘進。

3)要滿足上軟下硬地層和全斷面風化地層的掘進要求，刀盤的強度和剛度除滿足最大應力荷載條件的基本前提下，其結構形式、開口率和刀具的布置設計、刀具的選用上，必須使整個刀盤具有足夠的破巖能力。

4)深圳地質中風化巖和砂質土的石英含量很高，對刀盤、刀具和螺旋輸送機的磨損造成很大危害，這就要求必須充分考慮盾構耐磨設計。如刀盤面板和周邊的耐磨保護塊、螺旋輸送機葉片和前端筒體的耐磨層設計是很有效的設計重點。

5)破巖刀具的配置和選用上要考慮長距離掘進、少換刀的設計要求;同時盾構設備具備帶壓換刀的功能非常必要。

6)遵循地質是條件、設備是前提和管理是關鍵的盾構施工理念。在深圳復雜地質條件下的盾構施工，良好的設備維護、操作管理和科學的施工生產組織管理是保持好的設備機況、確保盾構施工順利進行的關鍵，在掘進中，每天定時日常保養非常重要;要堅持勻速施工的原則，同時根據地質資料、渣土狀況和掘進參數變化情況，及時調整渣土改良參數、調整刀盤轉速、推進力和螺旋輸送機的出土速度等，才能控制好地層沉降，保證安全高效的施工進度。

5．2 建議

雖然上述設計選型的盾構在施工中解決了一些問題(有效防止泥餅和噴涌現象的發生、順利通過了局部硬巖、上軟下硬地層和少量的孤石地層等)，但在一些稍長距離局部硬巖侵入地段，采取先期密排鉆孔鉆裂硬巖后的掘進時，刀盤外沿及相應位置刀具出現異常磨損情況。如何進一步增強刀盤的防撞和耐磨功能需要加強研究;在大塊孤石地層，還是主要靠外圍輔助手段進行處理，如何提升盾構設備對付孤石地層的施工能力，也需要進一步地研究。

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