城市鐵路隧道盾構選型研究

苗壯　唐偉

摘要：盾構機是盾構隧道施工最重要的設備，盾構選型直接關系到盾構隧道的成敗。在選擇盾構型式時，應綜合分析影響盾構機選型的主要因素，最重要的是要保證開挖面的穩定。文章結合北京市某大直徑盾構隧道工程，通過對其地質條件、地下水情況、周圍環境等因素進行詳細分析，最終選定了安全、經濟、合理的盾構型式。

關鍵詞：隧道工程；盾構機；盾構選型；盾構隧道施工；盾構型式；泥水平衡盾構 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）09-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0772

1 國內大直徑盾構隧道的發展

21世紀以來，隨著國內多個城市地鐵建設的不斷推進和中國地下空間高效的開發利用，盾構法施工隧道技術也得到了迅速發展。尤其是在鐵路隧道領域，不同地質條件下的大直徑盾構相繼開始使用，盾構隧道的掘進長度、開挖深度和工程復雜程度更是不斷的刷新紀錄。

目前，大直徑盾構施工已經在越江隧道、跨海隧道、城市鐵路隧道等工程中得到廣泛應用。我國使用大直徑盾構施工的隧道已有20余座。其中直徑最大的達到15m，如上海長江隧道；使用盾構施工的最長隧道其長度已近10km，如廣深港客運專線獅子洋隧道盾構段長9.34km。除此之外，還有武漢長江隧道、北京地下直徑線前三門隧道、天津地下直徑線海河隧道等一大批有代表性的世紀工程。這些盾構隧道的修建極大地促進了我國盾構法施工技術的進步。

2 土壓平衡、泥水平衡盾構適用性分析

盾構機是盾構隧道施工最重要的設備，盾構選型直接關系到盾構隧道的成敗。選擇盾構型式時，應綜合分析影響盾構機選型的主要因素，如地質條件、地面情況、隧道斷面、隧道長度、線路走向、工期要求等，最重要的是要保證開挖面的穩定。為了選擇合適的盾構型式，應對工程的地質條件、地下水情況、周圍環境等進行詳細調查，并保證其安全性和經濟性。

2.1 地層適用性分析

土壓平衡盾構適用于含水量和顆粒組成比較適中的地層，開挖面的土砂可以直接流入壓力艙及螺旋輸送機，從而保持開挖面的穩定。土壓平衡盾構是根據土壓力的狀況同時進行挖土和推進，通過檢查土壓力可以控制開挖面的穩定性。當地層為砂粒含量較多而不具有流動性的土質地層時，采用土壓平衡盾構施工需要通過添加水、泥水或其他添加材料使泥土壓力很好地傳遞到開挖面。通過這種辦法，土壓平衡盾構可以適用于沖擊砂礫、砂、粉土、黏土等固結度比較低的軟弱地層、洪積地層以及軟硬相間互層等地層。

泥水平衡盾構是通過施加略高于開挖面水土壓力的泥漿壓力來維持開挖面的穩定。一般比較適用于在河底、海底等高水壓條件下隧道的施工，具有很高的安全性和良好的施工環境。對周圍環境的影響較小。泥水平衡盾構適用于沖洪積、洪積形成的砂礫、砂、粉砂、黏土層、弱固結的互層地層以及含水率高而不穩定的地層，是一種適合多種地層條件的盾構型式。

2.2 地層滲透性適用分析

地層滲透性對于盾構機的選型也是一個很重要的影響因素。根據國內外盾構隧道的施工經驗：細顆粒含量多的地層滲透率小，粗顆粒含量多的地層滲透率大。當顆粒粗且水量充足時，碴土為流體狀，盾構的螺旋機形成不了土塞，土倉建立不了壓力，僅依靠大顆粒充滿土倉來形成機械力支撐土體時，即使土倉充滿水也會造成堵倉。因此，當地層的滲透系數小于10-7m/s時，宜選用土壓平衡盾構；當地層的滲透系數在10-7～10-4m/s之間時，既可選用土壓平衡盾構也可選用泥水平衡盾構；當地層的滲透系數大于10-4m/s時，宜選用泥水平衡

盾構。

3 實際工程中的盾構選型研究

3.1 隧道概況

位于北京市東北部五、六環之間的某高速鐵路隧道全長8.1km，設計為雙洞單線隧道，盾構直徑近11m。其中盾構段全長約7km，設盾構井3座，在盾構段中間區域設接收井、兩端設始發井，盾構獨頭掘進長度約3.5km。盾構段先后下穿城市河流、居民區、地鐵車站、高速公路等既有構筑物，線路周邊環境復雜。

3.2 工程特點分析

3.2.1 盾構掘進距離長，盾構機始發后獨頭掘進長度約3.5km。

3.2.2 隧道埋深大。根據線路資料可知最大埋深達35m，大多數段落埋深范圍為20～30m。

3.2.3 隧道斷面大。隧道結構外輪廓直徑約10.5m，因此盾構機刀盤直徑將達到11m。

3.2.4 地下水位高、水壓力大。根據地質資料可知：在枯水期地下水位線距結構底高度距離最大超過30m，在豐水期地下水位還會抬升，因此隧道結構需承受的水壓力大致在3～4bar之間。

3.2.5 盾構穿越段地質條件復雜。根據地質資料可知：盾構穿越地段粉質黏土約占53%、細砂約占24%、

粉砂約占10%、中砂約占6%、黏土約占4%、粉土約占3%。

3.2.6 地表沿線周邊環境復雜。盾構段共下穿道路30余條，其中多條為高速公路，多處下穿既有地鐵車站、城市河流、人工湖、燃氣管線、居民區等。

3.3 盾構選型研究

盾構機選型影響因素很多，按照重要程度分析主要有以下種類：開挖面的穩定性、地層滲透性、隧道埋深、地下水位、隧道斷面大小、沿線既有構筑物、工期要求、設備購置成本等。

3.3.1 地層適應性的影響：根據工程地質資料可知盾構段穿越地層主要為粉質黏土、細砂、粉砂地層。顆粒粒徑主要集中在0.075～1mm之間。根據既有工程經驗可知，該粒徑范圍內的地層盾構適應性介于土壓平衡與泥水平衡之間。

3.3.2 地層滲透性的影響：根據工程地質資料可知粉質黏土的滲透系數約為10-7m/s，砂質地層的滲透系數更大。根據地層滲透系數與盾構選型關系，該隧道宜選用泥水平衡盾構。

3.3.3 隧道埋深、地下水壓力的影響：隧道埋深大、地下水壓力大，則盾構開挖面處的壓力大，不容易形成穩定開挖面，且對盾構掘進的阻力也大。該隧道最大埋深達35m，結構需承受的水壓力在3～4bar之間。根據既有工程經驗，當水壓大于3bar時，宜選用泥水平衡盾構，如若選用土壓平衡盾構，僅采用螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，在螺旋輸送機排土閘門處易發生碴土噴涌現象，引起土倉中土壓力下降，導致開挖面坍塌。由于該隧道是全線控制性工程，因此確保盾構施工期間的安全是重中之重。從這一點出發，泥水平衡盾構要優于土壓平衡盾構。

3.3.4 沿線既有構筑物的影響：對于土壓平衡盾構，壓力波動敏感度低，因此開挖面平衡土壓力的控制精度相對較低，對開挖面周邊土體的干擾較大，使地面沉降量的控制精度降低，對沿線既有構筑物影響大，更適合于中小直徑盾構隧道的施工。對于泥水平衡盾構：壓力波動敏感度高，因此開挖面平衡泥水壓力的控制精度高，對開挖面周邊土體的干擾減少，從而地面沉降量的控制精度提高，對沿線既有構筑物影響小，更適合大直徑盾構隧道的施工。

根據既有工程經驗，泥水平衡盾構在控制地表變形方面要優于土壓平衡盾構。由于該隧道地表沿線存在大量對于沉降變形有嚴格控制要求的既有構筑物，且地表沿線存在大量民房，這些房屋多為磚混結構，遇到振動或變形時易發生垮塌。因此從控制沿線既有構筑物的沉降、變形方面考慮，宜選用泥水平衡盾構。

3.3.5 工期控制的影響。泥水平衡盾構需配有一套龐大而復雜的泥水處理系統，要對泥水進行分離、調制漿、余漿處理等；而土壓平衡盾構不需泥水處理系統，盾構開挖出碴土可以直接外運。就單純的施工速度而言：土壓平衡盾構較泥水平衡盾構施工速度快。根據既有施工經驗，同類的大直徑盾構隧道施工使用泥水平衡盾構月掘進速度能達到160m，而使用土壓平衡盾構月掘進速度能達到200m。

然而，當隧道埋深較大時，由于地層壓力大，使用土壓平衡盾構刀盤掘削扭矩大、刀具磨損程度大、更換刀頭頻繁，造成掘進速度降低。而使用泥水平衡盾構，由于泥水滲入地層后對地層的浸泡作用，使掘削面地層變得松軟，盾構的刀盤掘削扭矩小，更換刀頭的頻率較土壓平衡盾構低，減少了進倉換刀、設備維修時間。另外，如果在盾構施工過程中停機維修增加了地表沉降的風險。因此，在施工工期要求不是異常嚴格的前提下，選用泥水平衡盾構要優于土壓平衡盾構。

3.3.6 設備造價對盾構選型的影響。由于土壓平衡盾構無需購置泥水處理系統，因此單純的設備購置成本較低。但土壓平衡盾構刀盤及刀具磨損程度大，換刀頻繁，施工費用較高。由于泥水平衡盾構需購置泥水處理系統，所以盾構設備購置費用較高。但從刀具的使用成本來看，根據以往經驗由于泥水盾構的刀具有泥水的潤滑和冷卻作用，土壓平衡盾構消耗的刀具費用約為泥水平衡盾構的1.5倍。

另外，根據對國內外幾家盾構設備制造商的調研：直徑約11m左右的泥水平衡盾構整套設備目前市場價格約為1.6億元，而土壓平衡盾構整套設備目前市場價格也近1.3億元。所以對工程全階段總的設備造價而言，土壓平衡盾構與泥水平衡盾構二者的費用孰大孰小尚不能確定。

4 結語

泥水平衡盾構能抗較高的水壓，洞內運輸設備簡單，但因泥水處理設備復雜且龐大，單純的設備購置費用高于土壓平衡盾構，更適用于高水壓、長距離、厚覆土、大斷面的隧道工程。土壓平衡盾構抗高水壓能力不如泥水平衡盾構，洞內運輸和提升系統較復雜，但無泥水處理設備，單純的設備購置費用較泥水平衡盾構低，更適用于水壓不高、覆土較淺的隧道工程。

在本研究中，對于該大直徑城市鐵路隧道若采用泥水平衡盾構，最能適應隧道地質條件、施工總長度、線路走向、隧道埋深及周邊環境條件等，順利完成本隧道工程的施工，保證施工安全，因此，建議選用泥水平衡盾構。

參考文獻

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作者簡介：苗壯（1989-），男，山東棗莊人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司助理工程師，碩士。

（責任編輯：周 瓊）