蘭州地鐵穿黃工程泥水盾構掘進技術優化

常漢明 靳世鶴

蘭州地鐵穿黃工程泥水盾構掘進技術優化

常漢明 靳世鶴

文章以在建的蘭州地鐵1號線穿黃工程段為基礎，對蘭州地鐵1號線世紀大道站—馬灘站區間穿黃工程的特點進行了深入研究，重點分析了泥水盾構機的主要系統設計、盾構機掘進功效以及盾構機設計優化等，闡述了在富含水、砂卵石及漂石地層中盾構機設計應注意的事項和施工應對措施。

蘭州地鐵；穿黃工程；盾構掘進；優化設計

1 工程概況

蘭州地鐵1號線穿黃工程分為奧體中心站—世紀大道站、世紀大道站—迎門灘站（試驗段）和迎門灘站—馬灘站等3個區間（圖1）。世紀大道站—迎門灘站區間：右線長574.649 m，左線長652.823 m，區間設1座聯絡通道。該區間從世紀大道站出行，下穿銀安路東行到迎門灘站，區間工程由1臺Ф6 480 mm土壓平衡盾構機掘進；迎門灘站—馬灘站區間：右線長1 906.567 m，左線長1 908.029 m，區間設3座聯絡通道。該區間位于安寧區迎門灘和七里河區馬灘，區間由迎門灘站出站后，沿銀安路下敷設，為躲避銀灘大橋橋樁，線路采用雙線單側繞避措施、縱斷面壓深線路縱坡并從黃河底部以下卵石層中穿行，下穿黃河段長度約404.0 m，區間工程由2臺Ф6 480 mm復合式泥水盾構機掘進。橫穿黃河區間地下水豐富，隧道穿越的地層主要是第四系的砂卵石地層，卵石含量高達80%以上，局部分布有漂石和塊石。

2 工程重難點分析

2.1 世紀大道站—迎門灘站（試驗段）工程難點

世紀大道站—迎門灘站區間作為蘭州地鐵1號線試驗段，緊鄰蘭州地鐵穿黃區段迎門灘站—馬灘站區間，因此，認真研究試驗段工程特點，在建設中取得經驗，對迎門灘站—馬灘站區間穿黃段盾構機選型和設計有重要的參考價值。

圖1 蘭州地鐵1號線穿黃工程

試驗段世紀大道站—迎門灘站區間穿越的地層中，卵石含量在國內罕見，從該區間世紀大道車站揭露的地層可見，卵石成窩堆積，局部夾有漂石（圖2），土壓平衡盾構機掘進中出現了長度最長達570 mm橢圓型漂石（圖3）。表1給出了現場隨機抽取土壓平衡盾構機掘進開挖產生的1 m3渣土分析結果，由表1可見，粒徑d＞60 mm的卵石多達72.79%。在土壓平衡盾構機掘進中，大量的卵石涌入土倉，個別較大的橢圓形漂石在掌子面和刀盤之間搭橋，造成刀盤被卡，土倉無法建立土壓平衡，地表沉降難以控制。盾構機在此種情況下只能在常壓下開倉清理卵石和漂石，降低了盾構機掘進效率，并且富含水地層中時有噴涌現象發生。

圖2 試驗段開挖暴露的砂卵石地層

圖3 試驗段盾構機掘進遇到的漂石

2.2 迎門灘站—馬灘站工程難點

迎門灘站—馬灘站區間穿越黃河的地層與試驗段世紀大道站—迎門灘站區間情況非常類似，泥水盾構機在穿越黃河的地層掘進中出現了長達320 mm橢圓型漂石，泥水盾構機掘進中大量的卵石夾雜少量漂石涌入泥水倉，使得破碎機無法正常工作，造成氣墊倉被堵塞(圖4)。在迎門灘站—馬灘站區間盾構機穿黃掘進中過程中，對現場隨機抽取泥水盾構機掘進開挖產生的1 m3渣土進行了分析，見表2。從表2數據來看，粒徑0 mm＜d≤100 mm的卵石含量達到40.13%，100 mm＜d≤150 mm的卵石含量達到32.51%，d≥150 mm的卵石含量達0.63%，也即d≥60 mm的卵石含量達到73%以上，這與試驗段世紀大道站—迎門灘站區間盾構機掘進時采樣結果基本一致（見表1）。

圖4 泥水盾構機氣墊倉擁堵大量卵石

表1 試驗段隨機抽取1 m3渣土分析結果

表2 迎門灘—馬灘段隨機抽取1 m3渣土分析結果

泥水盾構機掘進中大量的卵石夾雜少量漂石涌入泥水倉還使得排泥泵出現吸空的現象，在此種情況下只能在常壓下開倉清理卵石和漂石，這使得盾構機在掘進中采石箱每掘進1環要清理數次，掘進功效低。

3 泥水盾構機參數及掘進功效分析

3.1 泥水盾構機主要系統參數

迎門灘站—馬灘站區間穿黃工程采用2臺氣墊復合式泥水盾構機開挖，盾構機刀盤開口率設計約35%，刀盤開挖直徑為6 480 mm，盾構機主驅動額定扭矩為6 229 kN·m，脫困扭矩為7 448 kN·m，最大總推力42 575 kN。

3.2 泥水盾構機刀具參數

迎門灘站—馬灘站區間穿黃工程復合式泥水盾構機的刀盤刀具配置8把17寸中心雙刃滾刀，刀間距90 mm，刀高184 mm；配置23把正面滾刀，其中刀圈為18寸，刀體為17寸，刀間距90 mm，刀高184 mm；配置10把邊緣滾刀，其中偏心滾刀4把，刀圈為18寸，刀體為17寸；配置36把寬切刀，刀間距240 mm，刀高140 mm；配置8對對稱分部的邊緣刮刀，刀高145 mm；配置4把貝殼刀，刀高160 mm；配置28把導流刀。

3.3 泥水盾構機掘進功效分析

迎門灘站—馬灘站采用的是國產復合式泥水盾構機，盾構機刀盤設計為面板式，鱷式破碎機頻率為4 次／min，最大破碎粒徑500 mm，泥水環流系統設計滿足泥漿密度最大1.3 t/m3的泵送能力，見表3。復合式泥水盾構機在設計時，刀盤開口率達到35%，大量卵石和部分漂石直接進入到泥水倉，但是破碎機的頻率僅為4 次／min，無法及時把大量的卵石和少量的漂石破碎排入管道，造成氣泡倉嚴重堵塞，這使得盾構機掘進功效很低，迎門灘—馬灘站區間泥水盾構機初期掘進平均0.84 m/天。這與盾構機初期的設計目標差甚遠，難以滿足工程實際的需要?？梢姡T灘—馬灘站區間復合式泥水盾構機的部分系統設計存在缺陷，應進行設計優化。

表3 盾構機泥水環流系統設計配置

4 泥水盾構機設計優化

蘭州地鐵1號線一期工程穿黃區間面臨著國內罕見的卵石、漂石地層，在泥水盾構機設計方面，擬采用開挖系統以及泥水環流系統綜合措施來解決卵石和漂石的堵塞問題，其思路為：刀盤破碎+氣墊倉破碎機+二次破碎機+采石箱沉淀清理，對卵石和漂石以“碎石”為主。

（1）刀盤設計。鑒于目前國產泥水盾構機環流系統的能力，在刀盤設計方面，建議奉行滾刀能破碎則破碎的原則，也就是減小刀盤開口率，利用滾刀盡量把漂石和部分大卵石破碎。

（2）一級破碎機。在卵石含量高的地層中，氣墊倉中破碎機破碎頻次的設計很關鍵，設計時把一級破碎機的工作頻率提高到6 次/min，并強化破碎機工作件的耐磨設計。

（3）由于卵石很難一次破碎徹底，因此，在泥水環流系統中設計二次破碎系統，部分卵石經過二次破碎后再進入到采石箱沉淀，部分可以被泵送到地面。

（4）采石箱。由于蘭州地鐵穿黃工程存在大量卵石，在盾構機掘進中，有時掘進1環需要清理采石箱數次，嚴重影響了盾構機推進速度。因此，今后在泥水盾構機設計方面，采石箱的設計需要重點強化，不僅要讓大顆粒卵石盡量多的沉淀，同時要設計防止細小顆粒卵石沉積在采石箱中，并通過設計采石箱的攪拌設置或沖刷設置來解決此問題。

經過對泥水盾構機一系列設計優化，盾構機掘進功效明顯提升，目前，盾構機掘進平均達到5 m/天。

5 結論

（1）蘭州地鐵工程1號線穿黃工程地下水豐富，卵石含量高，局部分布較多漂石、塊石，在試驗段工程建設時，采用土壓平衡盾構機開挖隧道，由于大量的卵石、漂石極易卡死盾構機刀盤，無法建立土壓平衡以控制地表沉降，使得工程建設遇到了前所未有的難題，通過長時間的研究和技術攻關，取得了土壓平衡盾構機在砂卵石、漂石地層施工中盾構機掘進快速、有效控制地表沉降等諸多成果。

（2）在迎門灘站—馬灘站區間盾構機選型、設計時汲取了試驗段的教訓，改用復合式泥水盾構機開挖水下隧道，雖然復合式泥水盾構機能很好地建立泥水平衡控制地表沉降并能防止噴涌的發生，但是由于盾構機前期設計時，沒有充分預估到盾構機在高含量卵石、漂石掘進遇到的問題，也就出現了復合式泥水盾構機部分系統設計存在缺陷，難以滿足工程的實際需要。經過設計優化，升級改造的復合式泥水盾構機能更好地克服穿黃工程難點，滿足工程建設的需要。

（3）在砂卵石含量高的地層中，泥水盾構機設計的關鍵重在強化盾構機刀盤、泥水環流系統中氣墊倉破碎機、二級破碎機破碎卵石的能力和相關系統的耐磨、抗沖擊設計，這是泥水盾構機能否高效掘進的關鍵，也是今后科研攻關的重點。

[1] 施仲衡. 地下鐵道設計與施工[M]. 西安：陜西科學技術出版社，1997.

[2] 楊秀仁. 北京地鐵盾構隧道設計施工要點[J]. 都市快軌交通，2004，17(6).

[3] 竺維彬，王暉，鞠世健. 復合地層中盾構滾刀磨損原因分析及對策[J]. 現代隧道技術，2006(4).

[4] 周文波. 盾構法隧道施工技術及應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004．

[5] 王良. 盾構法施工在北京地鐵5號線的應用[J]. 都市快軌交通，2004，17(5)．

責任編輯 朱開明

圖11 開挖面位置Z=148 m時原水管道實測沉降曲線

圖12 開挖面位置Z=188 m時原水管道實測沉降曲線

[4] 孫宇坤, 吳為義, 張土喬. 軟土地區盾構隧道穿越地下管線引起的管線沉降分析[J]. 中國鐵道科學, 2009(1).

[5] 吳為義. 盾構隧道周圍地下管線的性狀研究[D]. 浙江杭州：浙江大學, 2008.

[6] 蔣正華, 吳波, 高波. 地鐵區間隧道施工對管線影響的數值模擬[J]. 現代隧道技術, 2003(2).

收稿日期 2015-08-11

責任編輯 朱開明

Abstract: In the process of shield tunneling, the construction of the surrounding buildings and the soil layer will be affected by the process of shield tunneling. Based on the ABAQUS fi nite element 3D method, the paper analyzes the characteristics of settlement deformation of the existing water pipeline in the original water pipeline by using ABAQUS finite element 3D method on the Shanghai Urban Transit Line 8, and analyzes the infl uence of different construction parameters on the settlement of existing water pipeline. The calculation and experimental results show that the original water pipes have met the requirements of the Protection Method for Shanghai City Source Water and Lead Water to Canal.

Keywords: rmetro, shield tunnel, under pass existing water pipeline, pipeline settlement

Technology Optimization of Slurry Water Shield Tunneling Under-Passing Yellow River in Lanzhou Metro

Chang Hanming, Jin Shihe

The paper takes the Lanzhou Metro Line 1 under-passing the Yellow River under construction project as an example, makes further studies on the characteristics of Lanzhou Metro Line 1 while the Century Avenue Station - Matan Station under passing Yellow River project are studied, mainly focusing on analysis of the main system of slurry shield machine design, effect of shield tunnel boring machine and shield machine design optimization etc., elaborates the counter measures for the shield machine design in the water rich, sandy cobble and boulder strata as well as the attentions should be paid to the matters in the construction.

Lanzhou Metro, under passing Yellow River project, shield tunneling, optimal design

Analysis on Settlement of Neighboring Distance of Shield Tunnel through Existing Water Pipe

Wang Peili, Lei Zhenyu, Zhou Jun

U455.43

2014-12-20

常漢明：甘肅鐵一院工程監理有限責任公司，高級工程師，甘肅蘭州 730000