地鐵復合地層土壓平衡盾構施工適應性問題探討

齊曉成

（中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

1 工程概況

橫琴隧道1號井—灣仔北區間位于珠海市區南灣大道，線路左側臨海，多為工業廠房。盾構隧道起訖里程左線DK2＋748.926—DK3+986.200，全長1.237km，右線YDK2＋764.071～YDK3＋994.380，全長1.230km，雙洞單線，采用盾構法施工。

盾構機從1號井開始施工，持續進行到灣仔北站小里程吊出。襯砌結構為C50鋼筋混凝土預制管片，內徑7 700mm、外徑8 500mm。每環管片由4塊標準塊、2塊連接塊和1塊封頂塊共7片管片組成。

2 盾構機掘進參數

盾構機選擇的型號是鐵建重工DZ192機型和海瑞克S-592，區間右線海瑞克S-592盾構機先始發，以右線地層為基準得到掘進參數，具體內容如表1所示。

表1 掘進參數

3 盾構機選型

3.1 選型原則及依據

盾構選型應充分遵循安全性、經濟性等多項原則，確定合適的機型設備，由此降低輔助施工作業量，并提升開挖面的穩定性。

3.2 盾構類型確定

3.2.1 根據工程適用性確定

不同的盾構機性質存在差異，所適應的地質范圍也有所差別，將其運用于其他地形時則存在一定的局限性，綜合考慮到本工程的實際情況，選定為泥水平衡盾構及土壓平衡盾構兩大類。

3.2.2 根據地層滲水系數確定

對地層透水系數進行分析，當其大于1×10-4m/s時，則以泥水盾構的方式為宜；如果實際地層系數小于1×10-7m/s，此時則選用土壓平衡盾構的方式更具可行性。如果該系數值介于1×10-7～1×10-4m/s范圍時，則上述2種設備都具有可行性。

3.3 盾構掘進作業工序流程

盾構掘進作業工序流程如圖1所示。

圖1 盾構掘進作業工序流程

3.4 掘進控制程序

做好盾構隧道施工掘進工作至關重要，其是推動后續施工持續進行的基本條件，對此需要注重：①刀具充分切削、破碎地層；②經切削操作后所得到的土層應在第一時間將其運走。基于上述分析得知，掘進參數的選擇尤為關鍵，需充分考慮到不同地層條件下的刀具、轉速等參數情況。

3.5 掘進模式與擬定掘進參數

3.5.1 土壓平衡模式技術措施

1）關于軟土的處理，以切削入及刮刀這兩大工具為宜，由于巖層性質較為特殊，則以滾刀為宜，施工中要求刀盤的轉速處于較低水平，并以大扭矩進行推進作業。

2）相較于靜水壓力與地層土壓力總和而言，所得到的土倉壓力值P應比其略大，即P=KP0，K=1.0～1.3，砂性地層K取上限值，而對于黏性地層而言K值則以下限值為宜，在后續的掘進施工中持續進行優化。

3）以掘進速度為基準，綜合參考排土量情況，最終確定合適的土倉壓力，需達到切削土量與排土量相均衡的狀態，這是確保土倉壓力平衡的基本條件。

3.5.2 盾構機選型

1）海瑞克盾構機應用通常情況下，在掘進施工時應做好各項參數的控制工作：①氣墊倉泥渣液位高度；②氣體保壓（Samson）壓力值；③土倉（開挖倉）泥渣壓力值；④刀盤扭矩（驅動壓力）的控制；⑤盾構總推力的控制；⑥掘進方向的控制；⑦進排漿壓力、流量及泥漿泵電流的控制；⑧注漿量及注脂量的控制。

2）鐵建重工盾構機DZ192應用鐵建重工盾構機選型尤為關鍵，會對復合地層隧道施工質量帶來直接影響。如選型不當會破壞地下管道設施，影響通信及水電氣供應等；有時還會帶來掌子面失穩現象，在長期的作用下圍巖及地層持續變形，且地表沉降更為明顯，工程施工被迫停止；在部分特殊情況下，還會造成開挖面坍塌等嚴重工程事故。

鐵建重工盾構機設計特點如下。

1）確定合適的刀盤結構面板型，能提升刀具的受力合理性，要求其開口率以35%為宜，具有較強的強度與剛性。可在黏性土地層中進行持續性掘進施工，也可良好地應用于弱風化層中，即便是地層的強度較大也依然具有較大推力。

2）無論是刀盤設計還是刀具的配置都具有高度合理性，刀具經長時間使用后性能依然未發生改變。選用12臺功率均為250kW的變頻電動機，彼此共同作用來實現對盾構機的驅動，帶來較大的扭矩與轉速，適用于多種地層環境中。推進油缸的糾偏性能良好，在面對復合地層時也能做好軸線控制工作，可實現超前鉆探加固，這對在復雜地層區域而言尤為適用。

3）螺旋輸送機采用有軸式，能伸縮，后部尾部處排土，且螺旋輸送機前端葉片及前筒體堆有高于普通硬質合金硬度的最新型耐磨材料，抗磨性能優越。適配有泡沫與添加劑注入系統，在此影響下可改善開挖面的土體條件。能以自動化的方式實現對膨潤土與添加劑的控制，單個刀盤的注入口數量為7個，因此充分保障了開挖面土體的性能。

3.6 盾構掘進方向控制與調整

3.6.1 盾構掘進方向控制

1）隨著盾構推進施工的持續進行，要求后視基準點應適當向前移動，基于人工測量的方式可達到精準定位的效果，確保推進方向的可靠性。應安排專員進行測量，頻率以每周2次為宜，在自動導向系統的作用下完成對數據的監測與校正，對盾構機的姿態進行分析與調整，確保盾構掘進方向的正確。

2）以線路條件為基準，在此基礎上制定出分段軸線擬合控制計劃，綜合考慮所在區域的隧道地層情況，在推進油缸的作用下達到控制掘進方向的效果。

3.6.2 盾構掘進姿態調整與糾偏

1）姿態調整基于上述方法展開對盾構機姿態的持續性調整，將其偏差控制在合理范圍內。

2）滾動糾偏若出現滾動超限問題，此時盾構機會自行發出警報，基于盾構刀盤反轉的方式達到糾正偏差的效果。在本工程中，允許出現的滾動偏差最大值為1.5°，當超過該值時盾構機發出警報，此時相關人員應切換刀盤的旋轉方向，從而達到反轉糾偏的效果。

3）豎直方向糾偏影響盾構機方向的因素較多，其中以千斤頂的單側推力最為關鍵，如果盾構機做出下俯動作，此時可以通過加大千斤頂推力的方式來實現糾偏。

4）水平方向糾偏類似于豎直方向糾偏原理，當出現左偏時則需要適當加大左側的千斤頂推力；反之，如果出現了右偏，則需要適當加大右側的千斤頂推力。

3.6.3 方向控制及糾偏注意事項

1）當對刀盤進行換向時，應留有適當的間隔時間；在對推進油缸進行調整時速度應適中，切換速度要控制在合理范圍內，否則將帶來管片受力突變問題，嚴重時致使管片損壞。

2）以掌子面的實際情況為基準，由此確定合適的掘進參數，在此過程中需要設置警戒值，一旦觸碰到該值時需啟動糾偏程序。

3）在進行蛇行修正時，以長距離緩慢修正的原則較為可行，如果此環節的操作速度過快，所帶來的修正效果反而適得其反。在直線推進過程中，應確定盾構機的所在點，需要選取設計線上較遠處的一點，所得到的直線便是后續線形管理的基本參考。

4 結語

立足于某地鐵盾構施工標段的實際施工背景，研究在復合地層中使用復合式土壓平衡盾構的設備選型及適應性改造的方法。經工程實踐表明，這種盾構機的適應性能良好，可為類似工程的施工提供參考。