超大直徑泥水盾構常壓換刀設計關鍵技術
——以汕頭海灣隧道及深圳春風隧道為例

譚順輝， 孫 恒

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

在過去的20年中，大直徑盾構技術取得了重大突破，超大直徑盾構隧道建造技術自日本東京灣道路隧道于1996年建成以來得到了蓬勃發展。越來越多的海底、江底隧道的設計傾向于采用大直徑斷面，實現多車道，達到快速公路車流要求。如： 中國南京緯三路雙管公路隧道，其開挖用盾構的刀盤直徑為14.93 m，隧道管片外徑14.5 m，單管雙層雙向，設計時速為80 km; 中國武漢三陽路雙管隧道是世界上首例公鐵合建的盾構法隧道，使用了直徑15.76 m的盾構開挖，單管上層為3車道公路通道，下層為地鐵7號線軌道通道[1]。

隨著隧道需求直徑的增大，盾構設計制造直徑也在不斷增大。1985年設計制造的最大盾構直徑為6.10 m，該泥水盾構用于漢堡Hera隧道的開挖[2]，在當時看來直徑6 m以上的盾構已是大直徑機型了。之后不到5年時間，即1989年，用于Grauholz 鐵路隧道的泥水盾構直徑達11.60 m[3]。1994年日本東京灣橫斷公路隧道項目使用盾構直徑達14.14 m[4]，1997年易北河第4隧道使用的泥水盾構直徑達14.20 m，此后直徑14 m以上盾構的使用項目數量快速增加。到目前，越來越多的行業人士習慣于把刀盤開挖直徑5～7 m的盾構列為常規直徑盾構，而把直徑大于14 m的盾構稱作超大直徑盾構。

據不完全統計，截至目前，全球完成設計和制造的直徑14 m以上的盾構項目有42個，其中泥水盾構項目30個，土壓盾構項目12個，超大直徑盾構發展統計如表1所示。從國家和地區分布來看，中國共有超大直徑盾構項目26個，占總項目的61.9%。

表1 超大直徑盾構發展統計

表1(續)

本文以中國汕頭海灣隧道和深圳春風隧道為例，分析超大直徑盾構研發制造和施工中遇到的難題，并提出解決高水土壓力下刀盤維護及換刀、破碎地層長距離掘進等一系列難題的關鍵技術。

1 超大直徑泥水盾構的選型

隨著盾構設計和制造水平的飛速進步，盾構選型的彈性邊界也有擴大。但工程項目的地質巖性及其強度、石英含量、完整性、地下水位、土體滲透系數以及顆粒級配信息仍是盾構選型的重要參考依據[5]。

1.1 超大直徑盾構的選型要素

超大直徑盾構除了具有常規直徑盾構的特點外，還包括開挖工作面大、地質不均概率高、工作面上部和下部水土壓力差別顯著、地層擾動相對較大等新情況，所以對于超大直徑盾構的選型，如何確保工程施工安全成為需要考慮的重點。常規直徑盾構和超大直徑盾構規模因數比較見表2。

表2 常規直徑和超大直徑盾構規模因數比較

從表1可看出，超大直徑盾構規模因數是常規直徑盾構的數倍。超大直徑盾構的應用需重點考慮的是盾構直徑增大后，在刀盤向前掘進和注漿施工時，能否順利破除不均質的掌子面地層、能否順利排渣土和控制好地層擾動對周邊環境帶來的不利影響。當然，由于設備直徑的增加，刀盤、盾體、主驅動箱等關鍵部件和整機框架結構件的尺寸、質量也同步增加，因此剛度、強度問題也需要認真考慮。

1.2 泥水盾構的應用優勢

泥水盾構為閉式系統，利用旋轉刀盤在懸浮液和泥膜環境中切削掌子面巖土，通過泥水循環系統來維持掌子面的壓力平衡并以懸浮液的形式帶走開挖下來的渣土。相比土壓盾構，正常掘進情況下，泥水盾構刀盤轉矩低一些，刀盤、刀具磨損速率也會減緩。同時，因泥水盾構的泥水艙、掌子面壓力穩定控制相對較為容易，地質適應性強，對周圍土體影響小，故泥水盾構應對軟弱地層、地下水豐富、砂層、沖積層等較為理想[6]。從超大直徑泥水盾構應用案例來看，對于砂層地質，相比土壓盾構，掘進斷面越大，泥水盾構應用效果越好[7]。

在上述統計的42個超大直徑盾構項目中，土壓盾構項目占比約1/3。經驗表明，對于滲透系數小于1×10-4m/s，黏土、粉土等細顆粒地層，土壓盾構是較好的選擇。土壓盾構施工時，掌子面壓力穩定與掘進速度、渣土狀態及螺旋輸送機的排渣速度密切相關。而對于超大直徑土壓盾構應用而言，掌子面壓力穩定要求較高，如遇非理想地層掘進段，渣土改良務必要達到良好的效果，才能減少出現渣土滯排、刀盤轉矩劇增、或者對周邊地層擾動增大的情況。

由于泥水盾構要設置泥水循環系統和地面泥水處理站等設施，地面場地要求較大。就設備系統造價而言，常規直徑泥水盾構比土壓盾構價格高15%～25%。而由于刀盤驅動功率的降低和刀盤刀具磨損的減少，超大直徑泥水盾構和土壓盾構的使用成本相差無幾。由于地質的復雜性，在實際項目選型中，幾乎沒有理想地質對應理想機型的情況，尤其是對于超大斷面、長距離隧道項目，很難出現斷面上下地層均一、隧道線路方向地質均一的情況。隨著盾構研制技術及其施工應用技術的不斷進步，使得超大直徑盾構在應對復雜地質隧道施工時更加安全。

2 中國汕頭海灣隧道工程

2.1 工程項目概況

汕頭海灣隧道工程是汕頭干線公路網的重要組成部分，項目起點位于龍湖區天山南路與金砂東路平交口，終點位于中信濱海新城南濱片區虎頭山山腳，路線全長6.8 km，其中，北岸接線長0.5 km,隧道長4.95 km，南岸接線長1.35 km。西線盾構段長3 045.75 m,東線盾構段長3 047.5 m。隧道按雙向6車道、行車速度為時速60 km設計，工程總投資約38.45億元。工程建成后將有助于增進汕頭市南北區的聯通以及與粵港澳大灣區的融合。

汕頭海灣隧道采用盾構法施工，隧道結構由隧道管片、中間箱涵和現澆筑車道板構成，管片外徑14 500 mm，管片寬度2 000 mm。隧道穿越地層主要為花崗巖、凝灰質砂巖、片巖、變質砂巖、糜棱巖、少量卵石及礫砂地層。其中，中微風化巖層普遍抗壓強度約為50 MPa，微風化(硅化)片巖最大強度為173.7 MPa。全斷面巖層(中、微風化)長度占整條隧道長度的77.3%，巖石強度最高達到203 MPa。其中，各類巖石的長度和巖石質量指標(RQD)為： 碎裂巖，22～37 m,95%RQD=0； 微風化片巖，46～62 m, 50%RQD>40%； 中風化片巖，24～39 m,RQD=0； 微風化變質砂巖，20～35 m,50%RQD=40%。此外，隧道最大水壓為0.5 MPa。汕頭海灣隧道項目施工難點包括： 全隧下穿汕頭海灣，地層為極軟混合地層,帶壓進艙換刀困難； 極軟地層中存在3段極硬基巖突起段，差值大的上軟下硬地層易造成掘進困難、刀具異常損壞、軸承偏載、地層擾動大、滯排堵艙問題； 隧道全線上覆土基本為淤泥層，覆土深約1倍洞徑，存在壓力擊穿風險。

2.2 超大直徑泥水盾構

針對汕頭海灣隧道項目水文地質特點及施工難點，選擇設計制造直徑為15.03 m的超大直徑泥水盾構來應對諸多挑戰。

2.2.1 常壓換刀技術

根據英國健康與安全執行局(UK HSE)出版的壓縮空氣作業規范(1996年發布，2002年重印)，推薦人工最大帶壓工作范圍不超過0.35 MPa[8]。在超過0.35 MPa壓力的空氣環境下工作，作業人員的聽覺、反應敏捷度都會大大降低，而且帶壓力的氣體對人體功能器官影響較大，作業安全難以得到保障。作業結束后減壓時間長，人體存在減壓病風險。

汕頭海灣隧道項目最高水壓接近0.5 MPa，隧道穿越極軟混合地層，包含3段極硬基巖凸起，刀具異常損壞可能較多，預期刀具檢查處理的工作頻次高，換刀困難，故刀盤刀具設計采用常壓換刀技術，極大地提高了換刀效率和作業安全性。作業人員可以通過刀盤中心艙進入中空的刀盤輻條臂內，并在常規大氣壓條件下進行刀盤及刀具的檢查維護作業。刀盤結構設計為6個中空主梁，主梁上刮刀和滾刀可在常壓環境下更換，同時主梁內集成設計了刀具更換油缸固定裝置、刀具運輸系統、沖刷管路、爬梯、可拆卸作業平臺等，保證了主梁內常壓更換刀具的安全性和快捷性。刀盤整體開口率為28%，在滿足中心區域常壓更換滾刀布置和刀盤結構強度和剛度情況下，增大了中心開口率，有利于中心區域渣土流動，減少中心刀具的磨損。同時，刀盤設置限徑格柵，可防止較大粒徑巖塊進入艙內造成堵塞。

通過對刀盤的強度、剛度進行有限元分析，得出結果見圖1。

(a) 刀盤等效應力云圖(單位： MPa)

(b) 刀盤綜合位移云圖(單位： mm)

分析結果顯示，在所示的刀盤邊界條件下，刀盤結構的最大等效應力為172.81 MPa，刀盤絕大部分區域的等效應力小于86.45 MPa，刀盤的等效應力分布云圖如圖1(a)所示。刀盤結構的最大綜合位移為3.82 mm，刀盤的綜合位移分布云圖如圖1(b)所示。刀盤設計所用材料為Q345，該材料的許用應力為295 MPa，因此該刀盤的結構設計滿足要求。

刀盤維護人員通過中心艙進入刀盤輻條臂內進行刀具更換，整個換刀過程處于常規氣壓環境，作業安全高效(見圖2和圖3)。

圖2 刀盤布置圖

圖3 刀盤輻條臂常壓狀態換刀

常壓換刀裝置是實現常壓換刀的壓力隔絕機構，主要由密封座、閘門和刀筒等組成。常壓換刀裝置總成及部件見圖4。

圖4 常壓換刀裝置

刀盤輻條臂上刮刀和滾刀可在常壓環境下更換。常壓換刀裝置設計有防誤裝的對位銷釘，可以防止刀具錯裝。

2.2.2 主驅動及密封系統

由于地質軟硬不均，且最大水壓高達0.5 MPa，要求刀盤刀具維護安全便捷，密封系統穩定可靠。

為了便于刀盤刀具維護，超大直徑泥水盾構設計采用伸縮擺動式主驅動系統(見圖5)。該方式主驅動系統允許刀盤縮回一定距離，為刀盤前面騰出一定空間從而使得刀盤維護更便捷；允許刀盤擺動，提高了邊緣刀具的更換效率；同時也可以防止刀盤被卡。

圖5 伸縮擺動式主驅動

該盾構主驅動系統設計采用4道唇形密封，能夠有效應對高水壓作業環境。設計密封系統可承受0.6～1 MPa的壓力，能夠保護主驅動系統不被外界水土侵入。

2.3 施工情況

該工程采用的2臺超大直徑盾構從南岸圍堰始發向北岸掘進。東線超大直徑盾構于2017年12月26日始發，西線超大直徑盾構于2018年10月21日始發。

截至2019年7月7日，項目東線盾構完成掘進952環(1 904 m)，平均每天掘進4～5環；西線盾構完成掘進293環(586 m)，平均每天掘進4～5環。東西線2臺超大直徑盾構在始發階段通過加固體和圍堰回填段，均不同程度地遇到一些來自于異常地層的問題，存在一些困難。東線盾構掘進初期出現過刀具退回問題，西線盾構出現過刀具傳感器失效問題，通過維護均得到了及時修復。目前，總體掘進施工情況良好。東線隧道預計于2020年初率先實現貫通，其后3個月西線隧道也將實現貫通。

3 深圳春風隧道工程

3.1 工程項目概況

春風隧道為深圳市城市公路交通快速路隧道，上下2層，雙向4車道，設計時速60 km。隧道工程線路全長約5.08 km，其中盾構隧道段全長3 583 m，其最小平曲線半徑750 m，最大縱坡49‰。隧道埋深23～62 m，隧道底部最大凈水頭壓力約0.59 MPa。隧道下穿地鐵9號線鹿丹村站人行通道、布吉河(河寬約50 m)、海關宿舍樓、大灘大廈、廣深鐵路股道及深圳站、深圳邊檢宿舍樓等建(構)筑物；隧道臨近深圳河，最近處約35 m。

隧道線路主要穿越地層為花崗巖、凝灰質砂巖、片巖、變質砂巖、糜棱巖、少量卵石及礫砂地層。中微風化巖層普遍抗壓強度約為50 MPa，微風化(硅化)片巖最大強度為173.7 MPa。片巖約占整條隧道長度的58%。全斷面巖層(中、微風化)長度占整條隧道長度的77.3%。區間穿越11條破碎帶，破碎帶總長度約431 m，破碎帶影響區域總長度約543 m(地質剖面圖見圖6)。RQD值為0的總長度約為580 m。隧道主要遇到孔隙水和基巖裂隙水。

圖6 春風隧道地質剖面圖

隧道襯砌結構為管片外徑15.2 m，環寬2 m，全環采用7+2+1襯砌形式，通用襯砌環，錯縫拼裝，隧道空間規劃見圖7。

圖7 隧道空間規劃

3.2 超大直徑泥水盾構

該項目具有隧道開挖斷面大、區間長、埋深大、水壓高等特點。其超大直徑盾構施工難點如下： 隧道為全斷面巖層，地質巖石強度范圍大，石英含量高，刀盤、刀具、泥水管路易磨損；局部水壓高達0.49 MPa，人員帶壓進艙作業困難；隧道穿越軟弱圍巖和破碎帶，碎石易受到擾動掉落堆積造成堵艙滯排；隧道下穿重要建筑物和道路，地表沉降控制要求高。針對以上難點，項目選擇采用1臺專門設計的超大直徑泥水盾構來施工。該盾構刀盤開挖直徑15.8 m，同樣采用了常壓換刀刀盤，刀具間距盡可能小，以應對長距離巖石掘進問題；主驅動功率6 300 kW，同樣具有伸縮擺動功能，利于刀盤刀具維護工作；密封系統設計工作壓力0.8 MPa，滿足最大水壓的要求；整機總長160 m，總質量約4 800 t。

因該項目隧道區間要穿越11條斷層破碎帶，破碎帶總長度約431 m，單條破碎帶最長約117 m，破碎帶影響區域總長度約543 m。在破碎帶中掘進時，伴隨著刀盤刀具開挖掌子面，部分破碎巖石大粒徑渣塊會掉落到刀盤底部，逐漸集聚到排漿管吸渣口前方區域，出現積渣并堵塞排漿管吸渣口，產生滯排現象，導致排漿管出渣不暢，掘進將非常困難。

為了解決這種潛在的滯排風險，采用了艙內艙外雙破碎機設計(見圖8)。艙內顎式破碎機允許破碎粒徑大于艙外雙齒輥式破碎機破碎粒徑。穿越破碎帶區域時，艙內底部渣土可先通過顎式破碎機進行一次破碎，避免艙內積渣和滯排。通過顎式破碎機后再經過管路輸送至雙齒輥式破碎機進行二次充分破碎，進而達到出渣管路和泥水處理站的出渣和處理要求。

圖8 艙內艙外雙破碎機設計

顎式破碎機布置在前盾氣墊艙底部(見圖9)，采用液壓油缸驅動，破碎機具有破碎和攪拌2種工作模式。破碎機運行次數為3次/min，最大破碎粒徑為1 200 mm，最大通過粒徑為200 mm×400 mm，最大破碎強度300 MPa。

圖9 艙內顎式破碎機

艙外雙齒輥式破碎機(見圖10)設置在排漿泵前方，用于對一次破碎后石塊的進一步破碎，保證排漿泵的通過粒徑。最大破碎粒徑350 mm，破碎后最大粒徑150 mm。

圖10 雙齒輥式破碎機

艙內艙外雙破碎機設計可以有效防止滯排，提高了在穿越破碎帶的排渣效率和安全性。

4 結論與討論

超大直徑盾構研制取得了快速的進步，正在向更大直徑如19 m、20 m及以上發展，這類盾構的安全性、可靠性和經濟性伴隨科技進步正在日益提升。由于超大直徑盾構自身直徑大，再加上洞徑1倍以上的覆土深度，故實際項目應用經常遭遇到較高的水土壓力。對于高水壓地質，無論泥水盾構還是土壓盾構，常壓換刀裝置逐漸成為必要配置。

常壓換刀裝置和人員換刀作業的方式有多種，諸如汕頭海灣隧道項目和春風隧道項目項目利用中心艙進入常壓刀盤輻條臂，在常規大氣壓條件下進行刀盤及刀具的檢查維護作業，是較為優選的方法。刀盤整體開口率為28%，在滿足中心區域常壓更換滾刀布置和刀盤結構強度和剛度情況下，增大了中心開口率，有利于中心區域渣土流動，減少中心刀具的磨損。同時，刀盤設置限徑格柵，可防止較大粒徑巖塊進入艙內造成堵塞。由于地質條件不同，刀盤形式不同，根據實際工況，其他類型的常壓刀盤和換刀技術也有不少的成功應用。為確保壓力控制精準和排渣順暢，選用艙內艙外雙破碎機，可有效解決滯排問題。

由于作業空間的限制，當前超大直徑常壓換刀技術尚不能支持全盤面刀具常壓條件下更換，隨著破巖刀具技術和換刀技術的進步，未來有望實現全盤面刀具的常壓更換。