北京高水壓卵石地層泥水盾構適應性分析

馮振魯，楊景超，衣紹彥

（1.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250014；2.北京市建設工程安全質量監(jiān)督總站，北京 100161）

隨著北京地鐵建設的發(fā)展，地表以下的淺層地下空間日益緊張，為更好地實現(xiàn)新建線路與既有線路的換乘，新建線路地鐵隧道的埋深將越來越深。根據(jù)北京地鐵的規(guī)劃和設計，部分在建和新建線路埋深已經超過35m，進入受承壓水層影響的卵石層。如在建的8 號線三期部分區(qū)間和車站埋深已達35m 以上，將要開工建設的3 號線、12 號線和19 號線（新機場線）部分隧道埋深將到達45m 以上。因此，以往的北京地區(qū)盾構選型經驗對富水深埋的砂卵石地層指導和借鑒意義有限。

研究表明，土壓平衡盾構通過合理的刀盤選型及刀具布置，在北京地鐵無水卵石地層中應用較廣泛，適用性較強[1～2]。然而隨著隧道埋深的增加，深埋高水壓卵石地層采用泥水平衡盾構施工的優(yōu)勢是非常明顯的，其具有能夠有效平衡水土壓力、刀盤扭矩小、對地層擾動小、有效控制地表沉降等優(yōu)點[3]。

國內外學者結合實際工程地質情況對盾構選型和施工技術進行了大量研究工作：張雙亞、陳饋、鎖曉明等、何峰、葉康慨以北京地下直徑線工程為基礎，對富水卵石地層盾構選型進行了研究，得出了北京地下直徑線富水卵石地層宜選用泥水平衡盾構[4～8]；何川等[9]、晏啟祥等[10]結合成都地鐵盾構隧道工程，對富水砂卵石地層盾構選型進行了研究，提出并總結了富水砂卵石地層盾構選型和配置的一些具體對策；楊書江[11]將富水卵石地層泥水平衡盾構的適應性與土壓平衡盾構的掘進成本進行了比較，得出富水卵石地層中泥水平衡盾構每延米掘進成本比土壓平衡盾構高38%；Carrieri 等[12]通過對卵石地層中盾構選型、刀盤設計、渣土改良技術進行研究，得出了在卵石地層中土壓平衡盾構應采用開口率較大的刀盤，以減小刀盤扭矩、降低刀具磨損的結論；江玉生等[13]結合北京地鐵7 號線某區(qū)間隧道工程實例，介紹了盾構選型的基本原則和主要步驟，并在一定程度上綜合對比了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的優(yōu)缺點及盾構的發(fā)展趨勢。

目前，國內外相關學者對于盾構選型研究的分析具有一定的系統(tǒng)性及規(guī)范性，但實際工程中所考慮的因素往往比理論上更復雜。北京地區(qū)富水卵石地層盾構掘進經驗目前僅地下直徑線和地鐵9 號線軍事博物館～東釣魚臺區(qū)間2 個工程可供參考。富水卵石地層盾構施工技術也僅處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)的技術體系。本文以北京地鐵8 號線三期王府井站～前門站盾構區(qū)間隧道工程（以下簡稱：王府井站～前門站區(qū)間）為工程背景，根據(jù)本區(qū)間特有的富水卵石地層，結合周邊環(huán)境的特殊性，選擇合適的盾構施工。研究成果具有較大的工程實用價值，也可對今后類似條件下區(qū)間盾構設計和施工提供借鑒和指導。

1 工程簡介

1.1 區(qū)間概況

北京地鐵8 號線三期王府井站～前門站區(qū)間隧道處于北京中心城區(qū)的王府井和前門商業(yè)、旅游、文化區(qū)，屬于北京城的核心區(qū)域，沿線施工環(huán)境復雜。王府井站～前門站區(qū)間隧道連接8 號線三期與1 號線換乘站（王府井站）和8 號線三期與2 號線換乘站（前門站），本區(qū)間線路埋深較深，隧道頂覆土厚度25～35m，線路最大縱坡為27‰，最小坡度為4‰，最小豎曲線半徑為3 000m。隧道襯砌采用鋼筋混凝土管片，外徑6m，內徑5.4m，環(huán)寬1.2m。

1.2 地質情況

王府井站～前門站區(qū)間隧道的上覆地層為砂卵石和黏土復合，隧道穿越地層為卵石層局部夾粉質黏土，卵石粒徑為60～120mm，中粗砂充填（含量約25%～30%），卵石層滲透系數(shù)高達2×10-1cm/s。相關土層的物理力學指標如表1 所示。地下水位的潛水層位于隧道頂部0.5～10.5m，隧道處于承壓水層中，水壓高達0.05～0.15MPa。因此，本區(qū)間隧道地層屬于高滲透性、高水壓地層，隧道穿越的地層及地下水位情況如圖1 所示。

2 鄰近線路對比

圖1 王府井站～前門站區(qū)間地質剖面圖

表1 盾構區(qū)間土層主要物理力學指標

鄰近地層的施工經驗對于新建線路的盾構選型尤為重要[14]，因此選取王府井站～前門站區(qū)間的鄰近工程：前門～珠市口區(qū)間（簡稱：前～珠區(qū)間）和地下直徑線兩個工程的施工情況進行對比和分析。

2.1 地質情況對比

前～珠區(qū)間與王府井站～前門站區(qū)間同為北京地鐵8 號線三期項目，兩線路相接；既有地下直徑線工程為王府井站～前門站區(qū)間計劃下穿的特級風險源，二者豎向距離最小僅3.6m。將前～珠區(qū)間、王府井站～前門站區(qū)間和地下直徑線（鄰近段）的地層情況描述并整理如表2 所示。

表2 線路地質情況對比

2.2 盾構及參數(shù)對比

地下直徑線與前～珠區(qū)間已分別于王府井站～前門站區(qū)間建設前竣工，其盾構型式情況如表3 所示，盡管兩線路的地層類型、盾構型式有所差別，但均選用了重型撕裂刀來保護刀盤和切刀，減小磨損，且效果良好。因此，在王府井站～前門站區(qū)間的盾構選型中，重型撕裂刀的刀具布置應該優(yōu)先被考慮。

表3 盾構類型及部分參數(shù)對比

3 選型分析

3.1 盾構類型

王府井站～前門站區(qū)間以砂卵石和局部黏土地層為主，根據(jù)鄰近線路的工程情況，土壓平衡盾構和泥水平衡盾構在該地層均有一定的適用性，因此，在確定盾構類型之前，要著重考慮本區(qū)間以下因素。

1）地層滲透性高 隧道斷面主要為卵石地層，其滲透系數(shù)最高可達2×10-1cm/s，不管是對于土壓平衡盾構的渣土改良效果還是泥水平衡盾構的泥漿質量要求均較高。

2）高水壓 本區(qū)間地下水位位于拱頂0.5～10.5m，且隧道斷面富有承壓水，最高水壓可達0.15MPa，這對于土壓平衡盾構的螺旋輸送機的噴涌控制不利。

3）地表沉降控制標準高 線路穿越段為北京市核心區(qū)域，有較大的政治影響，盾構穿越的90%以上隧道區(qū)域均鄰近或穿越特、一級風險工程，因此，對于開挖艙壓力的穩(wěn)定控制、同步注漿等措施要求極為嚴格。

鑒于以上因素，在考慮地層高滲透性、高水壓以及開挖艙壓力的穩(wěn)定控制等方面，本工程最終選取了直徑?6.28m 氣墊型泥水平衡盾構。

3.2 刀盤及刀具布置

本區(qū)間采用焊接結構的復合式刀盤，撕裂刀與切刀組合布置，刀具的高差配置為：撕裂刀175mm、邊緣刮刀140mm、寬切刀140mm。切刀為切削地層、剝離卵石的主力刀具；撕裂刀則用于敲擊、破碎卵石，其刀間距為90mm（中心）和95mm（正面）。刀盤的開口率約35%，刀盤的中心部分開口率大，這樣有利于中心部分渣土的流動并順利進入泥水艙，可以有效防止中心泥餅的產生。刀盤型式及刀具的布置情況如圖2 所示。

圖2 刀盤及刀具布置情況

3.3 關鍵參數(shù)計算

3.3.1 盾構推力

盾構的推力F計算公式如式（1）所示

其中：F1表示盾構四周與地層間的摩阻力或黏結力，kN；F2表示盾構切口環(huán)刃口切入土層產生的貫入阻力，kN；F3為開挖面正面作用在切削刀盤上的推進阻力，kN；F4表示盾尾處盾尾板與襯砌間的摩阻力，kN；F5表示盾構后備臺車的牽引阻力，kN；同時考慮到本工程27‰的縱向坡度和3 000m 的曲線開挖等因素，計算推力可適當增加20%～30%。

3.3.2 刀盤扭矩

根據(jù)國內外的工程經驗，刀盤扭矩M與盾構的開挖直徑R0呈現(xiàn)3 次方關系，其計算如式（2）所示

其中：M為刀盤扭矩，kNm；a為扭矩經驗系數(shù)，一般圍巖取0.9～1.5；R0為盾構開挖直徑，m。

3.3.3 泥水壓力

泥水平衡盾構開挖艙內泥水壓力的作用是平衡掌子面前方水土壓力，良好的泥水平衡效果有利于減輕地層擾動、平穩(wěn)其他盾構參數(shù)的作用。王府井站～前門站區(qū)間隧道斷面為高滲透性卵石地層，因此，泥水壓力采用水土分算的計算方式，其計算如公式（3）所示

其中：P為泥水壓力，kPa；K0為土層靜置側壓力系數(shù)，其取值見表1 所示；σv為豎直土壓力，kPa；γw為水的重度，取10kN/m3；H為地下水位以下的隧道埋深，m；PL為預壓，一般取20～30kPa。由于隧道拱頂全線位于承壓水以下，故本公式計算并未考慮承壓水影響，但在實際參數(shù)設定時可考慮增加承壓水壓50～150kPa。

由于本區(qū)間隧道以砂卵石地層為主，且埋深h＞2R0（R0為隧道直徑），故在計算豎直土壓力σv時土拱效應的發(fā)揮不可忽略[15]。因此，采用太沙基松弛土壓力計算本工程的豎直土壓力σv，計算原理如圖3 所示，計算見公式（4）所示

其中：B為土拱計算范圍寬度，m；K為土的計算側壓力系數(shù)，其值大小與土體空間位置及土拱效應的發(fā)揮程度相關，通常取1；z為各土層厚度，m；γ 為土層重度，kN/m3；c為土的黏聚力，kPa；φ為土的內摩擦角，°；γ、c、φ的取值見表1。

圖3 太沙基松弛土壓力計算原理

按照上述理論（經驗）計算方法，將盾構推力、扭矩、泥水壓力的參數(shù)計算結果與盾構機的額定配備參數(shù)對比整理如表4 所示，可以看出，推力與扭矩參數(shù)均小于盾構的額定配備值，說明本工程的盾構選型可以滿足施工要求。

表4 盾構參數(shù)計算值與額定配備值對比情況

4 盾構適應性分析

盾構在始發(fā)后的前30 環(huán)進行了試驗段掘進，通過試驗段的調整后，各參數(shù)逐步趨于穩(wěn)定，因此，選取30～100 環(huán)的參數(shù)進行對比分析。開挖艙的泥水壓力取于艙壁最上側的測點，其變化情況如圖4 所示，可以看出，其值穩(wěn)定在0.2MPa左右，并在理論計算的范圍之內；扭矩、推力的變化情況如圖5 所示，扭矩值保持在3 700kNm以下，總推力不超過20 000kN，二者均控制在盾構配備的額定值以下且保持在上述的經驗計算值之內。

圖4 盾構開挖艙內泥水壓力-環(huán)數(shù)變化曲線

圖5 盾構推力、扭矩-環(huán)數(shù)變化曲線

5 結論與討論

北京地區(qū)的深埋卵石地層具有滲透系數(shù)大、高水壓的特點，結合工程特點確定了泥水平衡盾構的選型，并通過實際工程參數(shù)的驗證得出了如下結論與建議。

1）泥水平衡盾構在北京地區(qū)的深埋富水地層具有一定的適用性，通過借鑒鄰近地層的已有工程，可為盾構的初步選型提供一定依據(jù)。

2）撕裂刀與切刀的組合布置有效適用于王府井站～前門站區(qū)間地層，盾構的實際施工參數(shù)與理論（經驗）計算參數(shù)能夠較好地吻合，并控制在盾構機的額定配置以內。

3）本文的盾構選型思路對于北京或其他地區(qū)的深埋富水卵石地層具有較強的針對性，可為今后在類似地層及工程環(huán)境下的盾構施工提供一定的借鑒作用。