大埋深長距離輸水隧洞工程的盾構機選型

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆某長距離輸水隧洞SS段后段地質條件復雜，分布著極軟巖、中強膨脹性巖體、沖洪積覆蓋層、含水富水層等多種復雜地層和不良地質條件，平均埋深71 m。采用鉆爆法及盾構法施工均可行，考慮施工工期及安全風險等方面因素，最終確定采用3臺盾構機結合鉆爆法施工，其中盾構段長19 km。由于該段地質條件復雜，且埋深大、距離長，國內無類似已建或在建工程，為保證隧洞施工的可靠性，盾構機選型至關重要。

1 工程地質

1.1 盾構1段

1.1.1 樁號72+400—77+362段

該段沿線為山前沖洪積平原區，地形平坦。洞身段穿過巖性以白堊土黃—紅黃色砂巖為主，局部夾砂巖、泥質粉砂巖、泥質砂礫巖，屬極軟巖。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，水位高于隧洞頂部37.7～71.3 m，對混凝土具有強腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚63～75 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內。圍巖天然含水率16.0%～25.0%，飽和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，飽和密度2.10～2.39 g/cm3，滲透系數6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為83%～98%，屬中—強膨脹巖，自穩能力較差，易產生塑性變形。

1.1.2 樁號77+362—78+300段

該段沿線為山前沖洪積平原區，地形平坦。洞身段穿過巖性以白堊土黃—紅黃色砂巖為主，局部夾砂巖、泥質砂礫巖，屬極軟巖。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，對混凝土具有腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚66 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內。圍巖大多較完整，為Ⅴ類圍巖。天然含水率16.0%～25.0%，飽和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，飽和密度2.10～2.39 g/cm3，滲透系數6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為83%～98%，屬中—強膨脹巖，自穩能力較差，易產生塑性變形。

1.2 盾構2段

1.2.1 樁號78+400—79+208段

該段工程地質與樁號77+362—78+300段相同。

1.2.2 樁號79+208—82+735段

該段沿線為山前沖洪積平原區，地形平坦。隧洞上覆巖體厚61～64 m，洞身段穿過的巖性以新近系紅色、灰色砂巖為主，局部夾泥巖、泥質砂巖，屬極軟巖。砂巖呈巨厚層狀，泥巖、泥質砂巖呈中厚層狀。巖層總體產狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°。除樁號66+015.307處附近發育F92活動斷層（紙房斷裂）外，其他地段斷層及節理裂隙不發育。地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，水位高于隧洞頂部41.2～60.3 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對結構中的鋼筋及鋼結構具有中等腐蝕性。

洞身附近圍巖天然含水率10.0%～17.0%，飽和含水率14.3%～19.7%，天然密度2.05～2.15 g/cm3，干密度1.85～1.94 g/cm3，飽和密度2.15～2.23 g/cm3，滲透系數6.24×10-4cm/s，屬中等透水層。泥巖的自由膨脹率一般為40%～67%，屬弱膨脹巖。洞段自穩能力較差，易產生塑性變形，建議在開挖中采取短進尺、強支護、快襯砌方法施工。F92斷層斷裂活動對圍巖一般不會產生突發性大的剪切破壞，主要產生變形破壞，建議采取抗變形措施。

1.2.3 樁號82+735—84+500段

該段沿線為山前沖洪積平原區，地形平坦。地表分布第四系上更新統—全新統洪積含礫粉土層，一般厚2.0～78 m。洞身段穿過的巖性以新近系紅色、灰色泥巖為主，局部夾泥質砂巖，屬極軟巖。砂巖呈巨厚層狀，泥巖、泥質砂巖呈中厚層狀，巖層總體產狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°。斷層及節理裂隙不發育，地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為泥質砂巖，水位高于隧洞頂部54.7～60.9 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結構具有中等腐蝕性。

隧洞上覆巖體厚63～76 m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內。圍巖屬極軟巖，大多較完整，為Ⅴ類圍巖。圍巖泥巖的天然含水率17.0%～22.4%，飽和含水率19.7%～25.0%，天然密度2.03～2.11 g/cm3，干密度1.65～1.77 g/cm3，飽和密度2.07～2.12 g/cm3。泥巖的自由膨脹率一般為45%～70%，屬弱膨脹巖。自穩能力較差，易產生塑性變形。

1.3 盾構3-1段

該段沿線為山前沖洪積扇區，地勢由北向南傾斜。隧洞上覆巖土厚度30～65 m，洞身段穿過巖性分別為：樁號103+184.708—103+494段處于新近系泥質砂礫巖內，屬Ⅴ類圍巖；103+494—105+263段處于第四系上更新統—全新統洪積（Q3+4pl）含土角礫夾含礫黏土質砂層內，屬Ⅴ類圍巖；105+263—105+471段處于下石炭統凝灰質砂巖內，屬Ⅲ類圍巖；105+471—105+555段處于新近系泥質砂礫巖內，屬Ⅴ類圍巖。新近系泥質砂礫巖屬于極軟巖，節理裂隙不發育。含土角礫層最大粒徑＜60 mm，角礫含量占50%～60%，土占10%～15%，干密度2.0～2.05 g/cm3，相對密度0.85，結構密實，滲透系數6.2×10-2cm/s，屬強透水層。下石炭統凝灰質砂巖夾凝灰質粉砂巖和凝灰角礫巖，巖體主要呈巨厚層狀，屬堅硬巖，與洞軸線夾角約50°，石英含量一般＜5%。地下水均為松散類孔隙潛水，水位埋深一般12～45 m，水位高于隧洞頂部11～20 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結構具有中等腐蝕性。自穩能力較差，易產生塑性變形和突水、突泥現象。

1.4 盾構3-2段

1.4.1 樁號85+500—89+273段

該段工程地質與樁號82+735—84+500段相同。

1.4.2 樁號89+273—90+480段

該段沿線為山前沖洪積扇區，地勢由北向南傾斜。隧洞上覆蓋層厚86～112 m，洞身段穿過的巖性均為第四系上更新統洪積含碎石黏土層。碎石粒徑＜40 mm，含量占35%～40%，砂與土各占30%左右，密實，未膠結，干密度1.90 g/cm3，飽和密度2.10 g/cm3，滲透系數2.54×10-2cm/s，屬強透水層。地下水均為松散類孔隙潛水，水位高于隧洞頂部57～59 m，對混凝土具有硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋及鋼結構具有中等腐蝕性。圍巖屬極軟巖，為Ⅴ類圍巖，自穩能力較差，易產生塑性變形和突水、突泥現象。

2 盾構機選型因素

不同類型盾構機其適用的地質范圍各不相同。因此，應根據地質條件，選擇與之相適應的盾構機類型。該SS段后半段輸水隧洞盾構區間穿越極軟地層，圍巖具有不穩定性，使用的盾構機類型為密閉型的土壓平衡盾構機或泥水平衡盾構機。

2.1 土壓平衡盾構機

該類型盾構機優點有：①工程成本低：本身造價相對泥水盾構機價格低，且無需復雜的泥水處理系統，占地面積小、設備投入少、成本低；②出土效率高：盾構機只是對渣土性能的改良，不存在泥裝分離處理工序，排土效率高；③適用地層范圍寬：目前土壓平衡盾構機對所有地層均適用。

該類型盾構機存在缺點有：①掘削扭矩大：改良土體時所添加材料的相對密度比土層的要大，對地層的浸滲作用小，刀盤的掘削摩阻力增大即刀盤扭矩大，導致盾構機的裝備扭矩大、功耗大；②地層沉降變化大：相對于泥水平衡盾構機來說，對周圍地層的擾動較大；③直徑不宜過大，否則會對地層變形影響加劇，目前最大僅為11 m。

2.2 泥水平衡盾構機

該類型盾構機優點有：①對地層的擾動小：其原理是利用泥水壓對抗開挖面的水壓、土壓，同時泥漿在開挖面處滲入地層并形成不透水泥膜，刀盤對地層的擾動小，開挖后需注漿加固的部位少且注漿量小，有利于控制成本，減少環境污染；②適用于特殊的高地下水壓：在江底、河底、海底隧道施工中，可通過選用面板型刀盤來增加開挖面的穩定性，另外盾構機的泥水壓力與地下水壓形成相互平衡，開挖面穩定性可靠；③適于大直徑化：泥水浸泡使掘削地層存在不同程度的松軟，開挖時的刀盤切削扭矩小，同樣扭矩驅動設備條件下，泥水平衡盾構機的直徑要比土壓平衡盾構機大；④掘進中盾殼擺動小：由于地層受到浸泡作用，刀盤所受的切削阻力小，盾構機的姿態容易控制，水平、豎直擺動較小；⑤適用地層范圍廣：適用的土質從軟黏土層、滯水細砂層、砂礫層一直到漂礫層，甚至包括固結游泥層及含甲烷氣體的特殊地層等，最適于在洪積層砂性土中施工。

2.3 盾構機選型的主要方法

盾構機選型除對土質條件、地下水進行勘察外，還應對占地環境做充分勘察，依據有：①工程地質條件、巖性（抗壓、抗拉、粒徑、成層等各參數）；②開挖面穩定措施；③隧道埋深、地下水位；④設計隧道斷面；⑤環境條件（附近管線和建筑物及其結構特性）；⑥襯砌類型；⑦工期；⑧造價；⑨宜用的輔助工法；⑩設計路線、線形、坡度、電氣及其他設備條件。

基于以上依據，盾構機選型的主要方法為：①根據地層滲透系數：該段地層多為泥巖和泥質砂巖，宜優先選用土壓平衡盾構機。②根據地層顆粒級配：黏土、淤泥質土區適用土壓平衡盾構機，礫石粗砂區適用泥水平衡盾構機，粗砂、細砂區適用泥水及改良后的土壓平衡盾構機。③根據地層類別：土壓平衡盾構機的工作原理是在開挖掘進時，刀盤切削的渣土進入土倉后經螺旋輸送機輸出，因為螺旋輸送機渣土出口為斜起向上一定角度，渣土在螺旋輸送機內會形成壓力遞降而保持土倉壓力穩定，其主要適用于流塑性較好的土層中施工，易使開挖面土層處于穩定。泥水平衡盾構機工作原理是采用泥漿作為支護材料，利用循環泥漿將開挖的渣土顆粒懸浮并輸送至泥水室內，再通過處理設備將泥水和渣土分離；在開挖面上形成不透水的泥膜，保持水壓力，以平衡土壓力和水壓力。一般而言，泥水平衡盾構機適合切削渣土顆粒比較大的地層。

3 各段盾構機選型

3.1 盾構1段

從地層滲透系數考慮，圍巖屬中等透水層，滲透系數接近10-7m/s，適用土壓平衡盾構機。隧道施工中僅有滲水、線狀流水現象，最大涌水量僅924 m3/h，水量不大，且可使開挖面土體流塑性增大，減小盾構機殼體與地層間的摩阻，有利于盾構機掘進。

從洞身巖性角度考慮，洞身穿越巖性以砂巖、泥巖為主，細顆粒含量較多，渣土較易形成不透水的流塑體，易充滿土艙，從而建立平衡壓力，較適宜采用土壓平衡盾構機。

從地下水壓力角度考慮，泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機對地下承壓水的適應能力基本相當。對于后者而言，當水壓大時，螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，在輸送機排土閥門處易發生水土噴涌，引起土倉中土壓力下降，導致開挖面坍塌；需在螺旋輸送機出口處安裝保壓泵，同時還可采用多級螺旋輸送機出土，降低出口處水壓力。在高地下水壓、細泥沙、中粗沙和礫石層地層中掘進時，可在螺旋輸送機上布置注漿孔，注入聚合物與渣土混合，形成不透水的混合渣體，控制渣土安全排出。該段最大孔隙裂隙水壓為0.43 MPa，而土壓平衡盾構機能夠承受的水壓可以達到0.6 MPa。因此，泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機均適用。

從環境保護角度考慮，土壓平衡盾構機掘進渣土可直接棄渣，施工場地小，對周圍環境影響小；而泥水平衡盾構機需要在地面占用較多的場地來布置泥水處理系統，同時還要布置廢漿棄置場地，會造成很大的環境污染。

從工程成本角度考慮，泥水平衡盾構機泥水分離及泥漿輸送系統管理復雜、造價高、耗電量大、運行費用高，成本高于土壓平衡盾構機。

綜合以上幾點，盾構1段適合采用土壓平衡盾構機。

3.2 盾構2段

該段與盾構1段工程地質和水文地質類似，圍巖為中等透水層，隧道施工中僅有滲水、線狀流水現象，最大涌水量為1 961 m3/h；洞身巖性以砂巖、泥巖為主；最大孔隙裂隙水壓為0.36 MPa。選型分析類似盾構1段，亦適合采用土壓平衡盾構機。

3.3 盾構3-1段

從地層滲透系數考慮，圍巖為強透水層，滲透系數6.2×10-5m/s，泥水、土壓平衡盾構機均適用。隧道施工有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現象，最大涌水量達到2 087 m3/h，水量很大，使用土壓平衡盾構機時應注意防噴涌措施。

從洞身巖性角度考慮，該段穿越地層巖性主要為泥質砂礫巖、含土角礫夾含礫黏土質砂層、凝灰質砂巖，含土角礫層，最大粒徑＜60mm，角礫含量占50%～60%，顆粒粒徑較大，適宜采用泥水平衡盾構機。但根據國內外工程實例，通過渣土改良等技術，土壓平衡盾構機在大粒徑卵石土地層中亦有良好適應性。因此，土壓、泥水平衡盾構機均適用。

從地下水壓力角度考慮，該段最大孔隙裂隙水壓為0.18 MPa，兩者均適用。

綜合以上分析，該段土壓及泥水平衡盾構機均適用。考慮到環保和工程成本，更適宜采用土壓平衡盾構機，且考慮到可能出現的噴涌問題，應選用加泥式土壓平衡盾構機。

3.4 盾構3-2段

該盾構段地質條件變化較大，分兩段討論。

3.4.1 樁號85+500—89+273段

根據地勘報告，該段地質條件與盾構2段樁號82+735—84+500段相同，較適合采用土壓平衡盾構機。

3.4.2 樁號89+273—90+480段

從地層滲透系數考慮，圍巖屬強透水層，滲透系數2.54×10-5m/s，泥水、土壓平衡盾構機均適用。隧道施工中有滲水、線狀流水和涌水、涌泥現象，最大涌水量約2 390 m3/h，水量很大，使用土壓平衡盾構機時應注意防噴涌措施。

從洞身巖性角度考慮，該段洞身穿越巖性為含碎石黏土層，地層中顆粒粒徑不大，渣土能形成不透水的流塑體，易充滿土艙，建立壓力平衡。若采用泥水平衡盾構機，需在地面布置泥水分離和調漿制漿裝置和沉淀池，易造成環境污染問題，因此較適宜選用土壓平衡盾構機。

從地下水壓力角度考慮，該盾構段最大孔隙裂隙水壓為0.47 MPa，泥水平衡盾構機和土壓平衡盾構機均能適應。

綜合以上分析，盾構3-2段適合采用土壓平衡盾構機，考慮到可能出現的噴涌問題，應選用加泥式土壓平衡盾構機。

4 結語

盾構機選型需要考慮的因素較多，針對工程特點，應先從主要因素進行分析對比，其中地層的滲透系數、穿越地層的巖性、地下水等影響較大，再結合現場占地環境等其他因素綜合考慮，最終確定盾構機選型。