市政工程中土壓平衡盾構施工設備選型方法

李友良

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某市政工程跨海盾構隧道起訖里程0+000.000—2+750.000，長2.75 km，為城市快速路，主線設計速度80 km/h，采取雙向6 車道建設標準。隧道橫穿海底，施工條件錯綜復雜，施工期間伴有較明顯的安全風險，宜選擇與現場環境相適應的盾構機，以提高機械化作業水平，保證施工安全。

2 工程地層條件及對盾構機的基本要求

2.1 地層條件

（1）地層條件：盾構隧道區間洞身穿越地質的具體情況見表1。

表1 盾構隧道區間洞身主要地質分布

（2）洞身地層強度：隧道洞身穿越區域以軟弱地層居多，占比較高的有中粗砂層、砂質黏土層，其特點是抗壓強度低，易失穩；局部存在鐵質層和鈣質層。

以現場地質條件為立足點，結合工程建設要求，采取“周邊滾刀＋貝殼刀”的刀具組合方式。刀具以特質合金鋼為基礎材料，以提高刀具的耐磨性。綜合考慮現場地質條件以及盾構期間刀具可能出現大范圍磨損的情況，擬配備軟、硬兩種刀盤，以提高盾構施工的靈活性。

2.2 對盾構機的基本要求

盾構機為盾構施工的關鍵設備，應兼具開挖、管片安裝、測量導向、密封等多重功能。此外，根據現場作業情況，在盾構機既有結構的基礎上作出優化，例如提高刀盤的強度、提高盾尾刷的密封性、完善土倉中部泥漿沖刷系統、對同步注漿系統進行擴容等，全面豐富盾構機的功能[1]。

2.2.1 各地層的掘進

（1）軟土、砂層的掘進。此類地層的穩定性不足，地下水含量豐富，盾構掘進過程需要合理控制環流系統運行參數，使其維持穩定運行狀態，在此基礎上進一步控制切口水壓。

（2）鐵質層和鈣質層的掘進。根據現場勘察結果可知，盾構隧道施工期間可能遇到4 處鐵質層和鈣質層，其硬度較大，易導致盾構刀具磨損。對此，需提高盾構機刀盤的強度和耐磨性，盡可能減少盾構掘進期間的換刀頻率，實現持續性切削。

（3）隧道頂砂層的掘進。盾構隧道施工現場的砂層覆蓋范圍較廣，接收井前約82 m 的位置出現中粗砂層傾入隧道的情況，為保證盾構施工的安全性，應對隧道頂部采取加固措施，在安全的環境下高效掘進。

2.2.2 大坡度掘進及到達

盾構隧道線路的平直性欠佳，包含39.1‰的下坡段和30.9‰的上坡段，為提高盾構機的適應能力，需要配置高靈敏度的激光自動導向系統，協調仿行刀和超挖刀的工作姿態。下坡段、上坡段的長度分別為1039 m 和711 m，仿行刀和超挖刀將長時間工作，因此需具有足夠的強度和耐磨性。此外，還需提高盾尾密封刷的工作能力，以免持續偏心受壓的施工條件引發管片受損等質量問題。推進千斤頂宜設置在后筒上，升級同步雙液注漿系統，采取管片固定措施。遇急轉彎隧道時，需保證盾構機具有足夠的糾偏能力，并調整折中裝置的最大偏轉角度。

2.2.3 泥餅清理

盾構現場地質組成中，以砂質黏土居多，在此環境下施工時易形成“泥餅”，導致土倉中部等部位出現泥土板結現象，盾構推力增加，刀盤扭矩異常，難以順利完成掘進作業[2-3]。而“泥餅”的處理難度較大，易阻礙正常的盾構施工進程，因此需從日常工作做起，例如提高土倉內泥漿循環流量，及時清理切削所得的黏土，配置高性能的刀盤高壓水清洗系統。通過上述措施，從源頭上避免“泥餅”的形成。

2.2.4 沉降的檢測與控制

施工現場絕大部分地層偏軟弱，敷設有跨海光纜等基礎設施，加大了施工的復雜度。對此，盾構掘進過程中應加強對地表沉降的檢測與控制。盾構機需具有高精度檢測和及時糾偏的能力，在選擇盾構機時需兼顧刀盤的開口率、切口水壓的穩定性及注漿系統的適用性，較為合適的是配置雙液同步注漿系統，在其支持下快速完成管片壁厚的注漿填充作業，以免隨施工時間的延長而出現大范圍沉降現象。

2.2.5 盾構機的可靠性、適用性及經濟性要求

盾構機所處施工環境復雜，其可靠性將直接影響盾構隧道施工質量，而盾構機集豐富的精密元器件于一體，因此需保證各元器件具有較強的工作能力，并形成相協調的關系。盾構機的可靠性主要體現在其適用性的層面，即在各類地層條件下均能穩定運行。此外，在提升盾構機可靠性的同時還需要兼顧成本需求，不可出現一味提高可靠性而導致成本投入過高的局面。

2.2.6 盾構機的生產效率與工期要求的關系

根據工期安排，單月掘進量應達到180 m，工期相對較緊，加之現場環境較為苛刻，因此必須注重盾構機選型問題，保證其具有較強的生產能力，以高效的方式保質保量完成掘進作業。

3 盾構機選型要點及依據

3.1 選型要點

以現場盾構施工環境、施工質量要求為主要依據，圍繞技術可行性、適用性、經濟性展開對比分析，保證選擇的土壓平衡盾構機能夠滿足多方面的要求。盾構機選型要點：①在現場各類圍巖條件下均具有適用性；②可滿足工期、質量的雙重要求；③具有足夠的可靠性和耐久性，以便維持穩定運行，減少中途維修或零部件更換的頻率。

盾構機的選型是一項系統性工作，需兼顧現場地質、設計線路、隧道長度、工期要求、突發情況、成本投入等多方面的內容。

3.2 選型依據

以工程特點（地質條件、質量要求、工期要求、經濟效益要求等）為依據，細化盾構機的選型細則，選型主要需考慮以下依據：

（1）隧道單端掘進長度＞2.75 km。

（2）地下水位埋深21～60 m，外水壓力0.6 MPa，最大值0.7 MPa。

（3）隧道覆土厚度20～46.7 m，最大坡度39.1‰。

（4）隧道內凈空5.4 m，管片外徑6.3 m，管片厚度0.45 m、寬度1.5 m。

（5）正常工況下單月掘進量應達到180 m。

（6）盾構施工期間的特殊地段主要有：強度較高的鐵質層和鈣質層、易失穩的全斷面砂質黏土層以及隧道頂砂層。

（7）掌子面施工期間，盾構機應維持壓力平衡的狀態，遇黏土層等穩定性欠佳的地層時，應有效加固掌子面。

（8）遇含有豐富石英砂的地層時，鑒于其硬度較大的特點，應保證盾構刀具滿足耐磨、強度的雙重要求，最大限度降低換刀頻率。

（9）部分地層存在鐵質和鈣質結核現象，該部分致密性較好且硬度加大，應配置高強度刀具。

（10）在海水下掘進，施工期間盾構刀具等相關結構易受到地下水的腐蝕，導致結構完整性下降，要求刀具具有較高的強度和抗腐蝕性能。

3.3 最終選型

以盾構頭部的結構形式為依據，可以分為開放式和密封式兩類盾構機，各自又可細分為多種形式。其中，開放式盾構機較為常見的類型有人工式、半機械式、機械式；密封式盾構機則包含泥水平衡式、土壓平衡式等。各類盾構機的應用特點各異，開放式盾構機常用于穩定性較好的工作面（不存在氣壓及水壓作用），或是在此基礎上輔以其他手段，例如氣壓法、土體加固等，以達到提高施工技術水平的效果，全面確保工作面的穩定性。根據該工程的現場地質情況，為滿足安全性、可靠性、經濟性等方面的要求，宜采用土壓平衡盾構機（圖1）。

圖1 土壓平衡盾構機

盾構機自始發以來，已累計掘進近l000 m，創造了最高日進尺20 m 的記錄，設備整體運行狀況良好。結合工程應用情況，驗證了設備各系統選型與設計的合理性，對項目工程地質有良好的適應性，滿足設計施工需求。

4 結束語

綜上所述，市政工程建設經常涉及到盾構施工作業，但由于施工環境較為復雜，需配置與現場環境相適應的高性能盾構機。以工程實例為背景，現場地質情況作為立足點，提出盾構施工設備的選型方法，希望作為類似工程的參考，發揮出盾構機在市政工程中的應用優勢。