高硬度巖溶地層盾構機選型及針對性設計研究

張守同

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

在城市軌道交通區間隧道施工中，盾構機以其較高安全性、經濟性等優點，已成為城市軌道交通區間隧道施工的主要工法。盾構機選型具有“量體裁衣”的特點，針對不同的水文地質結構，盾構機的主要系統結構與配置相差較大。

巖石硬度超過100 MPa時，常規的土壓平衡盾構機刀盤配置17″滾刀時破巖能力較弱，掘進效率低。王軍［1］等以廈門2號線越海段盾構施工為例，根據地質補勘資料及實際工程環境提出海上注漿加固技術，并對滾刀結構進行重新設計，取得了良好效果。楊民強［2］以廈門3號線某區間盾構施工為例，研究90 MPa以上硬巖地層采用爆破預處理后盾構掘進效率、刀具磨損等優于盾構刀盤直接破巖掘進。王凱［3］以南昌地鐵3號線某區間為例，分析盾構機刀盤、刀具對上軟下硬地層的適應性，并對盾構機渣土改良系統、同步注漿系統和螺旋輸送機提出優化建議。孫峰梅［4］以廣佛環線東環隧道為例，研究土壓／TBM雙模盾構機在大埋深軟弱地層掘進時，圍巖收斂變形特征和圍巖與盾殼的相互作用關系，探討大埋深軟巖區段雙模式盾構機卡機風險控制和處理措施。文獻［5－6］研究復雜地質條件下TBM卡機及風險地質問題，并提出相應對策。

針對區間隧道穿越斷裂帶、碎石區段、巖層破碎區段及全斷面80～150 MPa硬巖地層，土壓平衡盾構機、土壓平衡／TBM雙模、單護盾TBM皆有選用，但少有文獻對不同設備的優缺點進行深入研究。本文以濟南軌道交通4號線某區間隧道設備選型為例對土壓平衡盾構機、土壓平衡／TBM雙模盾構機優缺點進行比較，并分析不同設備的經濟性，以確定適合該區間隧道的施工設備。

2 工程及水文地質概況

（1）工程概況

濟南軌道交通4號線鳳凰路站－林家莊站區間長度1 265 m，沿經十路布設，區間兩端的車站布置于經十路兩側綠化帶內，中間區段斜穿經十路。林家莊站－雪山路站區間長度1 056 m，區間隧道沿經十路北側綠化帶布設。

（2）水文地質概況

濟南軌道交通4號線鳳凰路站－林家莊站區間穿越地層主要以中風化石灰巖為主，如圖1所示。隧道上層覆土依次為雜填土、素填土、粉質黏土。隧道下主要為21-2中風化石灰巖（局部有溶洞），巖石飽和單軸抗壓強度最大129.6 MPa，部分地帶為21-2-1中風化石灰巖（破碎），區間局部地質屬上軟下硬復合地層。

圖1 鳳凰路站－林家莊站區間地質縱斷面

林家莊站－雪山路站區間隧道穿越地層主要以21-2中風化石灰巖為主，巖石飽和單軸抗壓強度最大122.8 MPa，如圖2所示。隧道上層覆土依次為雜填土、素填土、粉質黏土，隧道下主要為21-2中風化石灰巖（局部有溶洞），部分地帶為21-2-1中風化石灰巖（破碎）。

圖2 林家莊站－雪山路站區間地質縱斷面

3 選型原則與方法

根據區間工程水文地質勘查資料，地下水位均位于隧道底板以下，施工不考慮地下水影響。鳳凰路站－林家莊站區間斷裂帶長度約100 m，受季節性降水影響，在降水季節應予以考慮。

3.1 盾構機選型原則

在深入研究工程具體地質條件、水文條件、隧道施工條件、工程環境的基礎上，對盾構結構型式、刀盤驅動方式、主要技術參數等進行調查分析，并參考國內外已有的類似盾構工程經驗，遵循安全可靠、適用、經濟、技術先進、綠色的原則來選型［7］。

根據盾構機選型方法，滲透系數大于10－7m／s時，選用泥水平衡盾構；滲透系數小于10－4m／s時，選用土壓平衡盾構；當滲透系數介于10－7～10－4m／s時既可選擇泥水平衡盾構，也可選擇土壓平衡盾構。巖土中的粉粒與黏粒總量達40%以上時，宜選用土壓平衡盾構；反之宜選擇泥水平衡盾構。

根據工程水文地質資料，區間隧道地下水位均位于隧道底板以下，可選用土壓平衡盾構機。

3.2 TBM／土壓平衡雙模盾構機

在工程實踐中，為滿足長距離、復雜多變地層盾構安全掘進的需要，研發出雙模盾構機。雙模盾構機包括土壓／泥水雙模盾構、TBM／土壓平衡雙模盾構。基于本工程地質條件，也可以選用TBM／土壓平衡雙模盾構機，但雙模盾構機其制造、使用成本高于單一模式盾構機［8］，其使用范圍相對較小，導致雙模盾構機折舊成本較高，經濟性劣于土壓平衡盾構機。

3.3 土壓平衡盾構機與TBM／土壓平衡雙模盾構機比選

針對全斷面硬巖、復合地層區間，可選用土壓／TBM盾構，盾構機以土壓平衡盾構為母機，在復合地層采用土壓平衡模式掘進，在全斷面硬巖地層可以轉換成TBM模式（敞開式）掘進。土壓平衡盾構機與土壓／TBM雙模盾構機對比如表1所示。

表1 土壓平衡盾構機與土壓／TBM雙模盾構機對比

根據土壓／TBM雙模盾構機結構特點及選型原則，進一步分析土壓平衡平衡盾構機、土壓／TBM雙模盾構機的適應性。

鳳凰路站－林家莊站區間有510 m巖層硬度達80～100 MPa，中部有溶洞存在，溶洞實際大小未探明，地勘資料顯示溶洞為充填型，充填狀況不明。若選用土壓／TBM雙模盾構機，在溶洞處存在較大卡機風險，在斷裂帶區域存在較大的地面沉降控制風險；選用重型刀盤配置的土壓平衡盾構機［9］可滿足本區段安全掘進的需要。

若不考慮溶洞影響，采用重型刀盤配置土壓平衡盾構機，刀盤轉速0～3.2 rpm，土壓／TBM雙模盾構機刀盤轉速0～4.5 rpm，雙模盾構機增加了螺旋機的轉換功能，重型刀盤配置盾構機可滿足螺旋機轉換功能。在常規設計中雙模盾構機多用18″滾刀，重型刀盤配置盾構機多采用19″滾刀。19″滾刀的承載能力、抗沖擊性能、使用壽命均優于18″滾刀（18″滾刀與17″滾刀刀體、軸承等主要構件一致，僅將 17″刀圈換成 18″刀圈）。

在實際掘進中根據滾刀破巖機理及巖石特性，盾構（TBM）在高硬度巖層掘進采用較高的轉速，重型刀盤配置盾構機可達到2.5～3 rpm，土壓／TBM雙模盾構機在TBM模式下，刀盤轉速多為3 rpm左右，轉速過高會發生較大振動。

雙模盾構機設計不同于TBM，單一TBM設計有較高的轉速，TBM實際掘進中刀盤轉速為6～8 rpm。雙模盾構機采用盾構設計理念，為保證較大的刀盤扭矩并考慮經濟性，較難達到較高的刀盤轉速。雙模盾構機出渣模式不同于盾構，在一定程度上利于降低刀具磨損，其出渣效率優于盾構。土壓／TBM雙模盾構機采用TBM模式掘進時，螺旋機（皮帶機）位于土艙中心部位，土艙不具備保壓功能。

圖3為鳳凰路站－林家莊站區間地層分布，土壓平衡盾構機與TBM／土壓平衡雙模盾構機掘進工效對比如表2所示。根據區間地質縱斷面可知，該區間若選用TBM／土壓平衡雙模盾構機需進行3次模式轉換，根據類似工程經驗每次模式轉換（包括前期準備、設備調試等）需30 d，若進行一次模式轉換TBM／土壓平衡雙模盾構機優于土壓平衡盾構機，但其成本高于1 000萬元，其經濟效益劣于土壓平衡盾構機。

圖3 鳳凰路站－林家莊站區間地層分布

表2 土壓平衡盾構機與TBM／土壓平衡雙模盾構機掘進工效對比

綜上可知：本工程選用土壓平衡盾構機滿足盾構掘進施工安全及工期要求。

4 針對性設計

根據類似工程的成功經驗［10－11］，結合本工程實際情況，刀盤選用重型結構，配19″滾刀，圖4為重型刀盤結構圖片。主驅動功率8×160 kW，額定扭矩8 620 kN·m、脫困扭矩9 830 kN·m；刀盤轉速0～3.2 rpm（無級調速），根據地質條件選用球齒滾刀，如圖5所示，刀圈噴涂耐磨層既提高了刀具的抗沖擊性能，又提高了刀具的耐磨性。在全斷面硬巖區段，采用敞開式掘進模式及較高的刀盤轉速、較小的貫入度，可滿足硬巖掘進要求。

圖4 重型刀盤結構

圖5 球齒滾刀

根據滾刀的破巖機理，刀盤旋轉的同時推進油缸向前推進，滾刀在推力作用下轉動，巖層在滾刀的擠壓下剪切破碎。在推力一定的情況下，刀具作用在巖層的應力與刀刃寬度有關，刀具對巖石的作用力與刀盤轉速有關，刀盤轉速越高作用力越大，刀具作用在巖層上的應力越大，巖石越易于破裂。刀盤轉速增大，導致刀具受力增加，易造成刀圈崩裂。

根據類似地層的成功施工經驗及不同區段的巖石硬度，合理選用刀圈結構型式及熱處理工藝，提高滾刀與巖層硬度的適應性［12］。

5 結論

在高強度硬巖、溶洞與斷裂帶共存、上軟下硬交互的復雜地質條件下，盾構機選型應統籌考慮水文地質條件、工程環境、盾構始發場地，充分借鑒類似工程的成功經驗；保證安全可靠的前提下，考慮經濟性、技術先進性，兼顧綠色施工原則，做到地鐵施工與周邊人居環境的和諧共生。

在80 MPa以上的高強度硬巖地層，土壓平衡盾構機、土壓／TBM雙模盾構機均可滿足施工要求，但應考慮雙模盾構機模式轉換次數、轉換時間所占施工工期的比例；還應該考慮盾構機在所施工城市的后續應用前景，考慮施工區間工程量與設備投入的產出比。

在80 MPa以上的高強度硬巖地層選用土壓平衡盾構機，應對刀盤、刀具進行針對性設計，根據不同地層合理配置刀具，優化刀具結構參數，對提高刀具的破巖能力意義重大，是保證硬巖地層盾構長距離掘進的關鍵因素；同時保證刀盤驅動功率、額定（脫困）扭矩等主要參數與掘進地層的匹配性。