深圳穗莞深城際隧道復合地層超大直徑盾構機選型

張立業

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100000）

1 工程概況

1.1 線路情況

1#明挖段～皇崗口岸站區間長度3 511.280 m，區間線路縱斷面為雙V型坡，本區間最大線路縱坡27‰，最小縱坡為2‰，豎曲線最小半徑為15 000 m，隧道拱頂埋深為13.61 m～30.4 m。區間線路出1號明挖段后向東沿福榮路依次下穿福保隧道、地鐵3號線、廣深港客專深港隧道、保稅區3號橋、皇崗加油站、10號線益田停車入場線、加福廣場華爾登府邸、保稅區管理局、地鐵10號線及4號線換乘通道、地鐵4號線福田口岸站、裕亨花園、港城華庭、福田保稅區一號通道等風險源。

1.2 地質情況

隧道主要穿越淤泥質黏性土、全風化花崗巖、土塊狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖及微風化花崗巖層、砂質黏性土、卵石土、砂、細圓礫土、淤泥質黏土。其中硬巖（抗壓強度在58～115 MPa）占比33%，上軟下硬占比31%，軟土地層占比36%。

1.3 工程項目難點

結合工程的地質水文和下穿建構筑物的情況，總結項目難點如下：

（1）下穿重要建構筑多，風險源多，地表沉降控制要求高；（2）長距離穿越上軟下硬巖石地層，對刀盤破巖能力要求更高；刀盤和刀具磨損、滾刀異常損壞；大粒徑渣土堵管、堵泵、堵艙；（3）盾構穿越淤泥質黏土地層，刀盤易結泥餅；（4）局部存在破碎狀強風化花崗巖地層，渣土滯排風險。（5）高水壓頻繁換刀（最大水壓4.6 bar），帶壓換刀效率低、風險大；（6）長距離、大斷面，區間長度3 511 m， 開挖直徑達13.1 m。

2 盾構機選型

2.1 盾構機選型原則

盾構機選型是盾構法隧道施工的關鍵工作，直接關乎工程的成敗。盾構選型需要綜合考慮，主要是從安全適用性、先進性、經濟性等方面出發。盾構機對地層的所適應是不同的，盾構機選型原則的第一位是適應性，以確保盾構法施工的安全可靠；在安全可靠的情況下再考慮先進性和經濟性。

盾構機選擇的兩個主要因素地層滲透系數和顆粒級配。結合不同地層的施工經驗，當地層的透水系數小于10-7cm/s 時，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲水系數在 10-7cm/s 和 10-4cm/s 之間時，土壓平衡盾構和泥水式盾構均可；當地層的透水系數大于10-4cm/s 時，宜選用泥水盾構。對于顆粒級配，土壓平衡盾構機主要適用于黏稠土壤地層的施工，如粉土、粉質黏土、淤泥質粉土，粉砂層等。在黏性土層中掘進時，切削下來的土體進入土倉后經主、被動攪拌軸的攪拌，由螺旋輸送機排出，（螺旋機前閘門壓力為土倉壓力，螺旋機后閘門壓力為0，土壓梯降在螺旋機內完成）保持土倉壓力穩定，使開挖面土層處于穩定。結合施工經驗，細顆粒含量多，經過渣土改良后，渣土的流塑性、不透水性較好，更易充滿土倉的每個部位，達到土壓平衡，易于開挖面的土體。盾構機類型與顆粒級配的關系詳見下圖，圖中黏土、淤泥質土區，為土壓平衡盾構機適用的顆粒級配范圍；礫石粗砂區，為泥水盾構機適用的顆粒級配范圍。

圖1 顆粒級配圖

2.2 盾構機選型

根據本工程的地勘報告，結合深圳地區類似施工案例，采用復合式土壓平衡盾構機和泥水盾構機滿足要求。土壓平衡盾構機通過控制推進速度和螺旋機出土速度來控制土倉壓力。但大直徑土壓平衡盾構機難以有效地控制螺旋輸送機內的土壓力，同時考慮滾刀線速度的限制，大直徑比小直徑盾構機刀盤的轉速慢，所以大直徑土壓平衡盾構機的土倉壓力的控制精度相對較低，地表沉降會較高。而本區間風險源眾多，且工程地點處于繁華地段，同時泥水盾構的壓力機控制精度不受盾構機直徑大小的限制，不論直徑多大，泥水壓力的控制精度較高，地表沉降效果明顯好于土壓盾構機。同時土壓平衡盾構機在上軟下降地層種，極易能形成滲透性差的渣土，造成噴涌，使隧道內污染。而隧道污染之后，只能在大量的清理泥渣后拼裝，長時間的停機又使土倉積水增加，再次造成噴涌，如此惡性循環，難以保證施工進度。而泥水平衡盾構機采用管道出渣，能夠保證排渣的連續性，加快施工進度。綜合考慮本工程宜采用泥水平衡盾構機。

2.3 盾構刀盤選型

本工程硬巖和上軟下硬地層總共2 279 m，巖石強度較高，存在破碎地層，水壓較大。常規刀盤（常帶壓復合刀盤由于刀筒尺寸的限制），可以保證更小刀間距，在破巖效果上較好，但是由于帶壓換刀、控制沉降時，地層的穩定性的控制具有不確定性，所以常帶壓復合刀盤優勢明顯。根據項目概況和工程地質條件的分析和評價以及刀盤的對比分析，宜采用常帶壓復合刀盤，同時為了方便硬巖中刀具更換，配備伸縮主驅動。相對帶壓換刀，常壓換刀是盾體內通過液壓油缸將刀具抽出，閘閥關閉后檢查更換刀具，整個過程在常壓下進行，減少進倉人員風險，同時減少了進倉前建立泥膜，排倉等環節，大大加快了換刀速率，提高了功效。

3 結合工程重難點的盾構機針對性設計

結合本工程重點中開挖直徑大，下穿重要建筑物多，風險源多，地表沉降控制要求的問題，選用泥水平衡盾構機具有優勢。針對高水壓頻繁換刀，采用常帶壓復合刀盤可以大大提高效率。在選用常帶壓泥水平衡盾構機的前提下，著重展開以下幾點針對性設計：

3.1 刀盤結構設計

常帶壓復合刀盤結構設計采用6主梁加6輔助面板結構，主梁上安裝12把常壓可更換中心滾刀，48把常壓可更換正面滾刀，12把常壓可更換邊緣滾刀。復合式設計可以提供對掌子面的機械支撐，減少對地層的擾動，約25%的開口率保證了進渣順暢，同時可防止大粒徑孤石進入土艙。刀盤正面采用厚板并配以后部結構筋板的設計，保證了中心區域的結構剛度，刀盤前部與圓形支腿焊接成整體，主輻條采用厚鋼板，保證刀盤整體強度和剛度滿足長距離的掘進要求。刀盤結構如圖所示。

圖2 刀盤結構

3.2 刀具設計

（1）針對硬巖、上軟下硬地層施工。正面采用19寸雙聯滾刀（可裝配20寸，增大允許磨損量），可延長滾刀壽命，減少換刀頻率，采用加強型滾刀軸承設計，增大滾刀承載能力，增強抗沖擊性。同時，縮小滾刀刃間距，正面刀間距離由100 mm降低為90 mm，提高刀盤破巖能力。可更換刀具刀筒采用前置式滾刀刀筒設計，刀筒承載能力強、連接螺栓受力工況較好、可靠性高。

（2）針對長距離、硬巖及復合地層施工。刀盤正面和背面面板采用全覆蓋耐磨復合鋼板保護設計，提高大盤整體耐磨性能，外周邊緣采用3道鑲嵌合金耐磨環。刀盤正面和外周設置液壓式磨損監測、正面面板設置溫度監測，同時配置刀具全狀態檢測系統，實時監控測滾刀旋轉、磨損、溫度、載荷，并傳輸到主控室顯示，為刀具更換提供數據支持。

3.3 泥水循環管路設計

結合本工程地質情況，泥水循環系統需重點考慮：淤泥質黏土地層刀盤結泥餅，破碎狀強風化花崗巖地層滯排問題，距離長掘進管路耐磨性等問題。

（1）刀盤沖洗設計。盾構機在通過黏土地層時，黏土顆粒在高溫高壓環境下極易附著在到盤上，越積越厚，在高溫擠壓下硬化板結附著在刀盤面板上，而刀盤中心線速度慢，所以最早也最容易形成中心泥餅。因此盾構機在中心區域配置大流量沖洗泵，布置6組共12路沖刷回路，每個沖刷口孔徑為DN25 mm，沖刷流速快、流量大，實現高壓、分時、分區沖刷。同時在可更換的滾刀刀筒處增加了清水沖洗裝置，保證滾刀轉動，防止偏磨。

（2）渣土防滯排設計。針對破碎狀強風化花崗巖地層，在設計上了配置顎式破碎機和采石箱，降低大粒徑渣土堵管、堵泵、堵艙風險。外置式泥漿門設計，緊急情況下可實現常壓進入氣墊倉底部進行維修作業。盾構機采用1 100 kW額定進漿流量2 600 m3/h的進漿泵和額定排漿流量3 000 m3/h的排漿泵以滿足施工。同時，設計采用掘進模式、開挖艙直排模式、逆洗模式、旁通模式、停機保壓模式等多種模式，滿足正常掘進和對堵倉、堵管問題進行疏通。盾構機內管道采用雙金屬復合管，同時管路內堆焊耐磨的方式，來緩解長距離管路的磨損問題。為解決土倉出土口前面滯渣問題，底部配置7路增壓沖刷管道，其中V03、V04 兩路從進漿取漿，V05、V06、V07、V41、V42 五路從P0.2泵取漿；V03和V04分別對準碎石機兩側區域進行實時沖洗，V05對準格柵區域進行實時沖洗；V06和V07對準碎石機與泥漿門之間進行增壓沖洗，V41和V42對準泥漿門底部區域進行增壓沖洗。

（3）地表沉降控制設計。①針對本工程，盾尾注漿采用雙液漿設計，同時配置濃泥漿柱塞泵，可在破碎巖層施工時向盾殼外部注入砂漿等材料填充空洞，有利于控制主機姿態，保證施工的正常進行。②盾體外周預留徑向注入孔，利用徑向濃泥注入系統將高濃度膨潤土注入孔注入地層，并及時對注入參數進行修正，抑制地表沉降。

圖3 前盾徑向盾殼膨潤土口分布

圖4 中盾徑向盾殼膨潤土口分布

③盾體外周及正面共預留30路超前鉆孔，應對施工過程中超前鉆探和超前加固施工需求。

4 結論

（1）本工程下穿地層復雜，且下穿多條隧道地鐵、隧道，地表建構筑物復雜，地表沉降要求高，如盾構機選型不當，存在下穿地鐵線路沉降過大，地表坍塌等安全風險，采用泥水平衡盾構機更為穩妥。

（2）本工程地層中硬巖、上軟下硬地層占比較大，施工過程中刀具磨損情況較為嚴重，換刀頻繁，且水壓較高，采用常帶壓復合刀盤，能夠有效提高施工效率。

（3）結合本工程盾構機選型和針對性設計，為深圳地區長距離硬巖、上軟下硬、高承壓水復雜地層的大直徑盾構機選型提供了參考。