復合地層越江大直徑地鐵隧道盾構地層適應性風險及選型分析*

程國良，李彥錦，楊 俊，陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學國家數字建造技術創新中心，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

現代都市人口集中、建筑密集、地上地下交通結構復雜[1]，對城市地下軌道交通建設工程的速度、噪聲、擾動等都提出了較高的要求。盾構法是一種全機械化的暗挖施工方法，具有速度快、噪聲小、擾動小、勞動強度低、安全可靠等優點[2]，因此被廣泛運用于我國的地下鐵路建設中。

與傳統的施工方法相比，盾構法相對安全、快捷。但盾構機的掘進效率很大程度上要受地層、水文等工作環境的影響。此外盾構機的選型也受到工程設計參數，如隧道最小轉彎半徑、隧道最大爬坡坡度等的約束[3]。在盾構作業過程中，除刀盤上的部分刀具可以進行停工更換以外，其構型等方面都難以改變[4]。因此盾構機選型必須考慮工程地質條件與盾構機之間的適應性問題。盾構機的選型和工程地質條件之間的低適應性會嚴重影響盾構機在施工中的性能發揮，增加事故發生的概率，帶來一系列成本增加、項目延期及人員安全等方面的風險[5]。Dammyr等[6]在研究中指出挪威海底隧道掘進過程中盾構機與當地的薄弱基巖環境存在適應性風險；在Bilgin[7]的記錄中，土耳其10條不同隧道均因為所選盾構不能完全適應當地的復雜地層條件而產生磨刀盤、結泥餅等問題，嚴重者甚至導致管片全部失效，隧道廢棄。郭松濤等[8]在研究中也指出有必要對盾構機械設備進行合理選型，提升盾構對地層的適應性，從而降低施工風險。由此可見，盾構機選型及其地層適應性分析是盾構機選型工作中非常重要的一環。

鑒于以上原因，本文以武漢地鐵12號線項目中的丹科區間越江隧道為依托，分析大直徑盾構在復合地層中穿越江底時可能面臨的風險。在此基礎上探討該區間盾構選型為了適應該區間地層環境而做出的關鍵性設計，以為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

武漢市軌道交通12號線是武漢地鐵第四期建設規劃中最長的線路，也是首條獨立環線，是亞洲最長的城市地下軌道交通環線。線路全長約60km，其中涉及盾構區間38個，區間地質條件復雜，2次穿湖(墨水湖、沙湖),3次過江(2次長江、1次漢江)，對盾構機的地層適應性提出了較高要求。

1.1 丹科區間概況

武漢地鐵12號線科普公園站—丹水池站區間越江隧道位于二七長江大橋下游，單洞雙線，自青山區科普公園站起依次下穿園林路、武九綜合管廊、武昌江堤、長江航道、漢口江堤、京廣鐵路貨場支線、京廣鐵路、合武高架橋、丹南社區，到達丹水池站，如圖1所示。

圖1 越江隧道工程地理位置Fig.1 Geographical location of cross-river tunnel project

該隧道全長4 011m，是國內最長的穿越長江地鐵隧道。其中穿越江面寬度約2 160m，盾構機開挖直徑12.55m，最大埋深45.5m，詳細設計參數如表1所示。該區間地質條件復雜，水壓大，長距離穿越長江，埋深大，具有長、難、深、險等特點，極具挑戰。

表1 隧道參數匯總Table 1 Summary of tunnel parameters

1.2 工程地質與水文地質條件

丹科區間隧道工程穿越地層復雜多變，具有多種地質形態，且分布不均。在勘探深度內包含覆蓋層和基巖兩大類。就覆蓋層而言，主要成分是富含承壓水的粉細砂及中粗砂，其承載力較高，壓縮性低，透水性中等或強，易發生涌砂破壞，工程性能較差；就基巖而言，主要成分是不同風化程度的泥巖，其構造裂隙極為發育，裂面以高角度為主，巖芯以碎塊狀為主，最大單軸抗壓強度達到50MPa。

該隧道開挖延伸方向上的土體性質相差懸殊。隧道開挖先后經過的地層主要包括④21粉細砂、④22粉細砂、④2a粉質黏土、e-1擠壓破碎嚴重的粉砂質泥巖、e-2擠壓破碎較嚴重粉砂質泥巖、e-3擠壓破碎的粉砂質泥巖以及e-5泥質粉砂巖，7種地層在掘進范圍內所占比例如圖2所示。

圖2 盾構隧道穿越地層比例示意Fig.2 The proportion of shield tunnel crossing stratum

復合地層的土體性質差異除了體現在隧道開挖延伸方向之外，也體現在開挖斷面范圍內。隧道會在江中段約2 701m處遇到基巖，隨著隧道掘進，開挖面將依次經歷粉細砂-擠壓破碎嚴重粉砂質泥巖復合斷面層、擠壓破碎粉砂質泥巖-泥質粉砂巖復合斷面層、粉細砂-擠壓破碎嚴重粉砂質泥巖復合斷面層3處上軟下硬的復合斷面。整體區間的復合地層縱剖面如圖3所示。

圖3 盾構區間縱剖面復合地層示意Fig.3 Composite strata in longitudinal section of shield tunnel

本區間位于長江一級階地，其地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水[9]。上層滯水主要賦存于填土層及表層黏性土的植物根管發育帶中，其含水量與透水性差異較大。勘察期間，初見水位埋深多在1.0～3.0m，該層孔隙水對擬建工程施工影響較小。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于第四系砂礫層中，為本場區主要含水層，大多具承壓性，長江水域該類含水層接受豎向補給，兩岸側主要接受側向補給，并進行側向排泄；基巖裂隙水水量受節理裂隙發育程度控制，在擠壓破碎嚴重的粉砂質泥巖中量較小，在擠壓破碎較嚴重的粉砂質泥巖及擠壓破碎粉砂質泥巖中水量較大，具微承壓性。

2 地層適應性風險識別

盾構與工程環境的適應性指盾構機系統各組成部分適應工程環境各方面的能力[10]。盾構機選型必須針對不同的工程地質和水文特點進行設計。想要針對性地提高盾構選型的適應性，就必須分析待建工程的地質和水文特征，提取施工重難點，識別其中可能存在的適應性風險。

總體而言，丹科區間隧道長度較長，面對的地層環境復雜，水土壓力大，對盾構機本身及其附屬設施的要求較高。其地層適應性風險識別結果如表2所示。

表2 適應性風險清單Table 2 Adaptation risk checklist

2.1 開挖面失穩風險

就盾構選型而言，討論隧道開挖面的穩定性需要分析地質水文條件和隧道設計兩個方面的因素。

考慮工程地質和水文特征等自然條件，丹科區間的砂類土層水頭高、透水性大、流塑性差且易擾動，不利于維持盾構開挖面穩定。同時區間巖層部分節理較為發育，這一點也會在開挖時成為降低盾構開挖面穩定性的不利因素。

從設計角度來看，區間江中段埋深大，水土壓力大，最大水土壓力高達0.8MPa，巨大的壓力為盾構開挖面的穩定性帶來了挑戰。同時區間本身盾構開挖直徑超過了12m，開挖作業面積大，相應的對開挖面穩定性要求會更高。

丹科區間設計為一條大直徑、大埋深、長距離掘進的隧道，本身有較高的開挖面穩定性風險。加之砂類土和基巖環境中的種種不利因素，最終使得該區間在盾構的開挖面穩定性方面呈現較顯著的風險狀態。

2.2 刀盤刀具磨損風險

盾構機主要通過刀盤刀具切削土體來實現掘進，復雜的地層環境對刀盤刀具的影響巨大。

齒刀在砂類土層中可以有效切削土體，但其在巖層中的破巖能力十分一般；滾刀刀刃鋒利，有較好的破巖效果，但在砂類土層中往往因入巖深度過大在刀刃處產生較大的摩擦力，導致刀刃產生較大磨損，情況嚴重時甚至會對滾刀正常轉動產生阻礙，從而導致滾刀偏磨，如圖4所示。丹科區間復合地層中的土體性質差異較大，開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上均存在軟硬不同的土體，這對刀盤刀具在不同土體中的適應能力構成了不小的挑戰。

圖4 在粉細砂中轉動受阻導致嚴重偏磨的滾刀Fig.4 Partially worn hob due to restricted rotation in fine sand

其次，過江隧道洞身大范圍穿過擠壓破碎嚴重的粉砂質泥巖、擠壓破碎較嚴重粉砂質泥巖，局部穿過擠壓破碎粉砂質泥巖，巖體強度平均在40MPa左右，破碎顆粒粒徑5～20cm，在泥質粉砂巖中單軸抗壓強度則高達60MPa。在這種環境下進行掘進，刀具壽命面臨極大的挑戰。

此外，考慮到本區間盾構隧道距離長、直徑大，刀具的行駛里程和磨損量會比普通盾構更大，這更增加了刀盤刀具磨損風險，增加了掘進過程中換刀和刀盤修復的風險。

2.3 密封失效風險

盾構的密封系統是將盾構系統內部與外界環境隔離的系統。良好的密封系統可以防止地下水涌入盾構內部、防止同步注漿和二次注漿漏漿，也可以減小施工過程中的水土流失進而控制地表沉降[11]。

丹科區間盾構隧道的始發段和接收段都位于長江一級階地，主要是富含地下水的粉細砂層和粗砂層。區間中部江底段共2 160m，江中最大水深32.94m，最大水壓可達0.72MPa。本區間使用的是泥水平衡盾構，這種高水壓環境對其主軸承及盾尾的密封性能有較高要求。若盾構選型和設計時考慮不當，很容易導致密封系統失效或損壞，嚴重影響施工進度和安全。

3 盾構選型結果分析

丹科區間的盾構機選型地層適應性分析主要依據本區間的設計方案參數和地質水文條件參數，參考國內外已有類似地層的經驗，針對盾構機維持開挖面穩定性的能力、刀盤刀具地層適應性能力以及高水壓環境下的密封適應能力進行分析和驗證。盾構機目前選型方案各參數與本標段所需條件對比如表3所示。

表3 盾構機參數與本標段需求對比Table 3 Comparison between shield machine parameters and project requirements

3.1 刀盤系統選型結果分析

本工程在開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上土體性質差異較大，盾構刀盤在設計時為了適應這種復合地層做出了一系列針對性調整。

考慮到本工程的實際情況，為了兼顧渣土通過的流暢性與刀盤對掌子面的機械支撐，刀盤的開口率確定為28%，且刀盤開口部位設為便于流動的楔形結構，開口逐漸變大有利于渣土流動。刀盤結構形式如圖5所示。

圖5 刀盤結構Fig.5 Structure of cutter head

為適應本區間對盾構破巖能力的要求，本機刀盤采用全斷面滾刀的常壓換刀刀盤。考慮到滾刀在砂類土層中可能出現的不適應情況，本盾構機配備的32把單軸雙刃滾刀均支持滾刀齒刀互換，如圖6所示。

圖6 滾刀齒刀互換Fig.6 The structure which facilitates the interchange of hobs and scrapers

此外，為了加強對刀盤刀具的狀態檢測，本機還配備了DCRM滾刀旋轉監測系統和刮刀磨損監測系統。傳感器通過保持架焊接在刀盤上，可從刀盤內部常壓更換，如圖7所示。本區間盾構機刀盤選型詳細結果如表4所示。

表4 盾構刀盤系統選型結果Table 4 Selection results of shield cutter head system

圖7 刀盤監測傳感器Fig.7 Monitoring sensors on the cutter head

3.2 推進驅動系統選型結果分析

對于盾構機選型工作而言，若要判斷其是否適應待建區間的地層條件，就必須計算最大埋深處水土壓力、區間所需的推力和扭矩等關鍵參數。目前盾構選型的推進和驅動系統結果如表5和圖8所示。

表5 推進與驅動系統選型結果Table 5 Propulsion and drive system selection results

圖8 盾構主機結構示意Fig.8 The structure of shield host

1)最深處土壓力計算

盾構隧道最深處覆土為37.67m，長江水位保證水位在22.5m左右，則最深處水土壓力計算由水土分算再求和獲得。理論計算最大水土壓力的公式如下：

P0=P1+P2+P3

(1)

P1=γwh

(2)

P2=K0[(γ-γw)h+γ(H-h)]

(3)

式中：P0為最大地下水壓力；P1為地下水壓力；P2為靜止土壓力；P3為變動土壓力；γw為水的容重；K0為靜止土壓力系數；h為地下水位以下最大埋深；γ為土的容重；H為隧道埋深。

結合本區間的地質情況，取P3=20kPa，最終計算得到總的水土壓力為0.727MPa，小于主驅動密封壓力(0.8MPa)，如圖9所示，盾構選型滿足施工需求。

圖9 盾構開挖面穩定示意Fig.9 The stability of shield excavation face

2)盾構推力計算

本工程最深處位于江面下約60.17m，江中覆土37.67m，盾構的外部荷載按最大埋深處的松動土壓力和2倍盾構直徑的全土柱高產生的土壓計算，取兩者之間較大者作為盾構計算的外部荷載。計算時取最大埋深位置，選取地質參數為最大埋深處全斷面巖層，如表6所示。

表6 盾構機最不利斷面地層參數Table 6 Stratigraphic parameters of the most unfavorable section of the shield

盾構總推力需要包括盾殼和土體的摩擦力、土壓的正面阻力、水壓的正面阻力、盾尾密封與管片之間的摩擦力以及拖拉后配套所需的拉力。考慮盾構施工中的上坡、曲線施工以及糾偏的需求，推進系統的推力儲備系數取1.5。盾構機總推力的計算過程如表7所示。盾構選型滿足區間推力需求。

表7 盾構機推力計算相關數據Table 7 Shield machine thrust calculation related data

3)盾構扭矩計算

本盾構機的驅動采用可軸向伸縮移動的結構形式，包括主軸承、變頻電機、伸縮油缸、減速箱和安裝在配套拖車上的控制柜。

盾構機在推進時的扭矩包含切削扭矩、刀盤旋轉阻力矩、盾構推力反力矩、密封裝置摩擦力矩、刀盤前端摩擦力矩、刀盤后方摩擦力矩、刀盤開口剪切力矩、泥水倉攪動力矩。刀盤需要的最大扭矩計算公式如下，各變量含義和數值如表8所示。

T=μ·(T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7+T8)

(4)

考慮到本工程為大直徑盾構且有破巖需求，扭矩儲備系數取μ=1.4，計算過程各參數如表8所示。最終計算結果盾構機最大扭矩滿足地層環境需求，盾構機選型適應本區間地層環境。

表8 盾構機扭矩計算相關數據Table 8 Shield machine torque calculation related data

3.3 密封系統選型結果分析

本機的主驅動有內、外2套密封系統，分別如圖10和圖11所示。外密封采用4道唇形密封+1道迷宮密封的形式，迷宮密封內注有HBW油脂以防止砂土進入主驅動軸承。該密封系統具有自動潤滑、自動密封、自動檢測的功能。內密封采用了優化的設計方案，并未像傳統設計一樣在開挖倉內直接面對土壓力，而是縮回了盾構機內部，與刀盤中心空腔相接觸，大大提高了密封的安全性，因此內密封采用了3道唇形密封，密封間同樣注入油脂，增強密封耐壓性的同時也可以減小構件的磨損。

圖10 主軸承4道外密封Fig.10 Four outer seals of main bearing

圖11 主軸承3道內密封Fig.11 Three inner seals of main bearing

為了提高盾尾的止水性，本盾構盾尾采用了4道鋼絲刷密封+1道鋼板束+1道止漿板的形式，其中2道鋼絲刷是焊接固定，另外2道使用螺栓固定。每個油脂腔內都有15條油脂注入管。配備的止漿板可以在盾尾注漿壓力過大時阻擋砂漿進入。本盾構在盾尾還設計有1道膨脹應急密封，如圖12所示。

圖12 盾尾密封Fig.12 Shield tail sealing system

當鋼絲刷密封失效時，該應急密封充氣膨脹，起到臨時防止涌水的作用，為更換前2道鋼絲刷密封提供了安全的作業環境。

本盾構的密封選型詳細結果如表9所示。

表9 盾構密封選型結果Table 9 Shield tunnel sealing system selection results

4 結語

本文結合武漢軌道交通12號線5標丹科區間越江隧道工程,針對高水位、大埋深、復合地層、大直徑等工程特點,識別了該工況下顯著存在的適應性風險，并針對適應性風險進行了盾構選型結果的分析，研究結果如下。

1)在高水位復合地層中進行大直徑長距離盾構掘進時，區間土體性質差異性大，土層中含水量高，水土壓力大，會導致盾構的開挖面穩定性、刀盤刀具系統和密封系統性能都受到很大的挑戰。大直徑長距離掘進則加劇了這種風險。因此在此類工程的盾構選型工作中需要格外注意以上幾點。

2)本工程越江隧道泥水盾構設備針對砂類土層和基巖層進行了刀盤刀具適應性改進；配備了充足的推力和扭矩，滿足本區間盾構的施工控制需求；針對高水壓環境強化了盾構的密封系統，有效保障了掘進過程中的安全。

本文研究內容可為其他類似大直徑盾構在復合地層和富水環境中掘進時選型研究提供參考和借鑒。