灰巖與粉砂巖復合地層雙模盾構選型技術研究

江益輝，楊延棟，孫 彰，王承山，蔣偉強

（1.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.深圳鐵路投資建設集團有限公司，廣東 深圳 518000；4.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

城市地面可利用空間嚴重不足，修建地下隧道已成為發展城市交通的重要舉措。然而，我國華南地區地質構造復雜，用于隧道修建的盾構需要穿越的地層復雜多變，傳統單一模式的盾構裝備難以適應復雜地層隧道施工需求，尤其是灰巖巖溶地層易導致土壓盾構噴涌失壓、泥水盾構渣土滯排，強風化粉砂巖地層易導致盾構刀盤結泥餅。灰巖巖溶與粉砂巖復合地層對盾構的地質適應性提出了新的挑戰，有必要開發該復合地層雙模盾構的選型配置技術，為隧道順利穿越復雜地質條件提供解決方案。

國內眾多專家學者對復合地層盾構施工進行了分析研究，無論采用單一模式的土壓平衡盾構還是泥水平衡盾構，均難以應用灰巖巖溶與粉砂巖復合地層噴涌失壓、渣土滯排、刀盤結泥餅等工程難題，針對深大城際2標白大工作井—大運站區間線隧道工程，開展土壓/泥水雙模盾構選型與配置技術研究，對于解決上述工程難題具有重要意義。

1 工程概況

粵港澳大灣區深圳都市圈寶安機場至大亞灣城際鐵路一期工程止于深圳聚龍站，線路全長約68.8km。深大城際2 標線路全長約37.4km，該區間涉及五和站、白坭坑站、大運站、坪山站（劃大鵬支線建設）、聚龍站5 座車站，5 座車站和6個工作井將深大城際2 標劃分為10 個盾構隧道區間，盾構開挖直徑?9130mm，隧道成型直徑?8 000mm。

如圖1 所示，深大城際2 標白大工作井-大運站區間線路全長約5.2km，2 臺盾構先后從大運站始發，先穿越1.1km 的微風化灰巖，然后穿越長度2.1km 的強風化粉砂巖（占比27%）、微風化灰巖（占比16%）、中風化粉砂巖（占比31%)、微風化粉砂巖（占比26%）的復合地層，最后在白大工作井接收。微風化灰巖巖石單軸抗壓強度21～57MPa、平均值為39MPa，實測巖體完整性指數平均值為0.59、巖體較完整，但存在大量巖溶；微風化粉砂巖巖石單軸抗壓強度32～94MPa、平均值為57MPa，實測巖體完整性指數平均值為0.56、巖體較完整；中風化粉砂巖巖石單軸抗壓強度18～58MPa、平均值為36MPa，實測巖體完整性指數平均值為0.50、巖體較破碎，存在碎裂巖。微風化灰巖巖溶地層實測滲透系數1.005m/d，中風化粉砂巖碎裂巖地層滲透系數1.785m/d，這兩種地層透水性均較強。

圖1 白大工作井-大運站區間地質縱斷面圖

另外，盾構還需要下穿鐵路、高速公路、地鐵管廊、地下管線、人行天橋、廠房等建（構）筑物多次，在巖石地層地表沉降風險小，但在土狀強風化粉砂巖（土質地層）地表沉降風險極大。

2 雙模盾構選型

2.1 盾構選型要求

白大工作井-大運站區間盾構穿越的地層可以歸納為3 類：土狀強風化粉砂巖地層、中微風化粉砂巖地層、富水巖溶和碎裂巖地層。盾構在土狀強風化粉砂巖地層掘進，泥水平衡模式有利于控制地表沉降，土壓模式存在噴涌失壓風險，TBM 模式無法控制地表沉降；盾構在中微風化粉砂巖地層掘進，TBM 模式掘進效率更高，土壓模式下不帶壓掘進也滿足掘進需求；盾構在富水巖溶和碎裂巖地層掘進，土壓模式存在噴涌失壓問題，泥水模式存在渣土滯排問題，TBM 模式更不能滿足掘進需要。

2.2 盾構機型選擇

為了滿足上述幾種地層下盾構掘進需要，選擇了土壓/泥水雙模盾構；為了既滿足土狀強風化粉砂巖地層地表沉降控制需求、又滿足富水巖溶和碎裂巖地層不噴涌、不滯排的需求，采用了串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構，該土壓/泥水雙模盾構壓力倉隔板上并聯布置了螺旋機和排漿管，螺旋機尾部也布置了與之串聯的排漿管，可代替螺旋機尾部的皮帶機出渣。該土壓/泥水雙模盾構包括3 種出渣模式：壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式、壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式、壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式。

2.3 串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構適應性分析

盾構在土狀強風化粉砂巖地層掘進時，地層穩定性較差，控制地表沉降是該地層盾構施工控制的重點；該地層下渣土粒徑小、泥水管路渣土滯排風險小，優先采用壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好地控制地表沉降。盾構在中微風化粉砂巖地層掘進，地層穩定性較好，提高出渣效率是該地層盾構施工的重點；該地層下渣土粒徑大、泥水管路因滯排出渣效率低，優先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構掘進效率。盾構在富水巖溶和碎裂巖地層掘進，既要避免土壓平衡模式噴涌失壓問題，又要防止直排泥水平衡模式渣土滯排問題，因此優先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式；該模式既能避免壓力倉處渣土的滯排，又能防止螺旋機噴涌失壓。

綜上所述，串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構能夠滿足白大工作井-大運站區間灰巖巖溶和粉質砂巖復合的復雜地層施工。

3 土壓/泥水雙模盾構設備配置

串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構主機設備主要由刀盤、前盾、中盾、盾尾、主驅動、推進油缸、鉸接油缸、管片拼裝機、進漿管、螺旋機、排漿管（包括壓力倉處排漿管、螺旋機尾部排漿管）、稀釋箱等組成，如圖2 所示。該土壓/泥水雙模盾構與土壓或泥水單模盾構最大的區別是出渣系統。

圖2 雙通道土壓/泥水雙模盾構主機配置示意圖

3.1 雙通道出渣系統配置

壓力倉隔板底部螺旋機與排漿管并聯布置，兩根排漿管對稱布置于螺旋機出渣口兩側，如圖3 所示。螺旋機在壓力倉內設置1 道閘門，尾端設置2 道閘門，均能夠緊急關閉；螺旋機軸采用可伸縮設計，模式轉換時螺旋機軸前端可縮回至壓力倉隔板后方，前端閘門關閉螺旋機進渣口。

圖3 螺旋機與排漿管并聯布置示意圖

泥水平衡模式下壓力倉由泥水倉和氣墊倉構成，二者通過聯通管連接，可通過氣墊倉內加入壓縮空氣或泥漿來控制泥水倉壓力，也可通過泥水倉內注入泥漿直接控制泥水倉壓力；排漿管直接伸入泥水倉，縮短了排渣距離，排渣更高效、不易滯排，如圖4所示。

圖4 壓力倉氣墊式直排結構示意圖

盾構采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式出渣時，螺旋機與排漿管之間配置稀釋箱，稀釋箱中部布置顎式破碎機，如圖5所示；相對常規泥水盾構壓力倉內布置破碎機的方式，該土壓/泥水雙模盾構采用了破碎機外置的設計，后期維護更方便。

圖5 稀釋箱內破碎機布置示意圖

盾構采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式時，皮帶機采用10°小角設計，并在斜坡段兩側設計擋板及橡膠護板，解決稀渣在斜坡段的飛濺問題；皮帶機采用變頻電機驅動利于帶載啟動，配置渣土計量裝置便于及時掌握出渣量。

3.2 刀盤刀具系統配置

刀盤刀具系統配置既要滿足盾構在巖石地層掘進有效破巖的需求，又要盡可能防止強風化粉砂巖地層刀盤刀具結泥餅。土壓/泥水雙模盾構采用八主梁+八副梁+外圈梁的結構形式，刀盤正面焊接耐磨鋼板、刀盤外圈梁焊接耐磨合金塊用于保護刀盤本體。刀具布置采用滾刀（可替換撕裂刀）、切刀分離的布局形式，便于渣土的流動，降低結泥餅的風險。刀盤結構如圖6所示。

圖6 刀盤結構示意圖

1）刀具布置 刀盤開挖直徑?9 130mm，配置了4把19寸的雙聯滾刀、54把19寸的單刃滾刀，中心滾刀刀間距100mm、正滾刀刀間距以75mm為主，保證巖石地層強勁的破巖能力；弧形區域邊滾刀刀間距依次減小，最外2把滾刀同軌跡，兩把保徑刀在該掘進區間R400m小曲線半徑轉彎時能保證開挖半徑；配置1把超合金式超挖刀，獨立泵站控制，最大超挖量20mm，在小曲線轉彎必要時進行超挖。刀盤配置了104把寬刃切刀、16把邊刮刀，切刀采用寬刃加強設計增強了刮削效果，大切刀刀間距利于渣土流動。

2）防結泥餅設計 刀盤整體開口率32%、中心開口率34%，刀盤中心大開口、環筋采用弧形設計，利于渣土順利流入土倉；刀盤背部配置6根主動攪拌棒，主驅動隔板和盾體隔板配置3根被動攪拌棒，交錯布置提高渣土流動性。刀盤正面布置了10個泡沫口和2個膨潤土口，均為單管單泵型式，通過渣土改良改善流動性；中心隔板位置和排漿孔位置各配置了2路高壓水沖刷，通過對刀盤中心和壓力倉底部的渣土沖刷來防止刀盤背面結泥餅。

3.3 泥水環流系統特殊配置

泵的出口及重要90°彎頭處采用高鉻合金鋼整體鑄造而成，具有高合金鋼的高抗磨性、較高機械強度和較高的抗沖擊性能。泵的短接采用進口的天然橡膠進行內襯，用于泵的進出口連接，具有良好的耐磨性能和抗沖擊性能。對于常規彎頭采用覆板設計，增加了彎頭處強度，提高了泥漿管的使用壽命，并且配置了磨損檢測裝置；膨脹節承擔著泵進出口管路連接的減震作用，膨脹節采用獨有的內襯耐磨管，提高了使用壽命，同時外層增加保護套，防止膨脹節破損時泥漿泄漏。

為滿足正常掘進時泥漿管不斷向前延伸，配置了一套臥式軟管式管路延伸裝置，通過延伸裝置周期性對進漿和排漿管路進行加長。為了解決以往管路延伸時泥漿外流污染隧道作業環境的問題，配置了一套泥漿收集系統如圖7所示，在拆解管路前將進漿管和排漿管內的泥漿排送至氣墊倉和臨時收漿罐，實現零排放、零污染。

圖7 泥漿收集系統示意圖

4 結論與討論

針對深大城際鐵路2標白大工作井-大運站區間灰巖巖溶與粉砂巖復合的復雜地層隧道工程，研發了串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構設備選型配置技術，為盾構順利穿越該復雜地層提供了解決方案。

通過對深大城際鐵路2標白大工作井-大運站區間灰巖巖溶與粉砂巖復合的復雜地層盾構施工的功能需求分析，選擇了串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構機型。土狀強風化粉砂巖地層優先采用壓力倉處排漿管直接出渣的泥水平衡模式，可更好控制地表沉降；中微風化粉砂巖地層優先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部皮帶出渣的土壓平衡模式，可有效提高盾構掘進效率；富水巖溶和碎裂巖地層優先采用壓力倉處螺旋機+螺旋機尾部排漿管出渣的泥水平衡模式，既能避免壓力倉處渣土的滯排，又能防止螺旋機噴涌失壓。

通過對土壓/泥水雙模盾構的結構設計，配置了螺旋機與排漿管串并聯的雙通道出渣、高效破巖與防結泥餅的刀盤刀具、高抗磨與零排放的泥水環流等關鍵系統。壓力倉隔板底部螺旋機與排漿管并聯布置，螺旋機尾部排漿管通過稀釋箱與螺旋機串聯布置，可實現土壓平衡、排漿管直排泥水平衡、螺旋機與排漿管接力的泥水平衡3種出渣模式；刀盤刀具系統通過合理配置大直徑、小刀間距的滾刀和寬刃、大刀間距的切刀，可實現刀盤刀具高效破巖；通過刀盤中心沖刷、渣土攪拌改良，可防止刀盤結泥餅；泥水環流系統通過彎頭覆板、耐磨監測等提高抗磨性，通過配置泥漿收集系統，可實現泥漿管路延伸零排放、零污染。

串并聯雙通道土壓/泥水雙模盾構設備的選型配置為盾構順利穿越灰巖巖溶與粉砂巖復合地層提供了設備保障，實施效果待現場施工進一步驗證。