軌道交通越江隧道盾構選型及設計優化研究

閆寒冰

（中鐵十四局集團有限公司，濟南 250014）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通建設進入了快速發展的階段，盾構施工技術也得到了廣泛的應用[1]。城市軌道交通地下隧道工程施工中，盾構機的選型成為盾構施工的關鍵。本文結合軌道交通資陽線寶臺大道站—萇弘廣場站盾構區間，在綜合分析各項影響因素的基礎上，對盾構選型及優化設計進行探討分析，以期為今后其他類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程簡介

軌道交通資陽線寶臺大道站—萇弘廣場站盾構區間自寶臺大道站始發后，以550 m 曲線半徑進入寶臺大道后，下穿富力花園小區及沱江，又以720 m 的曲線半徑拐入濱江大道后到達萇弘廣場站。區間管片外徑7 900 mm，管片厚度400 mm，環寬1 500 mm；區間長2 450 m，最小埋深約11.6 m，最大埋深約55 m，最小曲線半徑550 m，最大平面曲線半徑720 m，最大縱向坡度28‰；區間風險源主要為下穿沱江、富力花園，側穿沱江一橋。線路平面如圖1 所示。

圖1 區間線路平面示意圖

2.2 工程地質條件

區間盾構穿越地層主要為中風化泥巖、砂巖地層，局部穿越強風化泥巖、砂巖地層，在萇弘廣場站接收端主要穿越卵石層及粉質黏土層。

2.3 水文地質條件

區間主要穿越沱江，隸屬長江上游左岸一級支流，主流水面寬300 m，常年河床水位347.50 m。勘察期間在鉆孔中測得場地地下水位埋深為5.4～9.4 m。

區間共勘測到3 層含水層，包含賦存于填土層的上層滯水，第四系孔隙水，基巖裂隙水。

3 下穿沱江段多波束水下地形測量及高密度電法勘察

區間最大風險源為下穿沱江，為確保施工安全，充分了解沱江地質情況，施工人員對下穿沱江段開展多波束水下測量及高密度電法勘察[2]，查明該段河道中基巖頂界面的起伏結構特征，為后期盾構選型與施工提供判斷依據。

根據沱江隧道在河道以下空間的線路設計，在隧道施工區及其鄰區共計布設了3 條跨江水上高密度電法勘探剖面，如圖2 所示。3 條剖面呈平行分布，相互間距為30 m，道間距為4.5 m，長度均為409.5 m，共計布設電極數量276 極，最大勘探深度＞40 m。

圖2 沱江段多波束水下地形測量（單位：m）

3.1 多波束水下地形測量

采用水下多波束聲吶技術對下穿沱江段河道的河水覆蓋區進行探測，獲得水下河床表面的三維數字化地形圖[3]，如圖2 所示。

由圖可見清晰沖刷階地狀河床，推測河道中心處河床基本無卵礫石等覆蓋物，應是基巖裸露。

3.2 現場測試及數據處理分析

綜合水上高密度電法勘探成果和前期的巖土工程勘察資料，未發現軌道交通線沱江段地層有明顯的線狀斷裂、斷層或規模破碎帶；通過鉆孔巖芯判識，該段巖體整體質量較好。沱江段詳勘地質剖面圖如圖3 所示。

圖3 沱江段詳勘地質剖面圖

4 盾構選型研究

根據地質條件，工程可選用的盾構機有土壓、泥水平衡盾構機及泥水-土壓雙模盾構機，各盾構機特點如表1 所示。

表1 3 類盾構機主要特點比較

4.1 地層滲透性分析

根據盾構施工經驗，地層滲透系數與盾構機初步選型關系如表2 所示。

表2 滲透系數法選型

4.2 盾構選型分析

選型時對中風化泥巖及砂卵石地層的適應性，以及穿越沱江進行風險控制應是重點考慮的問題。根據軌道交通資陽線工程特點及地質條件，結合國內類似工程盾構選型經驗，盾構選型分析如下：

1）根據滲透系數分析法，選用泥水平衡盾構或土壓平衡盾構施工均可；

2）從地質方面考慮，土壓平衡和泥水平衡盾構機均可在中風化泥巖、砂巖地層施工，但泥水平衡盾構機穿越砂卵石地層易發生刀盤被卡、排渣困難等問題；

3）從安全方面考慮，泥水平衡盾構機密封性能更好，水下掘進的適宜性更佳，而土壓平衡盾構機的螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，易發生渣土噴涌現象，因此，穿越沱江段采用泥水平衡盾構安全風險更低；

4）從工期進度方面考慮，土壓平衡盾構通過添加泡沫或膨潤土進行渣土改良，改良后的渣土呈塑性狀態，流動性好，連續出渣效率高，更利于實現洞通節點目標；

5）從經濟方面考慮，土壓平衡盾構不需要進行泥水處理，維護相對簡單，掘進時消耗的電、油脂、油料相對較低。經調研統計，土壓平衡盾構每米掘進成本比泥水平衡盾構低10%～38%[4]。

綜上所述，軌道交通資陽線寶臺大道站—萇弘廣場站區間選用泥水-土壓雙模盾構機更合理，能最大限度地控制工程風險，同時實現優質高效掘進。

5 盾構設計優化

5.1 盾構機設計參數

盾構機采用六輻條復合式刀盤，開挖直徑8 240 mm，設計主要用于風化泥巖地層的掘進，開口率約38%。撕裂刀、刮刀、滾刀安裝在刀盤面上的6 個輪輻上；在刀盤面和輪緣上，共計8 個獨立操作渣土改良注射口；在刀盤倉內裝有渣土改良注射口和土壓傳感器；設有2 個磨損檢測點，所有的刀具均為背裝式，可以在開挖倉內進行拆卸和更換。

5.2 防結泥餅設計

由于刀盤旋轉時，中間部位線速度小，為防止中間結泥餅，中間的開口率較高，從而使中間部位的渣土極易進入土倉。在刀盤上設計有8 個分別獨立控制的渣土改良噴嘴，用于對刀盤中心及各個容易結泥餅部位的沖洗和清理。

4 個主動攪拌棒裝在刀盤背部，與土倉內部4 個被動攪拌臂配合，主要用于攪拌土倉底部的沉渣，增大渣土流動性，進一步降低結泥餅風險。

泥水模式掘進時，針對易結泥餅的泥巖地段，可采取以下措施：主機段小循環系統，增大泥水倉進漿量，降低主機段滯排概率；主機段底部多層沖刷系統可以降低滯排概率；連續逆沖洗功能（反向沖洗），可以降低滯排概率。

5.3 防噴涌設計

螺旋輸送機尾部設計雙出渣門，噴涌時，可交替打開進行掘進，或者減小閘門開口，利用“迷宮密封”原理，降低噴涌程度；螺旋輸送機前部配置防涌門；螺旋輸送機筒體上配置多路渣土改良劑注入口，可通過渣土改良劑注入口向螺旋機內部注入添加劑，改善渣土的流塑性，降低噴涌風險；螺旋輸送機尾部預留保壓泵渣接口，在必要地層可配置管路及管路附件導向后方渣斗內。

5.4 高水壓針對性設計

為滿足大埋深、高水壓地層掘進，采用2 道組合密封，通過12 點EP2 注入口持續注入EP2 油脂，其能夠起潤滑鉸接密封及密封外界砂土進入的作用。這種形式的鉸接形式有保持密封狀態的優越性，可以滿足任意方向的鉸接運動，使曲線施工和方向調整更加便利，且鉸接密封耐壓可達1 MPa（10 bar）。

6 結語

綜上所述，選用雙模盾構機能最大限度地控制工程風險的同時實現優質高效掘進。穿越自穩性較強，低透水地層時，可采用土壓模式以降低施工成本、提高工效；穿越土體自穩性較差、高透水富水地層，或者穿越高風險源時，可采用泥水模式以確保隧道施工的質量安全。