泥巖-砂卵石復合地層雙模盾構適應性設計

【摘要】為解決盾構機在土體性質差異巨大的復合地層條件下掘進效率低下的問題，以新建成都至蒲江鐵路紫瑞隧道工程為例，探討了在泥巖-砂卵石條件下盾構機的選型與適應性設計。首先針對地層特點，總結出掘進過程中可能遇到的沉降控制、卵石滯排、刀盤結泥餅等問題；然后結合盾構不同支護模式的特點，認為雙模盾構可以滿足安全高效掘進的要求，并對不同區段下掘進模式的選擇做出了劃分；同時對雙模盾構機的整體設計進行了介紹，并結合復合地層的特點，對盾構刀具設置、“采石箱+輥齒破碎”設計、“氣墊直排式”設計、防結泥餅措施等針對性措施進行了著重介紹。

【關鍵詞】復合地層； 盾構適應性； 雙模盾構； 渣土滯排

【中圖分類號】U455.43【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-02-13

［作者簡介］鄒坤秘（1990—），男，本科，高級工程師，主要從事盾構隧道建設工作。

0 引言

隨著近十年來交通基礎設施建設的大規模推進，盾構法以自動化程度高、安全快速、對周圍環境影響小等特點逐漸成為各大城市內隧道施工的主流工法［1］其中常見的盾構類型即土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。

在一般的盾構適應性設計上，對于不同的地層條件，常常根據地層粒徑分布、滲透系數以及水文地質條件的不同，選用不同的盾構類型：如當地層滲透系數k小于10-7 m/s時，較適宜使用土壓平衡盾構，當地層滲透系數k大于10-4 m/s時，較適宜采用泥水盾構；但隨著隧道建設的不斷發展，已經呈現出隧道長度不斷增加，地質條件愈發復雜的趨勢，且大量隧道需要穿越城市密集建筑或已有交通設施，給安全高效施工提出了更高的要求，單一模式的盾構已經很難滿足施工要求。尤其在復合地層條件下，開挖方向有兩種及以上水文地質條件相差懸殊的地層，在掘進期間需要不斷調整施工參數與施工方法，且常常伴隨有刀具異常磨損、地層沉降等問題［2］。基于單模式盾構掘進的局限性，可以兼具不同模式的雙模盾構施工因此被提出。

目前而言，雙模盾構在國內仍然是一個較新的課題，但也已經有了不少的工程實踐研究。如管會生等［3］對新街臺格廟礦區斜井隧道工程的EPB-單護盾構、TBM雙模盾構進行分析，提出了關鍵參數的配置原則，并對不同埋深下區間的參數配置提出了建議。依托廣州地鐵9號線，朱勁峰等［4］對雙模盾構在上軟下硬地層（灰巖地層上覆含水砂性地層）中的盾構模式選擇進行了較為詳細的說明，并對冷凍刀盤技術與雙模盾構的結合進行了數值模擬與試驗分析。基于南寧軌道交通5號線五一立交站—新秀公園站區間工程，黃鐘暉、王百泉等［5-6］對泥巖-圓礫土復合地層中的泥水-土壓雙模盾構適應性設計進行了分析：在結構上針對泥巖地層所引起的渣土滯排、排漿口堵塞等問題，通過及時切換土壓模式、優化排漿口攪拌棒和疏通口設計、改進泥水環流系統等提高渣土輸送效率，在功能性上實現了泥水和土壓2種模式的快速轉化，使過江段的盾構掘進速率提高了一倍。徐敬賀［7］南寧地鐵雙模盾構的模式轉換位置選擇以及轉換技術的操作流程進行了詳盡介紹。何川等［8］則以南寧地鐵工程為基礎，對雙模盾構在過江段的地表沉降、盾構能耗以及掘進速率、刀盤扭矩、總推力等施工參數進行了全面詳細的分析，認為雙模盾構表現了不同地層的良好地層適應性，較單模盾構有較大的掘進速率提升（提高了181.44%），同時在盾尾油脂、水資源、電能等消耗上也較普通單模盾構小。

本文以新建成都至蒲江鐵路紫瑞隧道工程為例，對首個大直徑雙模盾構下穿砂卵石-泥巖復合地層的工程重難點以及適應性設技進行介紹，以為將來的雙模盾構掘進工程提供一定的參考。

1 紫瑞隧道工程概況

紫瑞隧道全長1 940 m，分為框架段與隧道段兩部分，其中盾構段為單洞雙線形式，全長1 326 m，隧道沿線穿越機場高速高架、居民小區、地鐵神仙樹車站、肖家河、成雅高速高架橋等重要建筑，房屋、建筑、鐵路、公路、地鐵等市政工程密集，如圖1所示。

盾構隧道外徑12.4 m，內徑11.3 m，管片厚度550 mm，縱斷面為V形設計，隧頂最小埋深8.6 m，最大埋深21.75 m。隧道穿越成都地區典型的泥巖-砂卵石復合地層，隧址區上覆地層為第四系全新統地層，從上至下大致依次為人工棄土與填土層、粉質黏土層、細砂層與粉土層、砂卵石層以及下伏基巖，基巖為泥巖夾砂巖地層。其中隧道上部地層主要以卵石土為主，厚度為10～25 m，下部泥巖層從上至下依次為全風化泥巖、強風化泥巖以及弱風化泥巖，紫瑞隧道工程地質剖面如圖2所示。

2 工程重難點分析

紫瑞隧道工程為國內首個城市地區大直徑雙模盾構工程，根據前期地勘報告與施工場地條件調研，從控制沉降、盾構掘進以及出渣能力等方面總結本工程，主要重難點：

（1）盾構始發段為淺覆土富水砂卵石始發，隧道頂部最小埋深僅為8 m左右，不足一倍洞徑，同時在始發段附近存在民居建筑（南方半島小區），在砂卵石層段存在地鐵5號線、7號線車站，對于沉降控制要求極高。

（2）富水砂卵石地層，包含粗圓礫土（粒徑在20～60 mm）、卵石土（粒徑在60～200 mm），局部存在漂石且大粒徑卵石含量高（圖3），在盾構掘進過程中，大粒徑卵石處理不當很容易堆積在土倉底部或堵塞泥漿管路（螺旋輸送機），造成渣土滯排，增加盾構機械負擔乃至引起工程事故。

（3）在紫瑞隧道掘進中，隧道中部50%～95%為泥巖地層，當盾構在泥巖含量較高的復合地層掘進時，刀具切削下的黏性渣土以及泥巖類巖屑會在受熱、受壓、受濕條件下在刀盤表面、土倉及螺旋機處形成泥餅（如圖4所示），造成進土不暢，加劇刀具和刀盤的磨損，同時泥巖的存在有可能造成泥漿處理困難問題。

3 雙模盾構選型分析

3.1 掘進模式選定

盾構機的選型一般參考地層滲透系數、地層粒徑分布以及水文地質條件等多種因素。如圖2所示，地層條件有著兩端砂卵石為主，中部泥巖地層為主的特點。因此在盾構模式的選擇上，應對不同的地層條件分別討論。

考慮到在兩端的砂卵石地層中（XHDK1+190～DK1+630和XHDK2+050～DK2+484），滲透系數過大，宜采用泥水盾構進行掘進，同時，當采用泥水支護時，不同于土壓盾構通過排土量調節掌子面壓力，而是通過泥水壓力形成泥膜作為傳力媒介，掌子面壓力較為精準，特別在開挖斷面較大時，對地表沉降的影響較小，可以滿足存在重要構筑物的淺覆土砂卵石地層對沉降控制的要求，而在泥巖地層中（XHDK1+630～DK2+050），隧道覆土埋深最大，且泥巖地層更為穩定，采用土壓盾構可以在泥巖層中以較快的速度和較低的成本進行掘進且不會對地表沉降造成過大影響。同時，在復合地層條件下，土壓盾構出渣無需泥漿篩分處理，可以避免泥水模式所帶來的廢漿處理問題。

總體而言，本工程土壓盾構適宜段與泥水盾構適宜段分別為874 m與420 m，單純使用土壓或泥水盾構進行掘進均會導致在較長的掘進距離中出現地質條件與盾構類型不匹配的問題，影響施工的安全與效率。因此，采用泥水-土壓雙模式盾構機進行掘進可以取得較好的適應性。在不同工況下的模式選擇如圖5所示。

3.2 盾構整體設計

在選定掘進模式的前提下，本工程采用一臺12.84 m泥水-土壓雙模平衡盾構機，同時配置一套螺旋輸送機與一套泥水環流系統。盾構機主要技術參數見表1。盾構整機長155 m，主機總長13.5 m，為兼顧泥巖地層中減緩土塞現象與砂卵石地層中保證支護穩定的需要，采用輻條-面板式復合刀盤，開口率設置為36%。在泥水模式下最大推進速度50 mm/min，在土壓模式下最大推進速度60 mm/min。人艙采用前后艙串式設計，主艙容納人數4人+副艙容納人數8人，材料艙采用單艙設計，兩者工作壓力均為8 bar。盾構機內部設置示意如圖6所示。

4 盾構適應性設計

在盾構選型和整體設計的基礎上，針對第2節中總結的大粒徑卵石引起渣土滯排以及泥巖地層的土塞問題，進一步對雙模盾構的泥水環流系統與盾構刀盤進行了適應性設計。

4.1 盾構刀具布置

在硬巖地層及其他巖石地層當中，常采用滾刀破巖的方法進行掘進。按照配置的刀圈數量，滾刀又可分為單刃滾刀和雙刃（聯）滾刀。而在砂卵石地層中，由于卵石顆粒松散特性，很難為滾刀滾壓破巖提供足夠的轉動扭矩和破巖支撐力，因此常配置撕裂刀先通過錘擊松動致密地層，而后以切刀掘削地層。

根據不同刀具特點，在紫瑞隧道工程砂卵石地層段，宜采用撕裂刀和切刀配合；在泥巖地層中，宜采用滾刀配置。進一步，為保證刀具在泥巖地層中破巖的最大效率，對滾刀布置進行針對性設計。

在張旭輝等［9］的研究中，已經發現滾刀破巖的比能隨刀間距呈先增大后減小的趨勢，并認為在硬質巖石地層（如大理石）地層中，合理的刀間距為78 mm。同時，雙刃滾刀與單刃滾刀在破巖機制上存在明顯差別，不同研究與工程實踐一般均認為雙刃滾刀更適宜于風化砂巖以及軟巖地層［10-11］。由于隧道泥巖段風化帶厚度不均，風化差異大，在弱風化帶泥巖質地較硬，強風化帶則為質地偏軟的泥巖夾砂巖，因此，針對泥巖地層質地偏軟的情況，在硬巖合理間距的基礎上調整正面滾刀刀刃軌跡間距不得超過100 mm，邊緣滾刀刀刃間距不超過90 mm。同時，除針對弱風化帶配置73把單刃滾刀外，另針對強風化帶配置雙刃滾刀6把。另外對滾刀高度作出設計，控制刮刀與滾刀高差需大于50 mm，保證掘進貫入度。盾構刀具配置如表2所示。

4.2 泥水環流系統針對性設計

在泥水模式下，泥水環流的設計主要可以分為采用氣墊倉的間接控制設計與直接控制泥水壓力的直排式設計。一般來說，普通氣墊式泥水盾構，雖然壓力控制精度較高，但排漿管路離掌子面距離過長，且泥漿管路設計轉彎處較多，不利于提高泥漿輸送效率，尤其在卵石較多地層易造成卵石堵塞；而直排式雖然不采用間接控制，精度較粗糙，不利于沉降的精細控制，但由于泥水盾構排漿管距掌子面距離較短，卵石滯排的概率較低。

根據本工程對沉降控制要求高以及卵石滯排風險大的特點，結合以上氣墊式泥水盾構和直排式泥水盾構的優點，采用氣墊直排式設計，即不設置完全的氣墊倉，在泥水倉后方直接設置排漿管路，一般通情況下通過控制泥漿流量來控制前方泥水壓力，類似直排式泥水盾構，同時在淺覆土始發等需要精確控制泥水壓力的地段采用氣墊包輔助控制，以做到有效控制地表沉降的同時，減少堵倉滯排的概率。根據南寧地鐵的盾構施工經驗［5-6］，直排式泥水盾構比一般泥水盾構效率高出12%，證明了改進為氣墊直排式泥水盾構的有效性。氣墊直排式設計如圖7所示。

4.3 大粒徑卵石處理設備改進

對于工程中大粒徑卵石顆粒（直徑在20 cm左右及以上）的處置問題，另對卵石處理設備進行適應性改進。

在一般的泥水盾構中，卵石處理裝置常配置在氣墊出渣口后方，通常由采石箱、破碎機、格柵等裝置組成［12］。其中采石箱主要用于收集大粒徑卵石，以緩解環流系統的堵塞；破碎機通過機械將大粒徑顆粒破碎為小粒徑顆粒，常用的有液壓顎式破碎與輥齒破碎兩種形式。在大粒徑卵石較多地層，采石箱或破碎機容易損壞，并且在本工程復合地層的掘進過程中，存在顆粒粒徑分布較大的問題，采用常規卵石處理設備將造成一定程度的能源浪費。

基于此，本工程采用“采石箱+輥齒破碎”組合的采破分離方案，分為采破、單采、單破、無采無破4種工作模式，如圖8所示。根據實際工況的不同，選擇合理的工作模式，以達到施工效率的最大化。不同模式具體運轉如下：

（1）采破模式：在普通砂卵石地層，采石箱和破碎機采取上下串聯工作，即180 mm 以上石塊通過采石箱和一級儲石箱經皮帶機排出；篩分出的粒徑小于180 mm 的卵石隨泥漿一起進入輥齒破碎機（破碎機粒徑150～180 mm）進行破碎，破碎完成后排至分離站。

（2）單采模式：直接屏蔽破碎機（卵石粒徑較大或維修破碎機時），單獨使用采石箱進行采石，180 mm以上石塊通過采石箱和一級儲石箱經皮帶機排出，篩分出的粒徑小于180 mm的卵石隨泥漿一起直接進入分離站。

（3）單破模式：在卵石粒徑較小地層或采石箱維修時，直接屏蔽采石箱，單獨使用破碎機進行卵石破碎，部分150 mm 以上石塊通過破碎機破碎后隨泥漿一起直接進入分離站。

（4）無采無破：在泥巖地層或卵石含量較小時，可同時屏蔽掉采石箱和破碎機，即卵石隨泥漿直接排至分離站（圖9）。

5 結束語

本文基于紫瑞隧道工程，對成都地區典型泥巖-砂卵石復合地層施工過程中的沉降控制、盾構土塞、渣土滯排等主要重難點問題以及該類地層中雙模盾構選型思路進行了總結，并著重介紹了該類地層中盾構刀具布置、泥水環流設計、卵石處理裝置、防結泥餅措施等針對性設計，為類似地層盾構選型設計提供了參考。

（1）在砂卵石與泥巖復合地層條件下，綜合地層粒徑分布、地層滲透系數、地層沉降要求等各項適應性評價指標，提出在線路兩端采用泥水模式，在線路中段采用土壓模式的雙模掘進思路。

（2）根據砂卵石與泥巖復合地層工程地質特點，提出了“滾刀+撕裂刀+切刀”主要破巖刀具組合。

（3）結合氣墊式和直排式泥水平衡盾構的優點，提出氣墊直排式泥水環流系統，以解決本工程對沉降控制要求高以及卵石滯排風險大的問題。

（4）針對地層中大粒徑卵石難以處置的問題，采用“采石箱+輥齒破碎”組合的采破分離方案，在不同工況下采取不同工作模式，以達到施工效率的最大化。

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