复合地层大直径盾构选型与掘进技术研究

复合地层大直径盾构选型与掘进技术研究

陈　文

(诚合保险经纪有限公司，北京100855)

摘　要：盾构施工将不可避免遇到完整基岩地层、软硬不均地层或孤石地层，由于不同地层盾构施工的差异性，盾构机的选型和制造应考虑复合地层的特殊性，盾构掘进过程中也应提出有针对性的措施。结合实际工程，针对大直径复合地层盾构施工特点，进行了盾构选型与掘进技术相关措施的研究和分析，引入了土压—泥水双模式混合盾构机应用的理念，对盾构刀盘设计、常压换刀技术、破碎机配置和超前地质预报这几个复合地层盾构机制造的核心技术问题提出了相关要求，并对软硬不均地层和孤石地层两大复合地层盾构掘进难题提出了针对性的解决措施。文中所述的复合地层大直径盾构机选型和掘进技术方案已在实际工程中成功应用，可对类似工程提供指导。

关键词：复合地层；大直径盾构；选型；掘进；软硬不均地层；孤石地层

收稿日期：2015-02-04

作者简介：陈　文(1976—)，男，高级工程师，主要从事铁道工程技术管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.03.007

中图分类号：U455.31

　文献标识码：A

　文章编号：1672-3953(2015)03-0021-04

Abstract: Shield construction inevitably involves going through the complete bedrock,the soft-hard uneven stratum or boulder mezzanine.Because of the difference of the shield construction in different strata,the choice of the right shield type and the manufacture of the shield should consider the particularity of the compound stratum, and individualized measures should be proposed in the course of the shield driving.With certain projects as practical examples, and with the characteristics of the construction with a large-diameter shield in the compound stratum taken into account, the choice of the right shield type,the driving techniques and other corresponding measures are studied and analyzed in the paper,with the idea of the switching patterns between the earth balance and the slurry balance recommended,and the requirements in the cutter disc design,cutter replacement under atmospheric conditions, rock crusher and advanced geological prediction and the corresponding measures applicable to the solution of shield driving problems in the soft-hard uneven stratum and the boulder mezzanine proposed. The technical schemes the paper deals with here are already successfully applied to practical engineering projects and therefore,may serve as a useful guidance for other similar projects.

近年来，一大批公路、铁路和市政交通用途的大型盾构法水下隧道相继建设，把我国水下隧道的建设规模和修建技术推进到了新的高度。目前我国盾构隧道施工在盾构直径、一次掘进长度、地质条件的复杂程度等方面均处于世界前列。伴随上海沿江通道工程和北横工程的相继开工，聚焦近期的美国西雅图隧道、香港屯门隧道及珠海横琴、武汉三阳路隧道等，大直径盾构隧道再次得到行业人士的关注，盾构隧道施工技术目前在地下交通工程中得到了广泛应用，并向着超深、超长和超大直径方向发展。

随着盾构使用范围的扩大，不同项目地层复杂性、进度要求和使用功能的差异，盾构机的设计和制造水平以及盾构掘进技术已成为盾构隧道实施成败的关键。为提高盾构的工作效率，应综合考虑盾构机的地层适应性、运转模式、刀盘布置、刀具配置、换刀方式和碴土处理等诸多因素。当前的复合地层大直径盾构施工实例较少，尚处于摸索状态，本文结合已实施的隧道工程对复杂地层条件下盾构机选型和掘进技术进行探讨，总结相关经验，为类似地层的盾构隧道施工提供指导。

1　复合地层盾构机选型与制造

1.1　盾构机选型要求

盾构选型主要依据工程地质条件、隧道设计参数、盾构施工工艺、进度要求等因素综合进行分析，可选择的盾构类型有土压平衡、泥水平衡盾构。不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，盾构机选择的两个主要因素为掘进地层颗粒大小及组成和盾构通过地层的渗透系数。土压平衡盾构最适用于细颗粒地层，切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。而泥水平衡盾构最适应于较粗颗粒地层，在砂土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出，泥水压力作用于工作面。

地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。当地层的透水系数小于10 -7 m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10 -7～10 -4 m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10 -4 m/s时，宜选用泥水盾构 [1]。

一般而言，对于水下隧道及大直径隧道宜优先选择泥水平衡盾构，其对于高水压软弱地层适应性较好，安全性更高，但由于需配置泥水处理设备，施工场地要求更大，工程造价也有一定增加，所以在透水性不强的粘质土地层更多选用土压平衡盾构。当大直径盾构穿越半岩半土的复合地层时，为保证施工安全普遍选用泥水平衡盾构，而在广东地区典型的复合地层条件下，从广深港客运专线狮子洋隧道和益田路隧道的施工情况来看，在RQD值较低的破碎岩层段掘进时，开挖面泥膜较难形成，岩体局部易出现掉块现象，甚至导致掌子面塌方事故，此时利用土压平衡盾构土仓压力更容易解决掉块问题。针对该情况，采用土压—泥水双模式混合盾构 [2]的理念被引入，双模盾构可根据穿越的不同地层情况进行模式转换，吸收两种盾构的优势针对不同地层选择适应性较强的模式。当然，双模盾构由于需要配置两种模式下的设备，其造价也更高；但从已实施工程的情况分析，对于地质情况变化较大的复合地层，只考虑一种模式的盾构机容易引起开挖面失稳、地面塌陷等工程事故，往往造成施工进度严重滞后，管片衬砌错台情况突出、对结构质量带来隐患，处理措施实施困难且引起的费用增加很多。相比较而言，双模盾构对于特殊的复合地层的盾构施工在风险和进度上都更有保证，值得推广。

1.2　复合地层盾构机设计关键问题

针对复合地层的特点，尤其当复合地层中存在天然强度较高的微风化岩，而部分地层风化程度较大、岩层较破碎的情况，盾构机的制造应注意几个关键问题。

1.2.1 刀盘具有足够的结构强度

因基岩天然抗压强度高、软硬不均地层掘进和大于5 m直径孤石破岩等情况下，都需要刀盘具备足够的结构强度，刀具在一定贯入度时，软土地层和基岩地层具有基本相同的贯入度。从施工情况来看，益田路隧道刀盘面板的厚度较薄，刀盘连接件的强度也相应较低，而结构强度不够是在软硬不均和硬岩地层盾构机制造的一个突出问题。益田路和狮子洋隧道在掘进过程中就出现了刀盘严重受损甚至开裂的情况，导致后续盾构掘进无法进行，必须采用高风险的洞内刀盘加固的辅助措施，给盾构施工的工期和安全性均带来不利影响，工程费用大幅增加，因此盾构机应根据基岩抗压强度适当加强刀盘结构强度。

1.2.2 配置常压换刀功能

复合地层盾构掘进时，刀具必然存在较大损耗的问题，目前较多采用清空土仓或者泥水仓后通过高压气体平衡掌子面，然后人员进入在高压下进行刀具更换。高压环境下人员作业条件较差且出现地层泄压时掌子面也容易失稳带来安全隐患，而在大量换刀的情况下，常压换刀可降低盾构施工中带压换刀的施工风险。常压换刀有两种 [3]：一种是对刀盘前方的地层进行加固，改变换刀的外部作业环境；另外一种是滚刀采用背装技术，刀具更换时不需土仓或泥水仓内作业。相比而言，第2种方式可减少土建作业，也避免前期换刀区设置的盲目性。复合地层应在盾构机中同时融入常压和带压换刀技术，常压换刀功能是对带压换刀功能的一种补充而不是替代，即使不进行常压换刀带压换刀也是完全可以自主实现的。这种技术以前是一种设想，现在逐渐进入应用，南京长江隧道就采用这项技术，很好的解决了长江高水压条件下常压换刀的难题。

1.2.3 必须配置破碎机

很多孤石都是直径不大，如果一个个处理，也没有必要。这时可以将大孤石裂解为小块岩石，使裂解后的小块岩石及小孤石进入仓内，通过盾构自身的设备进行处理。故盾构机必须配置破碎机，以进一步裂解进入仓内的岩块。

1.2.4 超前地质预报

从孤石的处理及危害看，孤石主要难题在于发现，而不在于处理。所以，盾构施工时希望能看到掌子面施工的情况。由于盾构都是封闭式的，肉眼无法直观掌子面，需借助相应的技术设备进行观察。超前实时地质预报设备(BEAM系统)较适合，盾构施工时，通过BEAM系统实时反映前方掘进地层，发现孤石时，不断修正孤石与刀盘的距离，确认后，即可按预案进行处理。

2　复合地层盾构掘进技术

完整基岩段无法采用钻爆法开挖，全断面基岩隧道适合采用盾构机施工，但盾构机应选择全盘滚刀的复合式盾构，合理配置具有足够破岩能力的滚刀，刀盘、刀具和螺旋出土器或泥浆管路系统都应具有较好的耐磨性。复合地层盾构施工将可能遇到两大难题，在软硬不均或孤岩地层施工。

2.1　软硬不均地层盾构施工

2.1.1 施工难点

(1)刀具异常磨损非常严重。软硬不均地层滚刀偏磨是不可避免的事情，盾构滚刀在软弱地层，在一定的贯入度的情况下，地层没法提供足够的反力，滚刀与地层之间的摩擦力无法使刀具滚动；而在基岩地层，天然抗压强度很高，刀具切割地层时的反力能形成有效的摩擦力，使刀具转动。刀具在这种地层施工时，在软弱地层滚刀不转动，地层磨损迎土面，当软弱地层石英含量较高，将造成刀具局部磨损形成偏磨；刀具如果在软弱地层形成了较小的磨损，那么刀具在基岩地层中，就会找最薄弱的弦磨损，刀具磨损速度将非常快，如图1所示。

图1 狮子洋隧道软硬不均地层刀具异常磨损

(2)地层上软下硬，盾构切削基岩困难，而软弱地层容易开挖，盾构机刀盘不能全断面贴近掌子面，引起掌子面稳定困难，易扰动周边地层。一方面掌子面地层变化大，开挖面稳定比较困难；另外，基岩未充分破碎的岩块随刀盘转动，扰动上部软弱地层，加剧地层破坏。以上两种情况都将导致地层产生较大的非正常施工沉降，因此盾构施工过程中应严格控制掌子面稳定，避免出现塌方、冒顶等情况。

2.1.2 可采取措施

(1)盾构机设备、泥水处理设备及施工中采用综合措施，降低地层软硬不均带来的损失。主要立足点在于刀盘和刀具的地层适应性、开挖面水土压力的平衡、刀具磨损和转动的监测等一系列技术的应用。

(2)改善隧道顶部地层的物理力学性能，主要是通过在盾构机上预留注浆孔，通过洞内注浆的方式加固隧道周边地层(加固范围有限，需根据盾构机注浆管的外插角度、距离刀盘的距离计算加固区域的范围)，适当的加固可使盾构开挖时顶部较小脱落、塌方时，顶部地层能暂时自稳，在盾构通过后通过二次注浆管注浆回填密实。

(3)对于盾构机各项掘进参数进行及时监控，特别是进浆量、排浆量(进、排浆量应与掘进速度相匹配，可通过差压式密度计和γ射线密度计自动测量循环泥浆密度，通过进、排浆管泥浆比重差判断盾构开挖量。当泥浆比重差明显提高而盾构掘进速度很慢时可判别出盾构掘进异常，掘进中可能出现顶部塌方导致碴土大量进入土仓内随排浆系统排出，而实际上排浆管并不是带出了盾构正常掘进时的开挖土石，而是将顶部塌方体带出，盾构机将不会有明显的前进。这种情况在软硬不均地层下部基岩强度较高时盾构机前进受阻后较易出现，通过有效的泥浆检测是完全可以发现的)、开挖面泥水压力或者气压值(应该根据掘进断面地质情况，考虑是否与掘进断面水土压力相匹配)，严格控制排碴，避免出现盾构顶部超量出碴。

(4)非正常施工时，相对于正常施工，主要表现为盾构掘进参数明显异常(可将盾构始发后正常掘进的参数作为参考值)，遇到如上所述的异常情况，应采取“及时发现，及时处理”的方针。

2.2　孤石地层盾构施工

花岗岩地层的一个特点就是在全风化、强风化地层中，经常出现不均匀风化体，即球状风化现象。如果盾构在推进过程中，遇到了风化球，而盾构操作手不知情的话，因为孤石周边地层无法提供足够的反力满足刀具破岩的要求，孤石会随盾构一起往前走，导致孤石一直在刀盘前面磨损刀具，严重时会造成刀盘变形和刀具刀圈损坏，盾构施工会非常困难。

实际掘进过程中的孤石状态可有以下几种情况：①刀盘接触到孤石，孤石一下子退入地层；②盾构周边的孤石在盾构掘进过程中缓缓移入刀盘前的软弱岩体内；③孤石和开挖岩体一起向着切口环内面一侧移动，孤石随着开挖岩体一起进入盾构机舱内；④孤石若是向切口环外面一侧移动，孤石被挤入周边地层中，伴随着周边地层再移动，挤出切口外环面，再也无法取进盾构机舱内。

目前在广州、深圳地铁隧道工程中均出现过花岗岩孤石地层盾构掘进困难的情况，因此应提出相应的处理措施。

2.2.1　孤石探测

该种地层的盾构施工首先应提出合适的孤石探测方法，利用物探技术准确判断孤石的大小和位置。目前国内外还没有可行的技术手段，建议采用钻探与物探相结合的方式探测孤石，当孤石下方的全风化层具有一定的厚度时，可取得较好效果。主要步骤如下所述：

(1)钻孔探测。盾构施工前加密钻孔，可在前期地质钻孔资料的基础上判断孤石存在的区域，在该区域隧道之间及两侧布置钻孔，纵横间距15～20 m，矩形排列，孔深至隧洞底板以下一定深度。

(2)物探。在钻孔内进行钻孔间弹性波CT物探或采用低频高密多次覆盖地震波法，可确定孤石的分布、空间位置和形态。

盾构掘进断面内孤石将根据其大小、位置分别进行处理，故孤石处理的前提是准确了解盾构掘进断面内孤石的分布情况。

2.2.2　孤石处理方法

(1)人工破岩。从地表进行地层加固，然后开仓，在孤石中间打孔，采用高压空气或液压锤对孤石进行破碎处理，或者采用静态爆破的方法人工破岩，并从盾构机内将破碎的岩石运走。使用该种方法的前提条件是掌子面必须自稳。

(2)盾构机破岩。在盾构机内进行水平注浆或者从地面进行注浆，对孤石周围的土层进行加固，使得孤石得到固定，然后利用盾构机的刀具直接破岩，将孤石破碎。

(3)地面钻探地下爆破。通过地面钻探，然后对孤石进行爆破，达到破碎岩体、增加岩体裂隙、降低岩石强度破碎难度，以减少岩层对盾构机刀盘刀具的损耗。该种方法主要难点：需要对爆破进行精确控制，以便将孤石爆破成较为均匀的小块。

(4)钢套管取石。从地面打入钢套管，首先将钢管内孤石周边土层吸出，再利用起吊设备将孤石直接取出。

(5)冲孔钻破岩。在确定了孤石位置的基础上，用冲孔钻的方法将其击碎，然后盾构再掘进通过。在实际施工过程中应根据不同粒径大小，针对盾构机刀盘开口的尺寸分别采取不同的处理方案。目前较为常用和保障性较好的措施如下：①对于探测发现粒径(即孤石直径，下同)较刀盘开口尺寸过大的孤石，可采取地下爆破，将孤石爆破成能进入仓内的岩块。其具体爆破后岩块大小的需求应根据盾构刀盘开口尺寸决定，一般不宜大于50 cm。②对于探测粒径较刀盘开口尺寸适中的孤石，可通过控制盾构机刀盘开口尺寸，利用刀具将孤石破碎后进入仓内排出。③对于粒径小于刀盘开口尺寸的孤石可直接通过刀盘开口部位带出。

3　结束语

复合地层相较于一般土层条件下，盾构施工的难度大幅增加，施工过程中易出现许多不确定的风险。本文结合实际工程针对大直径复合地层盾构施工特点，进行了盾构选型与掘进技术相关措施的研究和分析，文中所述措施已在实际工程中成功应用，具有较好的推广和应用前景，可对类似工程提供指导。

参考文 献

[1]肖明清.广深港客运专线狮子洋水下隧道设计中的几个关键技术问题[C]//2006中国高速铁路隧道国际技术交流会论文集.北京：中国铁道出版社，2006：269-275

[2]J.H.Jonker, D.Handke，Experiences with the application of innovative shield tunneling techniques during the construction of the Betuweroute[C]//Proceedings of the ITA World Tunnelling Congress.Amsterdam:the Hetherlands,2003:12-17

[3]刘建航, 侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社, 1991

Technical Research on the Choice of the Right Type of Shield and

Driving with a Large-Diameter Shield in the Compound Stratum

ChenWen

(The Chenhe Insurance Brokerage Co. Ltd.,Beijing100855,China)

Key words: compound stratum;large-diameter shield;choice of the right type of shield; driving;soft-hard uneven stratum; boulder mezzanine