土压平衡盾构在不同地层中的应用

狄晓红，谭顺辉

(中铁隧道装备制造有限公司，郑州 450016)

0 引言

近些年来，随着国内基础建设的大规模开展，盾构施工技术由于其具有快速、安全和工厂化施工的特点，在基础建设领域，尤其是城市轨道交通建设中得到广泛应用。进入2011年，全国有28个城市在建设地铁，盾构应用市场前景良好［1］。但中国地域辽阔，东西南北的工程地质和水文条件各不相同，在这些不同地层中进行盾构施工，遇到的施工情况极其复杂，不仅要采用不同的盾构，而且要采取各种不同的施工措施。国内建设者们由于进入市场时间不同，采用盾构施工的经验也不一样。由于盾构施工还具有高投入、高风险和投资回收慢的特点，造成大家对盾构施工的理解和观念上的差异较大，有的过高估计了其风险而持谨慎态度，有的寄希望于包打天下的盾构，也有的理解存在片面性，在盾构应用中因施工技术措施单一而发生不少事故。本文主要从国内各典型城市不同土压平衡盾构施工的具体情况出发，阐述了在不同地质条件下，采用的盾构及施工技术也不同。

1 盾构发展简况

1.1 国外发展简况

1825年英国人马克·布鲁诺尔发明 Brunel盾构，1846年由意大利人Maus发明硬岩掘进机。到目前为止，国外盾构研发技术已经相当成熟，主要经历了4个发展阶段:1)以Brunel盾构为代表的手掘式第1代盾构;2)以机械式、气压式盾构为代表的第2代盾构;3)以闭胸式盾构(泥水加压平衡式、土压平衡式)为代表的第3代盾构;4)以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第4代盾构，这也是国外盾构技术的最新特色。

1.2 国内发展简况

我国盾构的开发与应用始于1953年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。1962年2月，上海城建局研制出1台直径4.16 m的手掘式普通敞胸盾构用于当地软土地层施工。1966年5月，中国第1条水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的直径10.22m网格挤压盾构施工，辅以气压稳定开挖面，在水深为16 m的黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1 322 m，打浦路隧道于1970年年底建成通车。1986年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线，半断面插刀盾构将“盾构法”与“浅埋暗挖法”紧密结合，取消了小导管超前注浆，在盾构壳体和尾板的保护下，进行地铁隧道上半断面的开挖。20世纪60～80年代，在长三角上海地域使用网格式盾构的居多。直到1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18 km区间隧道引进了7台由法国FCB公司制造的6.34 m土压平衡盾构，中国开始了土压平衡盾构施工的时代［2］。

20世纪90年代末期，中国开始大量引进国外盾构，日本、德国、美国和加拿大等国家的厂家相继进入中国市场，并在中国建设者的大力推动下，盾构施工技术得到长足发展，一些国内厂家也逐步发展起来，目前国内约有30余家不同形式的盾构制造企业。盾构施工技术在国内的应用正在向更多的领域(铁路、公路、水利、石油、核电和城市地下空间纵深)推广［3］。

2 盾构的主要特点

众所周知，盾构施工原理主要是依靠一个在钢制壳体保护下的液压驱动或电驱动而旋转的开挖装置来切削岩土，该装置又在液压推进油缸的作用下不断向前行进，达到在一定行程内连续切削渣土的目的。一个行程完成后通过自身配带的辅助设备系统，对隧道进行管片衬砌、轨管线延伸和材料准备等工作。然后再进行下一个循环的掘进施工。现阶段的盾构设备本身集成了机械、电子电气、液压、流体、软件和程序控制等先进工业技术，完全类似一个地下机器人，专门用于各种断面(圆形、矩形为主)掘进和衬砌施工一体化的地下隧道工程。

1)具有安全施工的特点。盾构技术的发展，使作业人员完全脱离与掌子面(地层)的直接接触，全是在钢盾壳的保护范围内作业。只要刀盘前方的泥土压力平衡控制得当、管片同步注浆紧跟，不用担心地层的坍塌、突泥突水的工程风险。

2)具有快速施工的特点。由于这类盾构具有循环掘进施工的功能，在地层没有特殊变化的情况下，能够实现连续快速施工，正常情况下，常规地铁盾构的施工速度能够达到10～25 m/d，甚至更快，与同类地层相比，其平均施工速度是应用钻爆法或其他开挖工法的1～3倍。

3)具有工厂化流水线作业的特点。在作业人员的操控下，盾构的掘进、管片安装、同步注浆、渣土运输、材料供应和风水电以及轨道延伸都是流水线、全自动或半自动机械化作业，可以做到有条不紊、规范有序。

3 土压平衡盾构在不同地层的应用

3.1 重庆地铁砂岩地层

3.1.1 地质水文情况

盾构穿越地层以砂质泥岩和砂岩居多。其中，砂质泥岩石英含量占54% ～80%，天然抗压强度为20～26 MPa，属软岩—较软岩，岩体完整性系数0.63～0.68，岩体较完整。砂岩石英含量占54% ～71%，岩石天然抗压强度为40～48 MPa，属较硬岩，岩石完整系数0.63～0.72，岩体较完整。地下水主要存于不发育裂隙中，水量较少。地质样品如图1所示。

3.1.2 工程重难点

1)盾构在砂质硬岩中长距离掘进，地层中黏性颗粒少。

2)掘进振动大，对刀盘结构强度、刀具设计要求高。

3)石英含量高，要求刀盘刀具、螺旋机耐磨性好。

3.1.3 采取的设计对策和施工技术措施

1)根据盾构要分别在硬岩和软岩中掘进的情况，结合以往设计经验［4］，刀盘设计采用结构强化的面板式复合刀盘，开口率28%;分2种变频电驱，在砂岩地层居多的标段为1 200 kW，泥岩地层居多的标段为660 kW;均配置重型滚刀、重型切刀和重型刮刀，满足硬岩掘进的要求。

2)刀盘及刀具、螺旋机各个与岩碴接触的表面，采用耐磨设计措施，以减缓磨损速率。

3)螺旋机具有可维修设计，考虑高石英含量地层和硬岩出碴的施工工况，螺旋机的磨损无法避免，尽管采取耐磨设计，也只能是减慢磨损的速率。故设计螺旋机具备洞内检查维修的功能。

4)盾构具备土压平衡掘进模式、气压模式掘进和敞开模式功能，而且转换简便，属于复合式土压平衡盾构。

5)设计功能储备足够的辅助保障系统、同步注浆系统、渣土改良系统、油脂润滑系统、管片机安装系统和出碴运输系统等，满足盾构的快速掘进要求。

6)在具体施工中多数地段采取气压模式掘进，部分地段采取敞开模式和土压平衡掘进模式。前2种模式既降低了推进阻力，又加快了渣土在刀盘土仓和螺旋机中的流动速度，提高掘进效率。

7)为减少设备磨损或加快渣土流动，在砂岩地层加入适量膨润土泥浆和泡沫剂来改良渣土，在泥岩中以泡沫为主来改良渣土。

8)在硬岩地段，采取刀盘高转速、低贯入度的参数掘进，以减少振动，防止刀具异常损坏。

9)加强硬岩掘进地段的刀具管理，实行定期和定掘进长度刀具检查制度，每次批量换刀和掘进15～20 m进行刀具(尤其是滚刀)的检查并处理。

该项目所用盾构全貌和其掘进的作业面状况如图2和图3所示。

图2 盾构全貌Fig.2 EPB shield machine

3.1.4 取得的效果

自2010年9月中旬起，4个月内陆续投入9台，其中最高日掘进33m，最高月掘进598m，截至2011年底，累计施工约22 km。盾构施工效果良好，盾构各项指标均达到了预期的设计要求。

图3 掌子面状况Fig.3 Tunnel face

3.2 北京砂砾石地层

3.2.1 地质水文情况

盾构区间隧道穿越的地层主要为卵石圆砾⑤层和卵石⑦层。卵砾石层较厚，卵石地层中经常夹杂大粒径的漂石，且卵石、漂石以坚硬岩为主，卵石粒径一般为20～80 mm，最大粒径为600 mm。隧道顶板覆土厚度10～15 m，在穿河段覆土厚度约为7 m。地下水类型为潜水，水位一般为11.47～28.0 m，透水性很好。

3.2.2 工程重难点

1)破岩困难。由于盾构多数在砂砾石、圆砾石地层中掘进，地层密实，还有大粒径卵石，掌子面地层切削面不规则，掘进时这些密实地层和卵石不易被盾构刀具破裂，对刀盘刀具冲击大。

2)排渣困难。大粒径的卵石在刀盘开口、土仓内部、或者螺旋机出渣入口处堆积，造成岩碴流动和出碴困难。

3)砂砾石地层在掘进扰动后容易出现崩塌，导致卡刀盘情况，要求盾构的驱动功率强大。

4)渣土改良系统配备要求高。

5)地面沉降控制要求高。项目地处北京城市繁华地段，地面地下建(构)筑物众多，不允许地表沉降异常。

工程地层如图4所示。

3.2.3 采取的设计对策和施工技术措施

基于这种特殊地质情况，结合北京地区以及国内类似工程以往盾构施工对策和经验［5－7］，该项目采用土压平衡盾构。其总体设计思路是:盾构破岩排渣以排为主，排破结合，刀盘刀具满足破岩要求;设备驱动扭矩、推进能力具有必要的储备。总体施工对策是如何降低卵石地层掘进中刀盘的扭矩和卵石地层对刀盘刀具的磨损［8］。

3.2.3.1 设计措施

1)采用辐条加小面板式刀盘，既保证刀盘的刚度和强度，又具有一定开口率(38%)。

2)设计采用重型滚刀、切刀刀具，其强度高，耐磨性好，满足掘进密实性砂砾石地层要求。

3)刀盘中心采用较大开口设计以及直径800 mm的无轴式螺旋机排渣设计，可满足排除粒径500 mm×600 mm的卵石需求。

4)刀盘驱动采用变频电驱，功率660 kW，脱困扭矩可达6 800 kN·m，具备必要的功率储备。

5)设计采用的渣土改良系统具备供应膨润土泥浆(16 m3/h)和泡沫剂(150 L/min)的能力。

6)为防止盾壳被卡，设计配置盾壳膨润土注入系统，根据需要可以向盾壳表面注入润滑用膨润土，以降低地层对盾壳的包裹阻力。

7)螺旋机设计有3道闸门，加上人员舱保压系统、最快以80 mm/min速度的推进系统，以及人性化、可操作性强的掘进操控系统，确保掘进中掌子面的渣土压力平衡，以保证地层稳定的需要。

3.2.3.2 施工技术措施

1)采用合适的掘进参数，选择适当的刀盘转速(1.5～3 r/min)和略低的推进速度(5～25 mm/min)，以达到破除密实地层和大粒径卵石的目的。

2)采用以膨润土泥浆为主、泡沫剂为辅的渣土改良工艺，应对砂砾石地层的掘进工况，在地层中含水量低时，还相机加大泥浆输入量(10～15 m3/环)，以保持良好的渣土流塑性和减小渣土对刀盘刀具的磨损，以及对刀盘旋转的阻力，即控制好刀盘扭矩。

3)加强刀具的检查管理工作，在地层稳定情况下50～80 m或者地层不稳定情况下100～160 m检查一次刀盘，掘进过程中严密监视渣土排放情况，监控有无刀具异物流出。

4)加强出土量的控制，确保实际出土量与掘进长度产生的渣土量相符。

5)加强同步注浆管理，确保注浆量和注浆压力，必要时增加二次注浆，以保证地层的稳定。

6)加强地面沉降监控量测，随时指导掘进施工。

3.2.4 取得的效果

该项目自开工以来，掘进较为顺利，累计施工2746.8 m，盾构掘进破岩排渣顺利，刀盘刀具磨损正常，地层稳定较好。只是由于地层大粒径卵石量比勘探资料预计得多，地层的密实程度也比预期得大，设备刀盘旋转力矩富余量不多，今后需要类似地层项目在总体驱动能力上再提高些。

3.3 西安黄土地层

3.3.1 地质水文情况

地质主要为古土壤、老黄土、粉质黏土、细砂、中砂和粗砂，土体密实。盾构隧道通过断面以老黄土、粉质黏土、中细沙和粗砂为主，局部地段存在砂砾石、圆砾石，砾石粒径为0.1～40 mm，缺黏性颗粒。隧道线路多数地层中缺水，水位线一般在隧道断面底板以下［9］。地质土样见图5。

图5 土样(粗砂、砂砾石)Fig.5 Soil sample

3.3.2 工程重难点

1)地层可掘性相对较差。由于属于失水性砂砾土地层，以小粒径砂砾石为主，若不用滚刀来切削，一般的切刀又切不动。

2)地层和易性差。对刀盘驱动扭矩要求高，对渣土改良系统要求多。

3.3.3 采取的主要设计对策和施工技术措施

1)结合砂卵石地层刀盘设计经验［10］，如图6所示，设计采用辐条式加小面板刀盘，并采用大开口率(约46%)，以撕裂刀和重型切刀为切削刀具。

2)采用660 kW的变频电机驱动刀盘旋转，能力足够。

3)渣土改良系统配备泡沫系统、膨润土系统和加水系统，在降低刀盘旋转阻力矩的同时，满足不同地层的要求。

图6 盾构全貌Fig.6 EPB shield machine

3.3.4 实施效果

该项目选用的重型刀具能够满足切削砂砾石土层的需要，设备故障率低。由于在一开始对无水砂砾石地层掘进和渣土改良作用认识不足，仅用泡沫剂和水来改良地层，出现刀盘扭矩高达5 000 kN·m，推进速度只有2～5mm/min，推进力达到30 000kN，而且由于掘进时间过长，主轴承齿轮油温度、渣土温度和螺旋机齿轮油温度远高于平常，达60～70℃，每天只有1环的进度，地面还不时出现异常沉降，基本无法掘进，还曾一度认为是盾构设备本身驱动能力和破岩能力不足造成。在采用膨润土泥浆进行渣土改良后，刀盘扭矩下降到3 300～4 500 kN·m，掘进速度最高达到55 mm/min，每天6～8环的进度，地面沉降在允许范围内。设备和渣土等各种温度也趋于正常，掘进施工变得顺利起来。

该项目最大的收获是，盾构能够满足失水性黄土、沙土地层的掘进。膨润土泥浆改良地层是一种非常适合的施工技术措施。

3.4 大连钙质板岩地层

3.4.1 地质水文情况

盾构穿越的地层主要为风化灰绿岩、碎裂岩和钙质板岩，以钙质板岩居多，其强度在70 MPa以下，能够自稳，岩体韧性高;地下水为孔隙水和基岩裂隙水，水量由弱富水到富水，水位高程为2.8～9.2m，最高水位在隧道断面中部。

3.4.2 工程重难点

1)盾构在一定长度内要敞开式掘进，对刀盘及刀具要求高。钙质板岩(见图7)具有一定强度，具有自稳性，盾构掘进在很大程度上类似于硬岩掘进，虽然岩性偏软，但掘进中的振动依旧会非常大，对刀具的损坏比较大。

2)要求刀盘刀具、螺旋机具有耐磨性。硬岩掘进采用螺旋机出渣，会加快各表面的磨损，而且有一个出渣效率与磨损速率相匹配的设计问题。

3)地下水的影响大。由于存在反坡掘进，若地下水过大，不仅掘进困难，而且水流会造成碴土中仅有的一点细颗粒被冲走，留下来的碴土(大块岩碴)会堆积在刀盘下半部分，不容易被输送走，还会造成刀具损坏加剧，导致螺旋机卡轴。

4)有地层坍塌风险。若碎裂岩地段(见图8)有过多地下水时，地层会很不稳定，若掘进控制不当，地层有坍陷的可能。

3.4.3 采取的设计对策和施工技术措施

1)设计采用土压平衡盾构(见图9)，采用复合刀盘，开口率约30%，配置滚刀、重型刮刀和切刀，刀盘采用变频电机驱动，功率为660 kW，直径3 m主轴承。

2)刀盘面板、刀具和螺旋机都有耐磨设计，能够满足一定施工长度的不维修的要求。

3)盾构设计配有膨润土和泡沫等渣土改良系统。

4)掘进过程中若出现地下水以排为主。由于钙质板岩地层相对完整性好，即使出现地下水也能够自稳。此时地下水通过盾构土舱隔板设计的排水阀可以自动排到前盾下部区域，然后通过水泵抽走。在碎裂岩地段，若有地下水，地层又不稳定时，则采取土压平衡模式掘进，以匀速快速通过为原则。同时注意控制好土舱压力和出渣土速度的平衡，以保证掘进顺利进行。

5)在地下水小的钙质板岩段掘进时，可向刀盘前后和土舱内输入一定的膨润土泥浆来改良板岩岩碴，以减少其对盾构的磨损，提高出碴效率。

钙质板岩地段的岩碴如图10所示，都是块状岩碴。

3.4.4 项目实施情况

该类型盾构2台分别于2011年3月初和9月初始发掘进，项目累计掘进1 636m左右，总体施工顺利。第1台盾构在稳定性好的辉绿岩和板岩中掘进，实际地质与预测的相近，期间也遇到过水量丰富和水压大的问题，在采取以排为主的施工措施后，施工顺利进行。第2台盾构在始发后即遇到大水量和高硬度的钙质板岩段，实际地质变化较大，地质完整性好，强度在50 MPa以上，出现了部分刮刀与切刀的合金块剥落现象，在不断的停机排水过程中，排出的地下水把岩碴中的细颗粒也同时带走，造成粗颗粒居多的岩碴不利于输送，出碴输送效果不好，螺旋机叶片和筒体内壁磨损速度加快，出现合金块掉落的现象，在采用整体耐磨钢条取代合金块后该问题得以解决。

4 结论与讨论

在上述4种典型地层中采用盾构施工，都取得了良好的效果。由于工程地质及水文条件的不同，设计采用的盾构类型其设备系统配置也不同;即使在同一工程项目中，对不同的地质情况，同一台盾构掘进施工中采取的掘进参数和施工技术措施也不一样，必须适应地质条件的变化，采用合适的掘进参数和施工措施，才能保证掘进施工的顺利进行。

随着国内机械、液压、流体、电子和集成技术的不断发展，盾构技术将日益成熟，盾构设备研制技术将得到更大的提高，如果同一种类型盾构能够一机多用，一机不同地域、不同地层使用，这样可以大大提高其使用效率，减少资源配置和投资浪费。具有复杂地质适应性的复合盾构将会被越来越重视，前景也越来越广阔。

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