城市铁路隧道盾构选型研究

苗壮　唐伟

摘要：盾构机是盾构隧道施工最重要的设备，盾构选型直接关系到盾构隧道的成败。在选择盾构型式时，应综合分析影响盾构机选型的主要因素，最重要的是要保证开挖面的稳定。文章结合北京市某大直径盾构隧道工程，通过对其地质条件、地下水情况、周围环境等因素进行详细分析，最终选定了安全、经济、合理的盾构型式。

关键词：隧道工程；盾构机；盾构选型；盾构隧道施工；盾构型式；泥水平衡盾构 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2015）09-0034-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0772

1 国内大直径盾构隧道的发展

21世纪以来，随着国内多个城市地铁建设的不断推进和中国地下空间高效的开发利用，盾构法施工隧道技术也得到了迅速发展。尤其是在铁路隧道领域，不同地质条件下的大直径盾构相继开始使用，盾构隧道的掘进长度、开挖深度和工程复杂程度更是不断的刷新纪录。

目前，大直径盾构施工已经在越江隧道、跨海隧道、城市铁路隧道等工程中得到广泛应用。我国使用大直径盾构施工的隧道已有20余座。其中直径最大的达到15m，如上海长江隧道；使用盾构施工的最长隧道其长度已近10km，如广深港客运专线狮子洋隧道盾构段长9.34km。除此之外，还有武汉长江隧道、北京地下直径线前三门隧道、天津地下直径线海河隧道等一大批有代表性的世纪工程。这些盾构隧道的修建极大地促进了我国盾构法施工技术的进步。

2 土压平衡、泥水平衡盾构适用性分析

盾构机是盾构隧道施工最重要的设备，盾构选型直接关系到盾构隧道的成败。选择盾构型式时，应综合分析影响盾构机选型的主要因素，如地质条件、地面情况、隧道断面、隧道长度、线路走向、工期要求等，最重要的是要保证开挖面的稳定。为了选择合适的盾构型式，应对工程的地质条件、地下水情况、周围环境等进行详细调查，并保证其安全性和经济性。

2.1 地层适用性分析

土压平衡盾构适用于含水量和颗粒组成比较适中的地层，开挖面的土砂可以直接流入压力舱及螺旋输送机，从而保持开挖面的稳定。土压平衡盾构是根据土压力的状况同时进行挖土和推进，通过检查土压力可以控制开挖面的稳定性。当地层为砂粒含量较多而不具有流动性的土质地层时，采用土压平衡盾构施工需要通过添加水、泥水或其他添加材料使泥土压力很好地传递到开挖面。通过这种办法，土压平衡盾构可以适用于冲击砂砾、砂、粉土、黏土等固结度比较低的软弱地层、洪积地层以及软硬相间互层等地层。

泥水平衡盾构是通过施加略高于开挖面水土压力的泥浆压力来维持开挖面的稳定。一般比较适用于在河底、海底等高水压条件下隧道的施工，具有很高的安全性和良好的施工环境。对周围环境的影响较小。泥水平衡盾构适用于冲洪积、洪积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层、弱固结的互层地层以及含水率高而不稳定的地层，是一种适合多种地层条件的盾构型式。

2.2 地层渗透性适用分析

地层渗透性对于盾构机的选型也是一个很重要的影响因素。根据国内外盾构隧道的施工经验：细颗粒含量多的地层渗透率小，粗颗粒含量多的地层渗透率大。当颗粒粗且水量充足时，碴土为流体状，盾构的螺旋机形成不了土塞，土仓建立不了压力，仅依靠大颗粒充满土仓来形成机械力支撑土体时，即使土仓充满水也会造成堵仓。因此，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，宜选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7～10-4m/s之间时，既可选用土压平衡盾构也可选用泥水平衡盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水平衡

盾构。

3 实际工程中的盾构选型研究

3.1 隧道概况

位于北京市东北部五、六环之间的某高速铁路隧道全长8.1km，设计为双洞单线隧道，盾构直径近11m。其中盾构段全长约7km，设盾构井3座，在盾构段中间区域设接收井、两端设始发井，盾构独头掘进长度约3.5km。盾构段先后下穿城市河流、居民区、地铁车站、高速公路等既有构筑物，线路周边环境复杂。

3.2 工程特点分析

3.2.1 盾构掘进距离长，盾构机始发后独头掘进长度约3.5km。

3.2.2 隧道埋深大。根据线路资料可知最大埋深达35m，大多数段落埋深范围为20～30m。

3.2.3 隧道断面大。隧道结构外轮廓直径约10.5m，因此盾构机刀盘直径将达到11m。

3.2.4 地下水位高、水压力大。根据地质资料可知：在枯水期地下水位线距结构底高度距离最大超过30m，在丰水期地下水位还会抬升，因此隧道结构需承受的水压力大致在3～4bar之间。

3.2.5 盾构穿越段地质条件复杂。根据地质资料可知：盾构穿越地段粉质黏土约占53%、细砂约占24%、

粉砂约占10%、中砂约占6%、黏土约占4%、粉土约占3%。

3.2.6 地表沿线周边环境复杂。盾构段共下穿道路30余条，其中多条为高速公路，多处下穿既有地铁车站、城市河流、人工湖、燃气管线、居民区等。

3.3 盾构选型研究

盾构机选型影响因素很多，按照重要程度分析主要有以下种类：开挖面的稳定性、地层渗透性、隧道埋深、地下水位、隧道断面大小、沿线既有构筑物、工期要求、设备购置成本等。

3.3.1 地层适应性的影响：根据工程地质资料可知盾构段穿越地层主要为粉质黏土、细砂、粉砂地层。颗粒粒径主要集中在0.075～1mm之间。根据既有工程经验可知，该粒径范围内的地层盾构适应性介于土压平衡与泥水平衡之间。

3.3.2 地层渗透性的影响：根据工程地质资料可知粉质黏土的渗透系数约为10-7m/s，砂质地层的渗透系数更大。根据地层渗透系数与盾构选型关系，该隧道宜选用泥水平衡盾构。

3.3.3 隧道埋深、地下水压力的影响：隧道埋深大、地下水压力大，则盾构开挖面处的压力大，不容易形成稳定开挖面，且对盾构掘进的阻力也大。该隧道最大埋深达35m，结构需承受的水压力在3～4bar之间。根据既有工程经验，当水压大于3bar时，宜选用泥水平衡盾构，如若选用土压平衡盾构，仅采用螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。由于该隧道是全线控制性工程，因此确保盾构施工期间的安全是重中之重。从这一点出发，泥水平衡盾构要优于土压平衡盾构。

3.3.4 沿线既有构筑物的影响：对于土压平衡盾构，压力波动敏感度低，因此开挖面平衡土压力的控制精度相对较低，对开挖面周边土体的干扰较大，使地面沉降量的控制精度降低，对沿线既有构筑物影响大，更适合于中小直径盾构隧道的施工。对于泥水平衡盾构：压力波动敏感度高，因此开挖面平衡泥水压力的控制精度高，对开挖面周边土体的干扰减少，从而地面沉降量的控制精度提高，对沿线既有构筑物影响小，更适合大直径盾构隧道的施工。

根据既有工程经验，泥水平衡盾构在控制地表变形方面要优于土压平衡盾构。由于该隧道地表沿线存在大量对于沉降变形有严格控制要求的既有构筑物，且地表沿线存在大量民房，这些房屋多为砖混结构，遇到振动或变形时易发生垮塌。因此从控制沿线既有构筑物的沉降、变形方面考虑，宜选用泥水平衡盾构。

3.3.5 工期控制的影响。泥水平衡盾构需配有一套庞大而复杂的泥水处理系统，要对泥水进行分离、调制浆、余浆处理等；而土压平衡盾构不需泥水处理系统，盾构开挖出碴土可以直接外运。就单纯的施工速度而言：土压平衡盾构较泥水平衡盾构施工速度快。根据既有施工经验，同类的大直径盾构隧道施工使用泥水平衡盾构月掘进速度能达到160m，而使用土压平衡盾构月掘进速度能达到200m。

然而，当隧道埋深较大时，由于地层压力大，使用土压平衡盾构刀盘掘削扭矩大、刀具磨损程度大、更换刀头频繁，造成掘进速度降低。而使用泥水平衡盾构，由于泥水渗入地层后对地层的浸泡作用，使掘削面地层变得松软，盾构的刀盘掘削扭矩小，更换刀头的频率较土压平衡盾构低，减少了进仓换刀、设备维修时间。另外，如果在盾构施工过程中停机维修增加了地表沉降的风险。因此，在施工工期要求不是异常严格的前提下，选用泥水平衡盾构要优于土压平衡盾构。

3.3.6 设备造价对盾构选型的影响。由于土压平衡盾构无需购置泥水处理系统，因此单纯的设备购置成本较低。但土压平衡盾构刀盘及刀具磨损程度大，换刀频繁，施工费用较高。由于泥水平衡盾构需购置泥水处理系统，所以盾构设备购置费用较高。但从刀具的使用成本来看，根据以往经验由于泥水盾构的刀具有泥水的润滑和冷却作用，土压平衡盾构消耗的刀具费用约为泥水平衡盾构的1.5倍。

另外，根据对国内外几家盾构设备制造商的调研：直径约11m左右的泥水平衡盾构整套设备目前市场价格约为1.6亿元，而土压平衡盾构整套设备目前市场价格也近1.3亿元。所以对工程全阶段总的设备造价而言，土压平衡盾构与泥水平衡盾构二者的费用孰大孰小尚不能确定。

4 结语

泥水平衡盾构能抗较高的水压，洞内运输设备简单，但因泥水处理设备复杂且庞大，单纯的设备购置费用高于土压平衡盾构，更适用于高水压、长距离、厚覆土、大断面的隧道工程。土压平衡盾构抗高水压能力不如泥水平衡盾构，洞内运输和提升系统较复杂，但无泥水处理设备，单纯的设备购置费用较泥水平衡盾构低，更适用于水压不高、覆土较浅的隧道工程。

在本研究中，对于该大直径城市铁路隧道若采用泥水平衡盾构，最能适应隧道地质条件、施工总长度、线路走向、隧道埋深及周边环境条件等，顺利完成本隧道工程的施工，保证施工安全，因此，建议选用泥水平衡盾构。

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作者简介：苗壮（1989-），男，山东枣庄人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士。

（责任编辑：周 琼）