武汉地铁湖新区间盾构选型技术研究

王延辉　徐向前

摘要：针对湖新区间隧道工程的水文地质和工程地质条件，结合水土压力、工程筹划、工期要求、区间穿越建筑物的沉降控制、土压盾构的辅助措施等方面进行分析，提出适合本区间隧道工程使用的盾构机型，为类似工程提供借鉴。

关键词：地铁区间；富水砂层；高水压；盾构选型

0.引言

随着城市地铁的建设，区间隧道不可避免的需要下穿区间线路上的建筑物、构筑物，对于基础埋深较大，或已建成的地下通道、隧道而言，地铁隧道往往需要下穿，从而造成地铁区间埋深加大；若遇高水压、强渗透性地层，往往会对盾构机的保压能力带来较大挑战。此前，武汉地铁沿用穿江越海选用泥水盾构，其他区间选用土压盾构的传统选型模式。但湖新区间需要下穿已运营的长江隧道行车道，区间埋深达33m，主要穿越强透水细砂、粉细砂地层，区间紧邻沙湖及长江，水力联系紧密。本文从水土压力、建筑物沉降、地层渗透性等方面进行分析，提出适用于该区间的盾构机型。

1.工程概况

湖新区间为左右两条平行隧道，区间隧道长1.8km，隧道纵坡28‰，最小曲线半径500m，隧道衬砌结构采用通用楔形环管片错缝拼装，管片外径6.2m，管片厚度350mm，环宽1.5m，全环分6块，混凝土强度C50。

1.1区间穿越地层及地下水情况

湖新区间洞身主要穿越粉细砂、细砂、中粗砂、粉质粘土夹粉土互层、粘土等地层；地下水分布主要为上层滞水及承压水，上层滞水，水位不连续，无统一自由水面，上层滞水埋深1.6～3.2m。

孔隙承压水主要赋存于（3-5）粉质黏土、粉土、粉砂互层及（4）单元砂性土中，上覆黏性土及下伏基岩为相对隔水层顶板、底板。含水层厚度一般为20～40m，含水层渗透性一般随深度递增与长江水力联系密切，呈互补关系，区间隧道穿越地层主要为孔隙承压水。承压水位距地面10～11m。

1.2土层渗透性

根据渗透试验资料分析，粉质粘土、粉土、粉砂互层渗透系数为0.8～1.0×10-2 cm/s，粉细砂地层渗透系数为1.0×10-2 cm/s，细砂地层渗透系数2.7×10-2cm/s，粉土、粉砂互层为中等透水地层，粉细砂、细砂为强透水地层。湖新区间互层土占16%，粉细砂地层站20%，细砂地层占38%，即强透水地层占区间地层的58%。

1.3地层岩性及颗粒含量

根据不同地层统计分析，细砂地层占区间长度的38%，细砂、粉细砂占地层的20%，粉质粘土、粉土、粉砂互层土占地层比例的21%，粘土、粉质粘土占地层比例的21%。

地层颗粒级配分析统计见表2。

由地层颗粒级配可以看出，3-5地层中黏粒含量为30%，4-1b地层中黏粒含量位25.5%。4-1中黏粒含量位12.87%，4-3中黏粒含量位11.98%。

1.4区间穿越建筑物情况

（1）区间下穿长江隧道进出口匝道，下穿长江隧道主隧道，该位置隧道埋深33m，区间穿越地层为中砂；

（2）左线区间侧穿沙湖大桥；

（3）区间下穿武九铁路桥。

1.5掘进指标

拟投入2台盾构机，两台盾构机间隔1个月，分别从湖北大学站始发，区间施工时间5个月。

进度指标：1800÷5=360m/月。

2.盾构选型基本要求及工作机理

针对国内盾构施工技术的调查分析，针对湖新区间的盾构法施工，在满足安全性、可靠性、经济型及工程工期要求的前提下，盾构选型需满足以下几个原则：

（1）具备承受高水压、土压的保压能力（0.46MPa）；

（2）能够满足湖新区间穿越不同地层的地质及水文地质条件的地层的施工需要。

土压平衡盾构是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土体切削下来进入刀盘后面的土仓内，并使土仓具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降，在出土时由安装在土仓下部的螺旋运输机向排土口连续的将土渣排出。

泥水平衡盾构是通过支承环前面装置隔板的密封仓中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排浆泵及管道输送至地面处理，盾构出土由泥水管道输送，速度快而连续；工进度快；刀具、刀盘磨损小，易于长距离盾构施工；缺点是需要较大规模的泥水处理设备及设置泥水处理设备的场地。

3.湖新区间盾构选型分析

3.1地层渗透性

地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素，根据国内外施工经验，当地层渗透系数小于10-4m/s且水头小于0.3MPa时比较适宜选用土压盾构，当地层渗透性在10-4m/s～10-7m/s时即可选用土压盾构也可选用泥水盾构。当地层渗透系数大于10-4m/s宜选用泥水盾构，地层的渗透性与盾构选型的关系见图2。

本项目盾构隧道掘进地层以细砂、粉细砂为主，属强透水地层，渗透系数Kv=1.0～3.0×10-2 cm/s，

土压盾构在渗透系数大的地层中掘进时，对高水压适应性差，螺旋输送机无法保证正常的压力梯降，不能形成有效的土塞效应，易产生渣土喷涌现象，泥水盾构对高水压、强渗透性地层适应性好；能够满足安全要求。

所以在地层渗透系数方面，推荐选用泥水盾构。

3.2水土压力的影响

当水压大于0.3MPa时，因土压盾构机的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渣土喷涌现象，引起土仓压力下降，导致开挖面失稳、坍塌。

本工程拱顶最大水土压力为0.34MPa，隧道底最大水土压力为：0.46MPa

使用泥水盾构，由于采用管道输送系统将开挖后的土渣成泥水排出，所以不会产生水及土砂的喷涌。只要通过对泥水压力及流量的正确管理，完全能保持开挖面的稳定。因此宜采用泥水盾构。

结论：在水土压力方面，宜选用泥水盾构。

3.3地层颗粒成分影响

由表2可以看出，粘性地层颗粒粒径小于0.075mm的比例约占20%，砂性地层颗粒粒径小于0.075mm的比例约占10%。

对湖新区间地层颗粒成分的统计并形成样件曲线，盾构选型与颗粒级配的关系详见图3。

上图左边区域为卵石砾石粗砂区，为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边区域为细砂淤泥粘土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。中间为泥水及土压均适合的区域。

从上图盾构主要穿越的地层颗粒级配曲线分析，在地层颗粒方面土压及泥水盾构基本都能够满足要求。

结论：从地层颗粒成分角度，土压及泥水盾构均适用于本标段。

4.影响盾构选型的其他因素

4.1盾构选型对长江隧道的影响分析

湖北大学～新河街区间需下穿长江隧道进出匝道及主行车道，长江隧道抗拔桩底距隧道顶部间距4.6m，位于细砂地层中，该位置最大水土压力0.46MPa，土压盾构螺旋输送机无法保压，将造成喷涌、同时造成隧道顶部坍塌，危及长江隧道结构及行车安全。采用泥水盾构完全可以控制沉降，保证长江隧道结构安全。

4.2土压盾构辅助措施分析

在富水粉细砂、细砂地层中，渣土中没有足够多的细颗粒（粘土）物质，颗粒间隙较大，这些间隙高水头压力的地下水通道，土压盾构掘进时，砂性土无法糅合成流塑或软塑固体，在土仓内就会形成“水是水、渣是渣”的状态，在此情况下，螺旋输送机就成为高压水的通道，一旦打开螺旋输送机的闸门就会有高压渣水喷射出来，造成掌子面坍塌，地表塌陷。

辅助措施的目的：

（1）使渣土形成流塑状态，易于传递及搅拌；

（2）使渣土具有不透水性、不发生喷涌，以便于出土。

4.2.1双螺旋输送机

双螺旋输送机设计在一定程度上可以控制喷涌，该设计仅在成都地铁个别设备上安装，但没有使用，目前无成功案例，同时双螺机需要同步进行渣土改良配合。

4.2.2保压泵

保压泵最大理论输出量为120m3/h，最大有效输出量为60～70m3/h；而螺旋输送机的输送能力为300m3/h；同时，保压泵对于过渣粒径有一定适应性，经调查50～100mm的渣块即可堵塞保压泵，造成泵体无法工作。

经调查，保压泵在广州地铁进行过试验，因泵渣能力受限，且易堵塞，后被放弃。

对于360m/月的掘进指标，保压泵显然无法满足施工进度要求。

4.2.3高分子聚合物

高分子聚合物在理论及室内试验取得过较好的效果，但在施工生产方面，受注入条件及操作人员人为因素，存在一定不确定性，偶然发生的聚合物渣土改良失误在高水压下即可发生喷涌的严重后果。

5.盾构类型的确定

综上所述，针对本项目标段，从隧道施工安全、高效的角度考虑，综合地质适应性、高水压、高透水性、深覆土、管线、区间穿越建筑物等方面分析得出泥水平衡盾构可以满足本工程需要。

6.结论及建议

湖新区间采用泥水盾构是可行的，也是目前唯一适应高水压、强透水地层并快速掘进的方案。

从该区间的盾构机选型可以看出，盾构机选型需要从工程地质、水文地质、地层渗透性、水土压力、工程环境、工期工效、施工安全性等多方面进行对比分析，而不仅仅是从工程投资角度或穿江越海及陆地等粗线条划分，往往施工的安全性及工期的可靠性才是盾构选型的首选。

泥水盾构在湖新区间的适应性，还需要进一步的工程实践。