浅谈富水圆砾地层盾构选型研究

摘要：以南宁富水圆砾地层的盾构选型为例，从刀盘、刀具设计对地层的适应性上，从螺旋机的改造降低喷涌现象上，从盾构施工安全性和可靠性上，描述了应对各项不利因素的措施，并给出盾构选型建议，然后通过现场实践，项目部平稳、安全、受控地完成了区间任务。

关键词：盾構；圆砾地层；适应性；可靠性

1、前言

现代地铁隧道盾构施工的第一要务，就是要保证周边建构筑物和其他各种市政设施的安全，而盾构选型和功能配置的合理与否是安全施工的根本。

2、工程概况

南宁地铁一号线南湖站～金湖广场站～会展中心站盾构隧道区间位于民族大道，东西向布置，为地下线，线路两侧高楼林立，多有国家企事业单位办公，且民族大道是连接主市区和琅东新区主要干道，交通非常繁忙，地下管线情况复杂。

隧道衬砌管片外径6.0m，内径5.4m，宽度1.5m，管片厚度0.3m，分块数：6块。管片采用标准环+转弯环的模式拟合线路，转弯环最大楔形量为38mm，最小曲线半径350m，最大坡度24.873‰。

3、工程地质情况

根据地勘报告及盾构施工经验，通过对北京和成都的砂卵石地层与南宁圆砾地层进行对比分析，发现圆砾地层有如下特性：灰色、乳白色、褐黄色等，稍密～中密，饱和，以砾石为主，少部分卵石，磨圆度较好，以次圆状为主，部分滚圆状或次棱角状，成分以石英岩、硅质岩为主，物理性质非常松散，稍有扰动就会失稳，而北京和成都的砂卵石地层比较密实，有一定的自稳性，对盾构施工要求不是很高。因此，盾构掘进施工时，非常容易出现喷涌事件，引起坍塌，故本文只对盾构机如何应对圆砾地层进行重点分析。

4、盾构选型原则

根据工程条件及工程水文地质，严格按照适用性和可靠性第一、先进性第二、经济性第三的原则，在科学统一的基础上进行盾构机选型。

（1）所选的盾构机必须以掌子面的稳定为核心，满足工程地质和水文地质条件下，安全施工。土質的塑性、流动行和渗透系数等因素，是保证掌子面稳定基础，一般认为渗透系数为10-5m/s是土压平衡盾构机能够安全作业的上限值。

（2）盾构机技术水平先进、可靠，要有良好的掘进性能，结合管片衬砌的类型防止坍塌和渗漏，各配套系统具有紧凑的配合关系，故盾构选型是一个系统性的问题，需要综合考虑。

（3）盾构选型在经济性上也是不容忽视的。

5、盾构配置技术要求

对比泥水盾构，经研究分析，隧道采用土压平衡掘进模式为最优选择。盾构性能应该满足以下要求：①对防止圆砾层喷涌有针对性的措施；②在遇到不同的地层时可以更换不同的刀具；③盾构必须适应于各种砂土、粘性土、圆砾层；④刀盘的驱动和推进系统必须具有足够的扭矩和推力，以保证盾构在土压平衡模式下所需；⑤盾构必须具有足够的土压平衡调节能力，保证开挖面的稳定，与周围的水压力及土压力平衡，控制地表隆陷不超过+10/-30mm；⑥土碴改良装置应有泡沫、泥浆、水等注入机构，且可实现自动控制和手动控制，以保证碴土的塑流性和不透水性。

6、盾构重点部位技术分析

6.1刀盘分析

根据地质勘察资料，刀盘采用复合式设计，开口率40%，中心支撑方式，可防止大粒径孤石进入土舱阻塞螺旋输送机。刀盘上设计有四个中心进碴口、八个大尺寸正面进碴口以及四个周边进碴口，可有效降低刀盘中心结“泥饼”的可能性，进碴口采用锥形设计，支撑筋板采用Z字形设计，有利于碴土顺畅地流入土舱，可实现正反双向旋转出碴。

刀盘上设有4道泡沫管路（刀盘中心2路，刀盘外周2路）和2道膨润土管路。刀盘内部设置4个主动搅拌臂，可以保证刀盘内部土体的均匀性。

6.2刀具配备

刀具的选用对盾构的开挖效率起着十分重要的作用，因此采用撕裂刀、切刀和刮刀等混合配置的组合方案，可有效开挖各种淤泥、砂土、粘土，又能适应各种素混凝土加固区的掘进，同时所有可拆式刀具均可从刀盘背部进行更换。

①撕裂刀。配置4把中心撕裂刀和31把撕裂刀，可用来破碎素混凝土墙体以及在较为坚硬的砾石层中行走；②切刀。刀盘配置36把切刀，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，可在粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层掘进；③边缘刮刀。刀盘配备8把边缘刮刀，用来对付各种砂土、粘土等较松散的地层及全风化的岩层等其它未固结的土体，刮刀上装有碳化钨刀刃，可降低掘进过程中产生的磨损，校准盾构的开挖直径；④保护刀。通过配备喷口保护刀6把、普通保护刀8把和外圈保护刀，使刀具磨损程度减弱，提高了刀具的寿命，保护了刀盘，降低了换刀频率；⑤超挖刀。配备1把超挖刀，用于盾构曲线施工时的超挖及盾构姿态的调整，由液压油缸操纵伸缩，其行程为0～20mm。

6.3主驱动

配置的主轴承直径3061mm，最大使用推力荷载1600t，试验推力荷载4062t，破坏推力荷载6500t。8组变频驱动，功率945KW，额定扭矩6000kNm，脱困扭矩7200kNm。通过重庆、沈阳、西安全断面砂卵层地层常用的扭矩进行推算，本项目全断面圆砾层常用扭矩应在3500kNm<6000kNm左右。

6.4中盾

中盾和尾盾采用被动铰接连接，沿中盾盾壳圆周上半部180°设计10根超前注浆管，可对地质进行超前钻探、注浆加固。

6.5泡沫和聚合物注入系统

配备有泡沫添加系统，可通过刀盘面板上8个孔道、土仓隔板上4个孔道，及螺旋输送机筒壁3个孔道分别或同时向开挖面、土仓、螺旋输送机内部注入泡沫或膨润土，用于改善碴土的塑流性和防止泥饼的产生。为了适应设备能在高水压富水地层正常工作，设备配置了聚合物注入系统，通过泵将聚合物注入到土仓里面，防止喷涌的发生。

6.6采用双螺旋结构模式防喷涌发生

为了防止掘进时发生涌水、涌沙现象，将螺旋输送机设计为双级结构，在掘进时，通过调节两级输送机的运转效率，防止喷涌的发生。

6.7掘进可靠性要求

地面沉降控制方面：一是在土仓中安装了5个土压传感器，它能准确地监测出开挖面各方位的水土压力；二是在4个注浆管路的末端安装了浆液压力传感器，并将数据显示在控制面板上；三是在掘进机控制软件中配备了出土超限、掌子面支撑压力、泥仓碴土的表观密度报警系统。

隧道掘进轴线的精确性方面：一是采用先进的姿态测量系统和姿态显示系统，直观地显示出盾构机的姿态。二是推进油缸分成上、下、左、右4组，各组油缸的压力和行程能被检测和显示在控制室的操作面板上，并可调整各组油缸的伸出速度和伸出量。

7、结束语

特殊地层条件下的盾构选型是一项复杂的系统性工程，需要对地质、水文、外部环境资料，进行认真分析，系统研究，合理确定各项参数和配置。本文以南宁地铁富水圆砾层为主要不良施工条件，从刀盘配置、刀具选择、中盾、主驱动、泡沫和聚合物注入系统、螺旋机、掘进安全性和可靠性等方面进行了分析研究，最后通过现场施工验证，盾构设备状况、掘进姿态、地表沉降等方面均受控，为类似施工提供了借鉴。

参考文献：

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[5]李俊伟，吕培印等.符合地层条件下盾构选型的风险分析[J].地下空间与工程学报，2007，3（7）：1241-1260.

作者简介：

汪凯；1984年10月；男；中级工程师；毕业学校：辽宁工程技术大学 专业：测绘工程。