浅析设备选型对隧道施工的重要性及选型的思路方法

■ 粤水电轨道交通建设有限公司 贾剑虹

1.项目概况

湛江市鉴江供水枢纽工程—湛江湾跨海盾构隧道项目位于湛江湾的最窄处，起止桩号分别为0+000.000～2+750.000，隧道总长度为2.75km。该隧道横穿海底，施工难度大、安全风险高，线路为从南三岛至东海岛。

2.工程特点、难点及对盾构机的要求

2.1 地层条件

（1）隧道地质分布统计

该盾构区间隧道主要穿过的地质情况如表1所示。

（2）洞身地层强度统计

该盾构工程地层强度分析如下：

隧道洞身范围大部分为软弱地层，主要处于③-2中粗砂层、⑥砂质粘土层，天然抗压强度较低，局部隧道洞身范围存在铁质层和钙质层，厚度约10mm。

根据上述分析，并结合项目实际以及相关工程案例和经验，盾构刀具易使用“周边滚刀＋贝壳刀”的刀具组合。中心刀和刀盘周边滚刀刀圈，需要使用特制合金钢材料，用来增加刀具的耐磨性。针对局部隧道洞身出现的铁质和钙质层，以及可能引起刀具的磨损，拟准备软硬两种刀盘的配置，在必要情况下通过人闸气压进仓更换刀具。

2.2 基本功能要求

在选择盾构机时，要求盾构机必须具备适当的开挖、管片安装、土体支撑等能力，同时也要兼具测量导向、背后填充、密封等系统能力。在此基础上，依据该工程的实际情况，再对盾构机提出针对性的设计要求，例如，增强刀盘的强度，加上盾尾刷的密封可靠性，增强其同步注浆系统的容量和可靠性、土仓内泥浆循环流量、土仓中部泥浆冲刷系统等。

（1）在多种复杂地层掘进

①在软土地层和砂层中高水压下掘进

该工程主要穿越海陆交互相沉积砂层和冲积—洪积砂层，土质较为松散，地下水丰富，泥水盾构在这种地层中掘进时地层沉降控制有出色的表现，关键是盾构掘进参数的调整，掘进时要求环流系统能稳定运行才能控制好切口水压，同时也要求功能强大的同步注浆系统。

②在铁质层中掘进

盾构隧道在穿越海底深处可能存在4处铁质层和钙质层，岩质较为坚硬，其余洞身为砂质黏土层。这就要求盾构机刀盘必须有足够的强度，刀具必须有足够的耐磨性，在不换刀的前提下能切削岩层。

表1 盾构隧道区间洞身主要地质分布表

③隧道顶砂层

该工程盾构隧道线路埋深虽大，但由于临近海边，砂层分布较广，隧道在到达南三岛接收井前约82m的周边，存在③-2中粗砂层倾入隧道现象，为保证隧道在使用过程中的安全，必须对隧道顶部进行加固处理。

（2）大坡度掘进及到达

盾构隧道线路存在一处39.1‰的下坡段和一处30.9‰的上坡段，产度分别为1039m和711m。这就要求盾构机具备中折装置、仿行刀、超挖刀和高精度的激光自动导向系统，由于坡度大、坡线长，要求中折密封的耐久性和仿行刀的可控性、可靠性和耐磨性，要求高质量的盾尾密封刷，为了保证长期偏心受压的状态下管片不破损、不错台，必须将推进千斤顶安装在后筒上，同时还要求具备强大的同步双液注浆系统及时固定管片。在掘进急转弯隧道时，盾构机还必须具备各个方向的纠偏能力，这就要求中折装置的最大偏转角度大于1.2°。

（3）泥饼清理

本标段地质主要由砂质黏土局部粉土组成，此类地层存在形成泥饼的可能性，如“泥饼”形成后，土仓中部及刀盘正反面泥土板结，推力变大，刀盘扭矩过大或过小，会造成掘进困难。

在“泥饼”形成后，清理会十分困难并影响进度，要求盾构机必须加大土仓内泥浆循环流量，及时带走切削下来的黏土，同时具备土仓中部环流冲刷系统和刀盘高压水（能添加黏土分散剂）清洗系统。刀具和刀盘开口布置及主动和被动搅拌棒的布置须充分考虑预防“泥饼”的因素，必要时通过配备的人闸系统人工清理泥饼。

（4）沉降控制

该工程地层偏软，隧道覆盖层全部是易沉降、易塌陷的砂层和砂质黏土层，隧道上方虽为深海，但海中有军事设施及跨海光缆等设施。因此，该工程需要对地表的沉降进行严格控制，需要盾构机具有相应的地表沉降控制能力。为了达到沉降控制的目的，盾构机在设计时需要考虑刀盘的开口率、切口水压的稳定性以及注浆系统的适用性，可以采用双液同步注浆系统来及时对管片壁后进行注浆填充，进而获得后期更小、更稳定的沉降控制。

（5）盾构机需要具备技术先进性、可靠性及经济适用性的特性

盾构机的可靠性是盾构隧道工程能否顺利完成的必要条件，其关键核心部件必须在设计寿命范围和期限内做到万无一失。其可靠性主要表现在设计的适应性，即针对工程相关特点的适应性；盾构机本身质量固有的可靠性，例如寿命、性能等。同时，也不能为了单方面提升盾构机的可靠性，而一味的加大盾构机的建造成本，在盾构机设计时，也要兼顾其技术先进性和经济适用性，这样才能确保工程成本的控制要求。

（6）盾构机施工生产能力满足项目工程进度的要求

根据该项目的工期安排，其隧道在正常掘进段的工程进度要求为180m/月，盾构机的施工生产能力必须满足工程进度的要求。

3.对盾构机进行选型

3.1 选型要点

由于盾构隧道的特性，盾构机选型是工程能否顺利完工的关键，必须结合工程相关特点，选择具备安全性、可靠性、技术先进性和经济适用型的盾构机，其选型需要注意的要点包括以下几点：

①必须是适用于围岩条件的机种；

②必须是能合理兼用辅助施工法的机种；

③必须是适用于施工长度、工期要求、设计线路要求的机种；

④后配设备、始发基地等施工设备必须要配备成盾构机种的开挖能力；

⑤必须对劳动环境进行考虑。

由以上可知，盾构机的选型，需要综合考虑项目的地质、障碍物、设计线路、隧道长度、工期要求、环境保护、经济性等。

3.2 选型依据

根据该工程的相关特点，盾构机选型时须满足以下几个条件：

①隧道单端掘进长度大于2.75km；

②地下水位埋深：21m～60m；设计外水压力0.6MPa，最大外水压力0.7Mpa；

③隧道覆土厚度：20m～46.7m；平面为直线，最大坡度为39.1‰；

④隧道内净空：5.4m，管片外径：6.3m，管片厚度：0.45m，管片宽度1.5m；

⑤计划进度：平均月进度180m；

⑥特殊地段：跨海掘进、隧道顶砂层、全断面砂质黏土层，局部断面夹铁质层和钙质层等；

⑦盾构机掌子面需满足压力平衡的要求，在中细砂层和黏土层等软弱地层中掘进施工时，应具备加固掌子面和盾构机周围土体的能力；

⑧在碰到石英砂含量高的地层时，盾构刀具及刀盘应具有硬度高及耐磨的能力；

⑨该项目隧道地层可能会有1cm～10cm厚的铁质和钙质结核，其特点是胶结致密坚硬，需要配备合适的刀具；

⑩因隧道在海水下掘进，其地下水具有一定的腐蚀性，要求盾构机相关钢结构具备一定的耐腐蚀能力。

3.3 选型确定

根据盾构头部的结构，盾构机大致分为开放式和密封式两大类，开放式盾构机包括人工式、半机械式、机械式；密封式盾构机包括挤压式、泥水平衡式、土压平衡式。其中，开放式盾构机用于不受土压、水压影响的工作面，自稳性较好的地段，或配合采用某种辅助工法、气压法、土体加固等，使工作面处于稳定状态。该工程的地质和环境要求只能采用土压平衡和泥水平衡两种方式。两者的比较如表2所示。

该工程要穿越饱和砂层、软土层，地质条件差，土层结构易受破坏，抗剪强度和承载力都低，易引起地面或建筑物下陷。针对本标段的情况，我们对盾构机对地层的适应性（主要讨论切削面稳定效果和沉降影响两个方面）作了进一步比较，如表3、表4所示。

分析结果表明，软弱地层以及渗透系数较高的地层，因该项目跨海隧道最大外部水压达到0.6MPa，水压较大，极易导致喷涌情况的发生，如采用土压平衡盾构机，则需要设计较长的螺旋输送机用来出土，或者额外在螺旋输送机末端增加设置减压阀，需要占用较大的空间，本隧道洞径较小，不适于土压平衡盾构机，用泥水平衡盾构机会更加合适。

表2 泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构比较表

表3 切削面稳定效果比较表

表4 地表沉降影响比较表

综合以上分析对比，本区间采用泥水平衡式盾构机，无论从工程需要还是地层适应性，都是最佳选择。

4.小结

本文从工程的实际情况入手，通过对工程区间的地质情况进行分析判断，并收集对比泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机的性能和参数，结合不同地质条件下地表沉降对比分析情况，选择了泥水平衡盾构机。同时在选定设备的基础上，再对设备的适用性进行了分析，确保了该选型设备能够满足安全顺利完成施工目标的要求。本文的设备选型思路，对同类施工具有一定的借鉴意义。