超大直径泥水盾构常压换刀设计关键技术——以汕头海湾隧道及深圳春风隧道为例

谭顺辉， 孙 恒

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

0 引言

在过去的20年中，大直径盾构技术取得了重大突破，超大直径盾构隧道建造技术自日本东京湾道路隧道于1996年建成以来得到了蓬勃发展。越来越多的海底、江底隧道的设计倾向于采用大直径断面，实现多车道，达到快速公路车流要求。如： 中国南京纬三路双管公路隧道，其开挖用盾构的刀盘直径为14.93 m，隧道管片外径14.5 m，单管双层双向，设计时速为80 km; 中国武汉三阳路双管隧道是世界上首例公铁合建的盾构法隧道，使用了直径15.76 m的盾构开挖，单管上层为3车道公路通道，下层为地铁7号线轨道通道[1]。

随着隧道需求直径的增大，盾构设计制造直径也在不断增大。1985年设计制造的最大盾构直径为6.10 m，该泥水盾构用于汉堡Hera隧道的开挖[2]，在当时看来直径6 m以上的盾构已是大直径机型了。之后不到5年时间，即1989年，用于Grauholz 铁路隧道的泥水盾构直径达11.60 m[3]。1994年日本东京湾横断公路隧道项目使用盾构直径达14.14 m[4]，1997年易北河第4隧道使用的泥水盾构直径达14.20 m，此后直径14 m以上盾构的使用项目数量快速增加。到目前，越来越多的行业人士习惯于把刀盘开挖直径5～7 m的盾构列为常规直径盾构，而把直径大于14 m的盾构称作超大直径盾构。

据不完全统计，截至目前，全球完成设计和制造的直径14 m以上的盾构项目有42个，其中泥水盾构项目30个，土压盾构项目12个，超大直径盾构发展统计如表1所示。从国家和地区分布来看，中国共有超大直径盾构项目26个，占总项目的61.9%。

表1 超大直径盾构发展统计

表1(续)

本文以中国汕头海湾隧道和深圳春风隧道为例，分析超大直径盾构研发制造和施工中遇到的难题，并提出解决高水土压力下刀盘维护及换刀、破碎地层长距离掘进等一系列难题的关键技术。

1 超大直径泥水盾构的选型

随着盾构设计和制造水平的飞速进步，盾构选型的弹性边界也有扩大。但工程项目的地质岩性及其强度、石英含量、完整性、地下水位、土体渗透系数以及颗粒级配信息仍是盾构选型的重要参考依据[5]。

1.1 超大直径盾构的选型要素

超大直径盾构除了具有常规直径盾构的特点外，还包括开挖工作面大、地质不均概率高、工作面上部和下部水土压力差别显著、地层扰动相对较大等新情况，所以对于超大直径盾构的选型，如何确保工程施工安全成为需要考虑的重点。常规直径盾构和超大直径盾构规模因数比较见表2。

表2 常规直径和超大直径盾构规模因数比较

从表1可看出，超大直径盾构规模因数是常规直径盾构的数倍。超大直径盾构的应用需重点考虑的是盾构直径增大后，在刀盘向前掘进和注浆施工时，能否顺利破除不均质的掌子面地层、能否顺利排渣土和控制好地层扰动对周边环境带来的不利影响。当然，由于设备直径的增加，刀盘、盾体、主驱动箱等关键部件和整机框架结构件的尺寸、质量也同步增加，因此刚度、强度问题也需要认真考虑。

1.2 泥水盾构的应用优势

泥水盾构为闭式系统，利用旋转刀盘在悬浮液和泥膜环境中切削掌子面岩土，通过泥水循环系统来维持掌子面的压力平衡并以悬浮液的形式带走开挖下来的渣土。相比土压盾构，正常掘进情况下，泥水盾构刀盘转矩低一些，刀盘、刀具磨损速率也会减缓。同时，因泥水盾构的泥水舱、掌子面压力稳定控制相对较为容易，地质适应性强，对周围土体影响小，故泥水盾构应对软弱地层、地下水丰富、砂层、冲积层等较为理想[6]。从超大直径泥水盾构应用案例来看，对于砂层地质，相比土压盾构，掘进断面越大，泥水盾构应用效果越好[7]。

在上述统计的42个超大直径盾构项目中，土压盾构项目占比约1/3。经验表明，对于渗透系数小于1×10-4m/s，黏土、粉土等细颗粒地层，土压盾构是较好的选择。土压盾构施工时，掌子面压力稳定与掘进速度、渣土状态及螺旋输送机的排渣速度密切相关。而对于超大直径土压盾构应用而言，掌子面压力稳定要求较高，如遇非理想地层掘进段，渣土改良务必要达到良好的效果，才能减少出现渣土滞排、刀盘转矩剧增、或者对周边地层扰动增大的情况。

由于泥水盾构要设置泥水循环系统和地面泥水处理站等设施，地面场地要求较大。就设备系统造价而言，常规直径泥水盾构比土压盾构价格高15%～25%。而由于刀盘驱动功率的降低和刀盘刀具磨损的减少，超大直径泥水盾构和土压盾构的使用成本相差无几。由于地质的复杂性，在实际项目选型中，几乎没有理想地质对应理想机型的情况，尤其是对于超大断面、长距离隧道项目，很难出现断面上下地层均一、隧道线路方向地质均一的情况。随着盾构研制技术及其施工应用技术的不断进步，使得超大直径盾构在应对复杂地质隧道施工时更加安全。

2 中国汕头海湾隧道工程

2.1 工程项目概况

汕头海湾隧道工程是汕头干线公路网的重要组成部分，项目起点位于龙湖区天山南路与金砂东路平交口，终点位于中信滨海新城南滨片区虎头山山脚，路线全长6.8 km，其中，北岸接线长0.5 km,隧道长4.95 km，南岸接线长1.35 km。西线盾构段长3 045.75 m,东线盾构段长3 047.5 m。隧道按双向6车道、行车速度为时速60 km设计，工程总投资约38.45亿元。工程建成后将有助于增进汕头市南北区的联通以及与粤港澳大湾区的融合。

汕头海湾隧道采用盾构法施工，隧道结构由隧道管片、中间箱涵和现浇筑车道板构成，管片外径14 500 mm，管片宽度2 000 mm。隧道穿越地层主要为花岗岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩、糜棱岩、少量卵石及砾砂地层。其中，中微风化岩层普遍抗压强度约为50 MPa，微风化(硅化)片岩最大强度为173.7 MPa。全断面岩层(中、微风化)长度占整条隧道长度的77.3%，岩石强度最高达到203 MPa。其中，各类岩石的长度和岩石质量指标(RQD)为： 碎裂岩，22～37 m,95%RQD=0； 微风化片岩，46～62 m, 50%RQD>40%； 中风化片岩，24～39 m,RQD=0； 微风化变质砂岩，20～35 m,50%RQD=40%。此外，隧道最大水压为0.5 MPa。汕头海湾隧道项目施工难点包括： 全隧下穿汕头海湾，地层为极软混合地层,带压进舱换刀困难； 极软地层中存在3段极硬基岩突起段，差值大的上软下硬地层易造成掘进困难、刀具异常损坏、轴承偏载、地层扰动大、滞排堵舱问题； 隧道全线上覆土基本为淤泥层，覆土深约1倍洞径，存在压力击穿风险。

2.2 超大直径泥水盾构

针对汕头海湾隧道项目水文地质特点及施工难点，选择设计制造直径为15.03 m的超大直径泥水盾构来应对诸多挑战。

2.2.1 常压换刀技术

根据英国健康与安全执行局(UK HSE)出版的压缩空气作业规范(1996年发布，2002年重印)，推荐人工最大带压工作范围不超过0.35 MPa[8]。在超过0.35 MPa压力的空气环境下工作，作业人员的听觉、反应敏捷度都会大大降低，而且带压力的气体对人体功能器官影响较大，作业安全难以得到保障。作业结束后减压时间长，人体存在减压病风险。

汕头海湾隧道项目最高水压接近0.5 MPa，隧道穿越极软混合地层，包含3段极硬基岩凸起，刀具异常损坏可能较多，预期刀具检查处理的工作频次高，换刀困难，故刀盘刀具设计采用常压换刀技术，极大地提高了换刀效率和作业安全性。作业人员可以通过刀盘中心舱进入中空的刀盘辐条臂内，并在常规大气压条件下进行刀盘及刀具的检查维护作业。刀盘结构设计为6个中空主梁，主梁上刮刀和滚刀可在常压环境下更换，同时主梁内集成设计了刀具更换油缸固定装置、刀具运输系统、冲刷管路、爬梯、可拆卸作业平台等，保证了主梁内常压更换刀具的安全性和快捷性。刀盘整体开口率为28%，在满足中心区域常压更换滚刀布置和刀盘结构强度和刚度情况下，增大了中心开口率，有利于中心区域渣土流动，减少中心刀具的磨损。同时，刀盘设置限径格栅，可防止较大粒径岩块进入舱内造成堵塞。

通过对刀盘的强度、刚度进行有限元分析，得出结果见图1。

(a) 刀盘等效应力云图(单位： MPa)

(b) 刀盘综合位移云图(单位： mm)

分析结果显示，在所示的刀盘边界条件下，刀盘结构的最大等效应力为172.81 MPa，刀盘绝大部分区域的等效应力小于86.45 MPa，刀盘的等效应力分布云图如图1(a)所示。刀盘结构的最大综合位移为3.82 mm，刀盘的综合位移分布云图如图1(b)所示。刀盘设计所用材料为Q345，该材料的许用应力为295 MPa，因此该刀盘的结构设计满足要求。

刀盘维护人员通过中心舱进入刀盘辐条臂内进行刀具更换，整个换刀过程处于常规气压环境，作业安全高效(见图2和图3)。

图2 刀盘布置图

图3 刀盘辐条臂常压状态换刀

常压换刀装置是实现常压换刀的压力隔绝机构，主要由密封座、闸门和刀筒等组成。常压换刀装置总成及部件见图4。

图4 常压换刀装置

刀盘辐条臂上刮刀和滚刀可在常压环境下更换。常压换刀装置设计有防误装的对位销钉，可以防止刀具错装。

2.2.2 主驱动及密封系统

由于地质软硬不均，且最大水压高达0.5 MPa，要求刀盘刀具维护安全便捷，密封系统稳定可靠。

为了便于刀盘刀具维护，超大直径泥水盾构设计采用伸缩摆动式主驱动系统(见图5)。该方式主驱动系统允许刀盘缩回一定距离，为刀盘前面腾出一定空间从而使得刀盘维护更便捷；允许刀盘摆动，提高了边缘刀具的更换效率；同时也可以防止刀盘被卡。

图5 伸缩摆动式主驱动

该盾构主驱动系统设计采用4道唇形密封，能够有效应对高水压作业环境。设计密封系统可承受0.6～1 MPa的压力，能够保护主驱动系统不被外界水土侵入。

2.3 施工情况

该工程采用的2台超大直径盾构从南岸围堰始发向北岸掘进。东线超大直径盾构于2017年12月26日始发，西线超大直径盾构于2018年10月21日始发。

截至2019年7月7日，项目东线盾构完成掘进952环(1 904 m)，平均每天掘进4～5环；西线盾构完成掘进293环(586 m)，平均每天掘进4～5环。东西线2台超大直径盾构在始发阶段通过加固体和围堰回填段，均不同程度地遇到一些来自于异常地层的问题，存在一些困难。东线盾构掘进初期出现过刀具退回问题，西线盾构出现过刀具传感器失效问题，通过维护均得到了及时修复。目前，总体掘进施工情况良好。东线隧道预计于2020年初率先实现贯通，其后3个月西线隧道也将实现贯通。

3 深圳春风隧道工程

3.1 工程项目概况

春风隧道为深圳市城市公路交通快速路隧道，上下2层，双向4车道，设计时速60 km。隧道工程线路全长约5.08 km，其中盾构隧道段全长3 583 m，其最小平曲线半径750 m，最大纵坡49‰。隧道埋深23～62 m，隧道底部最大净水头压力约0.59 MPa。隧道下穿地铁9号线鹿丹村站人行通道、布吉河(河宽约50 m)、海关宿舍楼、大滩大厦、广深铁路股道及深圳站、深圳边检宿舍楼等建(构)筑物；隧道临近深圳河，最近处约35 m。

隧道线路主要穿越地层为花岗岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩、糜棱岩、少量卵石及砾砂地层。中微风化岩层普遍抗压强度约为50 MPa，微风化(硅化)片岩最大强度为173.7 MPa。片岩约占整条隧道长度的58%。全断面岩层(中、微风化)长度占整条隧道长度的77.3%。区间穿越11条破碎带，破碎带总长度约431 m，破碎带影响区域总长度约543 m(地质剖面图见图6)。RQD值为0的总长度约为580 m。隧道主要遇到孔隙水和基岩裂隙水。

图6 春风隧道地质剖面图

隧道衬砌结构为管片外径15.2 m，环宽2 m，全环采用7+2+1衬砌形式，通用衬砌环，错缝拼装，隧道空间规划见图7。

图7 隧道空间规划

3.2 超大直径泥水盾构

该项目具有隧道开挖断面大、区间长、埋深大、水压高等特点。其超大直径盾构施工难点如下： 隧道为全断面岩层，地质岩石强度范围大，石英含量高，刀盘、刀具、泥水管路易磨损；局部水压高达0.49 MPa，人员带压进舱作业困难；隧道穿越软弱围岩和破碎带，碎石易受到扰动掉落堆积造成堵舱滞排；隧道下穿重要建筑物和道路，地表沉降控制要求高。针对以上难点，项目选择采用1台专门设计的超大直径泥水盾构来施工。该盾构刀盘开挖直径15.8 m，同样采用了常压换刀刀盘，刀具间距尽可能小，以应对长距离岩石掘进问题；主驱动功率6 300 kW，同样具有伸缩摆动功能，利于刀盘刀具维护工作；密封系统设计工作压力0.8 MPa，满足最大水压的要求；整机总长160 m，总质量约4 800 t。

因该项目隧道区间要穿越11条断层破碎带，破碎带总长度约431 m，单条破碎带最长约117 m，破碎带影响区域总长度约543 m。在破碎带中掘进时，伴随着刀盘刀具开挖掌子面，部分破碎岩石大粒径渣块会掉落到刀盘底部，逐渐集聚到排浆管吸渣口前方区域，出现积渣并堵塞排浆管吸渣口，产生滞排现象，导致排浆管出渣不畅，掘进将非常困难。

为了解决这种潜在的滞排风险，采用了舱内舱外双破碎机设计(见图8)。舱内颚式破碎机允许破碎粒径大于舱外双齿辊式破碎机破碎粒径。穿越破碎带区域时，舱内底部渣土可先通过颚式破碎机进行一次破碎，避免舱内积渣和滞排。通过颚式破碎机后再经过管路输送至双齿辊式破碎机进行二次充分破碎，进而达到出渣管路和泥水处理站的出渣和处理要求。

图8 舱内舱外双破碎机设计

颚式破碎机布置在前盾气垫舱底部(见图9)，采用液压油缸驱动，破碎机具有破碎和搅拌2种工作模式。破碎机运行次数为3次/min，最大破碎粒径为1 200 mm，最大通过粒径为200 mm×400 mm，最大破碎强度300 MPa。

图9 舱内颚式破碎机

舱外双齿辊式破碎机(见图10)设置在排浆泵前方，用于对一次破碎后石块的进一步破碎，保证排浆泵的通过粒径。最大破碎粒径350 mm，破碎后最大粒径150 mm。

图10 双齿辊式破碎机

舱内舱外双破碎机设计可以有效防止滞排，提高了在穿越破碎带的排渣效率和安全性。

4 结论与讨论

超大直径盾构研制取得了快速的进步，正在向更大直径如19 m、20 m及以上发展，这类盾构的安全性、可靠性和经济性伴随科技进步正在日益提升。由于超大直径盾构自身直径大，再加上洞径1倍以上的覆土深度，故实际项目应用经常遭遇到较高的水土压力。对于高水压地质，无论泥水盾构还是土压盾构，常压换刀装置逐渐成为必要配置。

常压换刀装置和人员换刀作业的方式有多种，诸如汕头海湾隧道项目和春风隧道项目项目利用中心舱进入常压刀盘辐条臂，在常规大气压条件下进行刀盘及刀具的检查维护作业，是较为优选的方法。刀盘整体开口率为28%，在满足中心区域常压更换滚刀布置和刀盘结构强度和刚度情况下，增大了中心开口率，有利于中心区域渣土流动，减少中心刀具的磨损。同时，刀盘设置限径格栅，可防止较大粒径岩块进入舱内造成堵塞。由于地质条件不同，刀盘形式不同，根据实际工况，其他类型的常压刀盘和换刀技术也有不少的成功应用。为确保压力控制精准和排渣顺畅，选用舱内舱外双破碎机，可有效解决滞排问题。

由于作业空间的限制，当前超大直径常压换刀技术尚不能支持全盘面刀具常压条件下更换，随着破岩刀具技术和换刀技术的进步，未来有望实现全盘面刀具的常压更换。