泥水平衡式盾构机在广东西江项目的应用

寸万里

摘 要：本文介绍了泥水平衡式盾构机在广东西江项目的成功应用。

关键词：泥水平衡式盾构机;穿越西江;应用

水电十四局有限公司中标广东省天然气管网一期管道项目西江盾构隧道工程，该工程工期紧并将穿越西江，施工难度大、风险高，拟采用一台泥水平衡式盾构机及相应后配套设备进行施工，结合工程特点，可以明确该台泥水平衡式盾构机的主要技术参数、能力及运行管理将决定该工程的成败。

一、西江盾构隧道工程概况、地质条件及设计概况

1、工程概况

西江盾构隧道属于广州至肇庆干线，是广东省天然气管网一期工程的重大控制性工程之一。穿越位于广东省肇庆市鼎湖区沙浦镇和永安镇境内，进口端属于永安镇贝水乡贝水村，出口端属于沙浦镇典水一乡东江村。

西江隧道穿越等级为河流大型穿越工程，穿越段总长度为2445.6m（其中盾构掘进段长度2161.4m，南岸与北岸竖井深度分别为26.9m和18.3m，合计2206.3m;连接线路段为239m）。西江隧道属于水下圆形断面单管盾构隧道;采用泥水加压盾构连续掘进，衬砌管片内径为Ф3.08m，外径Ф3.58m（盾构机刀盘Ф3.86m）。隧道内敷设管径为Φ914mm材质为X70直缝埋弧钢管，管道设计压力为9.2MPa，采用3层PE加强级防腐。西江盾构隧道始发井直径为12.5m，接收井直径为10.0m。管道从南岸始发井开始以3.0%的下向坡度前进736.65m到达水平段，然后经过558.73m的水平段后进行变坡，沿坡度为3.0%的上向坡前进865.99m后到达盾构接收井;盾构始发和接收工作井均采用圆形截面竖井方式。

2、地层岩性

隧址区第四纪地层分布广泛，主要有人工填土、耕植层，第四系全新统残坡积层、冲积层以及第四系上更新統冲积层。隧址区及其附近地区基岩地层主要为第三系莘庄村组（EX）和侏罗系桂头群J 1-2。

3、特殊性岩土体和放射性矿（气）体

隧址区揭露地层中发育的特殊性岩土为软土，主要为淤泥质粉质粘土（局部淤泥），由于软土具含水量高、孔隙比大、压缩性高、欠固结、承载力低、易蠕变、触变等特点，对穿越有影响的淤泥质粉质粘土在施工中采取相应的处理措施。

根据区域地质普查资料和相关室内试验资料，隧道穿越地层无特殊性岩土体，不含放射性矿体和有害矿（气）体。

4、隧道穿越岩土体

隧道围岩洞口段为粉质粘土和淤泥质粉质粘土层及强-中等风化泥岩（砾岩）外，隧道洞身穿越的主要岩层为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、细砂（局部为圆砾）及第三系紫红色泥岩（夹砾岩）。揭露的基岩强风化层层底标高：-58.35～-13.91m，揭露厚度：2.60～25.10m。中等风化层层底标高：-64.75～-16.25m;揭露厚度：2.10～17.00m。

5、隧道设计概况

5.1 设计主要技术标准

5.1.1盾构隧道内径为Ф3.08m;

5.1.2结构按VII度抗震设防烈度验算;

5.1.3区间防水按二级防水标准考虑，盾构法装配式钢筋砼管片的抗渗等级不小于1.2MPa;

5.1.4结构抗浮安全系数：不考虑侧壁摩阻力时≮1.05，考虑侧壁摩阻力时≮1.15。

5.2 最小转弯半径：500m

5.3 最大坡度：3%

5.4 盾构隧道钢筋砼管片

5.4.1管片环设计为5+1模式，采用钢筋混凝土管片现场拼装，分为6块，一块封顶块、2块相邻接块和3块标准块组成。采用C50钢筋砼预制，宽度1200mm，厚度250mm。管片间采用螺栓连接，环向每个接缝有2个螺栓，共12个，纵向共设16个螺栓。管片环宽为1.2m。管片环与环之间采用错缝拼装方式，管片端采用平面式，管片环缝设置榫槽，纵缝不设置榫槽。

5.4.2隧道埋深：最大埋深31m，最小埋深19m，

5.4.3管片整环拼装的允许误差：相邻环的环面间隙：0.6～0.8mm;纵缝相邻块间隙：1.5～2.5mm;纵向螺栓孔孔径、孔位：±1.0mm;衬砌外径：±3.0mm。

二、泥水平衡式盾构机的选购

现代盾构机集液压、机电控制、测控、计算机、材料等各类技术于一体，属于技术密集型产品。盾构机的机型种类很多，而目前作为主流技术的主要有泥水平衡式盾构机、土压平衡盾构机、复合型盾构机、TMB掘进机和微型盾构机等。泥水平衡式盾构机由盾体、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构及附属装置组成;是目前各种盾构机中最复杂、相同开挖尺寸条件下价格较高的一种。它适用范围较大，主要用于复杂地质条件，多用于含水率高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械，对稳定的地层优点尤为明显，其工作效率较高，但随着土砂百分比的增加，会出现泥水分离难度增大。

由于泥水平衡式盾构机结构组织系统复杂，单机价格昂贵，采购选型工作至关重要，中国电力建设股份公司对此极其重视，由股份公司设备物资采购中心组织进行集中采购招标，采用邀请招标方式。在评标过程中采取聘请多名资深专家参与标书评审，并进行封闭评标，四家投标厂商中的广州海瑞克隧道机械有限公司所提供的泥水平衡式盾构机同比泥浆系统流量最大、配置合理，盾构机的液压系统均为欧洲生产，液压系统的稳定性及可靠性能得以保证;并且该公司在国内的业绩丰富，所制造的泥水平衡式盾构机取得过骄人的成绩，如已经建成的上海长江隧道使用海瑞克公司提供的两台直径为 15.43 米的世界上直径最大的泥水平衡式盾构机，这两个分别重2300吨和长125米的“巨人”在水下65米深处成功穿越长江;其次南京长江隧道最低点水土压力高达0.65兆帕，居世界同类隧道之最，隧道在江底穿越淤泥、粉细砂、砾砂、卵石和风化岩等，地质情况极为复杂，也是采用两台直径14.93米的海瑞克泥水平衡式盾构机完成盾构穿越工程。考虑到广东地区的地质条件极为复杂，对盾构设备的可靠性和安全性要求较高，评标委员会一致推荐选购广州海瑞克隧道机械有限公司的泥水平衡式盾构机;通过多轮次采购合同商谈，最终水电十四局有限公司以3980万元价格采购了一台海瑞克泥水平衡式盾构机。

三、所购泥水平衡式盾构机主要技术参数和配置

1、刀盘焊接防磨保护层，并配备耐磨刀具，刀盘开口率≥25%;具有可靠、灵敏的压力平衡调节能力，穿越复杂地质时，可通过注入膨润土或其它浆液等手段，控制地表隆陷值不超过±10mm。

2、刀盘主驱动采用液压驱动，装机功率：400kw，转速范围：0 -3.4rpm，最大掘进速度不低于80mm/min。

3、刀盘主轴承、大齿圈传动装置及减速器和主轴承密封使用寿命满足在最大推力下不小于10000h，主轴承密封系统最大压力：6bar。

4、管片安装机为中心回转机械抓取式，符合CEN 标准，具有6个自由度，每环拼装时间不大于30min。

5、盾尾配置4排密封刷，布设4路同步注浆管路。

6、同步注浆系统具有可靠的防堵塞性能和处理措施，具有自动控制注浆压力和浆液排量的能力。

7、配置有一台岩石破碎机，破碎最大粒径为540mm，最大破碎硬度为160Mpa。

8、泥浆系统最大泥水量：400m3/h，进排泥浆管径：DN200。

9、电器设备要求防水、防潮、防尘、防震，防护等级不低于IP55，所有驱动电机防护等级不低于IP55。

10、测量导向系统的精度等级不低于2秒，有效工作距离不小于200m。

四、后配套设备配置

泥水平衡式盾構机施工同时需有相匹配的泥水处理等配套设备进行作业，后配套设备配置有1套ZX-550泥水处理及制浆系统、1台MG16/5t×20m×6+29m-A5双主梁门式起重机、2辆JXK14-7/192电机车、2辆3m3砂浆车、4辆10t管片车及2台KGCA100-300V充电机，总价为401.70万元。

五、泥水平衡式盾构机穿越西江施工

穿越河流是当今盾构施工的高端技术，如能顺势而为，试机切入将占领技术制高点而取得该领域的入场券，有利于企业转型升级，提高核心竞争力，拓宽经营范围，对企业发展具有重要意义，水电十四局有限公司对此极其重视，采取由下属设备租赁中心组建专业化队伍负责盾构施工（泥水平衡式盾构机安装、掘进、运行维护、拆除）。盾构施工部大胆利用他们在天津地铁取得的“半环始发”经验，用现成的两块钢筋混凝土管片作为负环管片，利用盾构机自身的千斤顶推动成功实现了始发，既节约了成本，又为类似施工积累了经验。

西江江底地层复杂，刀盘粘附泥土和刀具磨损是影响盾构机正常推进的两大难题。在强风化岩和粘土地层的掘进过程中，出现了刀盘面和土仓内壁附着泥饼的情况，而坚硬的泥饼会把刀盘开口堵塞，还加重了刀具负荷，使掘进参数出现变化，大大降低了工作效率。此外，刀盘泥饼与土舱中隔板的长时间摩擦，会导致中隔板等位置的温度快速升高，从而引起回转中心橡胶密封件性能下降。为解决这些难题，首先采取打开舱门人工清除泥饼的方式来处理，但因舱内作业不仅有很大风险，并且作业极为艰难，通过咨询和摸索，采用降低泥浆比重并添加工业洗衣粉，同时在刀盘上安装泥浆喷嘴的办法，最终有效地解决了刀盘结泥饼的问题，提高了掘进速度，确保了盾构顺利通过粘土层。

为防止盾构设备在掘进过程中偏沉，在拖车底部加装安全定位轮;给电瓶机车增设自动刹车系统和视频监控显示器，使运输行驶更安全;在泥浆管路上安装安全阀，解决了因盾构机泥浆泵意外停机所形成高压冲击而导致浆管断裂的难题;给滚刀增加敷焊耐磨层，延长了刀具在复杂地质中的使用寿命，节约了生产成本;共约五公里多的DN200进排泥浆钢管全部采用凸缘加密封胶圈及抱箍进行连接安装使用，对比用法兰连接方式，节约了大量的安装时间及辅助材料费用，取得良好的经济使用效果。

在泥水平衡式盾构机出洞前，根据接收井的地质条件，采用高压旋喷桩，对接收井外围沿隧道轴线方向进行了16.5米的土体加固，减小了渗水压力和延长了渗水通道，大大降低了接收风险。

在所有施工人员的努力下，取得月掘进高峰强度达到368.4米（307环）、日掘进高峰强度达到26.4米（22环）的好成绩。过程中该台海瑞克泥水平衡式盾构机机况一直保持良好，未出现大的故障，最终历经345个日夜，盾构机成功穿越西江从北岸精准破壁而出，成型隧道轴线最大偏离仅为2.6厘米远远低于规范值，安全顺利完成2160.6米长的穿越西江掘进任务。

六、结束语

本文选取广东西江项目应用泥水平衡式盾构机成功穿越西江的经验，说明了如何结合项目的地质情况、工程特点来进行盾构机的合理选型、确定主要参数及后配套设备配置，介绍了泥水平衡式盾构机应用中所需的一些技术措施及方法。同时也为建筑施工企业在同类型项目施工时，提供一些有益的借鉴和帮助。

参考文献

[1]王振信;盾构法隧道的耐久性[J];地下工程与隧道;2002年02期

[2]李鸿威，刘树亚;地铁工程中盾构法隧道的质量缺陷和改进办法[J];西部探矿工程;2003年12期