北京高水压卵石地层泥水盾构适应性分析

冯振鲁，杨景超，衣绍彦

（1.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250014；2.北京市建设工程安全质量监督总站，北京 100161）

随着北京地铁建设的发展，地表以下的浅层地下空间日益紧张，为更好地实现新建线路与既有线路的换乘，新建线路地铁隧道的埋深将越来越深。根据北京地铁的规划和设计，部分在建和新建线路埋深已经超过35m，进入受承压水层影响的卵石层。如在建的8 号线三期部分区间和车站埋深已达35m 以上，将要开工建设的3 号线、12 号线和19 号线（新机场线）部分隧道埋深将到达45m 以上。因此，以往的北京地区盾构选型经验对富水深埋的砂卵石地层指导和借鉴意义有限。

研究表明，土压平衡盾构通过合理的刀盘选型及刀具布置，在北京地铁无水卵石地层中应用较广泛，适用性较强[1～2]。然而随着隧道埋深的增加，深埋高水压卵石地层采用泥水平衡盾构施工的优势是非常明显的，其具有能够有效平衡水土压力、刀盘扭矩小、对地层扰动小、有效控制地表沉降等优点[3]。

国内外学者结合实际工程地质情况对盾构选型和施工技术进行了大量研究工作：张双亚、陈馈、锁晓明等、何峰、叶康慨以北京地下直径线工程为基础，对富水卵石地层盾构选型进行了研究，得出了北京地下直径线富水卵石地层宜选用泥水平衡盾构[4～8]；何川等[9]、晏启祥等[10]结合成都地铁盾构隧道工程，对富水砂卵石地层盾构选型进行了研究，提出并总结了富水砂卵石地层盾构选型和配置的一些具体对策；杨书江[11]将富水卵石地层泥水平衡盾构的适应性与土压平衡盾构的掘进成本进行了比较，得出富水卵石地层中泥水平衡盾构每延米掘进成本比土压平衡盾构高38%；Carrieri 等[12]通过对卵石地层中盾构选型、刀盘设计、渣土改良技术进行研究，得出了在卵石地层中土压平衡盾构应采用开口率较大的刀盘，以减小刀盘扭矩、降低刀具磨损的结论；江玉生等[13]结合北京地铁7 号线某区间隧道工程实例，介绍了盾构选型的基本原则和主要步骤，并在一定程度上综合对比了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的优缺点及盾构的发展趋势。

目前，国内外相关学者对于盾构选型研究的分析具有一定的系统性及规范性，但实际工程中所考虑的因素往往比理论上更复杂。北京地区富水卵石地层盾构掘进经验目前仅地下直径线和地铁9 号线军事博物馆～东钓鱼台区间2 个工程可供参考。富水卵石地层盾构施工技术也仅处于起步阶段，尚未形成系统的技术体系。本文以北京地铁8 号线三期王府井站～前门站盾构区间隧道工程（以下简称：王府井站～前门站区间）为工程背景，根据本区间特有的富水卵石地层，结合周边环境的特殊性，选择合适的盾构施工。研究成果具有较大的工程实用价值，也可对今后类似条件下区间盾构设计和施工提供借鉴和指导。

1 工程简介

1.1 区间概况

北京地铁8 号线三期王府井站～前门站区间隧道处于北京中心城区的王府井和前门商业、旅游、文化区，属于北京城的核心区域，沿线施工环境复杂。王府井站～前门站区间隧道连接8 号线三期与1 号线换乘站（王府井站）和8 号线三期与2 号线换乘站（前门站），本区间线路埋深较深，隧道顶覆土厚度25～35m，线路最大纵坡为27‰，最小坡度为4‰，最小竖曲线半径为3 000m。隧道衬砌采用钢筋混凝土管片，外径6m，内径5.4m，环宽1.2m。

1.2 地质情况

王府井站～前门站区间隧道的上覆地层为砂卵石和黏土复合，隧道穿越地层为卵石层局部夹粉质黏土，卵石粒径为60～120mm，中粗砂充填（含量约25%～30%），卵石层渗透系数高达2×10-1cm/s。相关土层的物理力学指标如表1 所示。地下水位的潜水层位于隧道顶部0.5～10.5m，隧道处于承压水层中，水压高达0.05～0.15MPa。因此，本区间隧道地层属于高渗透性、高水压地层，隧道穿越的地层及地下水位情况如图1 所示。

2 邻近线路对比

图1 王府井站～前门站区间地质剖面图

表1 盾构区间土层主要物理力学指标

邻近地层的施工经验对于新建线路的盾构选型尤为重要[14]，因此选取王府井站～前门站区间的邻近工程：前门～珠市口区间（简称：前～珠区间）和地下直径线两个工程的施工情况进行对比和分析。

2.1 地质情况对比

前～珠区间与王府井站～前门站区间同为北京地铁8 号线三期项目，两线路相接；既有地下直径线工程为王府井站～前门站区间计划下穿的特级风险源，二者竖向距离最小仅3.6m。将前～珠区间、王府井站～前门站区间和地下直径线（邻近段）的地层情况描述并整理如表2 所示。

表2 线路地质情况对比

2.2 盾构及参数对比

地下直径线与前～珠区间已分别于王府井站～前门站区间建设前竣工，其盾构型式情况如表3 所示，尽管两线路的地层类型、盾构型式有所差别，但均选用了重型撕裂刀来保护刀盘和切刀，减小磨损，且效果良好。因此，在王府井站～前门站区间的盾构选型中，重型撕裂刀的刀具布置应该优先被考虑。

表3 盾构类型及部分参数对比

3 选型分析

3.1 盾构类型

王府井站～前门站区间以砂卵石和局部黏土地层为主，根据邻近线路的工程情况，土压平衡盾构和泥水平衡盾构在该地层均有一定的适用性，因此，在确定盾构类型之前，要着重考虑本区间以下因素。

1）地层渗透性高 隧道断面主要为卵石地层，其渗透系数最高可达2×10-1cm/s，不管是对于土压平衡盾构的渣土改良效果还是泥水平衡盾构的泥浆质量要求均较高。

2）高水压 本区间地下水位位于拱顶0.5～10.5m，且隧道断面富有承压水，最高水压可达0.15MPa，这对于土压平衡盾构的螺旋输送机的喷涌控制不利。

3）地表沉降控制标准高 线路穿越段为北京市核心区域，有较大的政治影响，盾构穿越的90%以上隧道区域均邻近或穿越特、一级风险工程，因此，对于开挖舱压力的稳定控制、同步注浆等措施要求极为严格。

鉴于以上因素，在考虑地层高渗透性、高水压以及开挖舱压力的稳定控制等方面，本工程最终选取了直径∅6.28m 气垫型泥水平衡盾构。

3.2 刀盘及刀具布置

本区间采用焊接结构的复合式刀盘，撕裂刀与切刀组合布置，刀具的高差配置为：撕裂刀175mm、边缘刮刀140mm、宽切刀140mm。切刀为切削地层、剥离卵石的主力刀具；撕裂刀则用于敲击、破碎卵石，其刀间距为90mm（中心）和95mm（正面）。刀盘的开口率约35%，刀盘的中心部分开口率大，这样有利于中心部分渣土的流动并顺利进入泥水舱，可以有效防止中心泥饼的产生。刀盘型式及刀具的布置情况如图2 所示。

图2 刀盘及刀具布置情况

3.3 关键参数计算

3.3.1 盾构推力

盾构的推力F计算公式如式（1）所示

其中：F1表示盾构四周与地层间的摩阻力或黏结力，kN；F2表示盾构切口环刃口切入土层产生的贯入阻力，kN；F3为开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力，kN；F4表示盾尾处盾尾板与衬砌间的摩阻力，kN；F5表示盾构后备台车的牵引阻力，kN；同时考虑到本工程27‰的纵向坡度和3 000m 的曲线开挖等因素，计算推力可适当增加20%～30%。

3.3.2 刀盘扭矩

根据国内外的工程经验，刀盘扭矩M与盾构的开挖直径R0呈现3 次方关系，其计算如式（2）所示

其中：M为刀盘扭矩，kNm；a为扭矩经验系数，一般围岩取0.9～1.5；R0为盾构开挖直径，m。

3.3.3 泥水压力

泥水平衡盾构开挖舱内泥水压力的作用是平衡掌子面前方水土压力，良好的泥水平衡效果有利于减轻地层扰动、平稳其他盾构参数的作用。王府井站～前门站区间隧道断面为高渗透性卵石地层，因此，泥水压力采用水土分算的计算方式，其计算如公式（3）所示

其中：P为泥水压力，kPa；K0为土层静置侧压力系数，其取值见表1 所示；σv为竖直土压力，kPa；γw为水的重度，取10kN/m3；H为地下水位以下的隧道埋深，m；PL为预压，一般取20～30kPa。由于隧道拱顶全线位于承压水以下，故本公式计算并未考虑承压水影响，但在实际参数设定时可考虑增加承压水压50～150kPa。

由于本区间隧道以砂卵石地层为主，且埋深h＞2R0（R0为隧道直径），故在计算竖直土压力σv时土拱效应的发挥不可忽略[15]。因此，采用太沙基松弛土压力计算本工程的竖直土压力σv，计算原理如图3 所示，计算见公式（4）所示

其中：B为土拱计算范围宽度，m；K为土的计算侧压力系数，其值大小与土体空间位置及土拱效应的发挥程度相关，通常取1；z为各土层厚度，m；γ 为土层重度，kN/m3；c为土的黏聚力，kPa；φ为土的内摩擦角，°；γ、c、φ的取值见表1。

图3 太沙基松弛土压力计算原理

按照上述理论（经验）计算方法，将盾构推力、扭矩、泥水压力的参数计算结果与盾构机的额定配备参数对比整理如表4 所示，可以看出，推力与扭矩参数均小于盾构的额定配备值，说明本工程的盾构选型可以满足施工要求。

表4 盾构参数计算值与额定配备值对比情况

4 盾构适应性分析

盾构在始发后的前30 环进行了试验段掘进，通过试验段的调整后，各参数逐步趋于稳定，因此，选取30～100 环的参数进行对比分析。开挖舱的泥水压力取于舱壁最上侧的测点，其变化情况如图4 所示，可以看出，其值稳定在0.2MPa左右，并在理论计算的范围之内；扭矩、推力的变化情况如图5 所示，扭矩值保持在3 700kNm以下，总推力不超过20 000kN，二者均控制在盾构配备的额定值以下且保持在上述的经验计算值之内。

图4 盾构开挖舱内泥水压力-环数变化曲线

图5 盾构推力、扭矩-环数变化曲线

5 结论与讨论

北京地区的深埋卵石地层具有渗透系数大、高水压的特点，结合工程特点确定了泥水平衡盾构的选型，并通过实际工程参数的验证得出了如下结论与建议。

1）泥水平衡盾构在北京地区的深埋富水地层具有一定的适用性，通过借鉴邻近地层的已有工程，可为盾构的初步选型提供一定依据。

2）撕裂刀与切刀的组合布置有效适用于王府井站～前门站区间地层，盾构的实际施工参数与理论（经验）计算参数能够较好地吻合，并控制在盾构机的额定配置以内。

3）本文的盾构选型思路对于北京或其他地区的深埋富水卵石地层具有较强的针对性，可为今后在类似地层及工程环境下的盾构施工提供一定的借鉴作用。