高硬度岩溶地层盾构机选型及针对性设计研究

张守同

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

1 引言

在城市轨道交通区间隧道施工中，盾构机以其较高安全性、经济性等优点，已成为城市轨道交通区间隧道施工的主要工法。盾构机选型具有“量体裁衣”的特点，针对不同的水文地质结构，盾构机的主要系统结构与配置相差较大。

岩石硬度超过100 MPa时，常规的土压平衡盾构机刀盘配置17″滚刀时破岩能力较弱，掘进效率低。王军［1］等以厦门2号线越海段盾构施工为例，根据地质补勘资料及实际工程环境提出海上注浆加固技术，并对滚刀结构进行重新设计，取得了良好效果。杨民强［2］以厦门3号线某区间盾构施工为例，研究90 MPa以上硬岩地层采用爆破预处理后盾构掘进效率、刀具磨损等优于盾构刀盘直接破岩掘进。王凯［3］以南昌地铁3号线某区间为例，分析盾构机刀盘、刀具对上软下硬地层的适应性，并对盾构机渣土改良系统、同步注浆系统和螺旋输送机提出优化建议。孙峰梅［4］以广佛环线东环隧道为例，研究土压／TBM双模盾构机在大埋深软弱地层掘进时，围岩收敛变形特征和围岩与盾壳的相互作用关系，探讨大埋深软岩区段双模式盾构机卡机风险控制和处理措施。文献［5－6］研究复杂地质条件下TBM卡机及风险地质问题，并提出相应对策。

针对区间隧道穿越断裂带、碎石区段、岩层破碎区段及全断面80～150 MPa硬岩地层，土压平衡盾构机、土压平衡／TBM双模、单护盾TBM皆有选用，但少有文献对不同设备的优缺点进行深入研究。本文以济南轨道交通4号线某区间隧道设备选型为例对土压平衡盾构机、土压平衡／TBM双模盾构机优缺点进行比较，并分析不同设备的经济性，以确定适合该区间隧道的施工设备。

2 工程及水文地质概况

（1）工程概况

济南轨道交通4号线凤凰路站－林家庄站区间长度1 265 m，沿经十路布设，区间两端的车站布置于经十路两侧绿化带内，中间区段斜穿经十路。林家庄站－雪山路站区间长度1 056 m，区间隧道沿经十路北侧绿化带布设。

（2）水文地质概况

济南轨道交通4号线凤凰路站－林家庄站区间穿越地层主要以中风化石灰岩为主，如图1所示。隧道上层覆土依次为杂填土、素填土、粉质黏土。隧道下主要为21-2中风化石灰岩（局部有溶洞），岩石饱和单轴抗压强度最大129.6 MPa，部分地带为21-2-1中风化石灰岩（破碎），区间局部地质属上软下硬复合地层。

图1 凤凰路站－林家庄站区间地质纵断面

林家庄站－雪山路站区间隧道穿越地层主要以21-2中风化石灰岩为主，岩石饱和单轴抗压强度最大122.8 MPa，如图2所示。隧道上层覆土依次为杂填土、素填土、粉质黏土，隧道下主要为21-2中风化石灰岩（局部有溶洞），部分地带为21-2-1中风化石灰岩（破碎）。

图2 林家庄站－雪山路站区间地质纵断面

3 选型原则与方法

根据区间工程水文地质勘查资料，地下水位均位于隧道底板以下，施工不考虑地下水影响。凤凰路站－林家庄站区间断裂带长度约100 m，受季节性降水影响，在降水季节应予以考虑。

3.1 盾构机选型原则

在深入研究工程具体地质条件、水文条件、隧道施工条件、工程环境的基础上，对盾构结构型式、刀盘驱动方式、主要技术参数等进行调查分析，并参考国内外已有的类似盾构工程经验，遵循安全可靠、适用、经济、技术先进、绿色的原则来选型［7］。

根据盾构机选型方法，渗透系数大于10－7m／s时，选用泥水平衡盾构；渗透系数小于10－4m／s时，选用土压平衡盾构；当渗透系数介于10－7～10－4m／s时既可选择泥水平衡盾构，也可选择土压平衡盾构。岩土中的粉粒与黏粒总量达40%以上时，宜选用土压平衡盾构；反之宜选择泥水平衡盾构。

根据工程水文地质资料，区间隧道地下水位均位于隧道底板以下，可选用土压平衡盾构机。

3.2 TBM／土压平衡双模盾构机

在工程实践中，为满足长距离、复杂多变地层盾构安全掘进的需要，研发出双模盾构机。双模盾构机包括土压／泥水双模盾构、TBM／土压平衡双模盾构。基于本工程地质条件，也可以选用TBM／土压平衡双模盾构机，但双模盾构机其制造、使用成本高于单一模式盾构机［8］，其使用范围相对较小，导致双模盾构机折旧成本较高，经济性劣于土压平衡盾构机。

3.3 土压平衡盾构机与TBM／土压平衡双模盾构机比选

针对全断面硬岩、复合地层区间，可选用土压／TBM盾构，盾构机以土压平衡盾构为母机，在复合地层采用土压平衡模式掘进，在全断面硬岩地层可以转换成TBM模式（敞开式）掘进。土压平衡盾构机与土压／TBM双模盾构机对比如表1所示。

表1 土压平衡盾构机与土压／TBM双模盾构机对比

根据土压／TBM双模盾构机结构特点及选型原则，进一步分析土压平衡平衡盾构机、土压／TBM双模盾构机的适应性。

凤凰路站－林家庄站区间有510 m岩层硬度达80～100 MPa，中部有溶洞存在，溶洞实际大小未探明，地勘资料显示溶洞为充填型，充填状况不明。若选用土压／TBM双模盾构机，在溶洞处存在较大卡机风险，在断裂带区域存在较大的地面沉降控制风险；选用重型刀盘配置的土压平衡盾构机［9］可满足本区段安全掘进的需要。

若不考虑溶洞影响，采用重型刀盘配置土压平衡盾构机，刀盘转速0～3.2 rpm，土压／TBM双模盾构机刀盘转速0～4.5 rpm，双模盾构机增加了螺旋机的转换功能，重型刀盘配置盾构机可满足螺旋机转换功能。在常规设计中双模盾构机多用18″滚刀，重型刀盘配置盾构机多采用19″滚刀。19″滚刀的承载能力、抗冲击性能、使用寿命均优于18″滚刀（18″滚刀与17″滚刀刀体、轴承等主要构件一致，仅将 17″刀圈换成 18″刀圈）。

在实际掘进中根据滚刀破岩机理及岩石特性，盾构（TBM）在高硬度岩层掘进采用较高的转速，重型刀盘配置盾构机可达到2.5～3 rpm，土压／TBM双模盾构机在TBM模式下，刀盘转速多为3 rpm左右，转速过高会发生较大振动。

双模盾构机设计不同于TBM，单一TBM设计有较高的转速，TBM实际掘进中刀盘转速为6～8 rpm。双模盾构机采用盾构设计理念，为保证较大的刀盘扭矩并考虑经济性，较难达到较高的刀盘转速。双模盾构机出渣模式不同于盾构，在一定程度上利于降低刀具磨损，其出渣效率优于盾构。土压／TBM双模盾构机采用TBM模式掘进时，螺旋机（皮带机）位于土舱中心部位，土舱不具备保压功能。

图3为凤凰路站－林家庄站区间地层分布，土压平衡盾构机与TBM／土压平衡双模盾构机掘进工效对比如表2所示。根据区间地质纵断面可知，该区间若选用TBM／土压平衡双模盾构机需进行3次模式转换，根据类似工程经验每次模式转换（包括前期准备、设备调试等）需30 d，若进行一次模式转换TBM／土压平衡双模盾构机优于土压平衡盾构机，但其成本高于1 000万元，其经济效益劣于土压平衡盾构机。

图3 凤凰路站－林家庄站区间地层分布

表2 土压平衡盾构机与TBM／土压平衡双模盾构机掘进工效对比

综上可知：本工程选用土压平衡盾构机满足盾构掘进施工安全及工期要求。

4 针对性设计

根据类似工程的成功经验［10－11］，结合本工程实际情况，刀盘选用重型结构，配19″滚刀，图4为重型刀盘结构图片。主驱动功率8×160 kW，额定扭矩8 620 kN·m、脱困扭矩9 830 kN·m；刀盘转速0～3.2 rpm（无级调速），根据地质条件选用球齿滚刀，如图5所示，刀圈喷涂耐磨层既提高了刀具的抗冲击性能，又提高了刀具的耐磨性。在全断面硬岩区段，采用敞开式掘进模式及较高的刀盘转速、较小的贯入度，可满足硬岩掘进要求。

图4 重型刀盘结构

图5 球齿滚刀

根据滚刀的破岩机理，刀盘旋转的同时推进油缸向前推进，滚刀在推力作用下转动，岩层在滚刀的挤压下剪切破碎。在推力一定的情况下，刀具作用在岩层的应力与刀刃宽度有关，刀具对岩石的作用力与刀盘转速有关，刀盘转速越高作用力越大，刀具作用在岩层上的应力越大，岩石越易于破裂。刀盘转速增大，导致刀具受力增加，易造成刀圈崩裂。

根据类似地层的成功施工经验及不同区段的岩石硬度，合理选用刀圈结构型式及热处理工艺，提高滚刀与岩层硬度的适应性［12］。

5 结论

在高强度硬岩、溶洞与断裂带共存、上软下硬交互的复杂地质条件下，盾构机选型应统筹考虑水文地质条件、工程环境、盾构始发场地，充分借鉴类似工程的成功经验；保证安全可靠的前提下，考虑经济性、技术先进性，兼顾绿色施工原则，做到地铁施工与周边人居环境的和谐共生。

在80 MPa以上的高强度硬岩地层，土压平衡盾构机、土压／TBM双模盾构机均可满足施工要求，但应考虑双模盾构机模式转换次数、转换时间所占施工工期的比例；还应该考虑盾构机在所施工城市的后续应用前景，考虑施工区间工程量与设备投入的产出比。

在80 MPa以上的高强度硬岩地层选用土压平衡盾构机，应对刀盘、刀具进行针对性设计，根据不同地层合理配置刀具，优化刀具结构参数，对提高刀具的破岩能力意义重大，是保证硬岩地层盾构长距离掘进的关键因素；同时保证刀盘驱动功率、额定（脱困）扭矩等主要参数与掘进地层的匹配性。