珠三角水资源配置工程B2标盾构机选型及应用分析

邓选滔，李甫福

(1.广东粤海珠三角供水有限公司,广州 510000；2.广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

随着我国经济的快速发展，水利工程建设也迈上了新台阶，盾构法因其先进性已普遍应用于水利工程建设领域，本文通过对珠江三角洲水资源配置工程土建施工B2标地质水文条件分析，整理了该标段盾构机选型情况，全面总结其应用效果，相关工程经验可为类似复杂环境的水利工程盾构选型提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程土建施工B2标，其施工任务为新建GZ16#、GZ17#、GZ18#、GZ32#、GZ33#5个工作井、1条盾构输水干线及1条盾构输水支线。输水干线外径为8.3 m，长度为8.243 km，采用无粘结预应力混凝土内衬结构；南沙支线外径为4.1 m，长度为7.244 km，采用钢筋混凝土内衬结构。线路下穿西沥水道、骝岗水道、地铁4号线、地铁18号线、南沙港快速、京港澳高速等重点地段(见图1所示)。

图1 土建施工B2标工程示意

1.2 线路情况

1.2.1线路平面设计

在平面上，盾构区间总体线路线型基本是以直线为主，最小平面曲线半径R=350 m。

1.2.2线路纵剖面设计

隧洞埋深变化大，线路起伏，坡度大，干线隧洞埋深为28.3～54.2 m，存在上坡与下坡，最大坡度为30.1‰。支线隧洞埋深为25.5～56.4 m，存在上坡与下坡，最大坡度为28.4‰。

1.3 管片设计简介

盾构管片采用C55钢筋混凝土预制，抗渗等级为W12，控制裂缝宽度≤0.2 mm。输水干线管片外径均为8 300 mm，内径为7 500 mm，厚为400 mm，环宽为1 600 mm，楔形量为46 mm，采用“4+2+1”分块模式，错缝拼装方式。南沙支线管片外径为4 100 mm，内径3 500 mm，衬砌管片厚为300 mm，衬砌环宽为1 200 mm；管片为双面楔形通用环，楔形量为46 mm，采用“3+2+1”分块模式，错缝拼装方式。

1.4 工程地质、水文情况描述

1.4.1工程地质

隧洞区间地层统计见图2～图4所示，所掘进的地层包含淤泥、砂等第四系覆盖软弱地层及高强度岩层，另外还需穿越多条区域性断层，地下水丰富，地质情况复杂。

图2 GS01#～GS02#区间地层统计示意

图3 GS02#～GS03#区间地层统计示意

图4 GS03#～GS04#区间地层统计示意

1.4.2水文地质条件

地下水类型以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排，雨季主要以大气降水和河流、渠道补给地下水，枯水季地下水补向河流，勘察期间沿线地下水位普遍埋深较浅，为0.5～3 m，揭露高程约0～2 m，受潮汐影响较大。局部丘陵地带以基岩裂隙水为主，地下水主要受大气降雨补给，向沟谷排泄，地下水位随地形变化，一般埋深为2.0～5.0 m，大多在强风化底部～弱风化带顶部。

根据钻孔揭露，②-3淤质粉细砂层、②-5细砂、泥质细砂层、②-6中粗砂、砾砂层、②-7砂卵石层以及③-3细砂、泥质细砂层、③-4砾砂层、③-5砂卵石层等为主要含水层。其中②-6、②-7、③-4、③-5层含水较丰富。

②-1层、②-2层、②-4层、③-1层、③-2和全风化带渗透性微～极微，为相对隔水层，砂层含水量丰富，中～强渗透性，具微承压～承压。

强风化砂岩、含砾砂岩、砾岩、花岗岩透水性较强，为中～强透水层；强风化泥岩、粉砂质泥岩具中～弱透水性；弱风化岩一般透水性较弱，为弱透水层；断层以张性为主，断层带较破碎，富水及渗透性较好，阻水断层少见。

2 盾构机选型及实施效果

2.1 盾构机模式选择

结合地层特点，原计划盾构机选型见表1。经各参建单位多次论证，认为本工程埋深大、地下水丰富，土压盾构存在保压不稳定、容易超挖、螺旋机容易喷涌等问题，不适应本工程，决定变更为泥水平衡盾构机。

表1 盾构机选型原计划

2.2 刀盘针对性选型

2.2.1需解决的问题

隧洞区间地质条件以富水砂层、中、强风化砂砾岩、泥质粉砂岩为主，兼顾华南地区其它地质条件，刀盘选择应考虑以下几个问题：① 如何防止刀盘中心区域及土仓产生泥饼，保证渣土的流塑性；② 如何提高刀具在较高强度岩层中的破岩问题；③ 刀盘外圈梁在岩层掘进的耐磨问题；④ 刀盘在软硬不均地带掘进的异常损坏问题。

2.2.2针对性选型

为了应对上述问题，刀盘针对性选型及应用效果见表2所示。

表2 刀盘针对性选型及就应用效果

2.3 盾体针对性选型

2.3.1需解决的问题

根据工程地质情况，盾体选型时需要考虑以下几个问题：① 盾体的结构刚度满足实际工程需要；② 盾体设计满足超前地质加固情况的预留接口；③ 盾尾周向具有多通道的注浆和注脂通道；④ 盾体密封系统可承受较大的压力范围。

2.3.2针对性选型

为了应对上述问题，盾体针对性选型及应用效果见表3所示。

表3 盾体针对性选型及应用效果

2.4 泥浆循环系统选型

2.4.1需解决的问题

根据工程地质情况，泥水循环系统需重点考虑以下问题：① 粘性地层刀盘泥饼和滞排问题；② 管路延伸文明施工问题；③ 长距离掘进管路磨损的问题。

2.4.2针对性选型

为了应对上述问题，泥浆循环系统针对性选型及应用效果见表4所示。

表4 泥浆循环系统针对性选型及应用效果

3 存在的不足

3.1 个别区间刀盘开口率选型弊端

工程在盾构机选型时，为了确保盾构渣料顺利进入土仓，刀盘开口率设置较大，干线盾构开口率为35%，支线盾构开口率为38%。虽然未出现刀盘面结泥饼现象，适应了大部分区域，但少部分区域为破碎带，掌子面岩层裂隙较发育，过大的刀盘开口使大块径漂石(见图5部分块径超过50 cm)直接进入泥水仓，引起渣土滞排、堵塞采石箱、冲击土仓内部件，进而多次引起盾构机停机。

图5 引起滞排的大块径漂石示意

改进建议：进一步分析岩层的完整性，有针对性的减小开口率或配置破碎机减小进入土仓的漂石。

3.2 超前注浆作业空间不足

此情况在4.43 m支线盾构中较为明显，支线盾构在3、9点位各布置了1根超前注浆管，用于应对掌子面不稳定的情况(见图6)，但通过现场实践，该超前注浆孔后方的作业宽度仅1.2 m，难以满足钻机作业要求，超前注浆功能失效。

图6 超前注浆作业面及注浆孔位示意

改进措施：改良拼装机构造，在需要超前注浆时可主动腾出作业空间。

3.3 刀具固定措施存在缺陷

部分滚刀采用两根单头螺栓固定在刀座上，在岩层中掘进时，刀具重复收到冲击，螺栓容易松动，引起压块掉落，进而引起刀具失效。

改进措施：在两根螺栓中间焊接一根钢条或改良压块构造为螺栓设置专用槽口，防止螺栓松动。

3.4 出渣未实现量化

泥水盾构机环流系统只能读出进浆、排浆流量和压力，无法计算盾构机出渣量，只能通过在筛分系统目测，误差较大。

改进措施：环流管上增加压差式密度计(见图7)，通过算法程序可将环流系统中的含渣量计算出来并实时显示，有效控制了超挖量。

4 结语

目前国内盾构机生产技术已日趋成熟，盾构法施工在水利工程建设中的应用越来越多，基于水利工程较其它行业存在有特殊性，其隧洞往往更深、地质条件更为复杂。根据不同的工程地质、水文地质条件和施工环境与工期的要求，合理选择盾构机类型，对保证施工质量及地面与地下建(构)筑物安全和加快施工进度是至关重要。根据珠江三角洲水资源配置工程土建施工B2标的经验，泥水平衡盾构机在大埋深富水地层中优势较为明显，其中，复合式刀盘、大流量环流系统、自动化接管装置、渣土计量系统等应用较为成功，但刀盘开口率过大、超前注浆系统作业空间不足、刀具固定选型缺陷、渣土未能量化等也为盾构掘进带来较多的困难，类似工程在盾构机选型时应吸取经验教训。