天津滨海新区软土地层轨道交通盾构选型研究

张月辉，岳彬

（1.天津滨海新区建投轨道交通建设有限公司，天津 300459；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

盾构机作为盾构法施工的大型专用设备，其选型正确与否，无论是对盾构施工的技术水平，还是对盾构施工的成本和效益，均有着举足轻重的意义。地铁盾构技术经过多年的发展，盾构机机型变得多种多样，盾构工法也不尽相同，不同机型的盾构对施工的工期、经济、管理、完整性等各方面都有显著的影响；因此，在城市地铁施工过程中，盾构的选型尤其重要[1]。针对不同的工程条件，合理选用盾构机可以降低施工风险，保证工程的安全性和可靠性，从而满足项目的工期要求。天津滨海新区软土地层特殊，本文以实际工程为例，对盾构机选型进行研究分析，为类似地层盾构机选型提供经验和参考。

1 工程概况及水文地质条件

天津滨海新区某轨道交通工程区间线路均为地下工程。其中，北段区域设6站4区间，区间双线长度9 871 m，均采用盾构法施工，最大坡度25.57‰，隧道覆土5.22～19.5 m，最小曲线半径400 m。隧道衬砌为预制钢筋混凝土管片，采用3块标准块+2块邻接块+1块封顶块形式的通用楔形环，管片环宽采用1 500、1 200 mm两种类型、厚350 mm、外径6 600 mm、内径5 900 mm，管片混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P10。

滨海新区地层分布比较有规律，无较大地层突变，区间隧道主要穿越淤泥质粉质黏土层、黏土层、粉质黏土层、黏质粉土层及粉砂层，静止水埋深约0.8～3.00 m，局部穿越粉砂层为第一承压水层。各区间隧道均分布有淤泥质粉质黏土层，土体呈流塑状态，为滨海新区典型软土，具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等不良工程特性，同时还具有低渗透性、触变性和流变性等特点。

2 盾构机选型

2.1 选型原则

盾构机选型是区间隧道是否安全、优质、快速建成的基本条件，一般按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行选型[2]。首先要确保开挖面的稳定，确保地表沉降可控，以水文地质资料为依据，重点注意地层种类、强度、渗透系数、粒径等参数，结合隧道周边环境情况及其他特殊条件，同时考虑技术经济性综合提出选型方案；此外，盾构机设备应对滨海软土地层有较强的适应性且需满足区间隧道纵坡、曲线半径、长度、埋深、施工现场与周边环境等条件的控制要求。

2.2 需重点考虑的因素

2.2.1 盾构机类型选择

目前，国内盾构施工多数采用土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机，两种类型分别适应不同地层，一般根据土层颗粒大小及渗透性等主要因素综合确定[3]：细颗粒土具有良好的流塑性，能够在土仓内填充密实；粗颗粒土流塑性相对较差，难以在土仓内填充密实。结合两种类型盾构机施工原理，针对细颗粒地层，如淤泥质粉质黏土、黏土、粉土等地层，土压平衡盾构机能够较好形成不透水的流塑体，在土仓内密实填充，满足土压平衡原理。见图1。

图1 盾构机选型土体颗粒参考范围

此外，土层渗透性也是盾构机类型选择的主要依据之一，结合国内外施工经验，渗透性划分为3部分：当渗透系数＞10-4m/s时，应选用泥水平衡盾构机；当渗透性系数＜10-7m/s时，应选用土压平衡盾构机；介于两者之间时，土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机皆可选用[4]。

基于盾构机选型土层影响因素，本工程北段区域主要穿越淤泥质粉质黏土层占比约35%，黏土层占比约14%，粉质黏土层占比约29%，黏质粉土层占比约9%，粉砂层占比约13%。

从盾构机穿越土层占比不难看出，主要穿越淤泥质黏土、黏土及粉质黏土层且土层颗粒较细。盾构穿越低渗透性土层，基本属于弱透水层～不透水层。见表1。

表1 盾构穿越土层渗透性指标cm/s

结合国内外施工经验总结，本工程宜选择土压平衡盾构机。土压平衡盾构机不需要进行泥浆处理，施工占地小，对环境影响较小，每延米综合价格相对较低[5]。

2.2.2 软土地层沉降控制

天津滨海新区特殊软土地层具有高含水性、高压缩性、高灵敏性、高触变性、低强度、低渗透性等特点，在盾构掘进振动扰动下极易破坏原有土体结构，使土体强度骤然降低，形成触变性沉降；因此减少开挖过程中的扰动是盾构机设计与选型重点考虑的问题。为使开挖面达到良好的土压平衡效果，仓内土压计应具备良好的灵敏度和相应精度；考虑到区间穿越重要风险源，地表沉降控制要求高，部分区段需应用克泥效等辅助工法，盾体应具备径向注浆与超前注浆能力；此外，软土地层掘进同步注浆，采用胶凝时间可调的浆液或者含砂率较大的可硬性浆液，盾构注浆系统应具备与掘进速度、浆液稠度相适应的注浆速度和注浆压力。

2.2.3 软土地层盾构轴线与姿态控制

由于软土地层自身抗剪能力较弱、触变性较大，受外力作用时容易被压缩变形，导致盾构位置的保持能力相对较差，存在额外不平衡力作用时极易改变状态，姿态一旦改变不易恢复原位；地层的高压缩性决定一旦盾构机停止推进便失去刀盘反力，不能平衡盾构中心靠前带来的栽头趋势导致盾构低头；此外，本工程北段区域最小曲线半径为400 m，盾构应具有良好的纠偏能力，适应小半径曲线段轴线拟合要求。综合因素对盾构机的灵敏度提出一定要求，以适应软土地层掘进和纠偏的需求；掘进纠偏过程中，盾尾和管片间隙随时变化，为避免盾尾间隙过小造成尾刷磨损，盾尾间隙也应进行合理设计。

2.2.4 粉质黏土施工结泥饼问题防控

区间隧道穿越粉质黏土和黏质粉土层，当土体改良效果不佳时，刀盘结泥饼及土仓发生堵塞风险高，影响掘进施工效率。刀盘、土仓设计与选型时应合理考虑添加剂、膨润土注入口数量、布置形式，合理的土仓内搅拌棒数量与分布位置。

2.2.5 富水砂层掘进问题防控

盾构在砂层掘进时，对刀盘、刀具及螺旋机的磨损较严重，刀盘、刀具与排土机的耐磨性应与区间长度、地层情况相适应，确保盾构耐久性。本工程部分区段于承压水层掘进，土体改良效果不佳时，螺旋机出土口存在泥砂喷涌风险，需设置前闸门，螺旋机具备前后伸缩功能；此外，考虑承压水层压力，主轴密封、铰接密封抗击穿能力应与地层深度、水文情况相匹配；考虑到富水砂层掘进，盾尾刷磨损较严重，盾尾存在漏水、漏泥风险，对盾尾刷质量应进行针对性设计。

2.3 盾构机选型结果

根据各区间的工程地质、土建设计情况及周边环境因素，结合盾构机选型应重点考虑的因素，对盾构机进行了量身定制。

2.3.1 刀盘及刀具系统

4台盾构机刀盘均采用了主梁加小面板形式，开口率均＞40%，在整个盘面均匀分布，利于渣土流动及土压传递。区间贯通后，除个别刀盘辐条上的羊角刀因合金质量发生磨损，其余鱼尾中心刀、贝壳刀、刮刀、保径刀磨损情况轻微，磨损不超过10 mm。

2.3.2 刀盘驱动系统

3台盾构机采用电机驱动，1台为液压驱动，驱动功率均达到770 kW以上，最小额定扭矩6 600 kN·m，3道唇形密封最大承压能力均为0.5 MPa。滨海软土强度不高，4台盾构机刀盘脱困能力（大瞬时功率、大转矩输出抗冲击）均满足掘进要求。

2.3.3 液压推进系统

液压推进系统具有大功率、变负载、适应恶劣工作条件等特点，千斤顶油缸数量较多，系统既要实现对每个液压缸的单独控制和对所有液压缸的同时控制，还要保证所有液压缸具有同步性和随动性；故4台盾构的推进液压油缸均沿圆周方向分为上下左右4组，分区控制，下分区控制数量多于上分区，满足软土地区抬坡困难的控制要求。简化的系统结构，减少了操作变量个数，减轻了施工操作人员强度，提高了施工效率。

2.3.4 渣土改良系统

4台盾构机刀盘配置了4路以上的泡沫喷口，3路膨润土喷口和相关逆止阀，每个喷口均为单管、单泵设计，保证添加剂注入率的同时，避免回流及管路堵塞。在软土地层掘进时，注水基本满足了渣土和易性要求；在富水砂层掘进时，添加了泡沫和高分子聚合物，有效避免了喷涌。施工过程中，刀盘未出现结泥饼现象。

2.3.5 导向系统

4台盾构机分别采用了中铁装备ZED导向系统、铁建重工DDJ导向系统和上海力信RMS-D导向系统。盾构机操作司机根据导向系统提供关于盾构立体方位的最新信息，可准确控制盾构沿着设计的隧道轴线方向掘进，将盾构控制在设计隧道线路允许公差范围内，实现信息化施工。掘进过程中，盾构姿态偏差基本控制在±50 mm范围内，未发生超偏现象。

3 应用效果

3.1 沉降控制

本区间地面风险较多，下穿津秦高铁、西中环快速路桥、输油管线、高压铁塔、孟港排河、云山道公路桥、滨海职业技术学院等重要风险源与多处市政管线、箱涵，地面沉降控制要求高。结合第三方地面监测数据情况，各区间地表整体以下沉为主，沉降量基本控制在15 mm以内，最大沉降量20.9 mm，最大隆起3 mm，均未超过设计值范围，满足地面沉降及风险保护要求。

3.2 掘进施工参数

设置监控中心，采用数据采集监控系统对4个区间的盾构施工进行了全程监控。通过调取数据与现场掘进指令、原始数据比较，各区间掘进参数和计算预期值基本保持一致，掘进指令参数基本合理，现取常规掘进段进行简要分析。

3.2.1 总推力和推进速度

由于地层较软弱，推力不大，推进时可以保持较快的推进速度，实际施工中，推进速度可以提高到70 mm/min以上；但为了保证注浆量与注浆均匀性，将推进速度控制在70 mm/min范围内比较合理。

3.2.2 刀盘扭矩和土仓压力

地层掘进时，刀盘扭矩一般包括切削土体阻力扭矩、刀盘旋转与土体摩擦扭矩、密封装置的摩擦扭矩、刀盘后的摩擦扭矩、土仓内搅动扭矩等，在软土地层中刀盘扭矩整体较小。根据扭矩系数经验公式

式中：T为刀盘扭矩；Kα为土压平衡盾构机扭矩系数，取值范围为14～23；D为盾构机开挖直径。

按盾构最小额定扭矩6 600 kN·m计算，4台盾构机的扭矩系数取值在20.6～21.2，设计较为合理。

施工过程中，保持土仓压力与作业面的水土压力平衡是防止超挖造成地表沉降的重要因素。土仓压力应能与地层土压和静止水压力抗衡

式中：P为土仓压力；P0为静止水压力抗衡；K为土的渗透系数。

根据实际情况，进行±50 kPa土仓压力调整，K在黏性土中取值宜为1.0。

4 结论

1）盾构机选型应结合工程水文地质、工程安全性、技术及经济性进行综合确定，盾构机选型的基本出发点是能够适应隧道所穿越地层条件，具备安全可靠的性能，确保工程安全及质量控制要求。

2）滨海新区地层一般分布较有规律，无较大的地层突变情况，土体渗透性较差且土体颗粒较细，采用土压平衡盾构机施工效果较好。

3）软土地层盾构机选型应重点考虑因土体扰动所导致的地层沉降及盾构机本身保持能力；必要时，考虑适当减轻主机重量，主机中心位置设置在合理位置，以降低施工风险。