复杂地质条件下地铁隧道盾构机选型与适应性分析

□ 张志恒

中煤第三建设(集团)有限责任公司 合肥 230031

1 项目简介

合肥市地铁5号线5B标段工程包含一站两区间,其中区间段为三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一环路站,采用盾构法施工,衬砌采用强度等级为C50,抗渗等级为P10的通用双面楔形环混凝土管片,管片外径为6 000 mm,内径为5 400 mm,环宽为1 500 mm。盾构区间如图1所示,盾构区间设计概况见表1。

表1 盾构区间设计概况

图1 盾构区间

2 工程条件

2.1 地质条件

三孝口站至阜南路站、阜南路站至北一环路站区间属河流一级阶地和河漫滩。经勘察,沿线场地在标高-37.25 m范围内的覆盖层由第四纪人工填土、第四纪全新世河流相沉积层、第四纪全新世河流相沉积层黏性土组成,下伏基岩为下第三纪定远组泥质砂岩和侏罗纪周公山组地层泥质砂岩。

区间盾构穿越部分地层为上软下硬地层,隧道断面上部以全风化泥质粉砂岩为主,中部以强风化泥质粉砂岩为主,下部为中风化泥质粉砂岩。中风化泥质粉砂岩属较软岩至较硬岩区间,根据勘察报告及前期相邻标段基坑开挖显示,这一地层的天然单轴抗压强度平均值为31.08 MPa,饱和单轴抗压强度平均值为27.79 MPa,最大饱和单轴抗压强度平均值为55.20 MPa,干燥单轴抗压强度平均值为33.90 MPa。区间地质纵断面如图2所示。

图2 区间地质纵断面

2.2 水文条件

区间范围的地下水主要为上层滞水、承压水、基岩孔隙水、基岩裂隙水。浅部地下水主要赋存于人工填土中,以上层滞水为主,水量微弱。承压水主要赋存于第②5层粉砂夹粉质黏土和第④4层黏质粉土中。勘探揭示第②5层层顶埋深为5.2～12.0 m,标高为2.15～8.33 m,第④4层层顶埋深为12.5～14.1 m。基岩孔隙水主要赋存于第⑨1层和第1层全风化泥质粉砂岩中,基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中风化带中。基岩孔隙水和基岩裂隙水富水性、透水性受岩体结构、构造及裂隙发育程度等的影响,由于岩体的各向异性,加之局部岩体破碎,节理裂隙发育,导致岩体富水性与渗透性不尽相同。在岩体的节理、裂隙发育地带,地下水相对富集,透水性也相对较好。

2.3 周边环境

区间隧道由南向北沿蒙城路敷设,下穿安徽省博物馆、寿春路下立交桥,以直线接至阜南路站,过阜南路站后以半径500 m曲线沿蒙城路下穿蒙城路桥,最终以直线接至北一环路站。根据设计文件资料,结合现场实际调研,对隧道沿线周边建构筑物及管线进行调查。调查结果显示,现场作业场地狭小。蒙城路是合肥市区南北向的重要交通走廊,位于老城区,地表建筑密集,地下环境复杂,沿线地块基本已经开发完成,周边建设完善,用地性质较为成熟,存在较多的建构筑物,包括若干高中低压燃气管线、雨污水管道、给水和供热线路、10 kV高压电缆管线等,并且下穿安徽省博物馆、寿春路下立交桥、蒙城路桥等。

3 工程难点

第一,盾构机穿越建构筑物及重要管线。

区间沿线周边建构筑物较密集,管线沿蒙城路敷设,地表交通繁忙,盾构施工可能对建构筑物及管线等造成一定影响。尤其是近距离下穿蒙城路桥,该桥为拱形吊杆桥,桥梁全长96 m,桥梁桩基距隧道顶板仅2.1 m,拱形桥梁结构形式对结构变形极为敏感。加之该桥危情较多,状态差,对盾构机下穿施工技术要求极高。同时,盾构机穿越桥梁段岩石破碎,并且基岩裂隙水极其丰富,下穿期间不仅需要关注对桥梁结构变形的控制,而且需要克服螺旋机喷涌。

第二,盾构机通过软硬不均地层。

区间穿越地层有全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等,地层结构复杂,岩性多变,岩面起伏变化较大,同时存在局部基岩凸起的特点。不同隧道段或隧道的同一开挖断面存在上下左右软硬不均的现象,这些软硬不均地层给盾构机施工带来很大的困难。

第三,盾构机在全、强风化岩及黏土层掘进对泥饼的控制。

隧道区间穿越残积土、全风化岩等土层,切削后的黏粒易形成刀盘盘面泥饼、土仓中心泥饼。需要通过防止刀盘结泥饼设计、渣土改良等施工措施,减小泥饼风险,确保盾构隧道顺利施工完成。

4 盾构机选型

盾构施工首先需要选用盾构机的类型。盾构机按结构模式分为泥水式盾构、敞开式盾构、土压平衡盾构、硬岩盾构四类。

敞开式盾构一般用于整个地层稳定、透水率低、涌水不需要其它辅助措施就可以被控制的区段。硬岩盾构一般用于硬度较大、能够自稳、涌水较少的岩石地层开挖。

土压平衡盾构和泥水式盾构都通过控制推进速度和出料速度使推进所产生的压力与掌子面的土体压力保持平衡,从而达到维持掌子面稳定,继而维持地面沉降和隆起在允许范围内的作用。泥水式盾构需配置昂贵的泥浆制备和分离设备,将泥浆通过管道注入盾构机混合仓内,与开挖出的渣土进行混合,通过泥浆泵将混合后的渣土抽至地面后进行分离处理,泥浆再循环利用。土压平衡盾构不需要进行分离处理,尤其是当土体稳定性较好时,甚至可以不需要带压出土,实现在土仓无压力条件下工作。在涌水较大,透水率不超过一定数值,且掌子面不稳的地段,才需要使用土压平衡开挖模式。当然,土压平衡盾构也不需要专门的分离设备进行渣土分离。

简而言之,泥水式盾构及配套设施价格较为昂贵,需占用较大的施工场地,而土压平衡盾构适用土质范围比较广泛,占地面积较小,价格适中。

在地铁隧道施工过程中,不同地区及城市,地质条件千差万别,既有像华北、西北地区含水量小的单一软土地质,也有像上海地区含水量高的单一软土地质,还有像华南地区复合地层等,因此,在选择盾构机这一隧道掘进的关键施工设备时,首先应充分考虑盾构机是否有利于开挖面的稳定,其次还需要重点考虑周边环境与场地、施工工期、使用性价比等限制因素,并对宜用的辅助工法加以考虑。

按照合肥地铁5号线5B标段工程的地质水文情况,这一标段构造裂隙和节理相对发育,大部分区间隧道埋置于泥质砂岩中,岩体裂隙和节理发育,地下水相对富集,透水性也相对较好,可以选取土压平衡盾构和泥水式盾构,排除敞开式盾构、硬岩盾构。施工时若存在不稳定的强透水层,发生突水现象,则选取泥水式盾构比较符合地层开挖安全的要求。该工程始发接收段均处于交通要道蒙城路中央,场内可用地极其狭窄,难以满足泥水式盾构的配套场地需求。同时按照国际知名盾构机生产商和国内制造商的经验、试验,复合式土压平衡盾构可以通过添加辅助材料,如膨润土、泡沫、水、阻水材料等,来改善渣土的性状,扩展土压平衡盾构的适用范围,从而在高透水地层可以使用土压平衡盾构进行开挖,不至于使泥浆从出料口喷涌而出,大量损失地层水。以上思路可以解决复杂地层、狭小场地的盾构施工设备选型问题,既能满足大部分岩体开挖,又能安全通过富水且透水率高的砂层。

综合分析,在这一标段中选用T6480复合式土压平衡盾构。

复合式土压平衡盾构是我国大多数城市地铁隧道施工的主要盾构类型,通过加强刀盘耐磨设计、优化刀具配置与布局、配置先进的渣土改良,以及可靠的关键部件密封与润滑等手段,大幅度拓展了传统土压平衡盾构的应用范围。

5 盾构机适应性分析

该工程具有周边建构筑物较密集、地层结构复杂且软硬不均、易形成刀盘盘面泥饼及土仓中心泥饼等特点,为适应复杂地层,选用T6480复合式土压平衡盾构,以下进行盾构机适应性分析。

5.1 推进系统

T6480复合式土压平衡盾构推进油缸一共有20个,均为单缸。所有油缸可以单独工作,可以根据实际情况任意分组控制,使盾构机的操控性能得到进一步提升,便于盾构姿态控制。为便于监测推进速度,将内置式行程传感器和速度传感器按区分布在推进油缸中。盾构机最大总推力为40 000 kN,满足设计方案中对盾构机总推力应在21 000 kN以上的要求。盾构机主驱动扭矩如图3所示。

图3 盾构机主驱动扭矩

5.2 铰接系统

盾构机配备主动铰接系统,共配置16个液压油缸,分四个区,每区安装一个行程传感器。铰接系统最大推力为29 680 kN,行程为200 mm,满足区间隧道的小曲线半径施工要求。

5.3 主驱动系统

盾构机选择直径为3.13 m的耐高压、耐负荷、大寿命三排三列滚柱轴承主轴承,配备九台液压马达驱动,额定扭矩为6 650 kN·m,对应转速为1.76 r/min时,脱困扭矩可以达到8 320 kN·m,均满足工程掘进施工要求。

推进系统和铰接系统的液压油缸分布分别如图4、图5所示。

图4 推进系统液压油缸分布

图5 铰接系统液压油缸分布

5.4 防刀盘结泥饼设计

为适应地层施工,有效降低刀盘结泥饼风险,改造加大刀盘的开口率,达到综合开口率为34%,中心区开口率为40%。优化刀盘格栅布置,刀盘中心区域次辐条每两道格栅去除一道,刀盘外圈区域次辐条每三道格栅去除一道,重新设计布置位置。刀盘设计七路单管单泵的渣土改良注入孔,正面为六路,周边径向为一路。喷口采用新式防堵塞设计,具有较好的防堵功能,可以在洞内对喷口进行维修和更换。刀盘上焊接有喷口保护刀,对喷口进行保护。刀盘结构如图6所示。

图6 刀盘结构

在刀盘牛腿及土仓中心区域各布置四路高压水冲洗管道,当中心开始形成泥饼时,采用高压水冲刷迅速解除泥饼。高压水系统配置流量为90 L/min,额定压力为12 MPa。在刀盘背部安装八个主动搅拌棒,与土仓内部四根被动搅拌臂配合,主要用于搅拌土仓底部的沉渣。这一设计可以显著优化地层中土压的控制,增大渣土的流动性,进一步降低结泥饼风险。

5.5 防喷涌设计

采用内径为850 mm的轴式叶片螺旋输送机,螺旋轴共设计有三道闸门,分别为螺旋输送机前端的一道剪刀式闸门和螺旋输送机后端的两道出土闸门。剪刀式闸门如图7所示,螺旋输送机如图8所示。在入口前部承压隔板上安装有剪刀式闸门,采用液压油缸驱动,剪刀式闸门的运动由控制室进行控制。出土闸门安装在螺旋输送机后端,装有主、副两道出土闸门,其中一道闸门配置气动紧急封闭系统。当盾构机通过富水地层时,可以通过调节不同闸门开度来降低不利影响。螺旋输送机上配备两个土压传感器,根据观察取排土量的关系及不同位置土压传感器的压力变化,判断螺旋输送机内渣土的流动性。配置有四个渣土改良口,用于改善渣土流动性,降低磨损。

图7 剪刀式闸门

图8 螺旋输送机

铰接密封采用凹字形密封,并预留紧急注入孔,以提高铰接密封系统的安全性。

盾尾密封采用三道盾尾刷加一道止浆板,每两道盾尾刷之间设有十路注脂管道。

5.6 密封和承压适应性

主轴承密封系统密封形式为唇形密封,采用耐热性和耐磨损性能卓越的丁腈橡胶材料制成。采用可编程序控制器自动控制分级加压模式,达到逐级减压,最终确保土仓杂质不进入主轴承的目的。主轴承内外径密封均为这一工作模式,有效保证外界渣土等杂质无法进入内部传动系统,延长主轴承的寿命,最大工作压力为0.65 MPa。主轴承的选型及应用成熟可靠,能够满足工程安全施工要求。

铰接密封系统中,中盾与尾盾的连接采用被动铰接设计,为凹字形密封,通过设置的12个油脂注入口持续注入2号极压抗磨润滑脂,起润滑铰接及密封的作用,这一形式的铰接密封状态优越,铰接密封耐压为0.6 MPa。在涌水或橡胶密封损坏时,也可以使用紧急气囊密封,完全可以满足任意方向最小平面曲线半径为250 m及最大竖曲线为1 000 m的施工需要。

盾尾密封系统中,盾尾壳体与管片之间的密封依靠焊接在尾盾上的三排金属钢丝刷、一道止浆板实现。三排密封之间形成两圈环形空间,每个环形空间设有十路注脂管道,持续不断进行密封油脂填充。盾尾密封系统满足工程施工要求。

由前盾、中盾、尾盾组成的盾体结构按照承受0.5 MPa的静水压力进行设计,对已挖掘但还未衬砌的隧道段起临时支护的作用,承受周围土层的土压和地下水的水压,并将地下水挡在盾壳外。

5.7 渣土改良系统

适合于土压平衡盾构开挖的渣土必须具有良好的塑性、低的透水率、良好的流动性等特点。目前常用的添加材料有膨润土、泡沫、水、阻水材料等,添加材料的作用如下:① 减小刀盘切削的扭矩值,降低盾构施工能耗;② 降低渣土对盾构机刀盘和其它金属材料的黏着性;③ 降低渣土的透水率。其中,泡沫具有其它材料不具备的很多优点,包括:① 密度低,不占渣土体积,便于制备和运输;② 相比其它材料更易于与渣土混合;③ 化学制剂的含量低,暴露在空气中很快会发散。出于环保安全需要,选用泡沫作为添加材料对渣土进行改良,可限制掌子面压力的波动,更好控制掌子面的稳定。同时,泡沫填补了被开挖土体的缝隙,使其可渗透性降低。

5.8 超前钻探系统

盾构机配备有安装在管片拼装机旋转部位的超前钻探系统,适用于软、硬岩地层。超前钻探系统最大可钻孔径为75 mm,最大钻孔深度达60 m。超前钻探系统满足工程施工需求。同时,在盾构机中盾周向上共设置14个外插的直径为100 mm的超前注浆孔,在前盾的土仓隔板上设置两个直径为100 mm的超前钻孔,也可以对开挖面前方进行超前注浆或超前钻探。超前钻探系统布置如图9所示。

图9 超前钻探系统布置

5.9 人舱

人舱用于进入开挖室和隧道掌子面,以便在加压下进行维修操作,针对工程施工过程中可能需要进行更换刀具及检查、维修刀盘而设计。人舱配置有压力调节系统、通信设备、紧急照明设备、观察窗口、控制面板、自动消防喷淋装置、有害气体实时监测装置等,同时还配置氧气呼吸系统,用于在紧急事件及卸压时使用。可以在人舱控制刀盘点动和刀盘旋转。盾构机人舱设计有两个,分别有土仓入口,通过两个入口可以在互不干扰的情况下分别进入土仓。两个人舱也可互为主副舱,每个人舱配置独立的压缩空气系统,均可实现独立的加减压操作。人舱满足工程施工需求。

6 施工应用

T6480复合式土压平衡盾构应用于合肥地铁5号线工程隧道岩石破碎且基岩裂隙水丰富、上下软硬不均的地层,在下穿南淝河及蒙城路桥时,桥台沉降量仅为-0.72 mm,满足设计及规范所要求的5 mm。隧道掘进进度统计见表2。

表2 隧道掘进进度统计

根据实际施工情况,验证了研究结论。

(1) 盾构机作为隧道掘进的关键施工设备,选型时应充分考虑有利于开挖面的稳定,还需要重点考虑周边环境与场地、施工工期、使用性价比等限制因素。

(2) 通过优化刀具配置与布局、配置先进的渣土改良,以及可靠的关键部件密封与润滑等手段,可以克服富水地层隧道掘进的喷涌现象,拓展了传统土压平衡盾构的应用范围。

(3) 加大刀盘的开口率,优化刀盘格栅布置,针对性设计刀盘防堵喷嘴,添加泡沫对渣土改良等措施,解决了类似地层的掘进施工易结泥饼问题。