灰岩与粉砂岩复合地层双模盾构选型技术研究

江益辉，杨延栋，孙 彰，王承山，蒋伟强

（1.中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；3.深圳铁路投资建设集团有限公司，广东 深圳 518000；4.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

城市地面可利用空间严重不足，修建地下隧道已成为发展城市交通的重要举措。然而，我国华南地区地质构造复杂，用于隧道修建的盾构需要穿越的地层复杂多变，传统单一模式的盾构装备难以适应复杂地层隧道施工需求，尤其是灰岩岩溶地层易导致土压盾构喷涌失压、泥水盾构渣土滞排，强风化粉砂岩地层易导致盾构刀盘结泥饼。灰岩岩溶与粉砂岩复合地层对盾构的地质适应性提出了新的挑战，有必要开发该复合地层双模盾构的选型配置技术，为隧道顺利穿越复杂地质条件提供解决方案。

国内众多专家学者对复合地层盾构施工进行了分析研究，无论采用单一模式的土压平衡盾构还是泥水平衡盾构，均难以应用灰岩岩溶与粉砂岩复合地层喷涌失压、渣土滞排、刀盘结泥饼等工程难题，针对深大城际2标白大工作井—大运站区间线隧道工程，开展土压/泥水双模盾构选型与配置技术研究，对于解决上述工程难题具有重要意义。

1 工程概况

粤港澳大湾区深圳都市圈宝安机场至大亚湾城际铁路一期工程止于深圳聚龙站，线路全长约68.8km。深大城际2 标线路全长约37.4km，该区间涉及五和站、白坭坑站、大运站、坪山站（划大鹏支线建设）、聚龙站5 座车站，5 座车站和6个工作井将深大城际2 标划分为10 个盾构隧道区间，盾构开挖直径∅9130mm，隧道成型直径∅8 000mm。

如图1 所示，深大城际2 标白大工作井-大运站区间线路全长约5.2km，2 台盾构先后从大运站始发，先穿越1.1km 的微风化灰岩，然后穿越长度2.1km 的强风化粉砂岩（占比27%）、微风化灰岩（占比16%）、中风化粉砂岩（占比31%)、微风化粉砂岩（占比26%）的复合地层，最后在白大工作井接收。微风化灰岩岩石单轴抗压强度21～57MPa、平均值为39MPa，实测岩体完整性指数平均值为0.59、岩体较完整，但存在大量岩溶；微风化粉砂岩岩石单轴抗压强度32～94MPa、平均值为57MPa，实测岩体完整性指数平均值为0.56、岩体较完整；中风化粉砂岩岩石单轴抗压强度18～58MPa、平均值为36MPa，实测岩体完整性指数平均值为0.50、岩体较破碎，存在碎裂岩。微风化灰岩岩溶地层实测渗透系数1.005m/d，中风化粉砂岩碎裂岩地层渗透系数1.785m/d，这两种地层透水性均较强。

图1 白大工作井-大运站区间地质纵断面图

另外，盾构还需要下穿铁路、高速公路、地铁管廊、地下管线、人行天桥、厂房等建（构）筑物多次，在岩石地层地表沉降风险小，但在土状强风化粉砂岩（土质地层）地表沉降风险极大。

2 双模盾构选型

2.1 盾构选型要求

白大工作井-大运站区间盾构穿越的地层可以归纳为3 类：土状强风化粉砂岩地层、中微风化粉砂岩地层、富水岩溶和碎裂岩地层。盾构在土状强风化粉砂岩地层掘进，泥水平衡模式有利于控制地表沉降，土压模式存在喷涌失压风险，TBM 模式无法控制地表沉降；盾构在中微风化粉砂岩地层掘进，TBM 模式掘进效率更高，土压模式下不带压掘进也满足掘进需求；盾构在富水岩溶和碎裂岩地层掘进，土压模式存在喷涌失压问题，泥水模式存在渣土滞排问题，TBM 模式更不能满足掘进需要。

2.2 盾构机型选择

为了满足上述几种地层下盾构掘进需要，选择了土压/泥水双模盾构；为了既满足土状强风化粉砂岩地层地表沉降控制需求、又满足富水岩溶和碎裂岩地层不喷涌、不滞排的需求，采用了串并联双通道土压/泥水双模盾构，该土压/泥水双模盾构压力仓隔板上并联布置了螺旋机和排浆管，螺旋机尾部也布置了与之串联的排浆管，可代替螺旋机尾部的皮带机出渣。该土压/泥水双模盾构包括3 种出渣模式：压力仓处排浆管直接出渣的泥水平衡模式、压力仓处螺旋机+螺旋机尾部排浆管出渣的泥水平衡模式、压力仓处螺旋机+螺旋机尾部皮带出渣的土压平衡模式。

2.3 串并联双通道土压/泥水双模盾构适应性分析

盾构在土状强风化粉砂岩地层掘进时，地层稳定性较差，控制地表沉降是该地层盾构施工控制的重点；该地层下渣土粒径小、泥水管路渣土滞排风险小，优先采用压力仓处排浆管直接出渣的泥水平衡模式，可更好地控制地表沉降。盾构在中微风化粉砂岩地层掘进，地层稳定性较好，提高出渣效率是该地层盾构施工的重点；该地层下渣土粒径大、泥水管路因滞排出渣效率低，优先采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部皮带出渣的土压平衡模式，可有效提高盾构掘进效率。盾构在富水岩溶和碎裂岩地层掘进，既要避免土压平衡模式喷涌失压问题，又要防止直排泥水平衡模式渣土滞排问题，因此优先采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部排浆管出渣的泥水平衡模式；该模式既能避免压力仓处渣土的滞排，又能防止螺旋机喷涌失压。

综上所述，串并联双通道土压/泥水双模盾构能够满足白大工作井-大运站区间灰岩岩溶和粉质砂岩复合的复杂地层施工。

3 土压/泥水双模盾构设备配置

串并联双通道土压/泥水双模盾构主机设备主要由刀盘、前盾、中盾、盾尾、主驱动、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、进浆管、螺旋机、排浆管（包括压力仓处排浆管、螺旋机尾部排浆管）、稀释箱等组成，如图2 所示。该土压/泥水双模盾构与土压或泥水单模盾构最大的区别是出渣系统。

图2 双通道土压/泥水双模盾构主机配置示意图

3.1 双通道出渣系统配置

压力仓隔板底部螺旋机与排浆管并联布置，两根排浆管对称布置于螺旋机出渣口两侧，如图3 所示。螺旋机在压力仓内设置1 道闸门，尾端设置2 道闸门，均能够紧急关闭；螺旋机轴采用可伸缩设计，模式转换时螺旋机轴前端可缩回至压力仓隔板后方，前端闸门关闭螺旋机进渣口。

图3 螺旋机与排浆管并联布置示意图

泥水平衡模式下压力仓由泥水仓和气垫仓构成，二者通过联通管连接，可通过气垫仓内加入压缩空气或泥浆来控制泥水仓压力，也可通过泥水仓内注入泥浆直接控制泥水仓压力；排浆管直接伸入泥水仓，缩短了排渣距离，排渣更高效、不易滞排，如图4所示。

图4 压力仓气垫式直排结构示意图

盾构采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部排浆管出渣的泥水平衡模式出渣时，螺旋机与排浆管之间配置稀释箱，稀释箱中部布置颚式破碎机，如图5所示；相对常规泥水盾构压力仓内布置破碎机的方式，该土压/泥水双模盾构采用了破碎机外置的设计，后期维护更方便。

图5 稀释箱内破碎机布置示意图

盾构采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部皮带出渣的土压平衡模式时，皮带机采用10°小角设计，并在斜坡段两侧设计挡板及橡胶护板，解决稀渣在斜坡段的飞溅问题；皮带机采用变频电机驱动利于带载启动，配置渣土计量装置便于及时掌握出渣量。

3.2 刀盘刀具系统配置

刀盘刀具系统配置既要满足盾构在岩石地层掘进有效破岩的需求，又要尽可能防止强风化粉砂岩地层刀盘刀具结泥饼。土压/泥水双模盾构采用八主梁+八副梁+外圈梁的结构形式，刀盘正面焊接耐磨钢板、刀盘外圈梁焊接耐磨合金块用于保护刀盘本体。刀具布置采用滚刀（可替换撕裂刀）、切刀分离的布局形式，便于渣土的流动，降低结泥饼的风险。刀盘结构如图6所示。

图6 刀盘结构示意图

1）刀具布置 刀盘开挖直径∅9 130mm，配置了4把19寸的双联滚刀、54把19寸的单刃滚刀，中心滚刀刀间距100mm、正滚刀刀间距以75mm为主，保证岩石地层强劲的破岩能力；弧形区域边滚刀刀间距依次减小，最外2把滚刀同轨迹，两把保径刀在该掘进区间R400m小曲线半径转弯时能保证开挖半径；配置1把超合金式超挖刀，独立泵站控制，最大超挖量20mm，在小曲线转弯必要时进行超挖。刀盘配置了104把宽刃切刀、16把边刮刀，切刀采用宽刃加强设计增强了刮削效果，大切刀刀间距利于渣土流动。

2）防结泥饼设计 刀盘整体开口率32%、中心开口率34%，刀盘中心大开口、环筋采用弧形设计，利于渣土顺利流入土仓；刀盘背部配置6根主动搅拌棒，主驱动隔板和盾体隔板配置3根被动搅拌棒，交错布置提高渣土流动性。刀盘正面布置了10个泡沫口和2个膨润土口，均为单管单泵型式，通过渣土改良改善流动性；中心隔板位置和排浆孔位置各配置了2路高压水冲刷，通过对刀盘中心和压力仓底部的渣土冲刷来防止刀盘背面结泥饼。

3.3 泥水环流系统特殊配置

泵的出口及重要90°弯头处采用高铬合金钢整体铸造而成，具有高合金钢的高抗磨性、较高机械强度和较高的抗冲击性能。泵的短接采用进口的天然橡胶进行内衬，用于泵的进出口连接，具有良好的耐磨性能和抗冲击性能。对于常规弯头采用覆板设计，增加了弯头处强度，提高了泥浆管的使用寿命，并且配置了磨损检测装置；膨胀节承担着泵进出口管路连接的减震作用，膨胀节采用独有的内衬耐磨管，提高了使用寿命，同时外层增加保护套，防止膨胀节破损时泥浆泄漏。

为满足正常掘进时泥浆管不断向前延伸，配置了一套卧式软管式管路延伸装置，通过延伸装置周期性对进浆和排浆管路进行加长。为了解决以往管路延伸时泥浆外流污染隧道作业环境的问题，配置了一套泥浆收集系统如图7所示，在拆解管路前将进浆管和排浆管内的泥浆排送至气垫仓和临时收浆罐，实现零排放、零污染。

图7 泥浆收集系统示意图

4 结论与讨论

针对深大城际铁路2标白大工作井-大运站区间灰岩岩溶与粉砂岩复合的复杂地层隧道工程，研发了串并联双通道土压/泥水双模盾构设备选型配置技术，为盾构顺利穿越该复杂地层提供了解决方案。

通过对深大城际铁路2标白大工作井-大运站区间灰岩岩溶与粉砂岩复合的复杂地层盾构施工的功能需求分析，选择了串并联双通道土压/泥水双模盾构机型。土状强风化粉砂岩地层优先采用压力仓处排浆管直接出渣的泥水平衡模式，可更好控制地表沉降；中微风化粉砂岩地层优先采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部皮带出渣的土压平衡模式，可有效提高盾构掘进效率；富水岩溶和碎裂岩地层优先采用压力仓处螺旋机+螺旋机尾部排浆管出渣的泥水平衡模式，既能避免压力仓处渣土的滞排，又能防止螺旋机喷涌失压。

通过对土压/泥水双模盾构的结构设计，配置了螺旋机与排浆管串并联的双通道出渣、高效破岩与防结泥饼的刀盘刀具、高抗磨与零排放的泥水环流等关键系统。压力仓隔板底部螺旋机与排浆管并联布置，螺旋机尾部排浆管通过稀释箱与螺旋机串联布置，可实现土压平衡、排浆管直排泥水平衡、螺旋机与排浆管接力的泥水平衡3种出渣模式；刀盘刀具系统通过合理配置大直径、小刀间距的滚刀和宽刃、大刀间距的切刀，可实现刀盘刀具高效破岩；通过刀盘中心冲刷、渣土搅拌改良，可防止刀盘结泥饼；泥水环流系统通过弯头覆板、耐磨监测等提高抗磨性，通过配置泥浆收集系统，可实现泥浆管路延伸零排放、零污染。

串并联双通道土压/泥水双模盾构设备的选型配置为盾构顺利穿越灰岩岩溶与粉砂岩复合地层提供了设备保障，实施效果待现场施工进一步验证。