深圳地区复合地层盾构针对性设计与选型探讨

谭顺辉

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 4 50016)

0 引言

深圳地区地质条件复杂，轨道交通建设10余年来，在施工中遇到了诸多困难和问题，如盾构刀盘刀具严重磨损、刀盘及盾体被卡、地表塌陷及盾构推进困难等。该地区盾构工程具有地质条件复杂、周边建(构)筑物密集、地下水位高等特点。在先前的1，2，3号线和5号线区间隧道的盾构施工中，在设计选用盾构时，虽做了很多适应性设计，但总体上没有完全克服上述问题，盾构掘进不顺利，在过程中不得不采用辅助工法进行一些特殊地质段的处理。地质复杂是客观条件，也是客观存在，但在采用盾构工法施工隧道时，如何结合地质特点对盾构设备采用针对性的设计和选型，尽可能使设备在满足土压平衡条件下又具有足够的掘进能力，满足这些复杂地层掘进施工的要求，是一个值得认真研究和探讨的技术难题。在以往的研究中:文献［1］针对深圳地铁土压平衡盾构应用过程中所遇到的问题，对深圳地层特别是对盾构施工影响较大的特殊地层展开研究，得到特殊地层对土压平衡盾构施工的主要影响因素，进而提出土压平衡盾构对深圳特殊地层适应性的改进措施。文献［2］总结十几年来深圳地铁盾构施工技术，提供深圳盾构法施工的宝贵经验，展现盾构法施工的最新技术和应用成果。文献［3］以广州地铁复合地层土压平衡盾构施工的实践为基础，结合盾构穿越敏感建筑物的经验和教训，分析土压平衡盾构在掘进施工管理中的特点，提出盾构掘进的指导原则。文献［4］分析了刀盘开口率对出土率的影响，提出了定量分析刀盘开口率对地层适应性的计算方法，该方法能很好地解释土压平衡盾构在砂性土中模拟掘进时出土率异常的现象。文献［5］为解决砂卵石地层掘进的刀盘刀具异常磨损、泥饼阻塞及地表沉降明显等问题，从刀盘刀具、螺旋输送机、渣土改良及注浆控制等方面进行研究，并结合成都地铁和北京地铁现场应用及试验数据，对刀盘开口率的确定、刀具的布置、轴式/带式螺旋输送机的选取、渣土改良系统及注浆系统的配置进行比较，得到了相应地层土压平衡盾构设计的解决方案。文献［6］盾构法在某些地层特别是复合地层中施工时会遇到一些困难，文中结合工程实例进行分析探讨。文献［7］通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析，系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。文献［8］针对复合地层掘进扭矩载荷突变进行研究，解释我国昆明上公山隧道施工中频繁出现堵转事故的原因，为盾构复杂地质条件下顺应性设计提供指导。文献［9］结合南京地铁工程，分析了盾构在复合地层中掘进时发生地面沉降的原因，介绍了处置沉陷的过程，以及处置沉陷的应急措施、相应的地面加固方案和恢复掘进后的施工方案，总结了盾构在复合地层中掘进施工的经验。文献［10］针对深圳罗湖区某盾构隧道需穿越全断面全强风化岩、全断面微风化岩、粉质黏性土层，隧道范围还可能存在球状风化体的地质情况，在盾构设计时针对上述问题做了一些改进，取得了良好的效果。而本文则结合深圳轨道交通11号线及9号线的盾构区间隧道工程，介绍所选用的中铁系列盾构在针对性设计选型上的特点，并根据其在实际掘进施工中取得的效果，提出深圳地质条件下盾构设计选型的针对性重点，同时对盾构施工管理和盾构设计改进提出建议。

1 深圳地层特点

在深圳轨道交通建设中，盾构法施工的区间隧道穿越淤泥、砾质黏性土、砂卵、孤石、硬岩和软硬不均等多种复杂地层，地下水丰富，施工难度极大，主要具有以下特点。

1)淤泥质地层。淤泥质地层主要集中在填海区域，淤泥地层结构松软，承载力低，含水量高，容易产生触变、流变。盾构在淤泥质地层中掘进时会对地层产生较大扰动，引起地基变形和失稳。

2)全风化、强风化花岗岩、残积土、砾质黏性土地层。该地层颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点，颗粒成分中粗颗粒(＞2．0 mm)的组分及颗粒小的组分(＜0．075 mm)的含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少。在此地层中掘进，当刀盘结构适应性差及渣土改良效果差时，黏粒成分很容易造成刀盘和土仓结泥饼。刀盘泥饼如图1所示。

图1 刀盘泥饼Fig．1 Cutterhead clogging

3)软硬不均地层。深圳地区基岩面起伏较大，软硬不均现象明显，盾构隧道施工时常遇到岩性变化较大的地层，其中以上软下硬现象居多。盾构掘进过程中主要存在以下难点:①下部硬岩地层产生的块状混合渣土流动性差，即使渣土改良也会使刀盘扭矩大，特别是土仓建压时尤为明显，土仓欠压又会发生地表沉降。②下部硬岩地层对刀盘的偏心荷载较大，刀盘的弹性变形较大，对主轴承承载能力和刀盘的强度要求高。在深圳前期盾构施工中，曾有刀盘外圈梁因承受偏载断裂的情况，如图2所示。③刀具在软硬结合面受力突变，异常损坏的频率高，换刀次数多，掘进进度慢。④盾构掘进姿态控制困难，易使盾构姿态向上偏移。

图2 上软下硬地层掘进损坏的刀盘Fig．2 Damaged cutterhead of shield after boring in heterogeneous ground

4)硬岩地层，如图3所示。硬岩岩质坚硬，最大单轴抗压强度高达230 MPa。如为全断面硬岩且上覆层厚度合适，可采用敞开模式掘进，存在的问题是:①螺旋输送机在常压状态下的出渣能力要求高。②渣土在土仓内的流动需满足螺旋输送机出渣需求。③当边刀磨损后不能及时更换时，容易卡盾，转向困难。④刀盘的振动较大。⑤盾构在硬岩中掘进，刀具磨损严重，换刀频率加大，甚至有可能损坏刀盘，从而导致工期延误。

图3 全断面硬岩掌子面岩层Fig．3 Hard rock of full tunnel face

5)孤石地层。根据以往盾构掘进施工经验，孤石处理非常困难，如果处理不当，可能造成长时间停机、损坏刀盘)以及盾构转向偏离隧道轴线等严重问题。图4为在孤石地层中掘进时刀盘异常磨损的情况。

图4 孤石地层掘进损坏的刀盘Fig．4 Damaged cutterhead of shield after boring in ground containing boulders

6)富水地层的喷涌问题。由于深圳地处沿海地区，地下水位高，水压大，在部分砂质土、中粗砂和回填地层，可能出现喷涌现象，控制不当会导致地层异常沉降。

2 对盾构设计和选型的总体要求

根据深圳轨道交通工程地质和水文地质状况、盾构特性、工程经济性和环境等条件，结合以往施工经验，盾构在设计时应着重注意以下几点:

1)宜采用复合式土压平衡盾构。

2)刀盘及刀具应具有很强的破岩能力及足够的刚度和强度。

3)刀盘应具备较大驱动扭矩及合适的转速。

4)刀盘及螺旋输送机要有较强的耐磨性。

5)渣土改良应具备泡沫改良和膨润土改良2种方式。

6)应充分考虑带压换刀保证措施。

7)应考虑必要的防喷涌设计。

8)应针对地质配置合理配套设备。

3 盾构针对性设计及主要参数

深圳轨道交通11号线采用了外径6 700 mm和6 000 mm 2种管片规格，而9号线只有外径6 000 mm 1种管片规格，因此存在2种规格的盾构，一种是适应外径6 700 mm管片的φ6 980 mm变频驱动土压平衡盾构，一种是适应外径6 000 mm管片的φ6 280 mm液压驱动土压平衡盾构。

3．1 盾构针对性设计

1)采用大功率驱动设计，以满足深圳地区普遍地质条件要求。既可以在全断面中、微风化岩地层提供高转速(φ6 980 mm盾构最大转速3．6 r/min，φ 6 280 mm盾构最大转速3．35 r/min)，又可以在复合地层或砂层提供大扭矩(φ6 980 mm盾构最大工作扭矩7 806 kN·m，脱困扭矩9 757 kN·m;φ6 280 mm盾构最大工作扭矩6 650 kN·m，脱困扭矩8 100 kN·m，其扭矩见图5)。

图5 φ6 280 mm扭矩-转速Fig．5 Torque Vs rotation speed:φ6 280 mm shield

2)刀盘采用面板结构设计，六主梁+六小面板结构，如图6所示。刀盘开口率为32% ～34%，可安装足够数量的滚刀，在满足破岩要求前提下，又具有较大的开口率;刀盘面板和周边都设计有耐磨板。刀具配置上，通过转换刀座可以实现滚刀和撕裂刀的互换，以适应不同的地层的配刀需要，如图7所示。

图6 φ6 980 mm刀盘Fig．6 Cutterhead of φ6 980 mm shield

图7 滚刀与撕裂刀互换示意图Fig．7 Replacing between disc cutter and ripper

3)采用φ800 mm或φ900 mm轴式螺旋输送机，双闸门设计。为提高螺旋输送机的耐磨性，在螺旋轴最易磨损的前端叶片上加装硬质合金块，如图8所示。在螺旋输送机前端筒体加装可更换的耐磨块，如图9所示。

图8 前端叶片耐磨块Fig．8 Anti-wearing block

4)渣土改良系统采用至少4路泡沫+2路膨润土，使用单管单泵的方式。每路均可独立工作，不受土仓压力和管道阻力的影响;改良剂喷口采用成熟的防堵塞设计;泡沫系统采用泡沫剂提前预混合方式，可提高泡沫的发泡效果。

5)刀盘土仓中心防泥饼设计。改进常规中间驱动方式驱动箱结构，刀盘法兰采用环状结构，因此刀盘在土仓中心的结构与隔板中心区域存在相对运动，加上土仓中心隔板安装固定搅拌棒(如图10所示)。掘进时可与刀盘的旋转形成相对的运动，达到中心区域渣土搅拌的功能;中心隔板上设计高压水冲刷装置，一定程度上可实现渣土冲刷的功能，并可防止土仓中心泥饼的产生。

图9 筒体前端可更换耐磨块Fig．9 Replaceable anti-wearing block

图10 土仓隔板固定搅拌棒布置Fig．10 Layout of agitators on bulkhead

6)刀盘上选用重型滚刀和重型切刀，提高刀具的耐磨性能和抗冲击性能。

7)设备配置有双联人仓，满足必要的带压换刀作业需用。

8)配备有盾壳膨润土注入系统，在前盾和中盾外表留有注浆口，可注入泥浆，减小盾壳外表摩擦阻力，防止卡盾。

9)为防止富水地层的喷涌问题，螺旋输送机配置有前仓门、后闸门(双门)，并在螺旋输送机筒体外壁和土仓隔板上设计有聚合物注入系统的接入口。

3．2 2种盾构的主要设计参数

见表1。

表1 深圳轨道交通中铁盾构主要技术参数Tabel 1 Main technical parameters of φ6 980 mm shield and φ 6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

4 盾构掘进施工应用情况

4．1 φ6 980 mm盾构使用情况

深圳轨道交通11号线车公庙站—红树湾站、南山站—前海湾站及机场站—福永站等3个区间共投入6台φ6 980 mm盾构。该3区间除存在深圳地区的黏性土、全强中微风化岩、孤石、上软下硬复合地层和富水砂层等普遍地质外，还存在长距离掘进设备耐磨的问题(车红区间长5．5 km，南前区间长3．6 km，机福区间长3．4 km)。目前6台盾构已累计安全顺利掘进约10 km，最高日进度24 m，最高月进度591 m(主要是风化岩地层)。从掘进参数表(见表2)可以看出，掘进效果良好。盾构出洞后，刀盘及刀具磨损正常，如图11所示。

表2 深圳φ6 980 mm盾构掘进参数统计表Table 2 Boring parameters of φ6 980 mm shield made by CREG used in Shenzhen

图11 中铁67号盾构出洞刀盘照片Fig．11 Cutterhead of CREG No．67 shield at breakthrough

4．2 φ6 280 mm盾构使用情况

该型号盾构主要应用在深圳轨道交通11号线及9号线的建设，共投入11台盾构，区间地质除具有区域普遍性特点外，局部地段还有滨海回填地层的情况。目前已经累计安全掘进约7 100 m，最高日进度27 m，最高月进度426 m。从表3所示的掘进参数比对，以及图12所示的盾构出洞后的图片对照，实现了设计意图，掘进效果良好。

表3 深圳φ6 280 mm盾构掘进参数统计表Table 3 Boring parameters of φ6 280 mm shield made by CREG used in Shenzhen

图12 中铁103号盾构出洞刀盘照片Fig．12 Cutterhead of CREG No．103 shield after breakthrough

5 结论与建议

5．1 结论

1)深圳复杂地质条件下，采用土压平衡盾构掘进是适宜的。

2)盾构的主要性能要求具备足够的安全储备，尤其在主驱动能力、刀盘及盾体脱困能力方面，要使盾构在建立足够平衡土压的情况下，能够安全掘进。

3)要满足上软下硬地层和全断面风化地层的掘进要求，刀盘的强度和刚度除满足最大应力荷载条件的基本前提下，其结构形式、开口率和刀具的布置设计、刀具的选用上，必须使整个刀盘具有足够的破岩能力。

4)深圳地质中风化岩和砂质土的石英含量很高，对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损造成很大危害，这就要求必须充分考虑盾构耐磨设计。如刀盘面板和周边的耐磨保护块、螺旋输送机叶片和前端筒体的耐磨层设计是很有效的设计重点。

5)破岩刀具的配置和选用上要考虑长距离掘进、少换刀的设计要求;同时盾构设备具备带压换刀的功能非常必要。

6)遵循地质是条件、设备是前提和管理是关键的盾构施工理念。在深圳复杂地质条件下的盾构施工，良好的设备维护、操作管理和科学的施工生产组织管理是保持好的设备机况、确保盾构施工顺利进行的关键，在掘进中，每天定时日常保养非常重要;要坚持匀速施工的原则，同时根据地质资料、渣土状况和掘进参数变化情况，及时调整渣土改良参数、调整刀盘转速、推进力和螺旋输送机的出土速度等，才能控制好地层沉降，保证安全高效的施工进度。

5．2 建议

虽然上述设计选型的盾构在施工中解决了一些问题(有效防止泥饼和喷涌现象的发生、顺利通过了局部硬岩、上软下硬地层和少量的孤石地层等)，但在一些稍长距离局部硬岩侵入地段，采取先期密排钻孔钻裂硬岩后的掘进时，刀盘外沿及相应位置刀具出现异常磨损情况。如何进一步增强刀盘的防撞和耐磨功能需要加强研究;在大块孤石地层，还是主要靠外围辅助手段进行处理，如何提升盾构设备对付孤石地层的施工能力，也需要进一步地研究。

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