厦门复合地层条件下的盾构机选型研究

李世佳，赵国旭，刘典基

(1.广州轨道交通建设监理有限公司，广东广州510001;2厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门361000)

厦门复合地层条件下的盾构机选型研究

李世佳1，赵国旭2，刘典基2

(1.广州轨道交通建设监理有限公司，广东广州510001;2厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门361000)

厦门轨道交通1号线穿越地层十分复杂，具有典型的复合地层特点。结合沿海等城市复合地层中盾构施工的经验教训，针对厦门典型的地质条件，对盾构机刀盘、刀具对地层适应性进行分析，并对盾构机主要渣土改良系统、注浆系统、开仓作业系统提出建议和意见，可为厦门轨道交通1号线相关标段盾构施工提供指导和借鉴。

复合地层 孤石 上软下硬 盾构机选型

目前，我国轨道交通在建城市达30多个，各地区地质条件各不相同，在长江三角地区，盾构隧道穿越软黏土地层，而在珠江三角地区，如广州、深圳，盾构主要穿越上软下硬的复合地层［1］。厦门地质条件类似于珠三角沿海城市地质条件，盾构掘进断面或纵断面上地层变异性大，大量不良地质集于一身，如:淤泥质土、基岩突起、花岗岩球状风化体及上软下硬地层等。如此复合地层掘进中，常遇到工作面遭遇孤石、刀具磨损严重、不良条件下换刀、盾构机在岩层中被卡，甚至造成地面塌陷等事故。为进一步探讨厦门地质条件下盾构机的适应性，本文结合珠三角沿海城市盾构施工的经验教训，明确提出了厦门地铁针对盾构机选型的意见和建议，为厦门地铁1号线盾构选型施工提供参考。

1 厦门复合地层特点

厦门轨道交通1号线盾构区间穿越典型复合地层(见图1)。沿途穿越基岩突起、上软下硬地层、花岗岩球状体等。盾构机选型时需综合考虑不同区段地质条件及各种因素，选择适宜的盾构机机型、设计布置合理刀盘、刀具形式，以及配备不同的辅助工法。

1.1 典型的上软下硬地层

盾构机穿越上软下硬地层是厦门复合地层中盾构隧道施工的重点与难点。如厦门将军祠站—文灶站区间，上部为地下水较丰富的中粗砂层、粉砂层及淤泥层以及黏土层，下部为硬塑状砂质黏性土和不同风化程度的岩层。盾构穿越该类地层的风险主要表现为盾构姿态控制困难，开挖面稳定性较差、控制难度大。盾构机掘进过程中，常发生盾构偏离轴线，姿态难以控制、喷涌、开挖面失稳、结泥饼、刀盘刀具严重磨损，甚至在岩层中发生因边缘刀具磨损严重而使得盾构被围岩卡住，导致地面塌陷等风险事件。

图1 厦门轨道交通1号线盾构区间地质剖面

1.2 花岗岩球状风化体

根据厦门地质初勘结果，花岗岩球状风化体钻孔的见孔率为18%，几率很高，在盾构施工过程中随机发现的可能还会更多。如厦门轨道交通1号线集—城区间存在球状风化体(天然饱和单轴极限抗压强度最大值为125 MPa，最小值为61.8 MPa，平均值为93.2 MPa)。其施工风险在于:①瞬间荷载突然加大，造成刀盘变形和刀具的崩裂;②花岗岩球状风化体随刀盘一起旋转、前进，造成刀具及刀盘磨损;③频繁开仓换刀或处理孤石，造成地面沉降或坍塌。

1.3 穿越全断面花岗岩地层

复合盾构机遇到全断面硬岩时，其掘进速度慢，盾构机震动剧烈，容易出现:①刀座易松动造成刀具偏磨;②刀具磨损快，更换频繁，边缘刀具更换稍不及时，容易导致盾构机卡壳;③刀盘、螺旋机等部件磨损大;④液压、驱动等系统高负荷运转，设备和机具损耗大，施工成本高。盾构机各主要部件，其性能、寿命将面临巨大考验。

2 盾构机适应性选型

盾构机是按照地质环境量身定做的，盾构机的适应性是至关重要的。根据厦门地铁的施工地质条件，结合广州、深圳、东莞等沿海城市的类似地质条件，综合考虑地面环境、工程造价等因素，建议选用复合式土压平衡盾构机。

2.1 刀盘的选型

刀盘的开挖直径是随着隧道设计直径而变化的，由于受掘进线路的坡度或转弯半径等影响，在复合地层条件下施工时，考虑到刀盘和刀具在较为坚硬的围岩中切削会有一定的磨损，盾构机体直径从盾首至盾尾依次减少10 mm，以减小盾构卡在岩层中的风险。目前，厦门统一选用开挖直径6 450 mm的土压平衡盾构机(图2)，筒体采用锥形设计。

图2 厦门盾构机开挖尺寸情况

厦门复合盾构机刀盘主要采用面板式:

1)厦门存在典型的燕山期花岗岩地层，花岗岩残积层易发生结泥饼现象，且部分地段存在大量的花岗岩球状风化体。一般建议刀盘开口率在30%～40%，尽量增大开口率，并保证后部开口率应大于刀盘面板开口率，防止中心部位开口率过小而发生频繁结泥饼的现象。厦门轨道交通1号线吕—城区间刀盘的开口率为38%，集—城区间为35%，均符合要求。

2)为加强盾构机在黏性土及全风化花岗岩地层中渣土的流动性，一般在土仓中心附近设置2个主动搅拌棒，主动搅拌棒应该伸出刀盘后端面700 mm (图3)。在土仓最底部离开盾壳200～300 mm的高度，设置一根搅拌棒，尽可能在水平方向向螺旋输送机延伸，但不能影响前闸门取土，以防止较大快的岩石在土仓底部堆积，长期滞排。土仓隔板上设置的6根被动搅拌棒，其长度应该保证在垂直投影上和主动搅拌棒重合。

3)刀盘中心增加高压水冲刷装置以及中心泥饼检查和处理装置，在渣土较干时可采用刀盘中心高压水冲刷装置快速加水，防止泥饼形成。

4)由于花岗岩地层岩石强度较高，花岗岩球状风化体对刀盘的撞击和硬岩对刀盘的磨损都很严重，因此刀盘的耐磨应特别设计，并增加刀盘磨损检测装置。2.2刀具选型

目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀、刮刀、超挖刀(仿行刀)几种类型。其中滚刀和刮刀的刀座形式相同，根据不同的地层条件可进行更换。

软硬不均的地层中，因为周边土层松软，往往刀具不易破除局部存在的高强度孤石和基岩突起，而且孤石和基岩突起反而会严重损坏刀具，导致滞排。刀具配置时更应该考虑刀具配置的差异性，主要表现在:

1)滚刀启动扭矩。即在刀盘转动时，滚刀产生足够大的摩擦转矩，使滚刀能够转动。

2)滚刀与刮刀的高度差。刀具高度差大，有利于破岩;如果滚刀与刮刀的高度差h(见图4)很小的话，当滚刀破岩时，如果贯入深度大于或等于滚刀与刮刀的高度差，刮刀就顶住了岩面，限制了滚刀向岩层进一步贯入。

图3 主动搅拌棒设置

图4 高度差小导致刮刀限制滚刀破岩

3)滚刀的刀间距。刀间距也是影响破岩能力的关键因素。刀间距过大，会在两滚刀之间出现破岩的盲区而形成“岩脊”。刀间距过小，会将岩体碾成小碎块，降低破岩功效，所以刀间距过大或过小都不利于破岩［2］。

4)考虑盾构机需要通过辉绿岩、闪长岩或正长岩等岩层，滚刀需配备重型钢刀圈。

盾构机刀具参数对比见表1。

表1 厦门地铁某区间与沿海城市类似地层使用盾构机刀具参数对比

根据厦门地铁的地质特点，实际刀具配置中，应主要考虑如下几点:

1)在复合地层的孤石和基岩突起工况下，轻型滚刀、双刃滚刀或刀间距过近等配置都不利于破岩。一般采用43.18 cm重型单刃滚刀，加密刀间距，要求控制在9 mm以内，且应尽可能增加可超挖的边缘刀具数量。硬岩地层段，还需增加刀具的抗冲击和耐磨性能。

2)为保障边缘刀具的开挖性能，减少盾构机被卡的风险，边缘滚刀要有足够的超挖量(＞15 mm)，且应尽可能增加可超挖的边缘刀具数量。

3)软硬不均地层段应合理设计不同刀具高差，形成梯次配置，减少冲击崩裂等异常磨损。刀具的高度差宜＞30 mm，滚刀高度大于先行刀，先行刀高度大于刮刀。

4)软土或软岩地层段更换先行刀，优化刀具组合配置，降低刀盘扭矩。

5)滚刀的启动扭矩必须考虑不同工作模式和不同岩层强度，有针对性地进行调整，增加刀具对同断面软硬地层交互的适应性，提高滚刀滚动切削效率，减少滚刀偏磨。

6)滚刀要设计成具有一定弹性和伸缩性，边缘滚刀要有足够的超挖量，且应尽可能增加可超挖的边缘刀具数量，应配置超挖刀，提高纠偏能力。

2.3 盾构渣土改良系统选型

针对厦门上软下硬地层特点，掘进过程中，往往需要通过渣土改良来增加渣土的和易性及流动性，针对添加剂注入设备应考虑:

1)因注入压力一般为0.3 MPa，泡沫发生器的压力应达到0.5 MPa;

2)根据盾构机的掘进速度和常规的浆液浓度及注入比，泡沫泵的流量在40～60 L/min均可;

3)根据泡沫的浓度并参照泡沫剂泵的流量，水泵的流量一般在100～150 L/min;

4)在刀盘中心部位的辐条内侧(即刀盘厚度范围内)增设一道水、气的出口，与泡沫系统共用管路与泵，以防止从刀盘前方中心向土仓内这个通道结泥饼，并保证中心辐条之间开口范围内的出土通畅;

5)在面板上、土仓内、螺旋出土器内均需要设置注入口，面板上应以刀盘为中心，呈辐射状布置，一般黏性不是特别大的地层，4个即可。土仓内的注入孔数量以1～2个为宜，需要结合搅拌棒布置的数量进行调整。排土器内的注入孔以1～2个为宜，根据螺旋机的直径、长度和倾斜角进行调整。

2.4 开仓人闸系统

根据厦门复合地层情况，盾构机在长距离掘进时需要检查或更换刀具，或是在孤石地段需要开仓处理时必然需要考虑开仓作业。如果开仓，盾构机设计制造时，人闸的设计应注意以下几点:

1)土仓口、人闸位置。目前主要盾构机土仓口及人闸门有位于盾构机顶部和中部两种。当需开仓作业时，土仓口位置的不同，必然导致出土量的不同。土仓口位置越低，出土量越大，这将不利于掌子面的稳定。因此，建议盾构土仓口位于盾构机顶部。

2)人闸宜选择并联双仓结构(见图5)，即主仓和副仓，宜在主仓内单独设置吊装刀具的吊具。闸门宜采用向人闸仓内开启的形式，若采用向外开启，土仓内可能因结泥饼而使仓门无法打开。

3)配备完善的压气作业通风、通讯和辅助系统。

图5 人闸并列双仓设置

2.5 螺旋输送器

在螺旋状圆筒上需布置泡沫液管以改善渣土的流动。因为螺旋输送器内的渣土可能处于压密状态，所以应预留检修口进行清理或取出卡在内部的石块。另外，螺带前端应完全伸入土舱内(图6)，以保证送土效率。为了达到更好的封水效果，还可以在靠近出土口的地方设置一段反向螺带，人为地在螺管中形成土塞。另外，为达到更好的封水效果，应在出渣口设置两道闸门。即在螺旋输送器的前端设置可关闭的前闸门，后闸门应有蓄能器关闭的功能(图7)［3］，以保证在意外断电的情况下也能够有效地切断这一通道。

图6 轴式螺旋输送机

图7 设置双闸门及反叶片的螺旋输送机

为保证盾构机正常出渣，需要为螺旋输送器配备足够的驱动功率。根据地铁施工经验，直径900 mm的螺旋输送器，驱动功率应大于200 kW，最大扭矩在200 kN·m左右。

2.6 盾构机注浆系统选型

1)根据同步注浆管与盾壳的相对关系，主要分为凸出式和内嵌式两种［4］。内嵌式注浆管则在一定程度上增大了盾构外径和盾尾间隙。相对而言，增加了盾构掘进过程对周围土体的扰动，但有利于管片拼装，且由于不易磨损，其地层适应性更为广泛。厦门地铁采用内嵌式注浆管设计，以降低注浆管路磨损，并降低总推力，做到单管单泵。同时，在盾构机盾尾设置清洗口，便于机械设备清洗;要求贮浆罐容量不小于理论注浆量的180%，即≥7 m3。

2)盾构机上应配置方便搬运的二次注浆系统，能对拖出盾尾的隧道管片、联络通道及洞门等重点部位进行注浆，解决施工常见的喷涌问题。盾构机选型时需考虑二次注浆中B液罐和双液注浆泵配备及放置位置。为了保障注浆效果，建议选用螺杆泵中双液注浆泵进行二次注浆，且双液注浆设备能够动态调整A，B液配比。

3)超前注浆系统是盾构机上配备的可向盾构机前方超前注浆的设备，主要用于保护前方建筑物、开仓检查前的加固、超前探测等。由于厦门地铁花岗岩球状风化体地层需频繁开仓作业，为保证开仓安全，应配备超前注浆系统。

3 结语

复合地层条件下的盾构选型是一项复杂的系统工程，不仅需要综合考虑地层条件及盾构系统设备的功能来进行合理配置，还存在一定的矛盾性和局限性。目前国内在硬岩地段使用盾构机滚刀正面间距最小能做到90 mm左右，但限制了刀盘开口率，影响出渣。同时，在软岩地区，其施工功效明显，但是这种刀间距在微风化的花岗岩地层就不一定完全适合了。厦门地层中存在大面积的基岩突起、孤石地段，如孤石粒径较小，盾构机通过合理选型可直接掘进通过，但往往容易遇到滞排困难。经过爆破的花岗岩地层稳定性较差，加之在上软下硬地层中出现滞排，不但会影响盾构机掘进控制，造成地面沉降，而且可能发生塌方事故。

因此，厦门盾构机穿越基岩突起、孤石及上软下硬等地层的有效解决方式，不仅需要合理的盾构机选型，还需要更为有效的辅助工法。另外，已经在国外及珠三角沿海城市开始使用的双模盾构机，具备优良的排渣优势，能有效地应对厦门复合地层。所谓双模盾构机是指同时具备泥水平衡和土压平衡两种模式的盾构机。双模盾构既能发挥泥水盾构的平衡优势，又能充分发挥土压盾构排渣优势。

［1］李俊伟，李丽琴，吕培印.复合地层条件下盾构选型的风险分析［J］.地下空间与工程学报，2007，3(7):1241-1244.

［2］竺维彬，鞠世建.复合地层中的盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006.

［3］钟长平，孔少波，杨木桂.广州地铁二/八号线拆解段盾构隧道工程施工技术研究［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］王晖，谭文，黄威然.广州地铁三号线北延段盾构隧道工程施工技术研究［M］.北京:人民交通出版社，2012.

［5］李婕，吴起星.广州地区软硬复合地层盾构施工技术研究［J］.广州建筑，2014，42(3):26-32.

(责任审编赵其文)

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.19

1003-1995(2015)12-0070-04

2015-07-07;

2015-09-07

李世佳(1984—)，男，工程师。