地铁复合地层土压平衡盾构施工适应性问题探讨

齐晓成

（中铁十六局集团有限公司，北京100018）

1 工程概况

横琴隧道1号井—湾仔北区间位于珠海市区南湾大道，线路左侧临海，多为工业厂房。盾构隧道起讫里程左线DK2＋748.926—DK3+986.200，全长1.237km，右线YDK2＋764.071～YDK3＋994.380，全长1.230km，双洞单线，采用盾构法施工。

盾构机从1号井开始施工，持续进行到湾仔北站小里程吊出。衬砌结构为C50钢筋混凝土预制管片，内径7 700mm、外径8 500mm。每环管片由4块标准块、2块连接块和1块封顶块共7片管片组成。

2 盾构机掘进参数

盾构机选择的型号是铁建重工DZ192机型和海瑞克S-592，区间右线海瑞克S-592盾构机先始发，以右线地层为基准得到掘进参数，具体内容如表1所示。

表1 掘进参数

3 盾构机选型

3.1 选型原则及依据

盾构选型应充分遵循安全性、经济性等多项原则，确定合适的机型设备，由此降低辅助施工作业量，并提升开挖面的稳定性。

3.2 盾构类型确定

3.2.1 根据工程适用性确定

不同的盾构机性质存在差异，所适应的地质范围也有所差别，将其运用于其他地形时则存在一定的局限性，综合考虑到本工程的实际情况，选定为泥水平衡盾构及土压平衡盾构两大类。

3.2.2 根据地层渗水系数确定

对地层透水系数进行分析，当其大于1×10-4m/s时，则以泥水盾构的方式为宜；如果实际地层系数小于1×10-7m/s，此时则选用土压平衡盾构的方式更具可行性。如果该系数值介于1×10-7～1×10-4m/s范围时，则上述2种设备都具有可行性。

3.3 盾构掘进作业工序流程

盾构掘进作业工序流程如图1所示。

图1 盾构掘进作业工序流程

3.4 掘进控制程序

做好盾构隧道施工掘进工作至关重要，其是推动后续施工持续进行的基本条件，对此需要注重：①刀具充分切削、破碎地层；②经切削操作后所得到的土层应在第一时间将其运走。基于上述分析得知，掘进参数的选择尤为关键，需充分考虑到不同地层条件下的刀具、转速等参数情况。

3.5 掘进模式与拟定掘进参数

3.5.1 土压平衡模式技术措施

1）关于软土的处理，以切削入及刮刀这两大工具为宜，由于岩层性质较为特殊，则以滚刀为宜，施工中要求刀盘的转速处于较低水平，并以大扭矩进行推进作业。

2）相较于静水压力与地层土压力总和而言，所得到的土仓压力值P应比其略大，即P=KP0，K=1.0～1.3，砂性地层K取上限值，而对于黏性地层而言K值则以下限值为宜，在后续的掘进施工中持续进行优化。

3）以掘进速度为基准，综合参考排土量情况，最终确定合适的土仓压力，需达到切削土量与排土量相均衡的状态，这是确保土仓压力平衡的基本条件。

3.5.2 盾构机选型

1）海瑞克盾构机应用通常情况下，在掘进施工时应做好各项参数的控制工作：①气垫仓泥渣液位高度；②气体保压（Samson）压力值；③土仓（开挖仓）泥渣压力值；④刀盘扭矩（驱动压力）的控制；⑤盾构总推力的控制；⑥掘进方向的控制；⑦进排浆压力、流量及泥浆泵电流的控制；⑧注浆量及注脂量的控制。

2）铁建重工盾构机DZ192应用铁建重工盾构机选型尤为关键，会对复合地层隧道施工质量带来直接影响。如选型不当会破坏地下管道设施，影响通信及水电气供应等；有时还会带来掌子面失稳现象，在长期的作用下围岩及地层持续变形，且地表沉降更为明显，工程施工被迫停止；在部分特殊情况下，还会造成开挖面坍塌等严重工程事故。

铁建重工盾构机设计特点如下。

1）确定合适的刀盘结构面板型，能提升刀具的受力合理性，要求其开口率以35%为宜，具有较强的强度与刚性。可在黏性土地层中进行持续性掘进施工，也可良好地应用于弱风化层中，即便是地层的强度较大也依然具有较大推力。

2）无论是刀盘设计还是刀具的配置都具有高度合理性，刀具经长时间使用后性能依然未发生改变。选用12台功率均为250kW的变频电动机，彼此共同作用来实现对盾构机的驱动，带来较大的扭矩与转速，适用于多种地层环境中。推进油缸的纠偏性能良好，在面对复合地层时也能做好轴线控制工作，可实现超前钻探加固，这对在复杂地层区域而言尤为适用。

3）螺旋输送机采用有轴式，能伸缩，后部尾部处排土，且螺旋输送机前端叶片及前筒体堆有高于普通硬质合金硬度的最新型耐磨材料，抗磨性能优越。适配有泡沫与添加剂注入系统，在此影响下可改善开挖面的土体条件。能以自动化的方式实现对膨润土与添加剂的控制，单个刀盘的注入口数量为7个，因此充分保障了开挖面土体的性能。

3.6 盾构掘进方向控制与调整

3.6.1 盾构掘进方向控制

1）随着盾构推进施工的持续进行，要求后视基准点应适当向前移动，基于人工测量的方式可达到精准定位的效果，确保推进方向的可靠性。应安排专员进行测量，频率以每周2次为宜，在自动导向系统的作用下完成对数据的监测与校正，对盾构机的姿态进行分析与调整，确保盾构掘进方向的正确。

2）以线路条件为基准，在此基础上制定出分段轴线拟合控制计划，综合考虑所在区域的隧道地层情况，在推进油缸的作用下达到控制掘进方向的效果。

3.6.2 盾构掘进姿态调整与纠偏

1）姿态调整基于上述方法展开对盾构机姿态的持续性调整，将其偏差控制在合理范围内。

2）滚动纠偏若出现滚动超限问题，此时盾构机会自行发出警报，基于盾构刀盘反转的方式达到纠正偏差的效果。在本工程中，允许出现的滚动偏差最大值为1.5°，当超过该值时盾构机发出警报，此时相关人员应切换刀盘的旋转方向，从而达到反转纠偏的效果。

3）竖直方向纠偏影响盾构机方向的因素较多，其中以千斤顶的单侧推力最为关键，如果盾构机做出下俯动作，此时可以通过加大千斤顶推力的方式来实现纠偏。

4）水平方向纠偏类似于竖直方向纠偏原理，当出现左偏时则需要适当加大左侧的千斤顶推力；反之，如果出现了右偏，则需要适当加大右侧的千斤顶推力。

3.6.3 方向控制及纠偏注意事项

1）当对刀盘进行换向时，应留有适当的间隔时间；在对推进油缸进行调整时速度应适中，切换速度要控制在合理范围内，否则将带来管片受力突变问题，严重时致使管片损坏。

2）以掌子面的实际情况为基准，由此确定合适的掘进参数，在此过程中需要设置警戒值，一旦触碰到该值时需启动纠偏程序。

3）在进行蛇行修正时，以长距离缓慢修正的原则较为可行，如果此环节的操作速度过快，所带来的修正效果反而适得其反。在直线推进过程中，应确定盾构机的所在点，需要选取设计线上较远处的一点，所得到的直线便是后续线形管理的基本参考。

4 结语

立足于某地铁盾构施工标段的实际施工背景，研究在复合地层中使用复合式土压平衡盾构的设备选型及适应性改造的方法。经工程实践表明，这种盾构机的适应性能良好，可为类似工程的施工提供参考。