复合地层施工全断面隧道掘进机选型探讨

张照煌，安 涛

华北电力大学能源动力与机械工程学院 北京 102206

全断面隧道掘进机是用于地下工程全断面开挖的机械化施工设备。地下工程地质条件往往很复杂，就具体工程而言，施工设备选型至关重要。现阶段，土质地层施工已广泛使用盾构机 (Shield)，如城市地铁隧道施工；岩石质地层施工已广泛使用全断面岩石掘进机 (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，如铁路公路隧道、煤矿巷道、引输水隧洞等工程。随着施工地质的复杂化，全断面隧道掘进机既要适应土质地层，又要适应岩石质地层，亦即能在复合地层中施工，促使盾构机与 TBM 技术的逐渐融合，产生了复合盾构机[1-2]。

关于 TBM 选型，张军伟等人以辽宁大伙房输水工程为例，通过考虑地质条件适应性，以及对不良地质洞段处理方式、占地和环境影响因素的比较，得出敞开式 TBM 和双护盾式 TBM 的适用条件[3]；毛拥政等人以引红济石工程为例，分析了敞开式 TBM 和双护盾 TBM 各自的技术特点，并根据 TBM 主机选型原则，对比了敞开式 TBM 和双护盾 TBM 的性能[4]；董安然以高黎贡山隧道工程为例，根据围岩软硬程度和岩石稳定性，划分出敞开式 TBM、单护盾 TBM 以及双护盾 TBM 各自的适用范围[5]。关于盾构机选型，江玉生等人以北京地铁 7 号线百化区间施工为例，从工程地质、水文地质情况，以及施工对环境、地层、进度、经济性等实际情况的影响，总结出土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机各自的优缺点[6]；杨志强以济南泉水排泄区地铁区间为例，综合考虑渗水性、地层颗粒级配，以及环境、经济性对盾构机选型的影响，最终确定该工程采用土压平衡盾构机[7]。上述研究对于 TBM 和盾构机的选型具有一定的参考价值和借鉴性。然而，对于复合地层全断面隧道掘进机选型的研究在公开资料中很少看到。基于此，笔者提出了断面复合地层和轴线复合地层的概念，并从断面复合地层、复合程度及沿隧道轴线分布长度方面，分别探讨了隧道掘进机选型，以期为全断面隧道掘进机的选型提供借鉴。

1 复合地层施工设备选型

简单地层施工，根据地质大类及施工设备选型的一般性或理论性分析[8]，全断面隧道掘进机适用范围如表1 所列。对于复合地层全断面隧道掘进机选型则要复杂得多。

表1 施工隧道地质与所用全断面隧道掘进机Tab.1 Tunnel geology and full face tunnel boring machine used in construction

复合地层可分为断面复合地层和轴线复合地层，其中断面复合地层是指在施工区间 (L0) 开挖断面上存在“岩”和“土”的互层 (见图1)，且在该长度段所有断面上，“岩”和“土”的复合程度没有质的变化；轴线复合地层是指在施工区间 (L00) 内沿隧道轴线一定长度段地层以土质为主，一定长度段地层以岩石质为主 (见图2)，且以土质为主洞段的各断面地质情况变化不大，同理，以岩石质为主洞段的各断面地质情况变化也不大。针对断面复合地层，施工时一般采用简单复合盾构机，即在普通盾构机刀盘上安装部分盘形滚刀破碎掘进面岩石，就能进行正常掘进。而对于轴线复合地层，进行全断面施工可分为两类：①土质地层段 (地层 1) 和岩石质地层段 (地层 2) 都较长，可分别采用盾构机和 TBM 施工，如图2(a) 所示；②土质地层段和岩石质地层段的长度不足以分别采用盾构机和 TBM 施工，就应采用复杂复合盾构机施工，如图2(b) 所示。表2 给出了复合地层施工设备分类及施工地层特点。

图1 断面复合地层示意Fig.1 Diagram of composite strata in cross section

图2 轴线复合地层示意Fig.2 Diagram of axial composite strata

表2 复合地层施工设备分类及地层适应性Tab.2 Classification of construction equipment and strata adaptability in composite strata

2 断面复合地层施工设备选型

断面复合地层是在开挖断面上存在软硬互层，且沿隧道 (洞) 轴线各断面地质状况基本不变。在这样地质条件下，如果采用普通盾构机施工，容易导致刀盘和盾构机刀具损伤严重，基于此，一般采用简单复合盾构机，即在相应盾构机刀盘上安装盘形滚刀破岩，就能正常施工的盾构机。

2.1 简单复合盾构机及施工

简单复合盾构机可分为简单复合 (式) 土压平衡盾构机和简单复合 (式) 泥水平衡盾构机。在适合泥水平衡盾构机施工的地层[9]，如地面条件敏感、沉降控制要求高，或土层黏性物质含量小、砂性物质含量多，但该地层的施工断面中存在一定岩石质地层，宜选用简单复合泥水平衡盾构机施工；在适合土压平衡盾构机施工的地层，如土层中黏粒含量多，但在施工断面中存在一定岩石质地层，则宜选用简单复合土压平衡盾构机施工。

2.2 工程案例

2.2.1 工程概况

福州地铁 4 号线一期工程东门站至三角池站区间线路，中途下穿晋安河、东郊河，而后接入三角池站。该区间分为左右两线，穿越地层较为复杂，属于典型滨海软硬交替地层，洞身围岩主要为Ⅲ、Ⅳ级，地下水主要分为孔隙水和基岩裂隙水，地层渗透性为弱～强，地层分布情况如表3 所列[10]。

表3 东门站至三角池站区间线路地层分布统计Tab.3 Statistics of strata distribution of sections from Dongmen Station to Sanjiaochi Station

2.2.2 盾构机选型及刀盘、刀具配置

根据表3 所列，盾构机施工区间无论左线还是右线，岩石质地层占比均超过 50%。因此，若在该区间采用普通盾构机施工，会严重损伤刀盘和刀具。所以，应考虑选用简单复合盾构机。又因该区间穿越的地层主要为粉质黏土、风化花岗岩、风化正长斑岩，地层渗透系数较小，地下水压不大，适宜施工的普通盾构机应是土压平衡盾构机。综合考虑施工断面复合情况、复合强度、工程投资和环境影响等因素，选用复合土压平衡盾构机。

针对工程区间上软下硬地层条件，为保证掘进稳定性、渣土流动性，以及刀盘负荷等因素，对该复合土压平衡盾构机刀盘和刀具进行了如下配置 (见图3)：刀盘面板增加了耐磨层硬度为 57～ 62HRC 的复合耐磨板，适用于如风化花岗岩等石英含量较高的地层；刀盘开口率不小于 33%，保证粒径较大的土体进入土仓，防止产生“泥饼”；刀盘中心区齿刀和盘形滚刀可互相替换；刀盘边缘区配置了多把盘形滚刀和边缘刮刀；软土地层掘进时可将盘形滚刀更换为齿刀；刀座为背装式设计，方便刀盘背后换刀；为减轻刀具磨损，采用较小的刀间距设计，盘形滚刀间距为75 mm，同时增加边缘滚刀数量，最多可配置 12 把；盘形滚刀和刮刀高差设计为 57.5 mm，切刀和刮刀均使用大块合金，当遇到高强度基岩突起或孤石时，可更换为重型盘形滚刀进行破碎[11]。

图3 刀盘配置示意Fig.3 Diagram of cutterhead configuration

施工实践证明，选用简单复合土压平衡盾构机，以及对刀盘上盘形滚刀和切削刀具、刮刀等的设计和配置，符合工程施工要求。

3 轴线复合地层施工设备选型

轴线复合地层是指沿隧道 (洞) 轴线一定长度段，开挖断面“岩”“土”的复合程度或强度、地质状况基本一致，一旦超过这“一定长度段”，开挖断面“岩”“土”的复合程度或强度、地质状况将发生根本性变化，如土质变为岩石质，或砂质地层变为黏性土质地层等。因此，在这种地质条件下施工的全断面隧道掘进机选型相对复杂些。

3.1 盾构机与 TBM 分别施工

轴线复合地层，若沿隧道 (洞) 轴线开挖断面上地质状况基本一致的长度足够长，分别采用盾构机和TBM 施工较经济，则可考虑采用盾构机和 TBM 分别施工。这类情况多出现在大型工程中，如英吉利海峡隧道工程。

3.1.1 工程概况

英吉利海峡隧道工程包括陆地隧道和海底隧道两部分，表4 所列为英法两侧主要穿越地层情况[12]。

表4 英法两侧主要穿越地层情况Tab.4 Conditions of crossing strata on both sides of England and France

3.1.2 施工设备选型

根据英法两侧主要穿越地层情况，英国端隧道施工均采用 TBM；法国端海底隧道施工选用 TBM，而近陆段隧道施工选用土压平衡盾构机。根据法国侧海床下地质条件，将该侧隧道分为 6 段 (T1～ T6)，其中海底段隧道 T1、T2 和 T3 分别采用 3 台护盾式 TBM施工，而近陆段隧道 T4、T5 和 T6 采用 2 台土压平衡盾构机施工，其中隧道 T5 和 T6 共用 1 台盾构机施工[13]。

通过选型分析，法国侧地质条件具有非典型性的轴线复合地层特点，而当从海底施工转换到陆地施工，即 T3 到 T4 时，地层中土质地层段和岩石质地层段都较长，因此采用 TBM 和盾构机分别施工。

3.2 复杂复合盾构机选型与施工

轴线复合地层，若沿隧道 (洞) 轴线开挖断面上的地质状况基本一致的长度不够长，分别采用盾构机与 TBM 施工并不经济，则可考虑采用复杂复合盾构机施工。所谓复杂复合盾构机是指其在岩石质地层段施工时具有 TBM 作业模式，而在土质地层段施工时则具有盾构机作业模式，具有“一机多功能”特点。图4 所示为一台具有泥水式、土压平衡式和 TBM 等3 种工作模式的复杂复合盾构机，也可称为三模式盾构机[14]。而在实际工程中，双模式盾构机应用比较广泛。根据其对不同地层的适应性，可将双模式盾构机分为三类：土压/TBM 双模盾构机、泥水/TBM 双模盾构机和土压/泥水双模盾构机。

图4 具有 3 种工作模式的复杂复合盾构机Fig.4 Complex composite shield with three working modes

3.2.1 土压/TBM 双模盾构机

土压/TBM 双模盾构机实际上是单护盾 TBM 与土压平衡盾构机的结合体。该类型双模盾构机既能在中硬岩地层中高速顺利掘进，也能够在不良地层中正常施工[15]。因此，当隧道区间内开挖断面上同时存在软土及软岩、中等坚硬、坚硬岩地质时，适宜采用土压/TBM 双模盾构机进行施工。

土压/TBM 双模盾构机在土压平衡模式掘进时采用螺旋输送机出渣，而在 TBM 模式掘进时采用中心带式输送机或中心螺旋机出渣，2 种出渣模式特点如表5 所列。基于此，可将土压/TBM 双模盾构机分为中心带式输送机土压/TBM 双模盾构机 (见图5)和中心螺旋输送机土压/TBM 双模盾构机两类 (见图6)[16-17]。

图5 中心带式输送机布置示意Fig.5 Layout of belt conveyor

图6 中心螺旋机布置示意Fig.6 Layout of screw machine

表5 中心带式输送机式出渣和中心螺旋机式出渣模式特点Tab.5 Characteristics of slag discharge modes in belt conveyor type and screw machine type

3.2.1.1 出渣方式对比

土压/TBM 双模盾构机 2 种出渣方式的选择需从施工地质条件、施工效果及施工成本等多方面考虑，这两类土压/TBM 双模盾构机施工特性的对比如表6所列[18]。

表6 中心带式输送机式和中心螺旋机式双模盾构机施工特性对比Tab.6 Comparison of construction characteristics between belt conveyor type and screw machine type dual-mode shields

由表6 可以看出：当存在富水破碎带地层时，中心带式输送机主驱动与带式输送机无法封闭，如遇到突泥突水，易导致主机积水，因此，不宜采用中心带式输送机土压/TBM；当遇到石英含量高、磨蚀性较强的硬岩时，会对螺旋输送机造成较大的磨损，对于该类地层，可直接采用中心带式输送机土压/TBM；当地质条件均适用于这 2 种出渣方式时，中心螺旋机土压/TBM 相较于中心带式输送机土压/TBM 转换更方便，施工风险小，施工环境友好，设备故障少，设备成本低，宜选用中心螺旋机土压/TBM。

3.2.1.2 应用案例

(1) 工程概况 深圳地铁十四号线布吉至石芽岭区间隧道长 3 230 m，主要穿越强风化、中风化、微风化角岩层，并且区间还存在 2 条断层破碎带，属于典型的复杂复合地层。分类统计各区段工程地质参数与水文地质参数，可将隧道划分为9个区段，如图7所示。各区段地质条件参数如表7 所列[19]。

图7 布吉至石芽岭区间地质纵断面图Fig.7 Geological vertical sections from Buji Station to Shiyaling Station

表7 各区段地层参数统计Tab.7 Statistics of strata parameters in each section

(2) 设备选型及施工特点 根据该区间各区段穿越地质地层特点，施工设备选用 2 台中心螺旋机土压/TBM 双模盾构机，盾构机参数如表8 所列[17]。

表8 中心螺旋机土压/TBM 双模盾构机主要参数Tab.8 Main parameters of screw machine type shield with dual-mode of earth pressure/TBM

鉴于深圳地铁 14 号线布吉站到石芽岭站区间隧道全线岩层的风化程度不一，单轴抗压强度差异达 60 MPa 以上，因此，确定该区间隧道区段 1、区段 3、区段 5、区段 8、区段 9 采用土压模式施工，区段 2、区段 4、区段 6、区段 7 采用 TBM 模式施工。中间风井至布吉站隧道掘进进度如表9 所列。统计分析显示，在 TBM 模式下平均日进度为 3.0～ 4.2 环，土压平衡模式下平均日进度约为 4.5 环[20]。

表9 掘进情况统计Tab.9 Statistics of tunneling

3.2.2 土压/泥水双模盾构机

当某段区间内不存在硬岩地质，但开挖断面上软土和软岩地层自稳性、水压等分布不均匀时，一般采用土压/泥水双模盾构机。土压/泥水双模盾构机具有技术先进、功能齐全、操作便捷、适应性强、环保经济等特点。若施工土体自稳性好，采用土压模式可降低施工成本；当土体自稳性差，采用泥水模式可有效控制掘进面稳定，且对地表沉降控制要求高、高水压下渗透较强及不稳定地层中的隧道施工也具有较好的地质适应性[21]。

3.2.2.1 土压/泥水盾构机施工模式选择

应根据地质条件的适应性选择土压/泥水双模盾构机的施工模式，如表10 所列。

表10 土压/泥水两种模式下地层适应性Tab.10 Strata adaptability under two modes of earth pressure/mud-water

由表10 可以看出，穿越城市居民区、周边环境复杂及重要建筑物等对地表沉降要求较为严格的隧道 (洞)，且地层渗透系数≥10-4m/s、粉粒和黏粒含量 ≤40%、水压 ≥0.3 MPa 的地质，一般宜选用泥水平衡模式施工；而穿越以全断面泥岩为主、地层细粒含量高的地层隧道，且地层渗透系数≤10-7m/s、粉粒和黏粒含量 ≥40%、水压≤0.3 MPa 的地质地层，宜选用土压平衡模式施工；在不考虑其他因素的条件下，当地层渗透系数为 10-7～ 10-4m/s 时，采用土压平衡或泥水平衡两种掘进模式均可[22]。

3.2.2.2 土压/泥水双模盾构机出渣方式选择

在施工过程中，根据出渣方式不同，土压/泥水双模盾构机可分为并联式土压/泥水双模盾构机 (见图8) 和串联式土压/泥水双模盾构机 (见图9)，相应的出渣方式及特点如表11 所列[23-25]。

图8 并联式出渣Fig.8 Slag discharge in parallel mode

图9 串联式出渣Fig.9 Slag discharge in series mode

表11 并联式和串联式土压/泥水盾构机出渣特点Tab.11 Characteristics of slag discharge in parallel mode and series mode for earth pressure/mud-water shield

土压/泥水双模盾构机的 2 种出渣方式，主要体现在泥水平衡模式下渣土的排出方式，相对于串联式出渣，并联式出渣具有模式切换时无需拆装部件，耗时短，以及泥水模式下大粒径石块可直接排出，无需使用破碎机或采石箱等优点，因此，在进行两类盾构机选型时，并联式土压/泥水双模盾构机更具优势。

3.2.2.3 应用案例

(1) 工程概况 南宁地铁 5 号线五一立交站至新秀公园站区间 (以下简称五新区间)，盾构机隧道全长2 098.086 m (YDK18+254.848～ YDK20+352.934)，区间平面如图10 所示。区间沿线上有建筑物 22 栋，房屋建筑年代为 21 世纪 80—90 年代，基础为砖混结构，基础埋深为 1～ 2 m。遂道穿越地层多为粉细砂、圆砾等强透水地层，地层自稳能力差，对地层敏感性较高。

图10 五新区间平面位置示意图Fig.10 Plan position diagram of sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

(2) 施工模式选择及施工特点 根据五新区间地质条件、地面建筑物特点，采用并联式土压/泥水双模盾构机。其中，地面有老旧建筑物，下穿粉细砂地层区间，须要精准控制沉降，采用泥水平衡模式施工；穿越邕江段为全断面泥岩地层，采用土压平衡模式施工。该区间掘进模式划分如表12 所列[26]。

表12 五新区间掘进模式划分表Tab.12 Division of tunneling modes during sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

根据以上分析，该双模盾构机分别在 YDK18 +896.849、YDK19+490.848 处进行模式转换。经过一段时间的掘进，该双模盾构机顺利完成了泥水模式粉细砂地层穿越老旧建筑物群及土压模式穿越邕江泥岩段掘进任务。

3.2.3 泥水/TBM 双模盾构机

当某段区间内开挖断面上同时存在软土以及软岩地质、中等坚硬、坚硬岩地质，其中软土和软岩地层中水压高且地层敏感性较强、自稳能力差且软硬岩分布不均匀时，宜采用泥水/TBM 双模式盾构机进行施工。泥水/TBM 双模盾构机集成了泥水平衡盾构机和单护盾 TBM 的功能和特性，融合了泥水平衡和单护盾 TBM 2 种开挖模式。在高水压裂隙地层段，采用泥水平衡模式施工 (见图11)，泥浆管道出渣；在无水或少水岩石地层段[23]，采用单护盾 TBM 模式施工 (见图12)，带式输送机出渣。

图11 泥水模式Fig.11 Mud-water balance model

图12 单护盾 TBM 模式Fig.12 Single-shield TBM mode

(1) 工程概况 瑞士联邦某铁路隧道工程项目穿越地质基本情况：隧道两端洞口区段主要由富含地下水的松散沉积物构成，中央段则为稳定的岩层。包括两端开口凹槽在内，该隧洞的总长为 6 294 m，最陡坡度为 0.5%，隧洞最大埋深为 120 m。地质概况如图13 所示。

图13 隧道工程地质概况Fig.13 General geology of tunnel engineering

(2) 施工方案与设备选型 早期招标时曾有建议，先降低含水层水位，然后用 2 台敞开式 TBM 从东、西 2 个入口同时掘进。但是要降低水位投资巨大，而且十分困难。由于土层和砂砾颗粒尺寸的高渗水性，在一开始就排除了土压平衡盾构机施工方法。由于冰碛层的高磨耗，使用简单复合盾构机会造成刀盘及刀具严重磨损。因此，中标方案根据隧洞穿越 2种完全不同的地层情况，建议整条隧洞用 1 台泥水/TBM 双模盾构机施工。该复合盾构机可在洞内实现泥水系统转换成带式运输系统，实现泥水循环到带式输送机出渣的模式转换 (见图14)。即在松散沉积土、浅埋深的岩石及混合地层中，采用泥水式盾构机开挖，用泥水压力平衡水和土的压力，支撑开挖面；而在岩石区段，则采用敞开式 TBM 掘进。隧洞从东边开始掘进，泥水/TBM 双模盾构机开始以泥水方式运行，到中心岩石区段时转换成敞开式；中心岩石区段掘进完成后，再转换回到泥水工作方式[14]。

图14 泥水/TBM 双模盾构Fig.14 Shield with dual-mode of mud-water/TBM

该复合盾构机的实际掘进速度从 2 cm/min 至 5 cm/min，最高达 30 m/d，每星期平均掘进 80 m。从一种工作模式转换到另一种工作模式，只需 1 个工作日就可以完成。经过施工实践，证明选择的机型正确。

4 结语

全断面隧道掘进机施工地质可分为断面复合地层和轴线复合地层两类。其中断面复合地层是指在开挖断面上存在“岩”“土”的互层；轴线复合地层是指沿隧道轴线一定长度段地层以土质为主，一定长度段地层以岩石质为主。

用于断面复合地层施工的全断面隧道掘进机称为简单复合盾构机，简单复合盾构机分为简单复合泥水平衡盾构机和简单复合土压平衡盾构机。对于轴线复合地层，当轴线上土质地层段和岩石质地层段都较长时，可采用盾构机和 TBM 分别施工；土质地层段和岩石质地层段的长度不足以分别采用盾构机和 TBM施工时，宜采用复杂复合盾构机施工。

复杂复合盾构机分为多模盾构机和双模盾构机，其中多模盾构机一般是指土压/泥水/TBM 多模盾构机，双模盾构机分别为土压/TBM 双模盾构机、土压/泥水双模盾构机和泥水/TBM 双模盾构机等 3 种类型。