侯凱文， 王 崇， 江 杰, 3, 4,*， 楊鋼鋒， 歐孝奪, 3， 唐迎春

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 2. 中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司， 北京 100142；3. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004； 4. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 5. 廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

南寧地鐵2號(hào)線盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)與適應(yīng)性分析

侯凱文1， 王 崇2， 江 杰1, 3, 4,*， 楊鋼鋒2， 歐孝奪1, 3， 唐迎春5

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 2. 中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司， 北京 100142；3. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004； 4. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 5. 廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院， 廣西 南寧 530004)

盾構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)對(duì)地鐵區(qū)間盾構(gòu)施工具有重要意義，其選型的合適與否直接影響到盾構(gòu)施工的成敗。針對(duì)南寧地鐵2號(hào)線所遇到的黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結(jié)合的特殊復(fù)雜地質(zhì)條件，提出盾構(gòu)選型總體要求，開(kāi)展對(duì)盾構(gòu)動(dòng)力設(shè)備、刀盤、刀具等關(guān)鍵部位的選型研究，同時(shí)優(yōu)化防泥餅、螺旋輸送機(jī)、小傾角皮帶機(jī)和同步注漿設(shè)計(jì)方案以及地質(zhì)加固方案。通過(guò)實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明盾構(gòu)設(shè)備選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)南寧地區(qū)特殊復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性良好。

南寧地鐵； 盾構(gòu)選型； 巖溶地層； 硬巖層； 砂礫層； 上軟下硬地層

0 引言

地質(zhì)條件和盾構(gòu)設(shè)備對(duì)地鐵盾構(gòu)施工的成敗起著決定性作用，2個(gè)因素既相輔相成又相互制約。在盾構(gòu)設(shè)備的選型上，最關(guān)鍵的一個(gè)因素就是地質(zhì)條件。由于城市地下空間的工程及水文地質(zhì)情況的復(fù)雜性和不確定性，盾構(gòu)設(shè)備的選型及適應(yīng)性就顯得尤為重要[1-3]。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者就地鐵隧道的盾構(gòu)選型問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。劉金祥等[4]對(duì)西安地鐵砂性土層標(biāo)貫基數(shù)大于45時(shí)盾構(gòu)選型應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)的建議；楊曉華[5]結(jié)合蘭州地區(qū)的工程及水文地質(zhì)情況，對(duì)砂卵石地層中雙洞地鐵隧道的盾構(gòu)選型進(jìn)行了研究；郭彩霞等[6]針對(duì)北京地區(qū)無(wú)水大粒徑卵礫漂石地層，對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具、螺旋輸送系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了適應(yīng)性研究和優(yōu)化改造；譚順輝[7]結(jié)合地鐵盾構(gòu)在深圳地區(qū)復(fù)合地層施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)性地對(duì)盾構(gòu)刀盤結(jié)泥餅、盾構(gòu)被卡以及刀具磨損等問(wèn)題提出了設(shè)計(jì)改造方法；曹智等[8]對(duì)成都富水砂卵石地層的盾構(gòu)設(shè)計(jì)選型進(jìn)行了優(yōu)化研究，與國(guó)外盾構(gòu)對(duì)比后得出“中鐵盾構(gòu)”具有更強(qiáng)適用性的結(jié)論； 文獻(xiàn)[9-13]分別針對(duì)各地區(qū)典型地層的盾構(gòu)選型和設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并取得了一定成果。但目前針對(duì)由巖溶地層、上軟下硬地層等多種地層結(jié)合而成的特殊復(fù)雜地層的盾構(gòu)選型還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)研究。南寧地鐵2號(hào)線穿越黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結(jié)合的復(fù)雜地層，同時(shí)南寧地鐵工程尚處于起步階段。因此，有必要針對(duì)南寧地鐵2號(hào)線穿越的特殊復(fù)雜地層進(jìn)行盾構(gòu)選型分析并提供選型參考依據(jù)。

本文結(jié)合南寧地鐵2號(hào)線穿越特殊復(fù)雜地層的區(qū)間實(shí)際工程情況，針對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中可能遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題，從盾構(gòu)的動(dòng)力配置、刀盤刀具、防泥餅設(shè)計(jì)、螺旋輸送機(jī)、皮帶機(jī)、同步注漿及地質(zhì)加固等方面進(jìn)行選型優(yōu)化研究，并基于后期盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)選型結(jié)果進(jìn)行適應(yīng)性分析。

1 工程地質(zhì)概況

南寧地鐵2號(hào)線玉洞站—金象站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱玉金區(qū)間)隧道全長(zhǎng)926.325 m。隧道埋深9.28～12.42 m，地下水位為1.80～7.90 m。

根據(jù)工程勘察資料，本區(qū)間隧道穿越的主要地層有硬塑狀粉質(zhì)黏土地層、殘積土及泥巖地層、全斷面風(fēng)化巖地層、上軟下硬地層以及巖溶地層，其中上軟下硬地層主要指上部為粉質(zhì)黏土層、下部為硬巖層(主要包含硅質(zhì)巖和灰?guī)r層)。區(qū)間隧道地質(zhì)剖面如圖1所示。

(a) 隧道左線

(b) 隧道右線

圖1 區(qū)間隧道地質(zhì)縱剖面圖

Fig. 1 Geological profiles of tunnel

隧道盾構(gòu)施工重難點(diǎn)主要有以下幾方面。

1)硬塑狀粉質(zhì)黏土地層。該層平均厚度為9.04 m，且分布廣泛；土層壓縮系數(shù)為0.17 MPa-1，屬中等壓縮性土。當(dāng)盾構(gòu)穿越該地層時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)矩增大且渣土改良困難，切削下來(lái)的塊狀渣土可能會(huì)導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)出渣不連續(xù)。

2)殘積土及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層。當(dāng)遇到黏粒含量大、渣土改良效果不佳時(shí)，刀盤面板可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)泥餅現(xiàn)象。

3)全斷面風(fēng)化巖地層。該地層中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較大，尤其是中風(fēng)化灰?guī)r，其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到60 MPa。盾構(gòu)施工難點(diǎn)主要有： ①對(duì)刀具磨損的作用較大；②巖石較破碎情況下，刀具將承受較大沖擊載荷，造成刀盤振動(dòng)大； ③邊刀磨損較嚴(yán)重且未進(jìn)行更換時(shí)會(huì)造成盾構(gòu)卡盾； ④地層給盾體提供的摩擦力小，盾構(gòu)主機(jī)滾轉(zhuǎn)的趨勢(shì)加大； ⑤刀盤底部的渣土塊會(huì)對(duì)刀盤和刀具造成二次磨損，且其作用不斷增強(qiáng)。

4)上軟下硬地層。盾構(gòu)施工難點(diǎn)主要有： ①刀具在軟硬交界面承受沖擊載荷，會(huì)造成刀具的異常損壞或松動(dòng)； ②易發(fā)生地表沉降，當(dāng)?shù)毒咂茙r效率低、掘進(jìn)速度過(guò)慢時(shí)，刀盤中上部的軟土層擾動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，特別是當(dāng)土艙壓力不足時(shí)，易發(fā)生超挖及地表沉降； ③軟硬不均地層條件下，刀盤承受偏載，主軸承的受力條件差，需嚴(yán)格控制推進(jìn)力。

5)巖溶地層。根據(jù)巖溶專項(xiàng)勘察資料可知，本區(qū)間鉆孔遇洞率為55.6%，屬巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)，溶洞發(fā)育統(tǒng)計(jì)如表1所示。該區(qū)間的可溶巖主要是灰?guī)r，屬碳酸鹽類可溶巖。場(chǎng)地灰?guī)r為中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體破碎—較完整；巖芯大部分呈短柱狀，少量呈碎塊狀，巖體局部可見(jiàn)溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔發(fā)育。盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)容易發(fā)生“栽頭”“陷落”等事故，并且對(duì)地表沉降有較大影響[14]。同時(shí)，本區(qū)間地下水豐富，具有承壓性，且均位于隧道頂部以上，施工中存在涌水、涌泥的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 溶洞發(fā)育統(tǒng)計(jì)

2 盾構(gòu)選型重難點(diǎn)分析

在盾構(gòu)選型時(shí)，針對(duì)本區(qū)間盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)問(wèn)題考慮盾構(gòu)相關(guān)性能和參數(shù)。

1)針對(duì)渣土改良困難及結(jié)泥餅的問(wèn)題，應(yīng)在刀盤上設(shè)置渣土改良噴嘴，用于對(duì)刀盤中心及各個(gè)容易結(jié)泥餅部位的沖洗和清理。這樣既可以防止渣土在刀盤中心區(qū)域堆積，又起到有效保護(hù)刀具的作用。土艙內(nèi)配置渣土改良注入口，保證渣土從被刀盤切削下來(lái)直到排出整個(gè)過(guò)程的改良效果，并且有效降低和防止螺旋輸送機(jī)卡死情況的發(fā)生。

2)針對(duì)風(fēng)化砂巖灰?guī)r類地層，其巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較大，對(duì)刀具磨損的作用較大，邊刀磨損較嚴(yán)重且可能造成盾構(gòu)卡盾，所以必須增強(qiáng)刀盤的強(qiáng)度和耐磨性，并提供超大驅(qū)動(dòng)功率。

3)針對(duì)混合類復(fù)雜地層，由于各地層軟硬不均、強(qiáng)度差異明顯，適當(dāng)增大刀盤開(kāi)口率以適應(yīng)不同地層。設(shè)計(jì)開(kāi)口率較小時(shí)，可以考慮添加減摩材料，保證出土量。

4)針對(duì)地層含大量破碎巖層及透水性強(qiáng)的巖層且在富水條件下容易產(chǎn)生噴涌的問(wèn)題，螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)為防噴涌形式。

5)當(dāng)盾構(gòu)穿越巖溶段時(shí)，應(yīng)優(yōu)化地質(zhì)加固方案，尤其應(yīng)注重超前地質(zhì)注漿加固效果，著重控制地表和隧道沉降，盡量防止破壞溶洞。

3 盾構(gòu)關(guān)鍵部位選型及設(shè)計(jì)

本區(qū)間隧道左、右線分別采用中鐵裝備207#和208#土壓平衡盾構(gòu)，型號(hào)均為CTE6250，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為6.28 m，主機(jī)和整機(jī)的總長(zhǎng)分別為8.389 m和80 m，總裝機(jī)質(zhì)量約為500 t。

3.1 針對(duì)性設(shè)計(jì)

3.1.1 動(dòng)力配置

盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)應(yīng)滿足盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中各地層對(duì)轉(zhuǎn)矩的需求。結(jié)合本區(qū)間的地質(zhì)概況，對(duì)盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行計(jì)算。

T=αD3。

(1)

式中：T為刀盤裝備總轉(zhuǎn)矩，kN·m；α為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，kN/m2，土壓平衡盾構(gòu)α=18～22 kN/m2；D為刀盤外徑，m。

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本區(qū)間的復(fù)雜地質(zhì)條件和刀盤結(jié)構(gòu)形式，為保證有足夠的安全儲(chǔ)備，取α=22 kN/m2、D=6.28 m，代入式(1)求得盾構(gòu)轉(zhuǎn)矩T=5 449 kN·m。本區(qū)間盾構(gòu)配置8組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，采用開(kāi)式液壓回路，額定轉(zhuǎn)矩為6 000 kN·m，大于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備是足夠的。此外，盾構(gòu)脫困轉(zhuǎn)矩達(dá)7 200 kN·m，最高轉(zhuǎn)速達(dá)3.7 r/min。

同時(shí)預(yù)留1組液壓驅(qū)動(dòng)的安裝位置，當(dāng)安裝9組液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩可增加至6 650 kN·m，脫困轉(zhuǎn)矩為8 100 kN·m，最高轉(zhuǎn)速為3.35 r/min。

3.1.2 刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)區(qū)間洞身范圍以復(fù)合地層為主的特點(diǎn)，應(yīng)將出土率控制在100%以上。而刀盤開(kāi)口率很大程度上決定了盾構(gòu)出土率，可參照王洪新[15]提出的刀盤出土率的計(jì)算公式

(2)

式中：emax為最大出土率；ξ為刀盤開(kāi)口率；p0為開(kāi)挖面土體靜止側(cè)向土壓力；pa為主動(dòng)土壓力；c、φ為土體黏聚力和內(nèi)摩擦角；γ為隧道中心以上土體的加權(quán)平均容重；K0為土體靜止側(cè)壓力系數(shù)；H為隧道中心埋深；l為土艙長(zhǎng)度；k1、k2分別為黏聚力c和摩擦因數(shù)tanφ的折減系數(shù)，k1=4.3、k2=1.8。

區(qū)間穿越的粉質(zhì)黏土層和風(fēng)化巖地層的c、φ分別取0～35 kPa、15°～60°。將各地層的c、φ值代入式(2)，得出應(yīng)選擇30%～60%的刀盤開(kāi)口率。考慮到較小的刀盤開(kāi)口率可以減少地層損失，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合盾構(gòu)穿越地層條件，設(shè)計(jì)刀盤開(kāi)口率為40%，保證穿越強(qiáng)度較低土層時(shí)可以有效控制土層變形，而穿越強(qiáng)度較高的土層時(shí)，可添加減摩材料減小土層的內(nèi)摩擦角，從而避免出現(xiàn)由于刀盤開(kāi)口率過(guò)小導(dǎo)致出土困難的現(xiàn)象。由此中鐵裝備207#、208#盾構(gòu)刀盤采用準(zhǔn)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)為“輻條+面板”，包含4個(gè)主梁和4個(gè)副梁，如圖2所示。刀盤開(kāi)口均勻，且中心有足夠的開(kāi)口面積。

針對(duì)全斷面風(fēng)化巖地層加劇刀盤磨損的特點(diǎn)，在刀盤面板上鑲焊耐磨復(fù)合鋼板，降低刀盤掘進(jìn)時(shí)渣土對(duì)刀盤面板的磨損，并在外圈梁表面鑲焊合金刀具以增強(qiáng)刀盤的耐磨性能。

3.1.3 刀具配置

針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間穿越的復(fù)雜地層，應(yīng)綜合考慮刀具配置對(duì)各地層的適應(yīng)性，具體方案如下。

1)滾刀： 43.18 cm(17英寸)中心雙聯(lián)滾刀(2刃)和45.72 cm(18英寸)單刃滾刀分別配置4把和31 把，共39刃。中心雙聯(lián)滾刀和正滾刀的間距分別為90 mm和100 mm，弧形區(qū)域刀間距依次遞減，可保證刀盤有效開(kāi)挖直徑，減少邊滾刀的更換次數(shù)。所有單刃滾刀均為同一規(guī)格，邊滾刀被磨損后可更換為正滾刀使用。

圖2 土壓平衡盾構(gòu)刀盤總圖

2)邊刮刀8 把，硬質(zhì)合金采用E5 類材料，高度為130 mm。這樣既可以清除刀盤周邊渣土，也能夠保護(hù)刀盤大圓環(huán)，防止其被直接磨損。

3)刮刀36 把，高度和寬度分別為130 mm和200 mm，采取合金釬焊形式，硬質(zhì)合金采用E5 類材料，全斷面覆蓋，錯(cuò)刃布置以利于在黏性土和風(fēng)化巖中切削。

4)為了利于盾構(gòu)能在不同的地質(zhì)條件下順利掘進(jìn)，滾刀應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)與撕裂刀互換。

5)焊接撕裂刀17 把，刀高167.7 mm，采取合金釬焊形式，硬質(zhì)合金采用E5類材料。

6)超挖刀1 把，可對(duì)前方土體進(jìn)行超挖，實(shí)現(xiàn)40 mm的超挖量。

3.1.4 防泥餅設(shè)計(jì)

刀盤由4 根主刀梁、4 個(gè)牛腿、4 根牛腿支撐環(huán)梁以及外圈梁等組成，刀盤中心區(qū)域的開(kāi)口較大。刀盤環(huán)向牛腿支撐梁在刀盤軸向的高度低于主刀梁，刀盤中心區(qū)域開(kāi)口與周邊區(qū)域開(kāi)口貫通，有利于中間渣土向周邊流動(dòng)。

為改善中心土艙內(nèi)渣土的流動(dòng)性，刀盤及其支撐系統(tǒng)本身應(yīng)具備一定的渣土攪拌能力。通過(guò)刀盤和隔板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)渣土的攪拌，同時(shí)增設(shè)攪拌棒以加強(qiáng)攪拌效果。刀盤管路連接結(jié)構(gòu)采用“L”型梁形式，“L”型梁中心配有高壓沖水口，配合土艙中心固定隔板上的高壓水沖刷口被動(dòng)攪拌棒。同時(shí)固定隔板上安裝高壓水沖刷口，連接離心泵對(duì)土艙內(nèi)的渣土進(jìn)行攪拌和沖刷，有效地改善渣土流動(dòng)性，防止土艙中心結(jié)泥餅。圖3為土艙內(nèi)高壓沖水示意圖。

圖3 土艙內(nèi)高壓沖水示意圖

設(shè)計(jì)200 mm寬的加強(qiáng)型刮刀，在確保切削率和出渣率的前提下，減少同一刀梁上刮刀數(shù)量，同時(shí)增加同一刀梁上相鄰刮刀之間的間距，保證刀梁上渣土的流塑性，防止刀梁表面結(jié)泥餅。

刀盤前面板均勻設(shè)置6個(gè)改良劑注入口，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的需要可自由切換注入膨潤(rùn)土或泡沫，每路為單管單泵配置。該盾構(gòu)改良系統(tǒng)對(duì)切削下來(lái)的渣土具有較強(qiáng)的改良能力，能有效防止刀盤結(jié)泥餅。

3.1.5 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

螺旋輸送機(jī)的運(yùn)送能力直接關(guān)系到盾構(gòu)的出渣能力，進(jìn)而影響土艙壓力的平衡，因此，必須保證螺旋輸送機(jī)的運(yùn)送能力達(dá)到出渣要求。此外，還應(yīng)加強(qiáng)螺旋輸送機(jī)的耐磨性。采用軸式螺旋輸送機(jī)，轉(zhuǎn)速為0～22 r/min。

1)螺旋輸送機(jī)輸送能力計(jì)算。

①開(kāi)挖出土量

(3)

式中：D為刀盤開(kāi)挖直徑，m；v1為油缸最大推進(jìn)速度，m/h；A為松方系數(shù)。

根據(jù)盾構(gòu)概況，將D=6.28 m、v1=4.8 m/h、A=1.5代入式(3)，得出開(kāi)挖的出土量Q1=223 m3/h。

②螺旋輸送機(jī)最大輸送土量

Q=Sψv。

(4)

計(jì)算后得到螺旋輸送機(jī)最大輸送土量Q=447 m3/h>Q1=223 m3/h，因此滿足最大速度開(kāi)挖量要求。

2)螺旋輸送機(jī)耐磨設(shè)計(jì)。

①螺旋軸耐磨設(shè)計(jì)： 螺旋軸葉片外圓焊接高鉻合金塊，同時(shí)葉片和中心軸上堆焊耐磨網(wǎng)格，提高螺旋軸的耐磨性。

②筒體耐磨設(shè)計(jì)： 在螺旋輸送機(jī)第1節(jié)筒體內(nèi)表面焊接耐磨復(fù)合鋼板，以提高筒體的耐磨性。

3)防噴涌設(shè)計(jì)： 根據(jù)勘察資料可知區(qū)間的地下水位較高，若螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土不能形成有效“土塞”，將導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

盾構(gòu)防噴涌設(shè)計(jì)如圖4所示。

①盾構(gòu)出土口設(shè)置2個(gè)閘門，通過(guò)控制2個(gè)閘門的不同開(kāi)度，使出渣的路徑形成S形，以降低噴涌壓力。

②螺旋輸送機(jī)沿軸向均勻設(shè)置4個(gè)渣土改良注入口，既可注入膨潤(rùn)土又可注入高分子聚合物漿液，增加渣土的流塑性，降低螺旋輸送機(jī)的噴渣壓力。

③設(shè)置保壓泵接口，接入泥漿泵以保證出渣率，避免渣土改良效果不好而造成的噴涌現(xiàn)象。

圖4 盾構(gòu)防噴涌設(shè)計(jì)

3.1.6 小傾角皮帶機(jī)設(shè)計(jì)

本區(qū)間盾構(gòu)隧道基本位于地下水位之下，當(dāng)發(fā)生噴涌時(shí)，大角度的皮帶機(jī)很難將稀渣運(yùn)出，導(dǎo)致施工掘進(jìn)困難。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)皮帶機(jī)傾角設(shè)計(jì)為 9.5°時(shí)，輸送稀渣的能力大大提高，基本能將稀渣輸送出去，確保盾構(gòu)在發(fā)生噴涌時(shí)也能正常掘進(jìn)； 因此，本區(qū)間設(shè)計(jì)采用9.5°的小傾角皮帶機(jī)。

3.1.7 同步注漿優(yōu)化設(shè)計(jì)

施工過(guò)程中的二次沉降多數(shù)是由于砂漿不能及時(shí)和充分填充管片外空隙引起，究其原因，除了跟注漿量有關(guān)外，注入點(diǎn)的布置對(duì)其也有一定的影響。常規(guī)注漿口一般設(shè)計(jì)在尾盾左上、右上、左下、右下位置，但在滲透系數(shù)較大的地層中，注漿填充率往往不足而導(dǎo)致拱頂空洞不能填實(shí)，造成沉降嚴(yán)重； 因此，本區(qū)間在盾尾頂部增加2個(gè)注漿口(如圖5所示)，通過(guò)系統(tǒng)配置的8 m3砂漿罐、2個(gè)注漿泵以及盾尾配備的4×2+2=10根注漿管(正常情況下4用6備)，對(duì)盾構(gòu)頂部的空洞進(jìn)行回填。

圖5 同步注漿管路布置

3.1.8 地層加固方案

由于掌子面前方存在不穩(wěn)定地層，尤其遇到巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的地段，溶洞、巖溶裂隙帶及巖溶水的存在將會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患，因此有必要對(duì)溶洞和不穩(wěn)定地層采取超前加固處理，控制隧道的變形，防止開(kāi)挖面坍塌造成地表沉陷，避免發(fā)生突水突泥事故。在溶洞注漿填充處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要加固的范圍要求，在中盾盾殼上半部分的圓周邊均勻設(shè)置12根外插角為6°的超前注漿管，進(jìn)行超前鉆探和周向注漿加固；同時(shí)，在盾體壓力隔板上設(shè)置6個(gè)外插角為12.5°的超前注漿孔，配備超前地質(zhì)鉆機(jī)，對(duì)隧道前方地層進(jìn)行水平超前注漿加固。圖6為超前地質(zhì)加固示意圖。

在盾構(gòu)穿越后，結(jié)合各方面監(jiān)測(cè)資料，通過(guò)管片預(yù)留的注漿孔對(duì)穿越段的隧道進(jìn)行注漿補(bǔ)加固，防止溶洞受擾動(dòng)后緩慢破壞。補(bǔ)加固注漿選用雙液漿，采用隔環(huán)壓注方式。

3.2 盾構(gòu)主要參數(shù)

盾構(gòu)采用“輻條+面板”刀盤形式，主驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖6 超前地質(zhì)加固示意圖

參數(shù)名稱 參數(shù)值盾構(gòu)開(kāi)挖直徑/mm6280刀盤開(kāi)口率/%40滾刀數(shù)量31刮刀數(shù)量36焊接撕裂刀數(shù)量17主軸承直徑/mm3061主驅(qū)動(dòng)功率/kW945參數(shù)名稱參數(shù)值刀盤轉(zhuǎn)速/(r/min)0～3.7額定轉(zhuǎn)矩/(kN·m)6000脫困轉(zhuǎn)矩/(kN·m)7200最大推力/kN39910推進(jìn)速度/(mm/min)30～80渣土改良注入口個(gè)數(shù)6螺旋輸送機(jī)直徑/mm800

4 盾構(gòu)適應(yīng)性分析

4.1 適應(yīng)性評(píng)價(jià)

針對(duì)本工程區(qū)間特殊復(fù)雜地層盾構(gòu)施工遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)盾構(gòu)在刀盤、刀具等關(guān)鍵部位進(jìn)行選型及設(shè)計(jì)，確保其能安全順利地通過(guò)該區(qū)間。

1)綜合各地層對(duì)刀具的要求后進(jìn)行刀具的選型設(shè)計(jì)。刀具的布置不僅要求適應(yīng)對(duì)黏土層的掘進(jìn)，具備一定的防結(jié)泥餅措施，同時(shí)還應(yīng)適應(yīng)對(duì)較硬巖層的破碎。

2)盾構(gòu)刀盤設(shè)置6路單管單泵的泡沫膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)，并在螺旋輸送機(jī)上設(shè)置4個(gè)膨潤(rùn)土和高分子聚合物的注入口。通過(guò)對(duì)渣土的改良，提高其流塑性，不僅降低了渣土對(duì)刀盤刀具的磨損，還能有效地控制噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，穩(wěn)定掌子面。

3)螺旋輸送機(jī)出土口的2個(gè)閘門是防止發(fā)生水噴涌的基本硬件措施，同時(shí)小傾角皮帶機(jī)的設(shè)置大大提高了稀渣的輸送能力。

4)刀盤中心設(shè)置足夠的開(kāi)口，保證渣土能被順利排出。同時(shí)刀盤中心區(qū)域設(shè)置3路高壓噴水口，降低結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

5)在盾尾頂部增設(shè)2個(gè)注漿口，可直接對(duì)頂部空洞進(jìn)行回填，較好地控制地表沉降及成型隧道質(zhì)量，大大降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

6)超前注漿加固的配置便于不良地質(zhì)尤其巖溶地層的加固處理，也有利于對(duì)突發(fā)情況的處理，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全。

4.2 掘進(jìn)參數(shù)分析

4.2.1 土艙壓力

平衡壓力的設(shè)定是土壓平衡式盾構(gòu)施工的關(guān)鍵，維持和調(diào)整設(shè)定的土壓力值亦是盾構(gòu)推進(jìn)操作中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)盾構(gòu)軸線和地層變形量的控制起主導(dǎo)作用。

土艙壓力設(shè)定采用水土合算公式p=∑rihik0i(ri為第i層土體的天然容重；hi為第i層土體厚度；k0i為第i層土體水平側(cè)壓力系數(shù))進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的理論土艙壓力為56～120 kPa。按照施工經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)沉降要求比較嚴(yán)格的地段計(jì)算土壓力時(shí)，通常在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上再考慮10～20 kPa的壓力作為預(yù)備壓力。實(shí)測(cè)土艙壓力如圖7所示。

圖7 土艙壓力曲線

由圖7可以看出： 玉金區(qū)間左右線始發(fā)后逐步建立土艙壓力，左右線盾構(gòu)在黏土中掘進(jìn)時(shí)上部土艙壓力基本控制在110～140 kPa；后期進(jìn)入碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層后，由于該地層孔隙比較大且部分地層處于巖溶裂隙帶，上部土艙壓力有所下降，基本控制在30～70 kPa，土艙壓力最低為20 kPa，但地表沉降控制良好；重新進(jìn)入黏土層后，土艙壓力逐步提高，基本控制在100～140 kPa。

4.2.2 刀盤轉(zhuǎn)矩

玉金區(qū)間的盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩如圖8所示。

圖8 刀盤轉(zhuǎn)矩曲線

由圖8可以看出： 玉金區(qū)間左右線盾構(gòu)在黏土層掘進(jìn)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)矩集中控制在1 500～2 200 kN·m；進(jìn)入碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層后，刀盤轉(zhuǎn)矩有所增加，基本控制在2 000～3 000 kN·m；期間左線夾雜1段中等風(fēng)化灰?guī)r層，刀盤轉(zhuǎn)矩相對(duì)較高，基本控制在3 000～3 500 kN·m；重新進(jìn)入黏土層后，刀盤轉(zhuǎn)矩逐步降低至1 800～2 500 kN·m，較前段黏土層中掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩有所增加，認(rèn)為與強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層及中風(fēng)化灰?guī)r層中掘進(jìn)時(shí)刀具磨損有關(guān)。

4.2.3 推進(jìn)速度

玉金區(qū)間的盾構(gòu)推進(jìn)速度如圖9所示。

圖9 盾構(gòu)推進(jìn)速度曲線

由圖9可以看出： 玉金區(qū)間左右線盾構(gòu)在黏土層中掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)速度基本控制在50～60 mm/min，且相對(duì)穩(wěn)定；進(jìn)入碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層后，掘進(jìn)速度降低，基本控制在30～60 mm/min。期間左線盾構(gòu)在中風(fēng)化硅質(zhì)巖層掘進(jìn)時(shí)速度緩慢，基本控制在15～30 mm/min；重新進(jìn)入黏土層后掘進(jìn)速度逐步恢復(fù)，基本控制在 50～80 mm/min，且相對(duì)穩(wěn)定。由于右線后挖，施工經(jīng)驗(yàn)較左線更為豐富，因此其推進(jìn)速度較左線更快。

4.2.4 其他參數(shù)

1)同步注漿量及注漿壓力。在黏土層掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿量基本控制在5.0～6.0 m3/環(huán)，漿液注入量為理論填充量的1.2～1.5倍；進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層后，由于該地層孔隙率較大，且局部地區(qū)處于巖溶裂隙帶，同步注漿量增大，基本控制在7.2～9 m3/環(huán)，漿液注入量為理論填充量的1.7～2.2倍；局部地區(qū)最大注漿量可達(dá)13 m3/環(huán)，注漿壓力基本控制在250～350 kPa，施工期間對(duì)注漿量及注漿壓力進(jìn)行雙控，確保同步注漿密實(shí)。

2)出土量。玉金區(qū)間左線盾構(gòu)在黏土層掘進(jìn)過(guò)程中，出土量均控制在55～58 m3/環(huán)；進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層后出土量相對(duì)減少，基本在52～56 m3/環(huán)。通過(guò)同步漿液的調(diào)整，能夠及時(shí)填充出土形成的建筑空隙，保證漿液填充密實(shí)度良好。

3)泡沫劑用量。玉金區(qū)間左線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中泡沫劑用量集中控制在40～70 L/環(huán)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出土進(jìn)行觀察，渣土改良整體效果良好。

通過(guò)以上對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的分析，認(rèn)為盾構(gòu)掘進(jìn)與地層有著密切關(guān)系，同時(shí)本區(qū)間在盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)的前提下，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的控制和調(diào)整確保了盾構(gòu)的順利掘進(jìn)。

4.3 地表沉降數(shù)據(jù)分析

玉金區(qū)間左右線的地表沉降曲線如圖10所示。

圖10 地表沉降曲線

由圖10可以看出： 左線與右線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映情況基本一致，并且沉降值都在30 mm以內(nèi)。二者唯一不同之處在于，右線經(jīng)過(guò)左線推進(jìn)區(qū)域時(shí)，由于對(duì)土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)，沉降變化較左線更加明顯。其中，沉降較小的區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)黏土層及中風(fēng)化灰?guī)r層，沉降較大的為碎石土層及強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖層。其原因是后者地層松散，孔隙比及透水性相對(duì)較大，對(duì)盾構(gòu)擾動(dòng)反應(yīng)敏感，沉降較難控制。因此，當(dāng)盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖及碎石土層等不穩(wěn)定地層掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)控制。

5 結(jié)論與建議

盾構(gòu)選型是地鐵盾構(gòu)隧道施工成敗的關(guān)鍵，應(yīng)慎重決策、充分討論并通過(guò)專家論證共同決定盾構(gòu)型式，尤其是當(dāng)遇到黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結(jié)合的特殊復(fù)雜地質(zhì)情況時(shí)，要特別加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)關(guān)鍵部位的選型設(shè)計(jì)： 1)在刀盤上設(shè)置渣土改良噴嘴； 2)針對(duì)風(fēng)化砂巖灰?guī)r類地層，必須加強(qiáng)刀盤強(qiáng)度和耐磨性，并提供超大驅(qū)動(dòng)功率； 3)適當(dāng)增大刀盤開(kāi)口率； 4)加強(qiáng)防泥餅設(shè)計(jì)； 5)針對(duì)復(fù)雜地層容易產(chǎn)生噴涌問(wèn)題，螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)須為防噴涌形式； 6)在盾尾頂部增設(shè)2個(gè)注漿口，優(yōu)化同步注漿設(shè)計(jì)； 7)在掌子面不穩(wěn)定及涌水地層，對(duì)開(kāi)挖面前方進(jìn)行超前地質(zhì)加固。

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為本區(qū)間的盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)適用于南寧地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，有效地保障了盾構(gòu)施工的安全性。

目前尚未總結(jié)出一套針對(duì)巖溶地區(qū)的盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)方案，建議下一步對(duì)巖溶地質(zhì)條件下的盾構(gòu)選型展開(kāi)針對(duì)性研究。

[1] 陳東海. 砂卵石地層區(qū)間隧道盾構(gòu)施工數(shù)值模擬及盾構(gòu)選型研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2013. CHEN Donghai. Numerical simulation of shield tunnel construction and the selection of shield in sandy pebble stratum[D]. Changsha: Central South University, 2013.

[2] 江華. 北京典型砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性研究[D]. 北京： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 2012. JIANG Hua. Study of adaptability of EPB shield boring in sandy-cobble stratum in Beijing [D]. Beijing: China University of Mining and Technology, 2012.

[3] 吳和北, 管會(huì)生, 張瑀. 成都地鐵7號(hào)線火神區(qū)間盾構(gòu)選型與關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算分析[J]. 隧道建設(shè)， 2015， 35(2)： 191. WU Hebei, GUAN Huisheng, ZHANG Yu. Shield type selection and key parameter calculation: Case study of shield machine for South Railway Station-Shenxianshu Station section on Line 7 of Chengdu Metro [J]. Tunnel Construction, 2015, 35(2): 191.

[4] 劉金祥, 蔡輝. 砂性土層施工盾構(gòu)選型應(yīng)注意的問(wèn)題： 以西安地鐵3號(hào)線TJSG-4標(biāo)為例[J]. 隧道建設(shè)，2015， 35(增刊2)： 171. LIU Jinxiang, CAI Hui. Some issues on shield type selection in sandy stratum: Case study of TJSG-4 bid section on No.3 Line of Xi′an Metro[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(S2): 171.

[5] 楊曉華. 砂卵石地層中復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及地層變形規(guī)律研究[J]. 隧道建設(shè)， 2014， 34(8)： 721. YANG Xiaohua. Study of boring parameters of composite EPB shield in sandy cobble strata and ground deformation rule[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(8): 721.

[6] 郭彩霞， 王夢(mèng)恕， 孔恒， 等. 無(wú)水大粒徑卵礫漂石地層盾構(gòu)選型研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2014， 51(4)： 13. GUO Caixia, WANG Mengshu, KONG Heng, et al. Selection of a shield for tunnelling in waterless strata with large-particle cobbles and boulders[J]. Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(4)： 13.

[7] 譚順輝. 深圳地區(qū)復(fù)合地層盾構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)及選型探討[J]. 隧道建設(shè)， 2014， 34(6)： 582. TAN Shunhui. Design and type selection of shields adaptable to heterogeneous ground in Shenzhen, China[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(6): 582.

[8] 曹智, 李劍祥. 成都地鐵盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)及實(shí)用性比較[J]. 隧道建設(shè)， 2014， 34(10)： 1005. CAO Zhi, LI Jianxiang. Case study of type selection of shields for Chengdu Metro[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(10): 1005.

[9] 黃清飛， 林巍， 李塔.砂卵石地層盾構(gòu)刀盤選型探討[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2012， 12(8)： 168. HUANG Qingfei, LIN Wei, LI Ta. Discussions of shield cutterhead selection in sandy pebble stratum[J]. China Water Transport, 2012， 12(8): 168.

[10] 王為樂(lè). 長(zhǎng)沙地鐵復(fù)合地層盾構(gòu)選型與掘進(jìn)參數(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2012. WANG Weile. Study of the type selection of shield and tunneling parameters of shield method in the composite stratigraphy of the Changsha Metro[D]. Changsha: Central South University, 2012.

[11] 倶攀武. 盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)分析與高效掘進(jìn)技術(shù)研究[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2014. JU Panwu. Design and analysis of shield cutterhead and its high-efficient tunneling technology [D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2014.

[12] 趙立鋒. 杭州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)軟土區(qū)過(guò)硬巖技術(shù)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2015， 59(6)： 103. ZHAO Lifeng. Research on shield construction of Hangzhou metro Line 2 in soft soil area with hard rock[J]. Railway Standard Design, 2015, 59(6): 103.

[13] 周劉剛. 大連地鐵軟硬互侵復(fù)合巖層盾構(gòu)刀盤選型與刀具配置技術(shù)[J]. 施工技術(shù)， 2016， 45(增刊1)： 428. ZHOU Liugang. Research on cutter-head selection and tools disposition in complex mix ground by shield machine in Dalian metro[J].Construction Technology, 2016, 45(S1): 428.

[14] 雷金山. 廣州地鐵隱伏型巖溶地基穩(wěn)定性分析及充填處理技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2014. LEI Jinshan. Foundation stability and filling technology research on hidden karst in Guangzhou metro[D].Changsha: Central South University, 2014.

[15] 王洪新. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口率選型及其對(duì)地層適應(yīng)性研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2010， 43(3)： 88. WANG Hongxin. Type selection of the head aperture ratio of EPB shield cutterheads and adaptability to stratum characteristics[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(3): 88.

Type Selection Design and Adaptability Analysis of Shield Used in Line No. 2 of Nanning Metro

HOU Kaiwen1, WANG Chong2, JIANG Jie1, 3, 4, *, YANG Gangfeng2, OU Xiaoduo1, 3, TANG Yingchun5

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China;2.ChinaConstructionCommunicationsEngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing100142,China; 3.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralEngineeringSecurity,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China;4.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,Guilin541004,Guangxi,China;5.GuangxiUniversityofFinanceandEconomics,Nanning530004,Guangxi,China)

The type selection design of shield is very important to shield construction of metro; it directly affects the success of the construction. The Line No. 2 of Nanning metro crosses complex geological conditions, i. e. clay, hard rock, gravel, upper-soft and lower-hard stratum and karst stratum. As a result, the general requirements for shield type selection are put forward in terms of power device, cutterhead and cutter; meanwhile, the design of mud cake prevention, screw conveyor, small angle belt conveyor and synchronous grouting system and geological reinforcement methods are optimized. Finally, the actual tunneling parameters and ground surface settlement data show that the adaptability of the shield machine in Nanning area is good.

Nanning metro; shield type selection; karst stratum; hard rock stratum; gravel stratum; upper-soft and lower-hard stratum

2017-02-14;

2017-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51568006， 41372361)； 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(14-KF-03)； 廣西自然科學(xué)基金資助(2015GXNSFBA139241)

侯凱文(1989—)，男，廣西容縣人，廣西大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)樗淼拦こ淘O(shè)計(jì)與施工。E-mail： houkaiwen2008@sina.com。*通信作者： 江杰， E-mail： jie_jiang001@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)08-1037-09