富水砂层地铁隧道盾构选型及实施效果

耿 坤，韩 清，张自光，曹广勇,翟朝娇

(1.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601;2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012)

近年来，城市的轨道交通发展迅速。在隧道施工中，盾构法是必不可少的办法。盾构法施工对周围环境影响不大、它具有施工进度快、自动化程度高、劳动强度低、隧道工程质量高等优点，盾构法在地铁隧道施工中得到广泛地应用。盾构机在盾构法施工中是不可缺少的。正确选择合适的盾构机能够保证隧道施工的安全性、高效性。因为地质条件的复杂性和不确定性，所以盾构设备的选型是一个很重要的环节。

国内很多学者对地铁隧道的盾构选型展开了相关研究。张双亚等[1]对北京铁路地下隧道盾构选型进行了研究，从地层渗透性、粘土含量、颗粒级配、地表沉降、刀具磨损等方面对盾构选型进行了阐述和比较。李到洪等[2]针对复合地层江底的实际情况进行盾构选型，对比分析了泥水平衡及土压平衡两种盾构机的优劣。王全华[3]结合苏州的工程地质和水文地质条件，对富水含沙软土地层进行盾构选型，最终选用土压平衡盾构机。田四明等[4]结合太原市的地质情况和水文地质，有针对性地选择盾构机类型和确定盾构机相关技术参数，最终采用大直径土压平衡盾构机。蔡仲银等[5]结合潮河段的水文地质、隧道结构、管片特征以及施工特性，对该隧道进行盾构选型和适应性分析；侯凯文等[6]针对南宁地铁2号线所遇到多种地层相结合的复杂地形进行了盾构选型设计和分析，对盾构施工进行了优化设计；曹智等[7]结合成都地铁隧道的地质的复杂性，尤其是盾构施工要穿越富水砂卵石地层，针对盾构的技术参数进行了优化设计。李凤远[8]根据经验和理论，对隧道的盾构选型，从选型原则、选型方法以及主要技术参数进行了论述。结合以上研究结论可以看出，在特定的地质情况下，盾构选型对施工的安全、经济、环保，起着很重要的作用。

本文针对淮安特定地质条件，依照盾构机选型一般的流程，从颗粒级配、渗透系数、周边环境及环境保护等方面，对盾构的选型进行分析和探讨，为类似的地质条件施工提供依据。

1 项目背景

1.1 工程概况

淮安东站盾构下穿连镇铁路路基，盾构工作井区间上行右线长度563.664 m，下行左线长度为561.901 m，隧道是两条单洞单线圆形隧道，区间左右线各设一处半径为1 000.5 m的平曲线，线间距为13.4 m-19.1 m，纵断面成上坡趋势，坡度为4‰。区间穿越范围内构(建)筑物主要包括制梁场、存梁场桩基、连镇铁路路基、G2京沪高速公路。

1.2 水文地质条件

沿线地表水主要为盾构工作井东北部水塘内的水，勘察期间水深约0.81 m，地表水和潜力水力联系较为紧密。雨季补给潜水，旱季接收潜水补给。通过勘探结果可以看出，对本工程有影响的承压水为第Ⅰ和第Ⅱ层承压水。第Ⅰ层承压水大部分埋藏于砂质粉土和粉砂层中，主要接受侧向径流的补给。径流以侧向为主要方式，排泄方式主要为径流，局部人工开采。第Ⅱ层承压水主要埋藏于中砂和粉砂层中，主要接受侧向径流补给。径流以侧向为主，排泄方式以径流为主，局部人工开采。隧道主要穿越地层为粉砂层，其土质特征如表1所示。

表1 土质特性表

1.3 工程特点及选型需求

1.3.1 工程特点

(1)盾构隧道穿越主要是富水砂层，主要有粉砂、黏土等，该地层的施工难度大、风险大，需要所选盾构机具有良好的地层适应性。

(2)周边环境比较复杂，要穿越主要有制梁场、存梁场桩基、连镇铁路路基等建筑物，对盾构施工沉降控制要求严格。

1.3.2 选型需求

为确保盾构施工能够安全、高效地进行，结合本工程特点，提出了盾构选型需求。

(1)因为粉砂和砂质粉土中的水量较大，而且有承压性，盾构掘进时容易产生喷涌现象，对隧道盾构施工的安全性产生不利的影响，应预防突发性的涌水和流砂，应重点加强渣土改良、合理选择泥水压力，

(2)盾构施工要保护环境，能够减少施工对周围土体的影响，在掘进过程中要保证沿线及地下管线的安全性。

(3)盾构机的性能良好，能够防止在穿越建(构)筑物时发生同步注浆管路堵塞或者设备的故障引起的盾构机停机的情况发生。

2 盾构选型的原则以及依据

2.1 盾构选型的原则

盾构选型一般按照适用性、可靠性、先进性以及经济性相统一的原则进行的。

(1)适用性原则。依据本工程的地质条件和周边环境、施工要求，合理选择适合本工程施工的盾构机。

(2)可靠性原则。依据施工的要求例如地表沉降要求、施工防水要求、环境保护要求，合理选择施工可靠的盾构机。

(3)先进性原则。根据盾构行业的发展情况，综合比较选择先进的盾构机，以便施工企业集中管理和操作。

(4)经济性原则。结合工程特点，对比选择性价比的盾构机，满足工程预算的要求。

2.2 影响因素

2.2.1 盾构选型与地层特性的关系

盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌3大要素组成。按开挖面和作业室之间隔墙构造可以分成敞式、半开敞式及密闭式3种盾构机。目前，密闭式盾构机使用的较多，其主流机型是土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机。

土压平衡盾构机适用范围为粉土、砂土、粉质粘土、粉砂等土质的施工，在掘进的过程，把土料作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板和开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量进行调节。

泥水平衡盾构机适用于滞水细砂层、砂砾层、漂砾层等土质的施工。在掘进的过程中，加压泥水或泥浆用来稳定开挖面，在机械式盾构刀盘的后侧，其刀盘后面有一个密封隔板，把水、粘土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓，待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力室，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。

2.2.2 盾构选型与颗粒级配的关系

根据盾构选型与颗粒级配的关系，在淤泥粘土地层中，适合土压平衡盾构机；在粗砾、细沙地层中，适合泥水平衡盾构机，也可通过土质改良后使用土压平衡盾构机；在卵石砾石粗砾地层中，适合泥水平衡盾构机。

2.2.3 盾构选型与渗透系数的关系

渗透系数是影响盾构选型的因素之一。一般地，当地层的渗透系数大于10-4m/s时，选择泥水平衡盾构机较好；当地层的渗透系数小于10-7m/s时，选择土压平衡盾构机较好；当地层的渗透系数位于两者之间时，选用泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机都可以。

2.2.4 其他因素

(1)为了保证盾构施工过程中地面建筑物及管线受隧道施工影响降到最小，保证所有地面建筑物及管线正常、安全运行,应该对盾构下穿范围的管线的现状进行调查。泥水平衡盾构机的控制精度高，对开挖面周边的土体的影响小，所以能够有效地控制地表沉降。土压平衡盾构机的控制精度低，对开挖面周边土体的影响较大，对地表沉降量的控制精度较低。通过合理控制掘进参数，建立良好的压力平衡，采取一系列措施，两种盾构机都能有效地控制地表沉降，满足建(构)物的沉降要求。

(2)泥水平衡盾构机能更好的控制地表沉降，但其工艺复杂，辅助设备多，尤其是需要配置专门的泥水处理系统，其占地面积大、施工投入大、掘进每米平均成本相比土压平衡盾构机高出40%左右。然而土压盾构不需要泥水处理系统，占地面积小、设备造价低，通过添加剂可扩大适用范围。另外，维护相对泥水盾构机简单、方便。

3 盾构选型及实施效果

3.1 盾构选型

(1)从地层特性上来看，在本工程施工中，两种盾构机都可以使用，但是泥水平衡盾构机对粘土的分离较困难，地表施工占地面积大，施工成高，所以此工程选用土压平衡盾构机较为适宜。

(2)此工程主要穿越砂质粉土层和粉砂层，通过勘测发现，粉砂土质较均匀，穿越地层颗粒级配曲线分布在土压平衡和水泥平衡盾构机适宜的范围之内。此工程穿越土层土质较为均匀，细颗粒含量多，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力平衡开挖面土体，较适宜采用土压平衡盾构机。

(3) 淮安东站地铁穿越土层主要为粉砂层，各土层渗透系数如表2所示，由表2可知，淮安东站粉砂层的渗透系数大于10-4m/s，宜选用泥水平衡盾构机更为合适；砂质粉土层的渗透系数小于10-4m/s，选用土压和泥水平衡盾构机都可以。由勘探资料可以看出，穿越土层的细颗粒含量占很大比重，在掘进过程中，会产生细粒粉土，泥水平衡盾构机泥水分离难度大，并且排渣效率低。因此选用土压平衡盾构机更为适宜。

(4)在对本工程盾构下穿范围的管线的现状进行实地调查，实地调查后，发现下穿范围内无管线及其他预埋设施，所以选用泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机都可以。但由于泥水平衡盾构机工艺复杂，辅助设备多，尤其是需要配置专门的泥水处理系统，其占地面积大、施工投入大，所以本工程宜选用土压平衡盾构机。

通过从本工程的地层特性、颗粒级配、渗透系数、周边环境以及经济指标对泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机进行对比和分析，可以得出本工程施工采用土压平衡盾构机。

表2 各土层渗透系数

3.2 实施效果

3.2.1 土压平衡盾构主要技术参数及实施效果

根据上述盾构选型分析，结合本工程的工程特性，经计算，满足本工程施工特性要求的土压平衡盾构及主要技术参数如表3所示。

表3 土压平衡盾构机主要技术参数

3.2.2 施工效果

为了保证施工的安全性，盾构区间穿越铁路区域，轨道路基沉降量应控制在沉降为-10 mm，隆起为+10 mm。地表沉降监测图如图1所示。从图1可以看出，本工程的地表沉降量在合理范围之内，保证了隧道施工的安全。

表4 地表沉降 单位：mm

4 结 语

(1)盾构选型必须要有科学的根据和合理的分析，根据工程地质、水文条件和不同类型盾构的适用性和经济效益等因素综合考虑。

(2)在本地层条件下的盾构选型需要综合考虑盾构系统的功能进行合理配置，保持盾构机对此地层的适应性。此外，要充分考虑到盾构机在施工过程中出现的情况，保证盾构机能够顺利施工。

(3)本文提到盾构机施工过程中出现的问题，为类似的地质条件的施工提供参考。