风化花岗岩地层中地铁盾构隧道施工关键技术

时间：2024-07-28

吴敏敏刘先行

1.中电建路桥集团有限公司，北京 100160；2.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100036

隧道盾构法施工在我国应用越来越广泛，特别在城市地铁建设中。较之均质地层，盾构机在混合层中掘进，更易出现刀盘拥堵、刀具磨损、地层沉降、掘进效率低下等问题［1-5］，更需对盾构机选型、泥浆配比、操作方法、施工参数等进行研究，以适应工程实际情况。本文以新加坡地铁汤东线T217 标段盾构隧道在不同风化程度花岗岩地层中的掘进施工为例，介绍了复杂地质条件下地铁盾构隧道施工关键技术。

1 工程概况

该工程项目位于新加坡市中心最繁华地段，周围有外交部和多个国家驻新加坡大使馆。主要工程包括一个地下车站，两条长约750 m 的地铁隧道以及联络通道、逃生井等。地下车站位于纳比雅路—克伦尼路交叉口，盾构隧道下穿东陵区居民区，施工过程中安全、环保、噪声、地面沉降等要求严格。

地铁隧道始发时为上下重叠式，逐渐转变为水平平行式抵达下一车站。下层隧道称为北向隧道，上层隧道称为南向隧道。

隧道穿越地层岩性为花岗岩。根据新加坡规范SS CP4：2003《基础工程实施准则》，隧址区花岗岩按风化程度可分为新鲜或弱风化、微风化、中等风化、高度风化、全风化花岗岩和残积土六个等级。其中全风化花岗岩仍存留原岩结构，而残积土中原岩结构完全破坏。地质勘查资料显示，北向隧道约40%长度穿越全～中等风化花岗岩混合层，38%为全断面中等风化花岗岩层，其余为全断面全风化花岗岩层；南向隧道约10%长度为全～中等风化花岗岩混合层，其余为全断面全风化花岗岩层。岩土物理力学参数见表1。其中：新鲜或弱风化花岗岩与微风化花岗岩采用相同的参数；括号内是限制值，当5 倍标准贯入击数大于120时，不排水剪切强度只能取120 kPa。

表1 岩土物理力学参数

因工程位于热带地区，降水丰沛，地下水位变化大，编制施工方案时地下水位按地面高程考虑。

2 隧道施工过程中的风险控制

在盾构隧道掘进过程中澳大利亚大使馆、外交部等11 座建筑（图1）会受到较大影响，需逐一进行风险分析，并制定相应的控制措施。

图1 受盾构隧道掘进影响的建筑

受影响建筑物基础统计情况见表2。浅基础建筑对不均匀沉降敏感，遭受不均匀沉降时易发生墙体开裂；桩基础建筑则必须在掘进前确认桩尖距拟施工隧道顶部的净空距离，评估切桩的可能性。

表2 建筑物基础统计情况

3 盾构机系统选型设计

结合现场地质条件［6］，对国内外厂家设备进行比选，最终采用德国海瑞克的复合式泥水平衡盾构机S930和离心式泥水分离系统。

3.1 刀盘和驱动系统

根据地质资料［7］，花岗岩的抗压强度达到241 MPa，且极端情况下抗压强度可能达到400 MPa。刀盘直径6.7 m，结构设计见图2。北向隧道以穿越中等风化花岗岩为主，考虑盾构机切割全断面岩石的能力，刀盘上多配滚刀，减少刮刀数量；采用滚刀46 把（含边刀2 把），刮刀48 把；开孔率26%。南向隧道则以穿越全风化花岗岩为主，兼顾刀盘切割能力和掘进效率，刀盘上适当减少滚刀，增加刮刀；采用滚刀40把（含边刀2 把），刮刀56 把；开孔率35%。滚刀直径457 mm，刀刃厚19 mm；滚刀间距多刀型为90 mm，单刀型为80～85 mm。

图2 盾构机刀盘结构设计

为满足各种岩土断面掘进需要，主驱动采用9 台功率160 kW 变频驱动电机，安装功率1 440 kW，最大推进力48 657 kN。主轴承直径3 m，额定扭矩4 769 kN·m，最大扭矩6 200 kN·m，脱困扭矩6 677 kN·m。

3.2 泥水舱压力平衡系统

隧道穿越不同风化程度地层，地表建筑物林立，为防止盾构机掘进时开挖面土体流失严重引起地表沉降，S930 复合式泥水平衡盾构机采用气压舱和泥水舱相结合的双舱模式，两舱底部通过泥浆连通，解决了单舱泥水盾构掘进过程中泥水舱经常遇到的压力突升或突降问题。

泥水舱压力参考值由地下水压力、静土压力和动土压力综合判定［8］。为了确保泥水舱压力平衡系统的灵敏性，S930复合式泥水平衡盾构机采用Samson压力调节器与绳式液位传感器相结合的方式。盾构推进时，一旦气压舱压力值与参考值发生偏差，通过压力调节器差分控制系统控制进气阀或排气阀，维持设定的压力值。同时由液位传感器监测泥浆液位的升降变化，通过控制进泥泵或排泥泵的转速，使气压舱内泥浆液位恢复到盾构轴线附近位置。

3.3 泥浆输出监控系统

泥水盾构机的工作原理是利用加压泥浆确保开挖面稳定，同时泥浆将开挖的渣土搅拌混合后形成泥水，经排泥管输送到地面的泥水分离设备进行处理，然后通过进浆泵输送至泥水舱。盾构机掘进时开挖土方。理论干土重量Md为

式中：D为刀盘直径，m；ΔL为净进尺，m；ω为开挖土体的含水率，%；ρs为开挖土体的密度，t∕m3。

实际干土重量Ma为

式中：t1、t2分别为盾构机开始、结束时间，s；Qout、Qin分别为泥浆排出、泵入速率，m3∕s；ρout、ρin分别为排出、泵入泥浆密度，t∕m3；ΔVc为气压舱泥浆容积变化量，m3。

通过泥浆输出监控系统记录盾构掘进时实际出渣量，通过数据分析和可视化界面，对掘进过程中出渣的异常情况及时预警。本项目按实际干土重量达理论值的1.15倍设置预警值。

3.4 泥水分离系统

海瑞克离心机式泥水分离系统的功率为1 200 m3∕h，保证盾构机最大日进尺16～20 m。其具有三项优势：①多级分离，筛分颗粒粒径分别为12.0 mm、3.1 mm、180 μm、35 μm。②自动化程度高，通过可视化控制平台，对盾构机掘进过程中进浆泵和排浆泵工作状态、泥浆浓度等关键指标适时控制，与盾构机操作平台实现无缝对接，保障了盾构机的运行安全。③集装箱式设计，节省空间。噪声在50 dB 以下，可在城市居民区24 h运行。

3.5 辅助设备

辅助设备主要有碎石机、管片拼装机、安全舱、材料设备舱等。

4 泥浆关键性能指标

北向隧道盾构机掘进到P90环时不同风化程度地层频繁交替变化。为指导泥浆制备与调整，施工前针对可能遇到的各种工况设计了5 组泥浆关键性能指标，见表3。

表3 不同工况下泥浆关键性能指标

5 施工情况及现场监测

5.1 施工情况

盾构机工作时通过泥浆循环维持泥水舱压力的动态平衡，同时根据地层情况确定合理的推进力和刀盘转速，使盾构机保持合适的掘进速度和工作状态，避免超挖和地表沉降。盾构机进入全断面中等风化花岗岩层时，推进力保持在25～27 MN，刀盘平均转速在2.8～2.9 r∕min；进入全断面全风化花岗岩层时，推进力保持在 24 MN 左右，刀盘转速为 2.3 r∕min；进入全～中等风化花岗岩混合层时，推进力保持在24～26 MN，刀盘转速在2.6～2.8 r∕min。实践中发现，在混合层中掘进时若推进力超过30 MN，刀盘中心区域的刀具磨损非常严重，此时应适当减小推进力和刀盘转速。

每环掘进净用时见图3。计算可得：P90—P225环管片平均每环掘进净用时102.4 min。全断面中等风化花岗岩层（P119—P143 环、P198—P225 环）中掘进净用时最高，全～中等风化花岗岩混合层（P90—P118环、P144—P154 环、P167—P197 环）中掘进净用时与在全断面全风化花岗岩层（P155—P166 环）中相当。在混合层中掘进效率正常，刀具磨损也基本可控，只有在P186—P197环因为岩石强度过高，推进力设置偏大，刀具磨损严重，不得不放慢掘进速度，安排了两次停机检修，更换部分刀具。

图3 P90—P225环掘进净用时统计

5.2 现场监测

在隧道沿线、建筑物周围布置测点，在盾构机掘进前对地下水位、地表沉降、地表建筑和市政设施的变形进行观测。在盾构机掘进过程中掌子面前后30 m 范围内观测频率为 2 次∕d，其余为 1次∕d。

地下水位快速下降会引起地表沉降和建筑物破坏。两次连续观测的地下水位下降超过1.0 m 时，由业主、设计、监理和施工方共同商讨，研究决定是否采取工程措施，如启用回灌井等。隧道掘进结束后，地面最大沉降出现在P170环（外交部和舍伍德路公寓之间），其值为7 mm。参照Peck 公式［9-10］算得地层损失率约1.01%，满足小于2.00%的设计要求。地表建筑物未出现开裂、倾斜。