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当前位置：首页-关于北京地铁复合地层盾构选型的分析关于北京地铁复合地层盾构选型的分析
摘 要]北京地铁9号线6标盾构隧道穿越地层为第三系强风化～中等风化粘土岩、砾岩及卵砾、圆砾层，局部为粉质粘土、细砂层。在隧道范围内随机分布有大粒径卵石和漂石，区间隧道大部分处于潜水层中，且需穿越310m宽的玉渊潭东湖。本文根据北京地区的各种情况对盾构机选型问题进行探讨。
[关键词]砾岩；大粒径漂石；过湖；盾构选型
1 工程概况
北京地铁9号线6标包括2个区间盾构。
1.1 军博站～东钓鱼台站区间
单线区间长1 205.15m，主要穿越永定河引水渠(45～60m)、玉渊潭东湖(310m)及北侧小湖(60～100m)和平房民房区(300m)。隧道底板标高31.0～34.4m，K12＋350～K12＋600段及K13＋400～K13＋650段位于砾岩及泥岩层，其余段均处于卵石层中，侧壁围岩有卵石层、中粗砂层和粉土层等。
地下水主要为潜水，局部地段存在上层滞水。水位标高为38.49～38.77m，水位埋深为13.30～13.80m，含水层为卵石、圆砾层。隧道底板埋深23～27m进入潜水水位，其中在K12＋570～K13＋350段连续穿越永定河引水渠及玉渊潭公园东湖，地层大量接受引水渠及湖水的补给，地下水位较高达39.89m。
1.2 东钓鱼台站～白石桥南站区间
左线长530m、右线长677m，总计1 207m。隧道底板埋深16～23m，在K13＋800～K13＋950段位于砾岩层，其余段均处于卵石层中。
地下水类型主要为潜水，局部地段存在上层滞水。按地下水分布情况分为3段：区间起点～K14+150段，地下水赋存在第四系卵石、圆砾层中，实测水位标高为37.19m，埋深15.80m；K14+150～K14+475段，地下水赋存在第四系卵石、圆砾层中，实测水位标高为24.04m、埋深28.30m；K14+475～终点，本段地下水赋存在第四系卵石、圆砾层中，实测水位标高为20.28m，埋深31.90m。
值得特别注意的是本工程区间段卵石一般粒径为30～90mm，最大粒径不小于650mm，详勘报告中推测大于400mm粒径的卵石含量15%～40%且随机分布。在东钓鱼台站以南的区间隧道附近海军医院医疗大楼基坑开挖时发现有粒径为1 200×1 500mm漂石，不排除有更大粒径漂石存在，且大粒径漂石含量较高，可能局部富集成群。经现场随机取样检测，该地段砾岩内的卵石或漂石单轴抗压强度为120～190MPa不 等 ； 石 英 + 长 石 含 量 7 0 ％ ～ 9 5 ％ ， 硬 度2 500～6 100MPa。
2 盾构设备类型的选择
盾构是针对特定施工环境的掘进设备，不同的围岩使用的盾构亦不同，然而本标段为复合地层，其特性在于施工环境会发生突变。对于复合地层盾构施工其主要考虑的因素是施工地层的地质情况。
1）地层渗透系数影响 根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数大于10-4m/s时宜选用泥水盾构；当地层的透水系数小于10-7m/s时可选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数为10-7m/s～10-4m/s时既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构。本工程卵石～圆砾层渗透系数为(2～4)×10-3m/s，但砾岩层渗透系数<2×10-6m/s，两者差异较大。
2）岩土颗粒组成影响 根据施工经验，当岩土中粉粒和黏粒的总量达到40％以上时通常选用土压平衡盾构；相反则选择泥水盾构机比较适宜；但当地层中粘土含量不足10％时，由于开挖面上很难形成泥膜，掌子面容易坍塌，也不推荐采用泥水盾构。本标段砾岩层内黏粒组分含量平均值15％、砂粒组分33％、砾石组分52％；粘土岩岩层内黏粒组分含量平均值68.5％、砂粒组分31.5％；卵石～圆砾层内中砂含量约30％、黏粒组分很少。
针对复合地层，人们自然会选择适应范围广泛的盾构，但每种类型的盾构都存在不同程度的缺陷。就北京地区的复合地层情况，无论选择哪一种类型盾构通常要解决以下几个关键问题：①刀盘布置形式、刀具类型、耐磨性和互换性；②如何破碎大粒径漂石；③如何在富水卵石层防止喷涌及保持盾构本身的密封性；④如何实现在地层性质完全不同的复合地层顺利掘进。因此对盾构主体的配置要求十分重要，主体配置包括刀盘、刀具、主动力输出、衬背注浆系统、盾尾密封、管片拼装机、泡沫注入系统、膨润土注入系统、螺旋输送器、推进系统、铰接装置、人闸系统、隧道掘进激光导向及掘进管理系统。现就对选型相关的主要问题，对土压平衡和泥水平衡这两大类型盾构进行分析比较。
2.1 土压平衡盾构
砾岩层及卵石层粘土颗粒较少，因此土压平衡盾构必须采用加泥式土压平衡盾构方能适应较大的土质范围与地质条件，能用于粘性土、非粘性土，甚至含有基岩、漂石、砂砾石层、有水与无水等多种复杂的土层中。盾构前端装有一个全断面切削刀盘和一个储留切削土体的密封舱，弃土由螺旋运输机排出。通过向密封舱内加入塑流化改性材料，与切削土搅拌成塑流体来传递平衡压力，保证盾构在动态平衡下连续推进。
砾岩层、卵石层对加泥式土压平衡盾构刀盘刀具要求较高，首先是刀盘整体刚度要求高，防止刀盘在掘进过程中变形或造成刀盘面板损坏。另外在卵石层掘进切削刀具、刀盘的磨损较大，对刀具和刀盘面板的要求高，同时还要满足中途换刀的要求。本工程换刀的难度在于湖底施工期间卵石层透气性比较强，地下水较丰富，必须采取较好的保压措施，同时在有压换刀施工时容易发生掌子面透气或坍塌事故。
由于砾岩层和卵石层存在大量超粒径卵石，可通过卵石直径来决定刀盘开口的切口宽度，配备与卵石粒径相适应的螺旋输送机，使绝大部分卵石通过螺旋输送机排除。其它排不出去的卵石则尽量采取掘削面刀具破碎的方式，即在刀盘上安装滚刀破碎，但这种破碎方式需要地层对漂石有一定夹持力，否则容易造成滚刀达不到启动扭矩造成偏磨。对于北京地区的砾岩层，其基岩强度仅为0.3～2MPa，大粒径漂石在地层中夹持力不足，容易随刀盘的转动而运动，不适宜使用滚刀破碎，经过实践检验使用全新的刀盘密排重型撕裂刀挤压破碎具有可靠的实用性。
由于本标段要穿越玉渊潭东湖且区间处于潜水位以下，属于强透水地层，在土舱内不易形成具有良好塑性及止水性渣土，螺旋输送器难以形成土塞效应，因此为防止泥土输出时的压力损失和喷涌，螺旋输送机最好选择中心轴式螺旋出土器；同时在施工过程中必须向掌子面、螺旋输送机内注入泡沫等外加剂改善土体可塑性，使渣土顺利排出。
2.2 泥水平衡盾构
泥水平衡盾构多用于含水率较高的砂质、砂砾石层、江河和海底等特殊的超软弱土层中，泥水加压盾构能获得其它类型盾构难以达到较小的地表沉降与隆起。
水平衡盾构其掘削面稳定主要靠泥水成膜后产生双向隔离作用的结果。砂卵石地层砾石粒径较大、渗透系数较大，必须加入特制泥浆；最好采用面板式刀盘，设置槽口开关，最大限度保证掘进安全。由于开挖面泥浆的作用，刀具和切削刀盘的使用寿命理论上相应增长，但在卵石地层中排泥管、泥水泵磨耗严重，需要采取耐磨措施。
根据以往经验粒径小于300～400mm可以进入泥水舱，可以依靠舱内的液压钳破碎粒径较大的卵石。如砾石强度过大或地层较松散，刀钳破碎不了的漂石或大于开口宽度的漂石也只能采用开舱人工破碎的方式。与土压平衡盾构机一样，也必须采取加压、注浆和固结等辅助措施才能够保证安全施工。
鉴于本标段地层富含大粒径漂石，液压钳无法破碎大粒径漂石，所以泥水平衡盾构不适宜于这类地层施工。
2.3 盾构选型必须考虑的特殊因素
盾构选型除考虑穿越的地质及土层因素外，在具体实施阶段必须要解决理论的合理性和实际施工可能性之间的矛盾，因此选型时还必须考虑安全、环境和经济等特殊因素。
1）安全因素 从在砂卵石地层穿越玉渊潭东湖来讲，为了保持工作面稳定、穿越富水砂卵石层，使用泥水盾构要比土压平衡盾构效果好一些，同时在强～中风化砾岩区为了破碎较大粒径卵石使用泥水盾构也有一定优势；另一方面土压平衡盾构在北京地区应用广泛，也能够适应从砂、粘土到卵石的各种地层，有较多成功经验（包括过湖），但在施工过程中需要配合使用一些辅助工法方可安全掘进。因此从安全角度来看泥水盾构安全性要高于土压平衡盾构，但土压平衡盾构在辅以合理措施的情况下也可以满足施工需要。这对于盾构选型来讲就要综合考虑并对不同选择进行风险分析，选择综合风险最低者。
2）环境因素 对于泥水平衡盾构来讲，虽然经过筛分、旋流和沉淀等处理措施可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过有效方式运输消纳，但泥浆中的悬浮和半悬浮状态的细颗粒仍不能分离出来，而这些物质又不能随意处理，这就形成了严重的环保问题。虽然国内外都有很多手段、设备可以做到无害化处理，但处理成本高、需用场地较大、处理时间长，在北京世纪坛附近寻找如此大的场地是不可能的。
3）经济因素 对于任何一个施工单位来讲任何一种工法必须考虑经济因素。泥水盾构施工成本较高，约为土压盾构的1.3～1.5倍，同时在北京地区除了本标段有过玉渊潭东湖的特殊因素外，其它地区无法充分利用泥水盾构，这样就会使盾构闲置，造成资源浪费。对一个企业来讲它必然会考虑两个因素，一方面要履约，另一方面要为以后施工留下一套可以利用的设备，这是制约企业买设备和租设备的主要因素。
3 方案比选
各种类型的盾构都具有自己最适应的地质范围，但是对其它地层都有不同程度的局限性，合理的盾构型式应针对工程地质、水文地质条件及地表环境特点，选择经济合理的盾构设备和相应的辅助工法。同时也要兼顾覆土厚度、线形、掘进距离、工期计划、竖井用地和障碍物等外部条件，从安全、环保、经济的角度综合考虑，具体对比情况如表2所示。
4 实例应用
基于以上数据分析，9号线6标盾构区间采用国际上比较先进的加拿大罗威特土压平衡盾构。
4.1 主要配置
1）刀盘采用开口率为30%的轮辐式设计，面板满铺耐磨板，具备刀盘耐磨失效检测系统和中心防泥饼设计(图1)。
2）刀具采用密排重型撕裂刀与周边滚刀混合布置。
3）刀盘动力输出1 200kW，由6台200kW水冷变频电机驱动，最大连续工作扭矩619t，极限脱困扭矩774t，主轴承直径3 130.55mm。
4）渣土改良系统 ①泡沫注入系统采用独立注射点，刀盘正面与侧面7个点，螺旋输送机4个点；②聚合物(和水)注入系统；③膨润土(泥浆)注入系统。
5）螺旋输送器缸体内径850mm、功率225kW、最大扭矩7.5tm、转速为0～22rpm，轴式螺旋机可通过最大漂石尺寸为300mm。
6）推进系统总推力为3 780t。
4.2 主要参数
1）刀盘转速及扭矩 平均转速在1.9转时扭矩较稳定，保持500tm左右跳动，扭矩比其它施工盾构高出200tm左右。
2）总推力变化 总推力介于1 000～1 400t跳动频繁，主要是地层富含大粒径漂石所致。
3 ） 土 舱 压 力 变 化 土 压 基 本 保 持 在1～2.5bar（复杂地层导致)。
4）螺旋机扭矩及转速 螺旋机扭矩控制在6～9tm，有突变到12tm的现象；转速控制在2～3转，有突变到9转的现象。
综合分析以上数据可以得出：罗威特轮辐式复合刀盘土压平衡盾构对于应对富含大漂石粒径的砾岩层和卵漂石层是有效可行的。
5 结 论
北京地铁9号线6标盾构施工难点是大漂石的处理，特别是过玉渊潭东湖水下掘进时处理大漂石；另外就是砾岩、卵石地层刀具更换问题，特别是湖底换刀更为困难。对于泥水盾构从理论数据上显得更适宜一些，但从各种综合因素分析加泥式土压平衡盾构在某些方面可能更有一些优势。
虽然盾构是为了特定施工环境而量身定制的专用设备，但处于复合地层中施工必须根据不同的施工环境及时调整施工工艺，就现有的盾构设备根据工程地质参数，在采取合理的辅助工法前提下，北京地区所遇到的复合地层问题都是可以解决的。
[参考文献]
[1] 竺维彬，鞠世健．复合地层中的盾构施工技术[M]. 北京：中国科学技术出版社 2008.
文章来源： 《建筑机械化》原作者：商啸旻 李琨 李文峰 徐朝信