徐州軌道交通L1盾構選型的風險分析及配置建議
徐偉忠，戴慧麗
[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065]
摘要：在城市軌道交通建設過程中，盾構機選型的成功與否往往會成為施工成敗的決定性因素。針對徐州軌道交通L1的特殊復雜工程條件，分析盾構選型面臨的風險并提出適用于徐州地層的盾構選型方案及相關配置建議。著重介紹盾構機選型的基本原則，除了根據盾構隧道設計情況確定盾構直徑、管片拼裝方式等基本參數(shù)外，工程地質條件和水文條件也是盾構機類型選擇和性能設計應考慮的主要因素。這可為類似工程條件下盾構機選型提供參考。
關鍵詞：徐州軌道交通；風險分析；盾構選型；地層適應性
中圖分類號：U231.3 文章編號：1004-4655( 2016) 03-0051-03
盾構作為城市軌道交通施工的大型專用機械設備，其選型的成功與否，無論是對于盾構施工的技術水平，還是對于盾構施工的成本和效益，均起著舉足輕重的關鍵作用。適用性和可靠性是盾構機選型的基本原則，除了根據盾構隧道設計情況確定盾構直徑、管片拼裝方式等基本參數(shù)外，工程地質條件和水文條件也是盾構機類型選擇和性能設計應考慮的主要因素。
本文針對徐州軌道交通L1的03標西安路站一彭城廣場站一文化官站一徐州火車站區(qū)間丁程基本情況，對施工過程中所面臨的風險進行一一分析，并結合國內類似地層條件下的盾構選型案例，提出本標段的盾構選型建議。
1工程概況
1.1工程地質條件
徐州軌道交通L1的03標有3個盾構區(qū)間。此標段穿越地層條件復雜，西安路站一彭城廣場站區(qū)間先后在⑤3-3粉質黏土、⑤3-4黏土和14中風化頁巖、13中風化泥灰?guī)r中施工；彭城廣場站一文化宮站區(qū)間隧道地層主要為②6粉砂、⑤4-3黏土和124=3中風化灰?guī)r；文化官站一徐州火車站區(qū)間穿越全斷面的②4-4和⑤3-4硬黏土地層。區(qū)間沿線地質條件復雜，在穿越過程中有多次地層類型的轉變，其中彭城廣場站一文化宮站區(qū)間隧道地質縱剖面圖如圖1所示，地層的物理力學性質指標見表1。
1.2水文地質條件
水文地質資料顯示，區(qū)間地下水類型主要為上層滯水、孔隙水和基巖裂隙水。潛水主要賦存于故黃河兩岸階地沖積形成的粉土、砂土層(②5-2②6)，埋深3.20~5.40 m�；鶐r裂隙水主要賦存于灰?guī)r溶洞和裂隙中，受巖體破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及溶洞大小等控制，水量變化較大，水位埋深為7.00~8.00 m。受地層地下水及周圍基巖裂隙水補給，在構造破碎帶、節(jié)理裂隙密集處匯集，水量較大，具有承壓性。
2盾構選型的風險分析
徐州地區(qū)地質條件復雜，盾構選型時必須考慮盾構穿越區(qū)間的地層條件及盾構施工過程中所面臨的風險，下面分別對幾種（基巖裂隙水、硬黏土地層、溶洞、地層軟硬不均等4種）典型風險源進行分析。
2.1承壓裂隙水發(fā)育
此標段基巖裂隙水主要賦存于寒武系灰?guī)r溶洞和震旦系、青白口系巖層裂隙中，受巖體破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及溶洞大小等控制，水量變化較大。受地層地下水及周圍基巖裂隙水補給，在構造破碎帶、節(jié)理裂隙密集處匯集，水量較大，具有承壓性。在盾構施工過程中存在噴涌的風險。噴涌的發(fā)生不但影響正常施工排土和壓力艙壓力的控制，嚴重時會過多地將開挖面和管片四周的土、砂帶出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水等施工事故。
2.2硬黏土地層
此標段3個區(qū)間均需穿越硬黏土地層，其中⑤3-4層黏土液性指數(shù)為0.14<0.25，屬于硬塑狀態(tài)。在此地層中掘進，若土體改良效果不好，則極易發(fā)生“糊刀”及“泥餅”現(xiàn)象（見圖2）。致使刀盤空轉，無法正常切削土體，槽口及出土管道堵塞，推力增大導致地層隆起變形。
2.3巖溶土洞發(fā)育
盾構穿越的灰?guī)r地層均含有巖溶，且較為發(fā)育。鉆孔見洞率為58.1%。其中洞高>1.0 m的溶洞有10個，最大溶洞洞高約4.9 m。溶洞主要以充填型為主，充填物為硬可塑狀褐黃黏土夾灰?guī)r碎塊。見洞率高，最大溶洞洞徑>2m。盾構穿越溶洞時，容易產生坍塌、涌水現(xiàn)象以及可能發(fā)生盾構“磕頭”、陷落，對施工安全影響較大。
2.4地層軟硬不均
本標段盾構穿越土石界面、軟硬巖界面及溶洞（充填可塑狀黏性土）時，地層強度差異大，阻力不均，容易造成盾構姿態(tài)控制困難，推進方向偏離設計軸線。同時，易對盾構刀具及螺旋機造成嚴重磨損（見圖3），使得盾構無法推進。
3盾構選型的配置建議
盾構選型時綜合考慮各種因素，選擇適宜的盾構機型、設計布置合理刀盤刀具形式，以及配備不同的輔助工法。合理的盾構配置可大大降低施工風險，提高盾構對不同地層的適應性。下面分別對盾構的幾項關鍵配置提出建議，以供徐州軌道交通L1盾構選型參考。
3.1刀盤形式及開口率
由于此標段先后穿越黏土層、粉砂層、硬黏土與中風化灰?guī)r形成的上軟下硬地層以及全斷面中風化灰?guī)r層，軟土及硬巖同時存在，強度和穩(wěn)定性變化較大。根據施工經驗，盾構機型式推薦選用可同時安裝切削刀和滾刀的復合式土壓平衡盾構(見圖4)。刀盤為輻板式結構，開口率在30%~40%之間，中心開口率保證≥30%。
在刀盤面板沿半徑方向均勻布置的添加劑注人口≥5個（可向開挖面注入泡沫及膨潤土泥漿）時，建議添加劑注入口均采用單管單泵設計。在刀盤背面設置固定攪拌棒，保證土倉內土體的流動性，避免中心泥餅的產生。同時，在土倉中心配置高壓水沖刷裝置（見圖5），配合攪拌棒的使用。
3.2刀具選型
由于此標段區(qū)間地層變化頻繁，既存在粉砂地層，也存在黏土和風化巖層，區(qū)間地層變異性較大，建議準備2套刀具配置方案：一套用于黏土和粉砂層（刀具配置以中心魚尾刀+先行刀+切削刀+仿形刀為主）；一套用于中風化巖層（以滾刀+切刀+周邊保護刀為主），靈活配置刀具以適應不同地層。
建議采用滾刀與先行刀可互換型刀箱，切刀采用250 mm寬的重型刀，減少遇到灰?guī)r段掘進時刀具損壞。滾刀方案為中心布置17寸（1寸≈3.333 cm）雙刃滾刀，周邊單刃滾刀間距為100 mm，并適當減小滾刀的啟動扭矩，避免偏磨現(xiàn)象發(fā)生。同時，完善刀具的磨損檢測措施，進行有計劃的換刀。
3,3螺旋輸送機選型
為了更好地形成土塞效應，建議采用中心軸式螺旋機。配置雙閘門防止噴涌，同時應預留土體改良添加劑注入接口和保壓泵接口。在施工過程中應密切關注螺旋輸送機出口壓力及渣土的出土狀態(tài)，及時在土倉及螺旋機進土口處注入膨潤土泥漿或高分子聚合物以提高土體的止水性。
考慮到螺旋輸送機在巖石地層中磨損現(xiàn)象嚴重，建議在螺旋軸最易磨損的前端葉片上加裝復合材料耐磨塊。
3.4其他配置
針對徐州軌道交通存在的溶洞現(xiàn)象，建議配置超前鉆孔注漿系統(tǒng)，在盾體設計時考慮完善的超前注漿方案。在必要時可對開挖面前方進行超前注漿進行地質加固。
建議配置加強型盾尾刷，設計3道尾刷，最后一道尾刷采用外包鋼板設計，避免高水壓造成的盾構滲漏問題。
建議配置2臺膨潤土泵用于渣土改良。2臺泵可通過單獨管路注入刀盤前部，也可一路注入盾殼外，較大程度減小破碎巖石地層中盾構外殼的摩阻力。
4結語
復雜地層條件下的盾構選型需要綜合考慮地層條件及盾構系統(tǒng)的功能進行合理配置。本文以徐州軌道交通L1的地質條件為例，分析在不同地層條件下盾構選型時需考慮的主要風險因素，提出徐州軌道交通的盾構選型配置建議。
本文為類似地層情況下的盾構選型及其關鍵配置提供參考，但實際工程仍需根據具體地層條件、施工技術、工程管理和經濟因素等方面進行綜合分析，才能確定適應于特定工程條件下的盾構選型方案。
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