深圳跨海隧道盾构机选型及适应性分析

深圳跨海隧道盾构机选型及适应性分析

向玲

深圳市市政工程质量安全监督总站

摘要：本文根据城际铁路机前段深圳机场站-固戍工作井区间穿越前海西湾海域的周边环境、工程地质、水文地质等进行分析，将原DL429盾构机进行针对性改造，对复合式泥水平衡盾构DL429穿越前海西湾海域进行适应性分析。

关键词：西湾海域  盾构机   适应性分析

1引言

盾构隧道施工技术不断完善，盾构机也在不断进行改进设计，在不同的地域、不同的地质条件下，盾构机的选择不尽相同。地下工程面临的地质情况和周边构建筑物是复杂的，那么对盾构机选型的研究尤其重要，选择合适的盾构机，能够充分发挥设备的功能，在复杂地址条件下能保障盾构掘进中的风险，能够安全、顺利的贯通。

2 工程重难点分析

2.1  工程概况

城际铁路深圳机场站-固戍工作井区间为双洞单线盾构隧道，下穿规划机T3航站楼值班宿舍楼，领航高架桥西侧并行，然后下穿前海西湾，在海中从在建深中通道桥桩之间侧穿，从深中通道隧道U 型槽抗拔桩下方穿越，于金湾大道进入陆域，下穿海域段3.16km。

2.2 盾构区间重难点

本区间盾构穿越的重难点主要有以下：（1）不良地质条件。本段海陆交互相软土较为发育，可能存在软土震陷不良地质作用；燕山期花岗岩全风化呈砂土状，风化差异大，遇水易发生软化、崩解；花岗岩岩面起伏较大，可能存在球状风化(孤石)等特殊性岩土。（2）盾构穿越断裂带。区间里程DK2+351~DK2+478范围内穿越断裂带，断裂带岩芯破碎，风化差异较大，基岩强度变化较大，基岩裂隙发育，透水性大。（3）盾构穿越前海西湾海域。盾构隧道有3.16km下穿前海西湾海域，海域段最大水头约60m，穿越第四系地层及硬质花岗岩地层，盾构独头长距离掘进。（4）开仓换刀。区间地质主要分为软土及硬岩两种地层，局部存在“基岩突起”地段，且在DK2+430附近有存在断裂带F1发育可能性，硬岩段掘进刀具磨损速度快，开仓换刀频繁，软土段、“基岩突起”及断裂带开仓风险大，需采用带压方式进仓换刀。

3 盾构机选型的主要方法

盾构隧道施工首先要考虑是安全可靠，不同的地下环境采取的掘进措施、安全措施、质量保障措施也不一样，那盾构机选型要综合考虑周边环境、地质条件、工期要求等等。

3.1根据地层的渗透系数进行选型

根据地层渗透系数与盾构类型的关系，地层的透水系数大于10-4m/s时，地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构。盾构区间全截面穿越微风化花岗岩1425.7m，局部穿越微风化花岗岩层285.2m，根据初勘物探推测在DK2+430附近发育断裂带F1，倾向小里程，视倾角为52°，为压扭性断裂，其影响范围为DK2+351～DK2+478。此段区间位于西湾海域，遂底埋深48m，存在与海水连通风险。综合考虑宜选用复合式泥水平衡盾构机。

3.2 根据地层的颗粒级配进行选型

当岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时，通常采用土压盾构，反之则选择泥水盾构比较合适。根据区间地质详勘，本区间多为粉质黏土和全风化砂岩，可选择土压平衡盾构机，亦可选择泥水平衡盾构机。

3.3盾构选型时必须考虑的特殊因素

盾构机的型号选择不仅仅要考虑地层的渗透系数、颗粒级配等等理论的合理性，还需要从实际出发，必须要将安全生产、环保、地质条件的因素考虑在内。泥水盾构施工过程中泥浆需要较大的处理场地，渣土外运难度需要做好施工组织准备，但是从安全性角度来说，隧道断面较大时，选择泥水盾构机能更好地保持工作面的稳定性，特别是在水下、密集的建筑物、上软下硬的地层中掘进时，安全性更能得到保障。

综合考虑，区间隧道采用间控式泥水平衡盾构机进行施工，拟选用铁建重工DL429盾构机，该台盾构机在铁建重工进行改造、维修及全面的维护保养工作。

4 盾构机适应性分析

4.1  盾构隧道掘进重难点

本区间存在较长距离上软下硬（基岩凸起或软硬地层过渡段）地层，掘进过程会出现下述问题：（1）刀具在软硬交界面冲击较大，异常损坏严重。（2）地表扰动大，易发生地表沉降，要求设备具备足够的土仓压力、主驱动扭矩。（3）刀盘和主驱动偏载严重，要求刀盘具有足够的刚度和强度，主轴承具有较强的承受偏载能力。（4）前盾切口会沿着隧道底板斜面挤压上抬，产生姿态控制问题。盾构在富水地层掘进，隧道最大埋深54米，水头压力高，对盾构机整机密封性能要求高。

4.2 原DL429盾构机适应性分析

本区间在全风化、强风化花岗岩地层及断裂带会存在大粒径石块，原DL429采用直接控制式泥水平衡设计，没有气垫仓，无法安装碎石机系统。原DL429环流系统采用DN300泥浆管路设计，进、排浆泵分别采用WARMAN 10/8 AH（380kW）和10/8GH（435kW）泵站，额定排浆流量900m³/h，额定进浆流量800m³/h，无法满足本工程软土地层掘进排渣需求，易造成开挖仓滞排情况。原DL429主驱动最大转速为2.8rpm，对于本区间中、微风化花岗岩地层破岩及掘进效率低。原DL429刀盘冲刷系统设计薄弱，泥浆冲刷流量、压力及冲刷口较少。原DL429采用被动铰接形式，无隧道制冷设备安装位置、无人仓、开挖仓可视化系统。

4.3  复合式泥水平衡盾构DL429设计特点

针对城际铁路机前段深圳机场站-固戍工作井区间地质状况，所用的复合式泥水平衡盾构DL429，已按要求增加了超前地质探测及注浆加固接入条件，碎石机系统，并可通过盾构机操作系统将相关数据读取上传至盾构监控平台，还在以下几个方面进行针对性设计和改造：

（1）先进的盾尾注脂系统，把有极好密封性能的密封油脂注入到四道盾尾刷之间，密封盾构机与管片的间隙来防止水渗漏，该密封方式也适用于高地层压力和高水压工况。

（2）在盾构机前体配置有气垫仓，通过气压控制舱内水压平衡。在气垫仓配置舱内碎石机，可破碎粒径600mm以内大颗粒渣土，防止舱内堵管堵舱现象。

（3）刀盘合适的开口和针对性的刀具配置，再通过舱内碎石机、大流量环流系统等有机配合，保证了盾构机在类似地层的长距离可靠运行。

（4）采用主动铰接模式，盾体更易脱困且具备更小转弯半径能力。

（5）环流系统采用DN400管径、配置P0.1、P0.2冲刷，有效防止刀盘中心结泥饼以及底部积渣情况；管路采用双层合金复合管、弯头堆焊耐磨层，提高管路耐磨性能。

4.4  拟选盾构机对本工程地质的适应性

复合型盾构机DL429，通过在刀盘上换装盘型滚刀或者齿刀，它不但能适应软土隧道施工，而且在硬、软岩地层同样具有很好的适应性，根据城际铁路机前段深圳机场站-固戍工作井区间地质情况，对拟选盾构DL429再次进行针对性改造。

⑴采用间控控制模式，设计气垫舱，配备碎石机，具有排渣效率高、可逆洗等多重优点，避免土仓内堵管、堵舱风险。具备气压平衡控制功能，稳定开挖面，控制精度±0.1bar，可以控制地面沉降、确保施工安全；

⑵整机设计承压能力为6bar，主驱动设计承压能力为10bar，针对大埋深、高水压的特点，具有安全性和可靠性；

⑶主驱动采用4.8米直径重型主轴承，可承受较大偏载；搭载12×250kW高转速变频电机驱动，额定工作扭矩13546kNm@1.9rpm，脱困扭矩17610kNm，针对复杂地层扭矩储备安全系数高；

⑷刀盘类型选择适应华南复合地层的六辐条+六面板复合型刀盘，整体强度刚度高，扭矩传递均匀，中心开口率较大，配置超挖齿刀；加强型中心刀箱，整体加工而成；合理刀间距（正面78mm）及刀高差（45mm）；L型梁等针对性设计；在提高掘进效率、加强耐磨性、提高渣土流动性、防止结泥饼等方面，优势突出，地质适应性强；

⑸针对泥水机在破碎带滞排问题，刀盘主动搅拌棒（4个）加长设计，可以有效搅拌泥水仓底部，减少滞排；泥浆环流系统配置大进浆、大排浆，底部配置两路泥浆冲刷，增强仓内的循环力度，加快排渣速度，提高掘进效率；设计逆洗模式，降低舱内堵舱，堵管风险；

⑹后配套上配置采石箱，减少堵管、堵泵风险；管路采用双层合金复合管、弯头堆焊耐磨层，提高管路耐磨性能。

5 结论   

本区间盾构主要穿越地层为粉质粘土、全风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩等复合地层掘进。根据城际铁路机前段深圳机场站-固戍工作井区间的工程设计、地质水文、周边环境概况及区间的施工计划安排，对DL429盾构机选型及适应性、可靠性进行系统分析，得出结论拟选用DL429盾构机满足本区间隧道的施工的各项要求。

参考文献

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