中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024
摘要：随着城市建设的高速发展，盾构技术在城市轨道交通建设等领域得到广泛应用，盾构机选型是优质、安全、快速建成盾构隧道的关键工作之一。本文根据北京地铁施工的特点,以北京地铁7号线百子湾至化工站隧道区间为例，对富水污染地层盾构选型进行了阐述，简要分析了盾构选型原则、依据和适用性。
关键词：盾构技术、选型、关键工作、富水污染地层
1 工程概况
百子湾站～化工站隧道区间东西走向，西起北京西四环外广渠路南侧的地铁7号线百子湾站，线路出站后以350m半径曲线斜穿广华新城（原化工二厂）建设地块后转向南，止于广华新城东侧的地铁7号线化工站。右线区间设计起止里程：右K16+085.837～右K16+807.600,区间长度721.763m；左线区间起止里程：左K16+149.998～左K16+807.600，区间长度687.566m（长链29.964m）。区间覆土8.4～10.0m，区间为两端底中间高的“人”字坡，采用泥水盾构法施工。区间中部右K16+257.000处设置一处联络通道。
根据隧道所穿越富水污染地层的特点，本工程选用1台日本三菱公司生产的Φ6280mm泥水平衡式盾构机。
2 盾构机选型原则
盾构机主要遵照以下原则进行选型：
（1）盾构机机型和功能必须满足本工程人员安全、线路条件、工期、施工条件和环境等要求。
（2）盾构机按本工程的地质条件，进行有针对性的设计生产，要求其性能与本工程内的工程地质、水文地质条件相适应。
（3）选用的盾构机应具有良好的性能和可靠性。
（4）类似地质、施工条件下盾构选型、施工实例及其效果。
3 选型依据
盾构机选型的依据主要为开挖面土质、地下水位、障碍物、设计线路、隧道长度、工期要求、环境保护、经济性等。
（1）土壤类型：
区间隧道范围地层主要为粉细砂③—3、④—3、粉土③地层，局部为⑤圆砾地层，均属软弱地层。具体地层所占比例见下图4-1：
图2 区间地层比例图
（2）隧道条件
① 隧道长度：
隧道长度：百子湾站～化工站区间左线长度为687.566m，右线长度为721.763m；
② 左右线间距：盾构区间左右线间距在12.65m；
③ 隧道覆土厚度：约8.4～10.0m；
④ 平面最小转弯半径350m，最大坡度为6.077‰；
（3）工作条件
① 超载（指地面除覆土外，其他负载引起的，例如房屋等）：6t/m
② 温度（地面环境）：－10℃～+60℃
③ 最高相对湿度（隧道内）：100％
（4）电力供给
动力电源：电压10kV，容量2500kVA，三相50Hz；电压10kV，容量1000kVA，三相50Hz，两套供电系统供应盾构施工。
4 盾构机对本地层的适用性
本工程盾构机在富水地层中掘进，地层渗透系数大，透水性强，既要防止地面沉降坍塌，又要防止盾尾泄漏。泥水平衡式盾构机具有完善的泥水平衡掘进的功能，通过全自动控制装置，保证土仓内泥浆压力稳定。在整个开挖面、拱顶及筒体外部的空隙处都充满泥浆。因此，即使在软土地层，泥水平衡式盾构不但能保证开挖面的稳定，还能大大降低地层沉降。而且三菱泥水平衡式盾构机的密封仓内设置气压缓冲室，可以有效维持切口水压的波动，确保土体稳定。
为了更好的适应在软弱地层中掘进，盾构机还具有以下特点：
① 盾构主体在带压状态下具有足够的防水密封性能；
② 具备功能完善可靠的人仓设计；
③ 具备同步注浆系统和二次补浆系统，以防止浆液流失；
④ 配置了三道盾尾密封，可防止地下水进入筒体；
⑤ 为防止超挖造成掌子面坍塌，盾构设置了表观密度计，并具备低限报警功能。
盾构机具备开挖系统、送排泥系统、管片安装系统、背填注浆系统和双液浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统、密封注脂系统等基本功能。
表1 泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构比较表
| 泥水平衡式盾构 | 土压平衡式盾构 | |
适应地层 | 砂、粉砂、粘土等地质地层,适合本工程 | 砂、粉砂、粘土等地质地层,适合本工程 | |
土压建立形式 | 通过向土仓注入一定配比的泥浆建立压力，来平衡开挖面的土压力和水压力。 | 向土仓内加入泥或泡沫，既可改善土仓土体的流动性，又可使之保持一定的压力，来平衡开挖面的土压力和水压力。 | |
土压波动程度 | 泥水平衡方式的压力传递速度快而且均匀，即土压力波动较小。 | 对中等的直径的盾构，可通过改动土的流动性，并利用刀盘的充分搅拌，来提高土仓的压力均匀性，所以土仓压力波动较小。 | |
地质 情况 | 渗透系数 | 10-2以上 | 10-3～10-1 |
孔隙水压 | 无特别限制，可通过泥浆压力来控制 | 宜小于150kPa，如超过该值，需要调整地层改良配比，确保出渣稳定。 | |
细颗粒比例 | 10%以上 | 可适应极细颗粒 | |
含水量 | 无特别限制 | 小于30%，则需要通过加泥浆、水、泡沫等来增加流动性 | |
土的硬度、N值、内摩擦角、粘着力 | 无特别限制，但需考虑对付硬岩的措施(砾石破碎装置) | 无特别限制，但需考虑破岩刀具的维修 | |
盾构进出洞要求 | 为了建立压力平衡需注入大量的泥浆，对洞壁和洞圈止水密封的要求较高。 | 为了建立平衡，向土仓注入少量泥浆，所以对洞壁的密封要求较低。 | |
沉降控制 | 扰动小，地面沉降可控制在+10—30mm内，但有一定的泥浆渗透。 | 扰动小，地面沉降可控制在+10—30mm内。 | |
优点 | 控制泥水压力，可保持掌子面稳定，沉降较小；排土采用泥浆管来输送，水压较高地段也不会出现喷涌现象；由于使用泥水，需要扭矩较小，刀具不易磨损；使用流体运输，弃土输送效率高，适合长距离输送。 | 控制泥浆土压，可有效抵抗水压、土压，可保持工作面稳定，沉降较小；地质适应范围较广，适合混合地层；人造泥浆设备规模较小，还可根据围岩状态，切换成开放模式掘进，便于控制工作面；弃土较容易处理费用较低。 | |
缺点 | 如果工作面渗透系数较高，则易造成泥浆渗漏，难以保证泥水压力；遇到粘土地段，排泥口有可能堵塞，导致土仓切口水压变动使工作面不稳定；需要增加泥水处理设备，地面设施场地增大；弃土处理较困难费用较高。 | 如果孔隙水压较高，富水性较大，工作面压力难以保证；遇砂砾地层、粘土地层，刀盘的扭矩会增大，刀盘磨损较快。 | |
本工程穿越地层地质条件差，土层结构易受破坏，抗剪强度和承载力都低，易引起地面或建筑物下陷。在软弱地层以及渗透系数较高的地层的沉降控制方面，泥水平衡式盾构机较土压平衡式盾构机更有优势。
5 结语
本文仅对北京地铁7号线百子湾至化工站隧道区间盾构机选型进行了阐述，简要分析了盾构选型原则、依据和适用性,尚有许多问题需要进一步研究。根据不同的项目特点，选择适用的盾构机不仅可以降低盾构设备采购费用和整个工程的造价,还会直接影响到盾构施工的成败,因此对盾构机的选型做更深入的研究是很有必要的。
参考文献
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