复杂地质条件下大直径海底隧道盾构选型.doc

1、复杂地质条件下大直径海底隧道盾构选型摘要：本文对复杂地质条件下大直径海底隧道盾构选型的特点进行了分析，并结合某海底隧道的工程特点及地质条件，对影响盾构选型的各种主要因素进行了分析，对泥水平衡盾构和土压平衡盾构从各个方面进行了综合比选，最终选择了适合本工程的大直径复合泥水盾构。由于目前国内外大直径复合泥水盾构在复杂地质条件下的工程应用很少，本文回顾了国内外复合泥水盾构类似工程应用情况。通过调查结果表明，大直径泥水盾构的制造及在该海底隧道中的应用是可行性。关键词：复杂地质；大直径；海底隧道；盾构选型Large-diameter Shied selection to Undersea Tunnel

2、on Condition of Complex geology Liu jiguo, Guo xiaohongChina communications second highway survey design and research institute, Hubei, Wuhan, 430056Abstract: the characters were analyzed to large-diameter shied selection to undersea tunnel on condition of complex geology. Associated to the engineer

3、ing characters and geology condition of an undersea tunnel, the major factors that can influence shied selection were analyzed and the election was done between mud-water balance shield and soil pressure balance shield from every aspects. At last, the proper large-diameter mud-water multiple shied w

4、as selected. Because the application of large-diameter mud-water multiple shied was very few all of the world, the similar engineering application of mud water multiple shied was surveyed. The investigation result shows that the large-diameter mud water multiple shied can be madden and can be applie

5、d to the undersea tunnel.Key words: complex geology Large-diameter undersea tunnel shied selection 1 引言近几年，我国长江上几条采用盾构法修建的江底隧道相继开工建设。位于武汉的长江第一隧，盾构直径11.38m，盾构段长2550m；位于南京的长江隧道，盾构直径14.96m，盾构段长2990m；位于上海的崇明越江隧道，盾构直径15.42m，盾构段长7500m，是目前世界上最大直径的盾构隧道。这些江底盾构隧道的建设，为我国大直径盾构的设计与施工积累了经验，也为下一阶段的海底盾构隧道设计、施工提供了参考

6、。目前，采用钻爆法修建的厦门翔安海底和青岛胶州湾海底隧道已经开工建设，同样采用钻爆法修建的大连湾海底隧道前期论证工作已经完成，年内有望开工，但国内目前还没有采用盾构法修建的海底公路隧道。沿海城市某海底隧道的前期工作已经展开，根据研究成果，该隧道将推荐采用盾构法施工。本文结合该海底隧道的工程地质、水文地质条件及其他影响因素，对海底隧道盾构选型进行研究。2 工程概况某海底隧道为三车道高等级公路隧道，全长4950m，其中盾构段长3700m，盾构直径14.96m。图 1 隧道横断面图Fig 1 the cross-sectional drawing of tunnel隧道最大覆土厚度为27m，最小覆土

7、厚度为16m。海域地段上部为淤泥及淤泥质粘土，淤泥质粘土呈深灰色，软塑状；下部为中粗砂，呈深灰或灰色，中密状，由中粗砂为主，局部为细砂，含较多泥质或夹淤泥质土团块，中粗砂渗透系数为0.37l0-4m/s；下伏基岩为花岗岩，其中全强风化层厚度约214m，强弱风化岩岩面标高一般为-60m左右，局部为-25m左右，单轴抗压强度为67.3148Mpa。全风化花岗岩渗透系数为0.2l0-4m/s。海底基岩面起伏较大，在隧道中部有一处凸起，长度大约200300m左右，对隧道影响较大。此外，基岩面上还分布着花岗岩风化球状孤石。图 2 局部地质纵断面Fig 2 local geology skiagraph隧

8、道最大埋深46m左右，最小埋深30m左右，最大水压力为0.46Mpa。隧道穿越的地层主要为粗砂层、部分淤泥质亚粘土层及淤泥层，中部穿越200300m左右的强、弱风化花岗岩。隧道上部覆土主要为粗砂层及淤泥层，见图2。地下水系为松散岩类孔隙水及块状岩类裂隙水。3 海底隧道盾构选型的特点在江河湖海下进行水底公路隧道规划设计时，常常面临地质条件、地层分布与土体性质难以准确把握的困难，水文条件尤其是海洋水文条件极其复杂多变的情况，由此决定了盾构机选型对于大直径、长距离、高水压下水底隧道工程设计和施工阶段的极端重要性。可以说，盾构机选型很大程度上制约着水底隧道工程的施工难易、风险高低、工期长短和投资费用1

9、。盾构机选型的关键是如何基于勘察设计阶段所获取的有限地质、水文等信息确定最合适、最经济的盾构机类型，并最大程度地将工程施工风险降至最低。海底隧道盾构选型具有如下特点：（1）由于海底隧道地质勘察较陆地困难，地质条件、地层分布与土体性质难以准确把握，水文条件极其复杂多变，所选的盾构必须对不同的土层具有一定的适应性。（2）由于海底隧道水压力大，地层渗透性往往很强，掘削面水土压力大，稳定性差，所选盾构必须能很好地平衡掘削面的水土压力，保持掘削面的稳定。（3）由于海底通道资源有限，而且一次投入巨大，所以隧道的断面较大，一般为1215m，所选盾构必须具备掘削扭矩小的特点，适合大断面掘进。（4）由于海底隧道

10、横跨海湾或者海峡，一般长度较长，所选盾构的刀盘和刀具必须具有足够的强度和耐久性，并且具有可更换性。（5）由于海底隧道在掘进过程中，不可避免地碰到孤石等障碍物，在海底进行开仓去除障碍物风险极大，所选盾构必须具有障碍物探测装置和小型障碍物破碎装置，对于较大障碍物同样可以处理的特点。（6）由于海底隧道在掘进过程中，不可能总是在同一地层，很可能穿越上下两种不同的土层，或者上边是土下边是岩石的地层，所选盾构必须具有能够进行复合地层掘进的能力。（7）由于海底隧道工期一般较长，工期较紧，所选盾构必须具有掘进速度快、对周围环境影响较小的特点。（8）选定的盾构机的掘进能力须与后续设备、始发基地等施工设备匹配。（

11、9）由于海底隧道处于海水的包围之中，盾构在海底掘进的过程中会受到海水的腐蚀，所选盾构必须进行必要的防腐蚀处理。4 盾构选型4.1盾构类型及适用条件按照掌子面敞开程度划分，盾构有密闭式盾构、半敞开式盾构和全敞开式盾构。一般情况下，对于直径小于10m的盾构隧道，当掘削面为自稳性较差的砂性土时，宜首选密闭式盾构。当地层透水性较好时，应优先考虑泥水式盾构。地层以粘性土为主时，优先考虑土压平衡盾构。在掘削面为自稳性较好的软岩时。可以采用全敞开式或半敞开式盾构。从地层沉降控制角度来看，密闭式效果最好，其次是半敞开式，敞开式最差。但是密闭式盾构机必须配备复杂的配套系统和占地较广的泥水循环处理系统，因而造价最

12、高，对场地要求高。由于本隧道穿越地层主要为砂层，开挖断面大，掘削面稳定差，所以半敞开式盾构和全敞开式盾构不适应本项目的特点。本文仅对泥水平衡和土压平衡密闭式盾构进行综合比选。4.2盾构选型经验根据德法等国的盾构施工经验，当地层的渗透系数小于l0-7m/s时，可选用土压平衡盾构；当渗透系数在l0-7m/s和l0-4m/s之间时，既可选用泥水盾构，也可在碴土改良的情况下选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，则宜采用泥水盾构3。根据日本的经验，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40以上时，通常选用土压平衡盾构机；相反的情况选择泥水盾构机比较适宜，但当地层中粘土含量不足10时，由于掘削面

13、上很难形成泥膜，掌子面容易坍塌，也不推荐采用泥水盾构3。4.3盾构选型4.3.1 泥水平衡盾构方案（1）盾构类型与渗透系数的关系根据德法等国的盾构施工经验，当地层的渗透系数大于10-4m/s时，宜采用泥水盾构。本海底隧道穿越地层主要为粗砂层，渗透性较强，渗透系数大于l0-4m/s，采用泥水盾构施工是合适的。（2）掘削面稳定与泥膜的形成泥水盾构利用泥浆作为支护材料，掘削面的稳定是通过泥浆渗透形成不透水的泥膜，通过泥水压力来平衡作用于掘削面的土压力和水压力，泥膜能否形成对掘削面的稳定至关重要。由于泥水盾构利用泥水压力对抗掘削面地层的地下水压、土压，同时泥水渗入地层形成不透水的泥膜，所以掘削土体对地

14、层的扰动小；泥水盾构可选用面板型刀盘，增加了掘削面的稳定性，加上泥水压对地下水压的对抗作用，掘削面的稳定性最可靠，适用于高水压水底隧道的施工；由于泥水渗入地层的浸泡作用，致使掘削面地层变得松软，盾构的刀盘掘削扭矩变小，适用于大直径、长距离隧道的施工。泥膜的形成与否与盾构穿越地层颗粒的有效孔隙J有关2，当J3Dmax（泥水最大粒径）时，全部泥水可经过地层的孔隙流走，无法形成泥膜，易出现逸泥现象，泥水压力管理较困难，易造成掌子面坍塌或地面沉降的危险。当有效孔隙DminJ3Dmax时，泥水中的颗粒成分向地层间隙渗透、填充，最后形成泥膜。本项目盾构穿越的地层主要为中粗砂层，颗粒有效孔径较大，如果不添加

15、增粘剂，则泥膜的形成相对困难。目前，国内外在砂层采用泥水平衡盾构施工的工程很多，如日本东京神田川环七号线地下调节池工程，盾构直径13.7m，穿越地层为洪积粘土、砂质土及砂砾石互层，泥浆中加入分散剂和增粘剂；日本东京湾海底隧道，盾构直径14.14m,，穿越的地层主要为粘土、砂质土及砾质土；上海崇明越江隧道，盾构直径15.42m，穿越的地层主要为粘土、砂质土及砾质土。所以，本项目在泥水中适当加入增粘剂之后，泥膜的形成完全没有问题，泥水平衡盾构非常适合这样渗透性强、水压力大的海底隧道施工。（3）复合地层的掘进 复合地层有几种情况：隧道穿越地层由几种土层组成，每层的物理力学参数各不相同；断面上部为土体

16、，而下部为岩石；部分地段为土，部分地段为岩石。本文仅研究第二种情况。根据地勘资料揭示，该隧道中部盾构需要穿过长2003000m左右的全强、弱风化花岗岩，弱风化花岗岩的单轴抗压强度较高，超过100Mpa。对于这种情况，目前有两种处理方法。一种方法是当盾构掘进到稳定岩层时，在对掘削面进行稳定性加固之后，对盾构刀盘上的刀头进行更换，增加更有利于硬岩掘进的滚刀。深圳地铁一号线和广州地铁三号线中遇到类似的情况，采用更换刀头的方法通过硬岩地层。但是，深圳地铁隧道、广州地铁隧道的盾构直径只有610m左右，而本隧道盾构直径达15m左右，如此大断面的复合盾构目前在世界上还没有工程应用的先例。国内盾构生产企业沈阳

17、重工已经生产出直径12m左右的复合盾构用于地铁的建设。另一种方法就是当盾构掘进到硬岩段时，盾构机停止掘进，随后采用钻爆法进行施工，待隧道通过岩层地段后，进行盾构管片拼装，最后继续采用盾构掘进。秦岭铁路隧道由于在中部碰到强度极高的花岗岩和片麻岩后，掘进机掘进速度慢，最后也采用钻爆法完成了中部7000m左右的隧道掘进。秦岭铁路隧道中部采用钻爆法开挖地段的岩石是弱、微风化花岗岩、片麻岩，埋深达1600m左右，具备相当好的钻爆开挖条件，而本隧道虽然穿越花岗岩地层，但隧道上半断面是全风化花岗岩和渗透性极强的粗砂层，渗透系数达到0.37l0-4m/s，而且长度较短，如果采用钻爆法开挖，则施工风险很大，极易

18、发生塌方涌水事故，不适合本工程。（4）孤石的处理根据地勘资料，本隧道可能存在一定数量的孤石。对于直径小于500mm的孤石，泥水盾构可以采用在泥水舱内设置破碎装置进行处理。对于更大直径的孤石，泥水盾构可以先通过超前预报系统进行定位，然后采用在刀盘上安装超前破岩装置来对孤石进行破碎。（5）掘进速度由于泥水渗入地层后对地层的浸泡作用，致使掘削面地层变的松软，盾构的刀盘掘削扭矩变小，泥水盾构的掘进速度较土压平衡盾构快，更换刀头的频率较土压盾构低，从而减少了在水下更换刀头时进行掘削面加固的工程量，缩短了工期。（6）造价由于泥水平衡盾构需要购置庞大的泥水处理系统，所以盾构造价较高。但从刀具的使用成本来看，

19、如果均使用面板式刀盘的话，由于泥水盾构的刀具有泥水的润滑和冷却作用，土压平衡盾构消耗的刀具费用约为泥水盾构的1.5倍。如果土压平衡盾构采用辐条式刀盘，则刀具费用会大幅度降低。由于泥水盾构掘进速度快，辅助施工量小，工期短，所以从总的工程造价上来看，两者相差不大。4.3.2 土压平衡盾构方案（1）盾构类型与粘土含量的关系 本隧道盾构穿越的地层主要为粗砂层，粉粒和黏粒的总量没有达到40以上，根据盾构选型经验，不适宜采用土压平衡盾构施工。如果要用土压平衡盾构，则需要对渣土进行改良。（2）掘削面稳定与土压平衡 本隧道盾构穿越的地层主要为粗砂层，塑性差、内摩擦角大、渗透性强，如果采用土压平衡盾构，则掘削面

20、的稳定性差，极易发生喷水现象。（3）复合地层的掘进 对于本隧道所面临的复合地层，土压平衡盾构在处理上所面临的问题与泥水平衡盾构的相同。（4）孤石的处理对于较大粒径的孤石，可以采用辐条式刀盘，采用带式螺旋输送机排出，如采用1000mm带式螺旋输送机可输送的最大粒径为L725mm 670mm3，因此即使未经破碎的孤石也能通过带式螺旋输送机排出。（5）掘进速度由于土压平衡盾构刀盘掘削扭矩大，刀盘磨损程度大，更换刀头频繁，掘进速度较泥水平衡盾构慢。（6）造价由于土压平衡盾构不需要购置泥水处理系统，所以设备的购置成本较低。但土压平衡盾构刀盘及刀具磨损程度大，换刀频繁，施工费用较高。5 方案比选由于本隧道

21、全长4950m，盾构段长3700m，盾构直径为14.8m，穿越渗透性强的砂层，根据工程规模和地质条件，采用土压平衡盾构是不合适的。从地质条件、水文条件、土层颗粒组成、掘削面稳定性、复合地层处理、孤石处理、掘进速度、造价各方面来综合考虑，本工程采用泥水平衡盾构是合适的。泥水平衡盾构掘削面稳定性好、刀盘的掘削扭矩小，盾构掘进速度快，刀头磨损程度低，适用于大直径、长距离、高水压水底隧道的施工。鉴于本工程的特点，如果采用盾构机穿越硬岩地层，单纯的泥水盾构将不能胜任，必须采用适合于岩土地层掘进的大断面复合盾构。但是，如此大断面的复合盾构，目前世界上制造经验较少，但根据国内外当前的建设实践和技术水平，只要

22、通过深入的研究和必要的科学试验，采纳国际先进技术和引进先进设备，大直径复合盾构是可以制造出来。6复合泥水盾构施工典型工程由于本项目须采用适合于岩土地层掘进的大断面复合盾构。下面介绍一些国内外采用复合泥水盾构施工的典型工程，提供参考。（1）广州地铁二号线广州地铁二号线南起海珠区的琶州，北至白云区的新市，线路全长23.32kin。区间隧道衬砌外径为6.0 m，内径为5.4 m。隧道主要埋置于全风化中风化夹杂综合岩带、中风化带、微风化带岩层中，见图3.刀盘采用全断面滚刀和标准割刀组合布置的形式来开挖岩体，既能开挖强度较大的微风化岩层，又能适应强度较底的强风化岩层的施工。刀盘切削直径D=6210mm，

23、刀盘转速刀n3rmin，推进速度v=30mmmin。图 3 局部地质纵断面Fig 3 local geology skiagraph（2）马来西亚SMART隧道SMART隧道位于马来西亚吉隆坡市，为泄洪及公路合建隧道，盾构隧道全长5400m，盾构机直径13.21m。隧道主要穿越区为强度较高的石灰岩。隧道断面及盾构机见图4，地质纵断面见图5。图 4 SMART隧道断面及盾构机Fig 4 tunnel section and shied of SMART图 5 SMART隧道地质纵断面Fig 5 geology skiagraph of SMART tunnel（3）俄罗斯Silberw ald隧

24、道Silberw ald隧道位于俄罗斯，为高速公路隧道，盾构隧道全长2220m，盾构机直径14.20m。隧道主要穿越区为中粗砂、粘土及中等强度的石灰岩。隧道地质纵断面见图6。图 6 Silberw ald隧道地质纵断面Fig 6 geology skiagraph of Silberw ald tunnel7 结束语 根据工程地质、水文地质条件及其它影响因素，本项目应采用大直径耐腐蚀的泥水复合盾构。根据国内外复合泥水盾构类似工程应用情况来看，大直径泥水盾构的制造是可行的。参考文献：1 刘洪洲. 超大直径盾构机的选型问题. 公路隧道,2006,53(1):9-13. (Liu HongZhou.

25、 The problem to choose a large diameter shield. Road tunnel, 2006, 53(1):9-13.)2张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道,人民交通出版社,2004,183-184. (Zhang Fengxiang, Zhu Hehua, Fu Deming,shield tunnelling method.the people communication press ,2004,183-184.)3 唐键, 陈馈. 成都地铁试验段盾构选型探讨,建筑机械化2006,6:43-45. (Tang Jian, Chen Kui, Discussion to shield choice of CHENDU metro tunnel test segment, Construct mechanization,2006,6:43-45)