泥水平衡式盾構機在廣東西江項目的應用

寸萬里

摘 要：本文介紹了泥水平衡式盾構機在廣東西江項目的成功應用。

關鍵詞：泥水平衡式盾構機;穿越西江;應用

水電十四局有限公司中標廣東省天然氣管網一期管道項目西江盾構隧道工程，該工程工期緊并將穿越西江，施工難度大、風險高，擬采用一臺泥水平衡式盾構機及相應后配套設備進行施工，結合工程特點，可以明確該臺泥水平衡式盾構機的主要技術參數、能力及運行管理將決定該工程的成敗。

一、西江盾構隧道工程概況、地質條件及設計概況

1、工程概況

西江盾構隧道屬于廣州至肇慶干線，是廣東省天然氣管網一期工程的重大控制性工程之一。穿越位于廣東省肇慶市鼎湖區沙浦鎮和永安鎮境內，進口端屬于永安鎮貝水鄉貝水村，出口端屬于沙浦鎮典水一鄉東江村。

西江隧道穿越等級為河流大型穿越工程，穿越段總長度為2445.6m（其中盾構掘進段長度2161.4m，南岸與北岸豎井深度分別為26.9m和18.3m，合計2206.3m;連接線路段為239m）。西江隧道屬于水下圓形斷面單管盾構隧道;采用泥水加壓盾構連續掘進，襯砌管片內徑為Ф3.08m，外徑Ф3.58m（盾構機刀盤Ф3.86m）。隧道內敷設管徑為Φ914mm材質為X70直縫埋弧鋼管，管道設計壓力為9.2MPa，采用3層PE加強級防腐。西江盾構隧道始發井直徑為12.5m，接收井直徑為10.0m。管道從南岸始發井開始以3.0%的下向坡度前進736.65m到達水平段，然后經過558.73m的水平段后進行變坡，沿坡度為3.0%的上向坡前進865.99m后到達盾構接收井;盾構始發和接收工作井均采用圓形截面豎井方式。

2、地層巖性

隧址區第四紀地層分布廣泛，主要有人工填土、耕植層，第四系全新統殘坡積層、沖積層以及第四系上更新統沖積層。隧址區及其附近地區基巖地層主要為第三系莘莊村組（EX）和侏羅系桂頭群J 1-2。

3、特殊性巖土體和放射性礦（氣）體

隧址區揭露地層中發育的特殊性巖土為軟土，主要為淤泥質粉質粘土（局部淤泥），由于軟土具含水量高、孔隙比大、壓縮性高、欠固結、承載力低、易蠕變、觸變等特點，對穿越有影響的淤泥質粉質粘土在施工中采取相應的處理措施。

根據區域地質普查資料和相關室內試驗資料，隧道穿越地層無特殊性巖土體，不含放射性礦體和有害礦（氣）體。

4、隧道穿越巖土體

隧道圍巖洞口段為粉質粘土和淤泥質粉質粘土層及強-中等風化泥巖（礫巖）外，隧道洞身穿越的主要巖層為粉質粘土、淤泥質粉質粘土、細砂（局部為圓礫）及第三系紫紅色泥巖（夾礫巖）。揭露的基巖強風化層層底標高：-58.35～-13.91m，揭露厚度：2.60～25.10m。中等風化層層底標高：-64.75～-16.25m;揭露厚度：2.10～17.00m。

5、隧道設計概況

5.1 設計主要技術標準

5.1.1盾構隧道內徑為Ф3.08m;

5.1.2結構按VII度抗震設防烈度驗算;

5.1.3區間防水按二級防水標準考慮，盾構法裝配式鋼筋砼管片的抗滲等級不小于1.2MPa;

5.1.4結構抗浮安全系數：不考慮側壁摩阻力時≮1.05，考慮側壁摩阻力時≮1.15。

5.2 最小轉彎半徑：500m

5.3 最大坡度：3%

5.4 盾構隧道鋼筋砼管片

5.4.1管片環設計為5+1模式，采用鋼筋混凝土管片現場拼裝，分為6塊，一塊封頂塊、2塊相鄰接塊和3塊標準塊組成。采用C50鋼筋砼預制，寬度1200mm，厚度250mm。管片間采用螺栓連接，環向每個接縫有2個螺栓，共12個，縱向共設16個螺栓。管片環寬為1.2m。管片環與環之間采用錯縫拼裝方式，管片端采用平面式，管片環縫設置榫槽，縱縫不設置榫槽。

5.4.2隧道埋深：最大埋深31m，最小埋深19m，

5.4.3管片整環拼裝的允許誤差：相鄰環的環面間隙：0.6～0.8mm;縱縫相鄰塊間隙：1.5～2.5mm;縱向螺栓孔孔徑、孔位：±1.0mm;襯砌外徑：±3.0mm。

二、泥水平衡式盾構機的選購

現代盾構機集液壓、機電控制、測控、計算機、材料等各類技術于一體，屬于技術密集型產品。盾構機的機型種類很多，而目前作為主流技術的主要有泥水平衡式盾構機、土壓平衡盾構機、復合型盾構機、TMB掘進機和微型盾構機等。泥水平衡式盾構機由盾體、開挖機構、推進機構、送排泥漿機構、拼裝機構及附屬裝置組成;是目前各種盾構機中最復雜、相同開挖尺寸條件下價格較高的一種。它適用范圍較大，主要用于復雜地質條件，多用于含水率高的軟弱土質中，是一種低沉降、較安全的施工機械，對穩定的地層優點尤為明顯，其工作效率較高，但隨著土砂百分比的增加，會出現泥水分離難度增大。

由于泥水平衡式盾構機結構組織系統復雜，單機價格昂貴，采購選型工作至關重要，中國電力建設股份公司對此極其重視，由股份公司設備物資采購中心組織進行集中采購招標，采用邀請招標方式。在評標過程中采取聘請多名資深專家參與標書評審，并進行封閉評標，四家投標廠商中的廣州海瑞克隧道機械有限公司所提供的泥水平衡式盾構機同比泥漿系統流量最大、配置合理，盾構機的液壓系統均為歐洲生產，液壓系統的穩定性及可靠性能得以保證;并且該公司在國內的業績豐富，所制造的泥水平衡式盾構機取得過驕人的成績，如已經建成的上海長江隧道使用海瑞克公司提供的兩臺直徑為 15.43 米的世界上直徑最大的泥水平衡式盾構機，這兩個分別重2300噸和長125米的“巨人”在水下65米深處成功穿越長江;其次南京長江隧道最低點水土壓力高達0.65兆帕，居世界同類隧道之最，隧道在江底穿越淤泥、粉細砂、礫砂、卵石和風化巖等，地質情況極為復雜，也是采用兩臺直徑14.93米的海瑞克泥水平衡式盾構機完成盾構穿越工程?？紤]到廣東地區的地質條件極為復雜，對盾構設備的可靠性和安全性要求較高，評標委員會一致推薦選購廣州海瑞克隧道機械有限公司的泥水平衡式盾構機;通過多輪次采購合同商談，最終水電十四局有限公司以3980萬元價格采購了一臺海瑞克泥水平衡式盾構機。

三、所購泥水平衡式盾構機主要技術參數和配置

1、刀盤焊接防磨保護層，并配備耐磨刀具，刀盤開口率≥25%;具有可靠、靈敏的壓力平衡調節能力，穿越復雜地質時，可通過注入膨潤土或其它漿液等手段，控制地表隆陷值不超過±10mm。

2、刀盤主驅動采用液壓驅動，裝機功率：400kw，轉速范圍：0 -3.4rpm，最大掘進速度不低于80mm/min。

3、刀盤主軸承、大齒圈傳動裝置及減速器和主軸承密封使用壽命滿足在最大推力下不小于10000h，主軸承密封系統最大壓力：6bar。

4、管片安裝機為中心回轉機械抓取式，符合CEN 標準，具有6個自由度，每環拼裝時間不大于30min。

5、盾尾配置4排密封刷，布設4路同步注漿管路。

6、同步注漿系統具有可靠的防堵塞性能和處理措施，具有自動控制注漿壓力和漿液排量的能力。

7、配置有一臺巖石破碎機，破碎最大粒徑為540mm，最大破碎硬度為160Mpa。

8、泥漿系統最大泥水量：400m3/h，進排泥漿管徑：DN200。

9、電器設備要求防水、防潮、防塵、防震，防護等級不低于IP55，所有驅動電機防護等級不低于IP55。

10、測量導向系統的精度等級不低于2秒，有效工作距離不小于200m。

四、后配套設備配置

泥水平衡式盾構機施工同時需有相匹配的泥水處理等配套設備進行作業，后配套設備配置有1套ZX-550泥水處理及制漿系統、1臺MG16/5t×20m×6+29m-A5雙主梁門式起重機、2輛JXK14-7/192電機車、2輛3m3砂漿車、4輛10t管片車及2臺KGCA100-300V充電機，總價為401.70萬元。

五、泥水平衡式盾構機穿越西江施工

穿越河流是當今盾構施工的高端技術，如能順勢而為，試機切入將占領技術制高點而取得該領域的入場券，有利于企業轉型升級，提高核心競爭力，拓寬經營范圍，對企業發展具有重要意義，水電十四局有限公司對此極其重視，采取由下屬設備租賃中心組建專業化隊伍負責盾構施工（泥水平衡式盾構機安裝、掘進、運行維護、拆除）。盾構施工部大膽利用他們在天津地鐵取得的“半環始發”經驗，用現成的兩塊鋼筋混凝土管片作為負環管片，利用盾構機自身的千斤頂推動成功實現了始發，既節約了成本，又為類似施工積累了經驗。

西江江底地層復雜，刀盤粘附泥土和刀具磨損是影響盾構機正常推進的兩大難題。在強風化巖和粘土地層的掘進過程中，出現了刀盤面和土倉內壁附著泥餅的情況，而堅硬的泥餅會把刀盤開口堵塞，還加重了刀具負荷，使掘進參數出現變化，大大降低了工作效率。此外，刀盤泥餅與土艙中隔板的長時間摩擦，會導致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉中心橡膠密封件性能下降。為解決這些難題，首先采取打開艙門人工清除泥餅的方式來處理，但因艙內作業不僅有很大風險，并且作業極為艱難，通過咨詢和摸索，采用降低泥漿比重并添加工業洗衣粉，同時在刀盤上安裝泥漿噴嘴的辦法，最終有效地解決了刀盤結泥餅的問題，提高了掘進速度，確保了盾構順利通過粘土層。

為防止盾構設備在掘進過程中偏沉，在拖車底部加裝安全定位輪;給電瓶機車增設自動剎車系統和視頻監控顯示器，使運輸行駛更安全;在泥漿管路上安裝安全閥，解決了因盾構機泥漿泵意外停機所形成高壓沖擊而導致漿管斷裂的難題;給滾刀增加敷焊耐磨層，延長了刀具在復雜地質中的使用壽命，節約了生產成本;共約五公里多的DN200進排泥漿鋼管全部采用凸緣加密封膠圈及抱箍進行連接安裝使用，對比用法蘭連接方式，節約了大量的安裝時間及輔助材料費用，取得良好的經濟使用效果。

在泥水平衡式盾構機出洞前，根據接收井的地質條件，采用高壓旋噴樁，對接收井外圍沿隧道軸線方向進行了16.5米的土體加固，減小了滲水壓力和延長了滲水通道，大大降低了接收風險。

在所有施工人員的努力下，取得月掘進高峰強度達到368.4米（307環）、日掘進高峰強度達到26.4米（22環）的好成績。過程中該臺海瑞克泥水平衡式盾構機機況一直保持良好，未出現大的故障，最終歷經345個日夜，盾構機成功穿越西江從北岸精準破壁而出，成型隧道軸線最大偏離僅為2.6厘米遠遠低于規范值，安全順利完成2160.6米長的穿越西江掘進任務。

六、結束語

本文選取廣東西江項目應用泥水平衡式盾構機成功穿越西江的經驗，說明了如何結合項目的地質情況、工程特點來進行盾構機的合理選型、確定主要參數及后配套設備配置，介紹了泥水平衡式盾構機應用中所需的一些技術措施及方法。同時也為建筑施工企業在同類型項目施工時，提供一些有益的借鑒和幫助。

參考文獻

[1]王振信;盾構法隧道的耐久性[J];地下工程與隧道;2002年02期

[2]李鴻威，劉樹亞;地鐵工程中盾構法隧道的質量缺陷和改進辦法[J];西部探礦工程;2003年12期