陈 叔¹  吴志昊²  邹坤秘²

（1.中铁二局集团有限公司，四川  成都  610031；

2.中铁二局集团有限公司城通分公司，四川  成都610000）

 

摘要：成都西环线紫瑞隧道，是连接川藏铁路成蒲段与成昆铁路的重难点工程。盾构机选型是决定工程成功与否的战略性决策，施工单位中铁二局城通分公司，在中铁二局总体协调下，与业主、设计、监理进行了广泛沟通，与设备制造单位中铁装备进行了认真而仔细的研讨和比选，最终选择气垫直排式泥水平衡与土压平衡双模式盾构机。

 

关键词：特殊复杂地质；铁路隧道；盾构机选型

中图分类号：U455.43  文献标识码：A

 

1  引言

　　成都西环线紫瑞隧道是新建成都至蒲江铁路引入成都枢纽西环线成都南至红牌楼段增建第二线工程，是串联成都市内东、南、西、北4个主要的铁路客运站的关键性工程，衔接以成都为中心，对外呈放射状的所有铁路干线以及成都市轨道交通中心城区的各条放射线路，具有服务城市交通的路网条件和独特优势。而成都西环线连接成蒲铁路与成昆铁路，成蒲铁路西在朝阳湖站与未来川藏铁路相连，是西部路网的重要组成部分。因此可以说成都西环线紫瑞隧道也是国家重点工程的一部分，是实现枢纽环线全线双向贯通的最后关键环节，建成后将极大提高成都市铁路枢纽疏解能力，对提升成都铁路枢纽地位和实现环线公交化运营具有重要意义(见图1），对加快西部大开发进程具有重要的意义。

图1 成都“铁路城市公交化”环线示意图

 

2 成都西环线紫瑞隧道概况及地质主要情况

2.1 成都西环线紫瑞隧道概况

　　工程项目位于成都紫瑞大道南侧、南方半岛花园小区北侧，沿紫瑞大道南侧自东向西敷设。结构形式采用单洞双线隧道，隧道内径11.3m，外径12.4m。盾构管片厚度550mm，管片宽度1.5m，管片全环采用6+2+1衬砌形式；隧道主要穿越卵石土、泥岩夹砂岩；地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙潜水，二是基岩裂隙水；隧道洞身范围的地下水水压力为100～300kPa（3bar）。项目基本情况详见图2。

图2 项目基本情况示意图

　　线路经过河流、普铁、高速公路、城区高层建筑、立交桥及居民小区等特殊地域。线路地面情况如卫星照片图3。

图3 线路走向地面卫星照片

2.2  成都西环线紫瑞隧道要地质情况

　　隧道穿越卵石土、泥岩夹砂岩。卵石土（Q3fgl+al）：稍密-中密；卵石含量约为60%，粒径60～200mm，局部夹漂石，磨圆度较好，粗圆砾约占15%，分选性较差，充填物以砂为主，夹少量粘性土及砾石。卵石成分主要为岩浆岩与变质岩类岩石，卵砾石以弱风化为主；泥岩夹砂岩（K2g）：紫红、砖红色，泥质结构，块状构造，泥质胶结，节理较发育，岩质软，易风化，浸水后易软化崩解。弱风化带（W2）岩芯呈柱状、短柱状、饼状，节长5～40cm，属Ⅳ级软石。分布于全段卵石层之下，单轴极限抗压强度：4.5MPa。

　　地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙潜水，二是基岩裂隙水。卵石土、粗圆砾土层较厚，且分布范围大，其间赋存有大量的孔隙潜水。勘察期间该场地范围内地下水静止水位埋深3.0～10.6m，高程480.0～486.0m，含水层厚度10～25m，为孔隙潜水，局部由于地形和上覆黏性土层控制，具承压性。根据附近抽水试验资料：细砂、卵石土渗透系数K＝15～25m/d，为强透水层。黏性土层为弱透水层，地下水含量甚微，对工程影响较小。基岩裂隙水主要赋存于下伏泥岩裂隙中，由于泥岩透水性差，为相对隔水层，且裂隙不甚发育，基岩裂隙水含量微弱，与上部交换循环缓慢。隧道洞身范围的地下水水压力为100～300kPa（3bar）。

 

3 工程风险点及盾构施工重难点

3.1 该标段盾构施工主要风险点

　　工程风险点如图4。

图4 工程风险点图

　　盾构施工有以下主要风险点：

　　始发段位于南方半岛小区右侧，盾构隧道位于砂卵石地层，上部覆土约8.0～9.2m，距离房屋约31.5m。南方半岛小区房屋为6+1层砖混结构，基础采用Φ300～Φ350摩擦桩作基础，桩基长8～10m，基本位于成都粘土内;

　　隧道下穿成都主要交通干道——神仙树南路，隧道上部覆土约11.86m位于砂卵石中，上覆人工填土及粉质粘土。神仙树南路道路宽约20m，通行车流量大;

　　隧道下穿肖家河及1.8m中水管，与肖家河净距8.5m，与1.8米中水管基础净距5m，位于砂卵石地层，上覆人工填土及松软土。肖家河河宽约15m，河底处标高488.53m；

　　隧道下穿地铁5号线车站及7号线C出入口通道,隧道顶距离5号线车站底板及7号线C通道底板的竖向距离分别为0.32m及1m。位于砂卵石土层，上覆人工填土及松软土。

　　隧道下穿成雅高速高架桥，隧道位于砂卵石土层内，覆土深度8～9m，拱顶5.5m左右为既有的过铁路地道，隧道结构与桥墩水平净距4-9m。成雅高速高架桥为直径1.5m、长约25m的独立摩擦桩基础；

　　隧道长距离侧穿成昆西环联络线，隧道与路基段在平面上平行，最小线间距为19.6m。该段隧道覆土厚度13.0～20.4m，该段隧道位于砂卵石土及泥岩地层，部分段落穿过砂卵石与泥岩接触面；

　　隧道侧穿侧穿元华路市政高架桥，隧道侧穿高架桥部分桥桩，隧道与桥桩水平净距约2.9～8m。 3.2盾构施工重难点

　　隧道施工重难点有以下四点：

　　（1）隧道盾构段沿线建（构）筑物及管线保护是重难点。

　　（2）隧道盾构段长距离掘进效率保证是施工控制的重点。

　　（3）大直径盾构在浅覆土富水砂卵石复合地层中掘进控制地表沉降是工程重难点。

　　（4）邻近既有线施工如何保证既有线行车安全是施工管理重点。

 

4 工程重难点所致盾构施工的问题及相关选型案例分析

4.1  工程重难点所致盾构施工的问题

　　根据工程风险点情况和重难点分析，要保证沿线建（构）筑物及管线保护，要确保邻近既有线施工如何保证既有线行车安全，控制地表沉降是大直径盾构机在浅覆土富水砂卵石复合地层中掘进的问题一；

　　施工地段主要为卵石土、泥岩夹砂岩。在卵石土地层中，卵石含量约为60%，粒径60～200mm，局部夹漂石，常规泥水盾构在掘进过程中存在的气垫仓滞排或者采石箱堵塞，是问题二；

　　盾构区间存在较长距离的泥岩夹砂岩地层，刀盘结泥饼与泥水分离困难是问题三；

　　由于在较长卵石、圆砾、细砂等地层掘进，刀盘、刀具、泥浆管路较严重的磨损是问题四；

　　盾构在卵石地层浅覆土掘进时，可能存在击穿的风险是问题五；

　　在卵石地层中掘进刀盘启动扭矩大是问题六。

4.2 相关选型案例分析

　　对相似地质条件及工程情况选型案例分析，以及使用中存在问题及对策比较如下表1：

表1 盾构机使用问题及对策比较表

　　通过对几个典型施工案例分析，总结归纳成都紫瑞隧道的所有资料，推论盾构施工最主要要解决浅覆土冒顶及沉降、卵石地层堵仓滞排和泥岩地层刀盘泥饼。

　　使用过程中存在的渣土堵塞滞排问题（见图5）。

图5 堵塞滞排情况

　　使用过程中刀盘泥饼问题（见图6）。

  

图6 刀盘泥饼情况

5 成都西环线紫瑞隧道盾构机选型

　　首先要决定是选用什么模式的盾构机，才能保证有效应对复杂的地质情况和较多的安全风险点，然后还要考虑较高的施工效率，保证工期。

　　作为透水性好，且可能含有大直径漂石的卵石地层，应该选用泥水平衡盾构机，但对于泥岩夹砂岩又宜采用土压平衡盾构机。但成都西环线紫瑞隧道两种地层兼有，且地面情况复杂，地表沉降控制要求高，工期紧，掘进距离长。因此对盾构机要求控制精度高，掘进速度快，综合性能高。

　　由于成都西环线紫瑞隧道是铁路单洞双线隧道，掘进断面大，对地层的扰动大，地表沉降不易控制，如果掘进又提出加快进度的要求，极易出现安全风险。根据地质资料，线路情况，主要风险点，以及业主及设计要求。结合上述几个案例经验综合考虑，对于三种泥水盾构机形式进行了比较，为了有效控制地表沉降，减少堵仓滞排概率，得出结论如图7。最终决定成都西环线紫瑞隧道盾构机选用气垫直排式泥水平衡与土压平衡双模式盾构机。

图7 三种泥水盾构机比较

　　在考虑大粒径孤石时，采用土压平衡模式的大直径螺旋输送机取石。泥水/土压双模式盾构机如图8。

 

图8 泥水/土压平衡双模盾构机

　　盾构机的设计及配置，围绕解决文中上述三个主要问题而进行。

5.1 卵石地层掘进针对性设计

5.1.1 出渣问题针对性方案

　　（1）采用气垫直排式泥水平衡盾构机。 泥水仓渣土不经过气垫仓，直接通过管路排出；

　　（2）具备主机段小循环掘进模式，有效增大主机段进排浆流量，减少卵石在泥水仓滞排概率，同时可减少泥饼形成概率；

　　（3）配置滚齿式破碎机，最大破碎粒径Φ350mm， 将大粒径卵石破碎后通过泵排出（见图9）；

　　（4）配置过滤口径为150mm的筛分取石机（见图10），可以选择不破碎超大直径卵石，而将大直径卵石筛分取出用矿车运出；

　　（5）配备逆循环掘进模式，当排浆管路频繁堵塞时，切换到该模式下可以从排浆管进浆，进浆管排浆，实现连续掘进。

图9 滚齿式破碎机                               图10 筛分取石机

5.1.2 刀盘设计选择

　　（1）中心采用18寸滚刀，正面采用19寸滚刀， 增加了滚刀耐冲击性、耐磨性及刀圈可用磨损量；

　　（2）采用较小刀间距设计，弧形区域每个轨迹两个刃，提高边刀掘进距离；

　　（3）布置焊接撕裂刀，低于滚刀35mm，保护刀盘结构；

　　（4）采用加宽刀刃的滚刀，增强滚刀的抗冲击和耐磨性能，加长使用距离；

　　（5）刀盘配置了超挖刀，在需要超挖时满足刀盘超挖能力的需求；

　　（6）刀盘周边加强限制粒径，有利于减少掘进刀盘堵仓和地面沉降；

　　（7）加长刀盘搅拌棒；

　　（8）加强耐磨特性，主要采用面板无刀位区域采用耐磨复合钢板全覆盖。大圆环外侧为合金块+高铬高锰耐磨钢板。大圆环后端面焊接耐磨复合钢板。

5.1.3 主驱动选择

　　（1）主驱动采用变频电驱，要具备较大扭矩，满足土压盾构扭矩需求。电机设置有液压扭矩限制器，防止扭矩过载造成电机损坏；

　　（2）主驱动配密封满足8bar的承压能力。

5.2 泥岩地层掘进针对泥饼问题的设计

　　（1）气垫直排模式一定程度能够减少刀盘泥饼的产生；

　　（2）适当提高刀盘开口率，整体开口36%，中心开口约40%；

　　（3）刀盘背部中心冲刷设计；

　　（4）预留高压水刀冲洗。

5.3 浅覆土或下穿建构筑物的针对性设计

5.3.1 沉降控制问题的选择

　　（1）采用气垫直排式泥水平衡盾构，压力控制精度较高；

　　（2）采用四回路保压系统；

5.3.2 姿态控制问题的方案

　　（1）推进油缸采用分组控制，共分6大组；

　　（2）推进油缸配置有浮动支撑装置。

5.3.3 施工过程中处理措施

　　（1）预留超前注浆加固装置；

　　（2）考虑下个区间为土压掘进，预留径向盾壳膨润土口；

　　（3）配置二次注浆系统，可对管片背部进行二次补浆。

5.4 预留土压平衡盾构机选配

　　预留内径为1220mm的螺旋输送机，可排440×730mm大粒径卵石，并配有双闸门、观察窗等装置。螺旋输送机均实施耐磨处理。

5.5 盾构机主要参数选择

　　主机方案及参数选择如图11。

图11 主机方案

　　整机方案如图12。

图12 整机方案

　　刀盘方案如图13。

图13 刀盘方案

　　大型管片安装机见图14。

图14 大型管片拼装机

 

6 使用情况小结

　　该盾构机由中铁装备设计制造，因始发场地长度不够，整机以土压模式于2020年下井始发，推进40m后一键切换成泥水模式，目前已经掘进 410m，使用效果良好。泥水模式下地表沉降控制在8mm,远远好于30mm的要求，证明了当初的选型设计是基本正确实用。与此双模盾构机配套使用的制浆机，泥水分离机及渣土压滤机(见图15、16），保证了盾构机的良好使用和绿色环保。特别是泥水分离机及渣土压滤机配合使用，对外运输的渣土被过滤压制为饼状，含水率控制在30%（见图17），方便对外运输和处置，保证了施工中绿色环保的需要。

图15 泥浆渣土分离机

图16 渣土压滤机

图17 压滤处理后的渣土

　　至2020年9月，盾构施工还剩余916m,工程正在加紧实施之中。中铁二局城通公司将发挥开路先锋的精神，和优质的盾构施工能力，保证成都西环线紫瑞隧道工程的顺利进行，也为国家重点工程、西部路网建设及成都市交通疏解发挥积极的作用。结合工程地质情况，对双模盾构机的正确选型制造，以及在工程项目中的成功应用，将会为中国制造、中国基建及中国铁路走向世界，起到有效的促进作用。 

(责任编辑：休鱼）