复杂地质条件下大直径海底隧道盾构选型

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：复杂地地质；大直径径；海底隧道道；盾构选型型Large-ddiametterShhiedsselecttionttoUndeerseaTunneelonCCondittionoofCommplexgeoloogyLiujigguo,GGuoxiiaohonngChinaccommunnicatiionssseconddhighhwayssurveyydesiignanndressearchhinsttitutee,Hubbei,WWuhan,,4300056Abstracct:theecharaactersswereeanallyzedtolarrge-diiameteershiiedseelectiiontooundeerseatunnellonccondittionoofcommplexgeoloogy.AAssociiatedtothheenggineerringccharacctersandggeologgyconnditioonofanunderrseattunnell,themaajorffactorrsthaatcanninflluenceeshieedsellectioonwerreanaalyzeddandtheeelectiionwaasdonnebettweenmud-wwaterbalannceshhieldandssoilppressuurebaalanceeshieeldfroomeveeryasspectss.Atlast,,thepropeerlarrge-diiameteermud--waterrmulttipleshieddwasseleccted.Becauusethheappplicattionooflarrge-diiameteermudd-wateermulltipleeshieedwassveryyfewallooftheeworlld,thhesimmilarenginneerinngappplicattionoofmuddwateermulltipleeshieedwasssurvveyed..Theiinvesttigatiionreesultshowssthattthelargee-diammetermmudwaatermuultiplleshiiedcaanbemaddeenandcanbbeapppliedtothheundderseaatunnnel.Keyworrds:coomplexxgeollogyLargee-diammeteruundersseatuunnelshhiedsselecttion作者简介：刘继继国，男，1976年生，硕士士，从事隧道道与地下工程程方面的设计计和研究工作作1引言近几年，我国长长江上几条采采用盾构法修修建的江底隧隧道相继开工工建设。位于于武汉的长江江第一隧，盾盾构直径11.388m，盾构段长2550m；位于南京京的长江隧道道，盾构直径径14.966m，盾构段长2990m；位于上海海的崇明越江江隧道，盾构构直径15.422m，盾构段长7500m，是目前世界上最最大直径的盾盾构隧道。这些江底盾盾构隧道的建建设，为我国国大直径盾构构的设计与施施工积累了经经验，也为下下一阶段的海海底盾构隧道道设计、施工工提供了参考考。目前，采用钻爆爆法修建的厦厦门翔安海底底和青岛胶州州湾海底隧道道已经开工建建设，同样采采用钻爆法修修建的大连湾湾海底隧道前前期论证工作作已经完成，年年内有望开工工，但国内目目前还没有采采用盾构法修修建的海底公公路隧道。沿海城市某海底底隧道的前期期工作已经展展开，根据研研究成果，该该隧道将推荐荐采用盾构法法施工。本文文结合该海底底隧道的工程程地质、水文文地质条件及及其他影响因因素，对海底底隧道盾构选选型进行研究究。2工程概况某海底隧道为三三车道高等级级公路隧道，全全长4950m，其中盾构构段长3700m，盾构直径14.966m。图1隧道横横断面图Fig1tthecrross-ssectioonalddrawinngoftunneel隧道最大覆土厚厚度为27m，最小覆土土厚度为16m。海域地段段上部为淤泥泥及淤泥质粘粘土，淤泥质质粘土呈深灰灰色，软塑状状；下部为中中粗砂，呈深深灰或灰色，中中密状，由中中粗砂为主，局局部为细砂，含含较多泥质或或夹淤泥质土土团块，中粗粗砂渗透系数数为0.37××l0-4m/s；下伏基岩为花花岗岩，其中中全强风化层层厚度约2~14m，强~弱风化岩岩面面标高一般为为-60m左右，局部部为-25m左右，单轴轴抗压强度为为67.3～148Mppa。全风化花花岗岩渗透系系数为0.2×l0-4m/s。海底基岩岩面起伏较大大，在隧道中中部有一处凸凸起，长度大大约200～300m左右，对隧隧道影响较大大。此外，基基岩面上还分分布着花岗岩岩风化球状孤孤石。图2局部地质质纵断面Fig2llocalgeoloogyskkiagraaph隧道最大埋深446m左右，最小小埋深30m左右，最大大水压力为0.46MMpa。隧道穿越的地层层主要为粗砂砂层、部分淤淤泥质亚粘土土层及淤泥层层，中部穿越越200～300m左右的强、弱弱风化花岗岩岩。隧道上部部覆土主要为为粗砂层及淤淤泥层，见图图2。地下水系为松散散岩类孔隙水水及块状岩类类裂隙水。3海底隧道盾盾构选型的特特点在江河湖海下进进行水底公路路隧道规划设设计时，常常常面临地质条条件、地层分分布与土体性性质难以准确确把握的困难难，水文条件件尤其是海洋洋水文条件极极其复杂多变变的情况，由由此决定了盾盾构机选型对对于大直径、长长距离、高水水压下水底隧隧道工程设计计和施工阶段段的极端重要要性。可以说说，盾构机选选型很大程度度上制约着水水底隧道工程程的施工难易易、风险高低低、工期长短短和投资费用用[1]。盾构机选型的关关键是如何基基于勘察设计计阶段所获取取的有限地质质、水文等信信息确定最合合适、最经济济的盾构机类类型，并最大大程度地将工工程施工风险险降至最低。海底隧道盾构选选型具有如下下特点：（1）由于海底底隧道地质勘勘察较陆地困困难，地质条条件、地层分分布与土体性性质难以准确确把握，水文文条件极其复复杂多变，所所选的盾构必必须对不同的的土层具有一一定的适应性性。（2）由于海底底隧道水压力力大，地层渗渗透性往往很很强，掘削面面水土压力大大，稳定性差差，所选盾构构必须能很好好地平衡掘削削面的水土压压力，保持掘掘削面的稳定定。（3）由于海底底通道资源有有限，而且一一次投入巨大大，所以隧道道的断面较大大，一般为12～15m，所选盾构构必须具备掘掘削扭矩小的的特点，适合合大断面掘进进。（4）由于海底底隧道横跨海海湾或者海峡峡，一般长度度较长，所选选盾构的刀盘盘和刀具必须须具有足够的的强度和耐久久性，并且具具有可更换性性。（5）由于海底底隧道在掘进进过程中，不不可避免地碰碰到孤石等障障碍物，在海海底进行开仓仓去除障碍物物风险极大，所所选盾构必须须具有障碍物物探测装置和和小型障碍物物破碎装置，对对于较大障碍碍物同样可以以处理的特点点。（6）由于海底底隧道在掘进进过程中，不不可能总是在在同一地层，很很可能穿越上上下两种不同同的土层，或或者上边是土土下边是岩石石的地层，所所选盾构必须须具有能够进进行复合地层层掘进的能力力。（7）由于海底底隧道工期一一般较长，工工期较紧，所所选盾构必须须具有掘进速速度快、对周周围环境影响响较小的特点点。（8）选定的盾盾构机的掘进进能力须与后后续设备、始始发基地等施施工设备匹配配。（9）由于海底底隧道处于海海水的包围之之中，盾构在在海底掘进的的过程中会受受到海水的腐腐蚀，所选盾盾构必须进行行必要的防腐腐蚀处理。4盾构选型4.1盾构类型型及适用条件件按照掌子面敞开开程度划分，盾盾构有密闭式式盾构、半敞敞开式盾构和和全敞开式盾盾构。一般情况下，对对于直径小于于10m的盾构构隧道，当掘掘削面为自稳稳性较差的砂砂性土时，宜宜首选密闭式式盾构。当地地层透水性较较好时，应优优先考虑泥水水式盾构。地地层以粘性土土为主时，优优先考虑土压压平衡盾构。在在掘削面为自自稳性较好的的软岩时。可可以采用全敞敞开式或半敞敞开式盾构。从从地层沉降控控制角度来看看，密闭式效效果最好，其其次是半敞开开式，敞开式式最差。但是是密闭式盾构构机必须配备备复杂的配套套系统和占地地较广的泥水水循环处理系系统，因而造造价最高，对对场地要求高高。由于本隧道穿越越地层主要为为砂层，开挖挖断面大，掘掘削面稳定差差，所以半敞敞开式盾构和和全敞开式盾盾构不适应本本项目的特点点。本文仅对对泥水平衡和和土压平衡密密闭式盾构进进行综合比选选。4.2盾构选型型经验根据德法等国的的盾构施工经经验，当地层层的渗透系数数小于l0-7m/s时，可选用用土压平衡盾盾构；当渗透透系数在l0-7m/s和l0-4m/s之间时，既既可选用泥水水盾构，也可可在碴土改良良的情况下选选用土压平衡衡盾构；当地地层的渗透系系数大于10-4m/s时，则宜采采用泥水盾构构[3]。根据日本的经验验，当岩土中中的粉粒和黏黏粒的总量达达到40％以上时，通通常选用土压压平衡盾构机机；相反的情情况选择泥水水盾构机比较较适宜，但当当地层中粘土土含量不足10％时，由于于掘削面上很很难形成泥膜膜，掌子面容容易坍塌，也也不推荐采用用泥水盾构[[3]。4.3盾构选型型4.3.1泥水水平衡盾构方方案（1）盾构类型型与渗透系数数的关系根据德法等国的的盾构施工经经验，当地层层的渗透系数数大于10-4m/s时，宜采用用泥水盾构。本本海底隧道穿穿越地层主要要为粗砂层，渗渗透性较强，渗渗透系数大于于l0-4m/s，采用泥水水盾构施工是是合适的。（2）掘削面稳稳定与泥膜的的形成泥水盾构利用泥泥浆作为支护护材料，掘削削面的稳定是是通过泥浆渗渗透形成不透透水的泥膜，通通过泥水压力力来平衡作用用于掘削面的的土压力和水水压力，泥膜膜能否形成对对掘削面的稳稳定至关重要要。由于泥水盾构利利用泥水压力力对抗掘削面面地层的地下下水压、土压压，同时泥水水渗入地层形形成不透水的的泥膜，所以以掘削土体对对地层的扰动动小；泥水盾盾构可选用面面板型刀盘，增增加了掘削面面的稳定性，加加上泥水压对对地下水压的的对抗作用，掘掘削面的稳定定性最可靠，适适用于高水压压水底隧道的的施工；由于于泥水渗入地地层的浸泡作作用，致使掘掘削面地层变变得松软，盾盾构的刀盘掘掘削扭矩变小小，适用于大大直径、长距距离隧道的施施工。泥膜的形成与否否与盾构穿越越地层颗粒的的有效孔隙J有关[2]，当J<Dmin（泥水水最小粒径）时时，泥水中的的水渗入地层层，而颗粒成成分吸附聚集集在开挖表面面，迅速形成成泥膜；当有有效孔隙，JJ>3Dmaax（泥水最最大粒径）时时，全部泥水水可经过地层层的孔隙流走走，无法形成成泥膜，易出出现逸泥现象象，泥水压力力管理较困难难，易造成掌掌子面坍塌或或地面沉降的的危险。当有有效孔隙Dmin<J<3Dmax时，泥泥水中的颗粒粒成分向地层层间隙渗透、填填充，最后形形成泥膜。本本项目盾构穿穿越的地层主主要为中粗砂砂层，颗粒有有效孔径较大大，如果不添添加增粘剂，则则泥膜的形成成相对困难。目目前，国内外外在砂层采用用泥水平衡盾盾构施工的工工程很多，如如日本东京神神田川环七号号线地下调节节池工程，盾盾构直径13.7m，穿越地层层为洪积粘土土、砂质土及及砂砾石互层层，泥浆中加加入分散剂和和增粘剂；日日本东京湾海海底隧道，盾盾构直径14.144m,，穿越的地层层主要为粘土土、砂质土及及砾质土；上上海崇明越江江隧道，盾构构直径15.422m，穿越的地地层主要为粘粘土、砂质土土及砾质土。所以，本项目在在泥水中适当当加入增粘剂剂之后，泥膜膜的形成完全全没有问题，泥泥水平衡盾构构非常适合这这样渗透性强强、水压力大大的海底隧道道施工。（3）复合地层层的掘进复合地层有几种种情况：①隧道穿越地地层由几种土土层组成，每每层的物理力力学参数各不不相同；②断面上部为为土体，而下下部为岩石；；③部分地段为为土，部分地地段为岩石。本本文仅研究第第二种情况。根根据地勘资料料揭示，该隧隧道中部盾构构需要穿过长长200～3000m左右的全强强、弱风化花花岗岩，弱风风化花岗岩的的单轴抗压强强度较高，超超过100Mpa。对于这种种情况，目前前有两种处理理方法。一种种方法是当盾盾构掘进到稳稳定岩层时，在在对掘削面进进行稳定性加加固之后，对对盾构刀盘上上的刀头进行行更换，增加加更有利于硬硬岩掘进的滚滚刀。深圳地地铁一号线和和广州地铁三三号线中遇到到类似的情况况，采用更换换刀头的方法法通过硬岩地地层。但是，深深圳地铁隧道道、广州地铁铁隧道的盾构构直径只有6～10m左右，而本本隧道盾构直直径达15m左右，如此此大断面的复复合盾构目前前在世界上还还没有工程应应用的先例。国国内盾构生产产企业沈阳重重工已经生产产出直径12m左右的复合合盾构用于地地铁的建设。另另一种方法就就是当盾构掘掘进到硬岩段段时，盾构机机停止掘进，随随后采用钻爆爆法进行施工工，待隧道通通过岩层地段段后，进行盾盾构管片拼装装，最后继续续采用盾构掘掘进。秦岭铁铁路隧道由于于在中部碰到到强度极高的的花岗岩和片片麻岩后，掘掘进机掘进速速度慢，最后后也采用钻爆爆法完成了中中部7000m左右的隧道道掘进。秦岭岭铁路隧道中中部采用钻爆爆法开挖地段段的岩石是弱弱、微风化花花岗岩、片麻麻岩，埋深达达1600m左右，具备备相当好的钻钻爆开挖条件件，而本隧道道虽然穿越花花岗岩地层，但但隧道上半断断面是全风化化花岗岩和渗渗透性极强的的粗砂层，渗渗透系数达到到0.37××l0-4m/s，而且长度度较短，如果果采用钻爆法法开挖，则施施工风险很大大，极易发生生塌方涌水事事故，不适合合本工程。（4）孤石的处处理根据地勘资料，本本隧道可能存存在一定数量量的孤石。对对于直径小于于500mm的孤石，泥泥水盾构可以以采用在泥水水舱内设置破破碎装置进行行处理。对于于更大直径的的孤石，泥水水盾构可以先先通过超前预预报系统进行行定位，然后后采用在刀盘盘上安装超前前破岩装置来来对孤石进行行破碎。（5）掘进速度度由于泥水渗入地地层后对地层层的浸泡作用用，致使掘削削面地层变的的松软，盾构构的刀盘掘削削扭矩变小，泥泥水盾构的掘掘进速度较土土压平衡盾构构快，更换刀刀头的频率较较土压盾构低低，从而减少少了在水下更更换刀头时进进行掘削面加加固的工程量量，缩短了工工期。（6）造价由于泥水平衡盾盾构需要购置置庞大的泥水水处理系统，所所以盾构造价价较高。但从从刀具的使用用成本来看，如如果均使用面面板式刀盘的的话，由于泥泥水盾构的刀刀具有泥水的的润滑和冷却却作用，土压压平衡盾构消消耗的刀具费费用约为泥水水盾构的1.5倍。如果土土压平衡盾构构采用辐条式式刀盘，则刀刀具费用会大大幅度降低。由由于泥水盾构构掘进速度快快，辅助施工工量小，工期期短，所以从从总的工程造造价上来看，两两者相差不大大。4.3.2土压压平衡盾构方方案（1）盾构类型型与粘土含量量的关系本隧道盾构穿越越的地层主要要为粗砂层，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）掘削面稳稳定与土压平平衡本隧道盾构穿越越的地层主要要为粗砂层，塑塑性差、内摩摩擦角大、渗渗透性强，如如果采用土压压平衡盾构，则则掘削面的稳稳定性差，极极易发生喷水水现象。（3）复合地层层的掘进对于本隧道所面面临的复合地地层，土压平平衡盾构在处处理上所面临临的问题与泥泥水平衡盾构构的相同。（4）孤石的处处理对于较大粒径的的孤石，可以以采用辐条式式刀盘，采用用带式螺旋输输送机排出，如如采用Φ1000mmm带式螺旋输输送机可输送送的最大粒径径为L7255mm×Φ670mmm[3]，因此此即使未经破破碎的孤石也也能通过带式式螺旋输送机机排出。（5）掘进速度度由于土压平衡盾盾构刀盘掘削削扭矩大，刀刀盘磨损程度度大，更换刀刀头频繁，掘掘进速度较泥泥水平衡盾构构慢。（6）造价由于土压平衡盾盾构不需要购购置泥水处理理系统，所以以设备的购置置成本较低。但但土压平衡盾盾构刀盘及刀刀具磨损程度度大，换刀频频繁，施工费费用较高。5方案比选由于本隧道全长长4950m，盾构段长3700m，盾构直径径为14.8m，穿越渗透透性强的砂层层，根据工程程规模和地质质条件，采用用土压平衡盾盾构是不合适适的。从地质条件、水水文条件、土土层颗粒组成成、掘削面稳稳定性、复合合地层处理、孤孤石处理、掘掘进速度、造造价各方面来来综合考虑，本本工程采用泥泥水平衡盾构构是合适的。泥泥水平衡盾构构掘削面稳定定性好、刀盘盘的掘削扭矩矩小，盾构掘掘进速度快，刀刀头磨损程度度低，适用于于大直径、长长距离、高水水压水底隧道道的施工。鉴于本工程的特特点，如果采采用盾构机穿穿越硬岩地层层，单纯的泥泥水盾构将不不能胜任，必必须采用适合合于岩土地层层掘进的大断断面复合盾构构。但是，如如此大断面的的复合盾构，目目前世界上制制造经验较少少，但根据国国内外当前的的建设实践和和技术水平，只只要通过深入入的研究和必必要的科学试试验，采纳国国际先进技术术和引进先进进设备，大直直径复合盾构构是可以制造造出来。6复合泥水盾构构施工典型工工程由于本项目须采采用适合于岩岩土地层掘进进的大断面复复合盾构。下下面介绍一些些国内外采用用复合泥水盾盾构施工的典典型工程，提提供参考。（1）广州地铁铁二号线广州地铁二号线线南起海珠区区的琶州，北北至白云区的的新市，线路路全长23.32kinn。区间隧道道衬砌外径为为6.0m，内径径为5.4m。隧道主要埋置于于全风化～中中风化夹杂综综合岩带、中中风化带、微微风化带岩层层中，见图3.刀盘采用全断面面滚刀和标准准割刀组合布布置的形式来来开挖岩体，既既能开挖强度度较大的微风风化岩层，又又能适应强度度较底的强风风化岩层的施施工。刀盘切削直径DD=62100mm，刀盘盘转速刀n≤3r／min，推进速速度v=30mm／min。图3局部地质质纵断面Fig3llocalgeoloogyskkiagraaph（2）马来西亚亚SMART隧道SMART隧道道位于马来西西亚吉隆坡市市，为泄洪及及公路合建隧隧道，盾构隧隧道全长5400m，盾构机直直径13.211m。隧道主要要穿越区为强强度较高的石石灰岩。隧道道断面及盾构构机见图4，地质纵断断面见图5。图4SMAART隧道断面及及盾构机Fig4ttunnellsecttionaandshhiedoofSM