0 引言

　　盾构法因其具有安全、快速、机械化程度高、质量稳定等优点，在地下工程中得到了广泛应用。盾构选型是保障盾构施工安全、高效，影响工程施工成败的关键点之一。美国西雅图市SR99公路隧道、广深港客运专线、成都地铁等工程施工过程中均发生了因盾构选型不合适造成的工期延误，对工程施工带来了不利影响^[1]。

　　大东湖核心区污水传输系统工程是国内首次正式对深层排水技术的大胆尝试，隧道施工均采用盾构法，盾构选型直接关系工程的安全、高质量、顺利实施。

　　1 工程概况

　　本工程横跨武汉市武昌、洪山、东湖风景、青山共4个行政区，其中主隧全长17.5km，包含9个竖井及9个盾构区间。盾构区间长度大多为2km以上，最长区间长度达到了3.6km，隧道埋深30～56m，隧道直径3.9～4.1m。

　　隧道主要穿越地层为粉细砂、砾卵石、强～中风化含钙泥质细粉砂岩、中风化灰岩、中风化粗砂岩、挤压破碎带、中风化含粉砂泥岩等，如图1所示。

　　图1 地层占比  

　　区间沿线需穿越众多湖泊、水系，地下水情况复杂，但由于区间埋深大，对盾构掘进存在影响的主要为承压水及基岩裂隙水，其中线路起始段及终点段均位于长江Ⅰ级阶地，承压水与长江水系存在一定联系，6号—6a号区间部分区段位于严西湖底，湖水对该区段基岩裂隙水进行一定的补给。

　　2 特征地层及风险分析

　　特征地层及风险分析如表1所示。

　　3 盾构选型研究

　　3.1 盾构选型分析

　　1)渗透系数

　　各地层渗透系数1.0×10^-8～1.6×10^-2m/s，就渗透系数而言，大部分区间采用土压平衡盾构较合适，但3号—1号，8号—9号区间位于长江一级阶地，地层渗透系数大，与长江存在水力联系，因此选用泥水平衡盾构较优。但曹智^[2]在成都地铁盾构选型设计及实用性比较中指出，土压平衡盾构在全断面富水砂卵石地层长距离持续掘进，安全优质、高效可控，具有更强的适应性和更高的可靠性，仅需对土压平衡盾构做好针对性设计即可。

　　2)颗粒配级因素

　　隧道主要穿越地层为粉细砂、强风化粉细砂岩、中风化泥质粉细砂岩、中风化细砂岩、中风化灰岩，地层中细颗粒含量较多，泥水分离设备处理效果差，从以往施工案例来看，会影响设备的掘进效率。因此从地层颗粒级配研究，土压平衡盾构较优。

　　3)水土压力分析

　　根据隧道埋深及地下水水力联系，3号—1号，6号—6a号，8号—9号区间理论水土压力约0.5MPa，其余区间由于洞身及上下均属弱透水性岩体，可视为隔水层，地下水对隧道施工影响不大，因此土压平衡盾构通过提高主驱动密封、铰接密封、盾尾密封等，同时对螺旋输送机进行特殊防喷渣设计，可满足本工程施工要求。

　　4)施工效率分析

　　泥水盾构需要泥水分离装置，占用场地较大，规划竖井处场地有限，不利于泥水盾构施工，且地层中细颗粒含量高，分离效率低，大大影响施工效率。因此土压平衡盾构更优。

　　5)安全风险

　　本工程盾构掘进主要安全风险在于地下水防治及地表沉降控制;在水压高、水量大的情况下，泥水平衡盾构在保持掌子面稳定和控制地表沉降上较有优势。但本工程大部分区间洞身及上下均属弱透水性岩体，选用土压平衡盾构可通过采取有效措施提高密封，防止喷渣，从而降低安全风险。

　　6)工程成本

　　泥水盾构需要投入泥水分离设备，所需场地面积大、成本增加;且施工过程中产生的废浆较多，增加渣土外运成本;硬岩掘进过程中，为调整泥浆的密封和黏度，需持续注入膨润土，施工成本较高。就成本控制而言，土压平衡盾构更优。

　　据此，本工程所有区间均选用复合式土压平衡盾构机掘进，并有针对性地对盾构主驱动及刀盘设计开口率、渣土改良、螺旋输送机系统等进行优化设计研究^[3]。

　　3.2 针对性设计

　　1)刀盘刀具设计

　　为满足在风化岩和卵石圆砾层掘进，刀盘为复合式刀盘设计。基本结构为辐条面板式，采用四牛腿，四主梁+四副梁形式，提高刀盘支撑刚度、强度，满足复合地层下对刀盘的高冲击要求;开口率为32%，开口在整个盘面均匀分布，中心部位设有面积足够的开口，并设置两道筋梁，减少结泥饼概率，同时在刀盘面板布置3路单管单泵单泡沫喷口，2路膨润土喷口，中心区域布置3路及周边区域布置2路改良剂注入口，土仓中心配置1路高压水冲刷，刀盘背部设计2根搅拌棒，进一步提升渣土搅拌效率。

　　表1 特征地层及风险分析 

　　表1 特征地层及风险分析

　　刀盘布置双刃中心滚刀4把，单刃滚刀22把，刀高155mm;刮刀26把，边刮刀8把，刮刀刀高120mm，背部焊接保护块(见图2);超挖刀1把;中心双联滚刀间距82mm，单刃滚刀间距88mm;滚刀根据地层不同分别选用了光圆滚刀及镶齿合金滚刀，其中光圆滚刀主要用于强～中风化含钙泥质细粉砂岩，镶齿合金滚刀主要用于中风化灰岩、中风化粗砂岩等硬岩及石英含量高且换刀条件差的粉细砂及砾卵石层。滚刀刀箱可实现滚刀与撕裂刀更换，若在滚刀刀箱上安装撕裂刀，辅以合理的渣土改良，可满足在黏土、砂层等软土地层的施工要求;若在刀盘上安装滚刀，可满足在硬岩地层的施工要求。

　　图2 盾构机刀盘设计 

　　2)主驱动设计

　　盾构推进系统及刀盘主驱动配置应满足掘进过程中各地层的需求。一般来说，盾构推进千斤顶数量越多、分布及分组越合理，其推力可调整性、均匀性、可操控性及适应性越强^[4]。

　　本工程盾构采用15组双缸均匀布置，根据隧道直径不同，盾构机总推力最大为19 950～21 790k N，推力储备充足;额定扭矩为2 350～3 500k N·m(扭矩系数32.8～37.0)，脱困扭矩为2 820～4 200k N·m，扭矩储备充足。最高转速3r/min，可满足软岩、硬岩、复合等复杂地层的掘进要求。另外考虑本工程中盾构均需进行分体始发，故采用6组电机进行驱动，减少流体管路，提高始发效率。

　　由于设备直径较小，为满足掘进速度和主机空间要求，主轴承与齿圈分离，主轴承与齿圈轴向前后布置，减小主驱动径向尺寸;在满足大扭矩高转速及洞内空间的前提下，还可实现洞内更换更大齿圈的要求。

　　主驱动密封选用国产优泰科密封，承压能力可达1MPa，使用寿命可满足掘进5km或使用10 000h的要求;外密封采用1道迷宫、2道4指形密封、1道单唇口密封，内密封采用2道唇形密封。

　　3)螺旋输送机设计

　　螺旋输送机均采用轴式螺旋输送机，根据盾构机大小，直径设计为500～600mm，最大通过粒径为195mm×380mm～220mm×410mm;最大扭矩均为90k Nm，最高转速25r/min，出渣能力187m³/h。

　　由于地层石英含量高，出渣过程中，对螺旋输送机磨损较大，故对螺旋输送机进行针对性耐磨设计，螺旋轴叶片通过采用高锰铸铁耐磨材料设计，提高螺旋轴的耐磨性;螺旋输送机前端筒体、第1,2节筒体通过内表面堆焊耐磨复合钢板，提高螺旋输送机筒体的耐磨性。

　　考虑富水地层掘进极易发生喷渣现象，本工程盾构机均进行了预防喷渣设计。系统预留注入接口，必要时可向土仓壁和螺旋输送机内注入膨润土和高分子聚合物，也可外接泄压管进行泄压;设置保压泵接口，必要时可连接泥浆泵或泥浆管;螺旋输送机筒壁设计高精度土压传感器，可实时监测螺旋输送机内渣土的压力;螺旋输送机设置一道前闸门、一道后闸门和伸缩装置，一旦发生喷渣可及时关闭后闸门，通过保压泵出渣;在设备桥前部布置螺旋输送机闸门蓄能器，当发生突然断电或者紧急事故时，螺旋输送机可依靠蓄能器的能量迅速自动关闭螺旋输送机后闸门保证安全。

　　4)铰接设计

　　由于隧道埋深大，盾体直径小，主机长度近10m，整体成细长结构，长细比>2，灵活性差;另外部分地段岩层石英含量高，刀具更换频繁;为提高盾体灵活性，适应隧道埋深及曲线半径，防止卡盾，同时也为更方便更换刀具，采用双铰接大推力比梭形盾体，前大后小，分步推进，其中主动铰接最大伸长量120mm，可适应最小转弯半径150m。

　　5)保压密封设计

　　富水长距离地层中掘进必须确保设备的密封性能，防止发生涌水涌泥事故^[5,6]。为避免高水压或其他情况下盾体密封失效引发的施工问题，应对盾体密封性进行加强设计。

　　一般3道尾刷结构承压能力可达到1MPa，满足施工要求，本工程为提高盾构密封可靠性，特采用4道尾刷+1道止浆板，较常规盾构机多1道密封，承压能力>1MPa，同时配置3×5根油脂管注入油脂进行密封，保证密封效果。铰接密封采用2道多唇聚氨酯进行密封，如图3所示。

　　图3 盾尾密封  

　　6)小直径针对性设计

　　由于空间小，人员舒适性设计显得极其重要，为提高人员作业舒适性，后配套台车所有设备均单侧布置，提高人员通行舒适性。针对操作手设置独立主控室，前部为控制仓，后部为操作室，提升操作手舒适性及效率。针对小直径设备内人员操作安全问题，所有控制盒及遥控装置均设置有紧急停止按钮，紧急情况可控制相应系统自动断开电源，保证人员的安全，此外，在主控制室和每节拖车人行走道侧都配备主紧急停止按钮，紧急情况下按下该按钮，低压总开关将断开，除照明和工控机外，其余电气设备将全部断电。针对长区间小直径通风及散热问题，一是在后配套位置设置二次风机，保证洞内风压，形成循环通风，降低温度，二是空压机采用水冷设计，减少洞内热空气，提高舒适性。

　　4 应用效果

　　本工程共投入7台土压平衡盾构机，均安全、顺利完成各区间掘进，强～中风化含钙泥质细粉砂岩一类软岩地层掘进效率8～12环/班，中风化灰岩一类硬岩地层掘进效率0.8～2.1环/班，其他地层掘进效率基本上在6～8环/班。3号—1号区间长达3.6km且需穿越1.3km砾卵石地层，仅用时13个月完成掘进，单月最高掘进达450m。

　　在掘进喷渣控制方面，本工程除挤压破碎带及部分粉细砂地层掘进存在喷渣现象之外，其余各地层掘进无严重喷渣现象。挤压破碎带喷渣主要是由于岩体呈岩屑、角砾状，在丰富的基岩裂隙水作用下，难以粘结，易发生喷渣。在粉细砂层中当掘进不连续、土仓水量过多时，不易进行渣土改良，掘进过程中存在一定喷渣现象。砾卵石地层由于有30%左右黏粒且砾卵石粒径较小，通过渣土改良后，可形成土塞，基本上未发生喷渣现象。

　　对于硬岩地层，掘进过程中刀具磨损较为严重，其中灰岩掘进约50m需更换一次合金刀具，中风化粗砂岩掘进约80m需更换一次合金刀具，且刀具存在崩刀圈现象;对于强～中风化泥质细粉砂岩复合地层掘进，刀盘结泥饼现象较少，刀具使用寿命可达1km以上，但中心滚刀存在轻微偏磨现象，需注意加强渣土改良或在滚刀刀圈上间隔堆焊耐磨层，提高中心滚刀与地层间摩阻力，加强“抓地”能力，避免滚刀不易启动及转动。

　　另外本工程盾构成功下穿既有运营地铁线，最大沉降2mm;6号—6a号—7号区间岩溶段掘进姿态控制良好，管片错台满足规范要求，其中6号—6a号湖中岩溶段管片基本无渗漏。

　　总体而言，盾构机的选型、刀具配置及部分针对性设计改造是适应本工程的，应用效果良好。

　　5 结语

　　针对本工程复杂多变的地质条件，通过对土压平衡盾构机刀盘刀具、主驱动、螺旋输送机、渣土改良系统、人仓、注浆系统以及小直径舒适性方面进行针对性改进及设计，保证了本工程安全高效实施。