地铁隧道穿越黄河段的盾构选型及施工模拟

2014-11-27张新燕刘志强杨文晗

铁道建筑 2014年8期

张新燕，刘志强，杨文晗

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

盾构法施工与工程地质密切相关，盾构机的选型是盾构法施工的关键环节，直接影响隧道的盾构施工方法、工艺及施工成本。选择最适宜盾构机型，对于降低工程造价，保证施工顺利进行，确保项目的质量、安全、进度工期具有至关重要的意义［1］。本文根据兰州地铁一号线的相关设计参数和现场实际，借鉴国内城市地铁建造项目的成功经验和失败教训，通过对不同的盾构机进行分析比选，最终确定了采用泥水式盾构机。并通过非线性有限元软件Ansys对奥体中心—世纪大道区间施工进行三维仿真模拟，综合考虑了土体非线性、土体与衬砌作用、注浆压力、支护压力等因素建立力学模型，研究了盾构法施工引起的地表、地层位移，以及管片应力的变化规律。

1 工程概况

兰州地处我国西北地区的腹部，位于黄土高原之黄河谷地内，由于南北两山之限和黄河纵贯盆地之中，致使兰州市发展成为一个东西长、南北窄、沿河两岸分布的带状城市。

兰州市城市轨道交通1号线总体设计起点为西固区石岗北侧环行西路，穿行于黄河两岸冲积的漫滩及一、二级阶地，线路全长26.798 km，皆为地下线。共设车站20座，最大站间距2.332 km，最小站间距0.842 km，线路正线平面最小曲线半径为400 m，出入线最小曲线半径采用160 m。正线纵断面最大坡度采用28‰，出入线最大坡度 34‰［2］。

奥体中心—世纪大道区间在拟建深安大桥上游20～30 m处，沿线下穿黄河底部，底板埋深16.9～37.4 m，在穿越黄河段底板埋深较大。勘察期间，深安大桥附近黄河水面高程为1 525.3 m，河道宽约292 m，水深一般1～3 m，最深处可达4 m，两岸河漫滩高出河水面约5 m。区间地表一般分布人工填土，其下为第四系全新统的冲积黄土状土、卵石，第四系下更新统卵石。地下水主要赋存于卵石层中，属孔隙性潜水。下穿黄河段，区间隧道走行于卵石土地层，围岩类别Ⅳ ～ Ⅴ级［3］。

兰州市黄河两岸二级阶地上普遍存在地下水，属潜水类型，砂卵石层是主要的含水层，地下水位起伏变化一般－1.0～1.5 m。

2 影响盾构选型的不利因素分析

1)湿陷性黄土

湿陷性黄土在沿线地表分布较为广泛，以Ⅱ～Ⅳ级自重湿陷性为主。黄土的黏着性、湿陷性对盾构机的适用性要求高。针对黄土地层的这些特点，在盾构机的刀盘及刀具的选择方面应有针对性。此外还应考虑因黄土的湿陷性而出现的地面沉降，及其对盾构机选型的影响。

2)饱和软黄土

工程沿线地下水位普遍较高，当黄土层含水量达到饱和时，将会呈现软土的特征，具体表现为压缩性高、承载力低，暗挖时自稳性较差等，对工程影响较大。饱和黄土还会对周边造成附加的不均匀沉降。

3)断层破碎带

兰州市轨道交通项目要经过多个断层，因断层带岩体的整体性遭到破坏，加之地面水或地下水的侵入，其强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍塌，影响施工安全。在断层破碎带、变形带必须加强防渗、防漏，包括地表水的及时疏排、夯填裂缝、防止地下水的渗漏等。

3 盾构机选型

兰州市轨道交通1号线区间隧道主要穿过黏土、卵石土及圆砾土，局部含有砂层，地层中地下水位较高。根据盾构掘进穿越的地层土质特点，特别是土质饱和性、流塑性、可塑状，同时兼顾到经济和安全两大方面的考虑，选用封闭式盾构较为合适。根据兰州地区特殊地质及施工条件，可供选择的盾构类型只有土压平衡和泥水平衡两种。

3.1 土压盾构机与泥水盾构机性能比较

1)刀盘及刀具寿命

土压平衡盾构机刀盘开口率相对较小，不利于卵石顺利进舱，造成卵石的多次破碎，刀盘与开挖面的摩擦力大，另外刀盘轮缘磨损比较严重。由于刀盘采用中心支撑方式，刀盘中心部位无开口，在泥岩中掘进时易形成泥饼，造成中心刀具磨损严重，故其刀具、刀盘的寿命短。

泥水平衡盾构因掌子面前方泥水成膜的原因，其刀盘、刀具的耐磨性理论上比土压平衡盾构要好，但由于卵石粒径大，排渣不畅，造成卵石在刀盘前方堆积，刀盘、刀具磨损和异常损坏严重。切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到一定的润滑作用，其刀具、刀盘的寿命要长。

泥水平衡盾构刀具消耗远大于土压平衡盾构，主要原因是排渣效率低，卵石不能顺利进入泥水舱，在刀盘前方反复破碎，增加了刀具的磨损破坏。

2)刀盘驱动扭矩

泥水平衡盾构由于砂卵石地层渗透性较强，泥浆极易冒出地面，开挖面坍塌的卵石堵满泥水舱。而且刀盘脱困扭矩明显不足，刀盘很容易被卡难以转动，影响掘进效率的发挥。土压平衡盾构刀盘扭矩和脱困扭矩明显大于泥水平衡盾构，施工中不容易发生刀盘被卡现象。

3)排渣效率

泥水平衡盾构在砂卵石地层排渣效率低，循环出渣时间较长，每环掘进耗时很长，排渣效率很低。土压平衡盾构采用双螺旋设计，可以有效避免富水地层掘进时的喷涌现象，每环掘进时间短，排渣效率较高。

4)地表沉降控制

在松散的砂卵石地层中，在刀盘前方对砂卵石进行有效破碎非常困难，且刀具破碎卵石时产生的振动和扰动易造成砂卵石层进一步密实，易引起地面沉降。泥水平衡盾构地表沉降控制效果要比土压平衡盾构好，在通过重要建(构)筑物时安全可靠性较高。

5)经济指标

泥水平衡盾构工艺复杂且辅助设备多，尤其是需要配置专门的泥水处理设备，占地面积大，施工投入大。因此，泥水平衡盾构每米掘进成本比土压平衡盾构高30%以上。

3.2 穿越黄河段盾构选型

根据兰州地区的地质条件，必须要考虑砂卵石对盾构设备的过度磨损问题，对盾构机的刀盘及刀具高耐磨要有一定的设计要求，要能够适应沿线复杂地层，并尽量满足长距离区间的掘进要求，保证盾构机长距离掘进作业的可靠性、安全性和工作效率。

土压平衡盾构螺旋输送机内的搅拌土难以起到封水作用，在水底施工时须采取必要的辅助措施，比如土仓加压、进行必要的化学注浆改良盾构前方地层等辅助性措施以保证机头土体稳定，从造价、工期上存在一定风险。

泥水平衡盾构在地下水丰富且水压较高的场合下，泥水压可以有效地对抗地下水压的作用，同时泥水盾构可选用面板型刀盘，增加了掘削的稳定性，泥水平衡盾构需要场地较大，而在黄河沿岸附近有一定的开阔场地可以提供泥浆处理，废弃泥浆对周围环境影响较小。

因此，在地铁两次穿越黄河段(奥体中心—马滩站)，以及全断面砂性地层且地表环境容许的条件下，优先考虑采用泥水平衡盾构。

4 盾构隧道施工方案模拟

4.1 模型选择

采用ANSYS软件对各施工方案进行了三维仿真［4］。本方法采用D-P模型，将盾壳假设为刚体，盾构每步的推进步长模拟为1.5 m，初始应力场为重力场和河水均布压力引起的应力场，采用实体单元来模拟管片。在开挖过程中采用生死单元的方法模拟土体的开挖过程，更换材料的方法模拟管片的拼装和注浆。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

4.2 施工方案模拟

取管片厚度为 300 mm［5］，研究埋深分别为 15，25 m、进尺为1.5 m的地表沉降量及地层变形量，取8个地层代表点研究隧道管片应力的变化，代表测点如图2所示。

图2 代表测点位置

提取Ansys分析的结果，地表沉降量对比图如图3所示。计算表明地表沉降量受埋深影响，埋深15 m时，在前十几米的开挖过程中地表无沉降，之后持续沉降，最后沉降值趋于稳定，最大沉降量不超过3 mm;埋深25 m时，地表表现为持续沉降，最大沉降量不超过5 mm。图4为中间地层顶点变形量图，计算表明埋深15 m时顶点的竖向位移不超过15 mm，埋深25 m时顶点的竖向位移不超过25 mm，地层变形量也受埋深影响。

图3 地表沉降量

图4 中间地层(1号点)变形量

贯通后中间管片上的应力图如图5和图6所示。由图5可知，埋深15 m时，管片上的最大拉应力不超过6.0 MPa(出现在4，6号点);埋深25 m时，最大拉应力出现在2，8号点。300 mm的管片上最大拉应力5.98 MPa，出现在埋深为25 m的方案中，但最大剪应力出现在埋深为15 m的方案中。

图5 贯通后中间管片各点的第一主应力

图6 贯通后中间管片各点的最大剪应力

综上，地表土体和土层位移均在不同埋深时有明显的变化规律。纵向开挖面后方土体沉降比较大，两种方案的土体沉降量都在施工允许范围内。开挖过程中，隧道顶点土层随着埋深的加大位移增大，隧道周围的土体发生趋向隧道的位移，埋深25 m方案中的变化是比较大的。贯通后管片上的最大拉应力出现在埋深25 m方案中，但最大剪应力出现在埋深15 m方案中。因此建议采用埋深15 m方案。