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：本文对复复杂地质条条件下大直直径海底隧隧道盾构选选型的特点点进行了分分析，并结结合某海底底隧道的工工程特点及及地质条件件，对影响响盾构选型型的各种主主要因素进进行了分析析，对泥水水平衡盾构构和土压平平衡盾构从从各个方面面进行了综综合比选，最最终选择了了适合本工工程的大直直径复合泥泥水盾构。由由于目前国国内外大直直径复合泥泥水盾构在在复杂地质质条件下的的工程应用用很少，本本文回顾了了国内外复复合泥水盾盾构类似工工程应用情情况。通过过调查结果果表明，大大直径泥水水盾构的制制造及在该该海底隧道道中的应用用是可行性性。关键词：复杂地地地质；大大直径径；海底底隧道道；盾构构选型型Large-dddiammetterShhieddsseleecttionnttoUnddeerseeaTunnneelonCConddittionnoofCCommpleexgeooloogyLiujiggguo,GGuoxiiaohhonngChinacccommmunnicaatiionssssecoonddhiighhwayyssurvveyydeesiignanndrressearrchhinnsttituutee,Huubbei,,WWuhaan,,43300056Abstraccct:thheechaaraacteersswerreeannallyzeedtollarrge--diiameeteersshiiedseelecctiiontoounddeerseeatunneelloncconddittionnoofccommpleexgeooloogy..AAssoociiateedtothheeenggineeerringgccharraccterrsanddggeolloggycconndittioonoofanundeerrseaattunneell,themmaajorrffacttorrstthaatccanninnflluennceeshhieedssellecttioonwwerreannaalyzzeddanddtheeeelecctiionwaasddonnebbettweeenmudd-wwateerballannceshhielldanddssoillppresssuurebaalannceeshhieeldffroomeeveeryasspecctss.AAtlasst,,thheproopeerllarrge--diiameeteermuud--watterrmuulttiplleshiieddwaassellecctedd.Beccauusethheaapppliccattionnoofllarrge--diiameeteermmudd-waateermmulltippleeshhieedwwassveeryyfeewallloofttheewoorlld,thhessimmilaarengginneerrinngaapppliccattionnoofmmuddwaateermmulltippleeshhieedwwasssuurvveyeed..Theeiinveesttigaatiionreesulltshoowssthhattthhelarrgee-diiammeteermmudwaaterrmuultiipllesshiiedcaanbbemadddeenanddcannbbeaappplieedtothheuunddersseaatuunnnel..Keyworrrds::coompllexxgeeollogyyLarrgee-diiammeteeruundeersseattuunneelshhieddsseleecttionn作者简介：刘继继继国，男男，1976年生，硕硕士士，从事事隧道道与地下下工程程方面的的设计计和研究究工作作1引言近几年，我国长长长江上几几条采采用盾构构法修修建的江江底隧隧道相继继开工工建设。位位于于武汉的的长江江第一隧隧，盾盾构直径11.3388m，盾构段段长25500m；位于南南京京的长江江隧道道，盾构构直径径14.9966m，盾构段段长29900m；位于上上海海的崇明明越江江隧道，盾盾构构直径15.4422m，盾构段段长75000m，是目前世界上上最最大直径径的盾盾构隧道道。这些江底底盾盾构隧道道的建建设，为为我国国大直径径盾构构的设计计与施施工积累累了经经验，也也为下下一阶段段的海海底盾构构隧道道设计、施施工工提供了了参考考。目前，采用钻爆爆爆法修建建的厦厦门翔安安海底底和青岛岛胶州州湾海底底隧道道已经开开工建建设，同同样采采用钻爆爆法修修建的大大连湾湾海底隧隧道前前期论证证工作作已经完完成，年年内有望望开工工，但国国内目目前还没没有采采用盾构构法修修建的海海底公公路隧道道。沿海城市某海底底底隧道的的前期期工作已已经展展开，根根据研研究成果果，该该隧道将将推荐荐采用盾盾构法法施工。本本文文结合该该海底底隧道的的工程程地质、水水文文地质条条件及及其他影影响因因素，对对海底底隧道盾盾构选选型进行行研究究。2工程概况某海底隧道为三三三车道高高等级级公路隧隧道，全全长49500m，其中盾盾构构段长37000m，盾构直直径14.9966m。图1隧道横横横断面图Fig1tttheccrrosss-ssecttioonallddrawwinngooftunnneel隧道最大覆土厚厚厚度为27m，最小覆覆土土厚度为16m。海域地地段段上部为为淤泥泥及淤泥泥质粘粘土，淤淤泥质质粘土呈呈深灰灰色，软软塑状状；下部部为中中粗砂，呈呈深深灰或灰灰色，中中密状，由由中中粗砂为为主，局局部为细细砂，含含较多泥泥质或或夹淤泥泥质土土团块，中中粗粗砂渗透透系数数为0.377××l0-4m/s；下伏基岩为为花花岗岩，其其中中全强风风化层层厚度约2~144m，强~弱风化岩岩岩面面标高一般般为为-60m左右，局局部部为-25m左右，单单轴轴抗压强强度为为67.3～148MMppa。全风化化花花岗岩渗渗透系系数为0.2××l0-4m/s。海底基基岩岩面起伏伏较大大，在隧隧道中中部有一一处凸凸起，长长度大大约200～300m左右，对对隧隧道影响响较大大。此外外，基基岩面上上还分分布着花花岗岩岩风化球球状孤孤石。图2局部地质质纵断断面Fig2lllocallgeooloogyskkiaggraaph隧道最大埋深4446m左右，最最小小埋深30m左右，最最大大水压力力为0.466MMpa。隧道穿越的地层层层主要为为粗砂砂层、部部分淤淤泥质亚亚粘土土层及淤淤泥层层，中部部穿越越200～300m左右的强强、弱弱风化花花岗岩岩。隧道道上部部覆土主主要为为粗砂层层及淤淤泥层，见见图图2。地下水系为松散散散岩类孔孔隙水水及块状状岩类类裂隙水水。3海底隧道盾盾构构选型的特特特点在江河湖海下进进进行水底底公路路隧道规规划设设计时，常常常常面临地地质条条件、地地层分分布与土土体性性质难以以准确确把握的的困难难，水文文条件件尤其是是海洋洋水文条条件极极其复杂杂多变变的情况况，由由此决定定了盾盾构机选选型对对于大直直径、长长距离、高高水水压下水水底隧隧道工程程设计计和施工工阶段段的极端端重要要性。可可以说说，盾构构机选选型很大大程度度上制约约着水水底隧道道工程程的施工工难易易、风险险高低低、工期期长短短和投资资费用用[1]。盾构机选型的关关关键是如如何基基于勘察察设计计阶段所所获取取的有限限地质质、水文文等信信息确定定最合合适、最最经济济的盾构构机类类型，并并最大大程度地地将工工程施工工风险险降至最最低。海底隧道盾构选选选型具有有如下下特点：：（1）由于海底底隧隧道地质勘勘勘察较陆陆地困困难，地地质条条件、地地层分分布与土土体性性质难以以准确确把握，水水文文条件极极其复复杂多变变，所所选的盾盾构必必须对不不同的的土层具具有一一定的适适应性性。（2）由于海底底隧隧道水压力力力大，地地层渗渗透性往往往很很强，掘掘削面面水土压压力大大，稳定定性差差，所选选盾构构必须能能很好好地平衡衡掘削削面的水水土压压力，保保持掘掘削面的的稳定定。（3）由于海底底通通道资源有有有限，而而且一一次投入入巨大大，所以以隧道道的断面面较大大，一般般为12～15m，所选盾盾构构必须具具备掘掘削扭矩矩小的的特点，适适合合大断面面掘进进。（4）由于海底底隧隧道横跨海海海湾或者者海峡峡，一般般长度度较长，所所选选盾构的的刀盘盘和刀具具必须须具有足足够的的强度和和耐久久性，并并且具具有可更更换性性。（5）由于海底底隧隧道在掘进进进过程中中，不不可避免免地碰碰到孤石石等障障碍物，在在海海底进行行开仓仓去除障障碍物物风险极极大，所所选盾构构必须须具有障障碍物物探测装装置和和小型障障碍物物破碎装装置，对对于较大大障碍碍物同样样可以以处理的的特点点。（6）由于海底底隧隧道在掘进进进过程中中，不不可能总总是在在同一地地层，很很可能穿穿越上上下两种种不同同的土层层，或或者上边边是土土下边是是岩石石的地层层，所所选盾构构必须须具有能能够进进行复合合地层层掘进的的能力力。（7）由于海底底隧隧道工期一一一般较长长，工工期较紧紧，所所选盾构构必须须具有掘掘进速速度快、对对周周围环境境影响响较小的的特点点。（8）选定的盾盾构构机的掘进进进能力须须与后后续设备备、始始发基地地等施施工设备备匹配配。（9）由于海底底隧隧道处于海海海水的包包围之之中，盾盾构在在海底掘掘进的的过程中中会受受到海水水的腐腐蚀，所所选盾盾构必须须进行行必要的的防腐腐蚀处理理。4盾构选型4.1盾构类型型型及适用用条件件按照掌子面敞开开开程度划划分，盾盾构有密密闭式式盾构、半半敞敞开式盾盾构和和全敞开开式盾盾构。一般情况下，对对对于直径径小于于10m的盾盾构构隧道，当当掘掘削面为为自稳稳性较差差的砂砂性土时时，宜宜首选密密闭式式盾构。当当地地层透水水性较较好时，应应优优先考虑虑泥水水式盾构构。地地层以粘粘性土土为主时时，优优先考虑虑土压压平衡盾盾构。在在掘削面面为自自稳性较较好的的软岩时时。可可以采用用全敞敞开式或或半敞敞开式盾盾构。从从地层沉沉降控控制角度度来看看，密闭闭式效效果最好好，其其次是半半敞开开式，敞敞开式式最差。但但是是密闭式式盾构构机必须须配备备复杂的的配套套系统和和占地地较广的的泥水水循环处处理系系统，因因而造造价最高高，对对场地要要求高高。由于本隧道穿越越越地层主主要为为砂层，开开挖挖断面大大，掘掘削面稳稳定差差，所以以半敞敞开式盾盾构和和全敞开开式盾盾构不适适应本本项目的的特点点。本文文仅对对泥水平平衡和和土压平平衡密密闭式盾盾构进进行综合合比选选。4.2盾构选型型型经验根据德法等国的的的盾构施施工经经验，当当地层层的渗透透系数数小于l00-7m/s时，可选选用用土压平平衡盾盾构；当当渗透透系数在在l0-7m/s和l0-4m/s之间时，既既既可选用用泥水水盾构，也也可可在碴土土改良良的情况况下选选用土压压平衡衡盾构；；当地地层的渗渗透系系数大于于10-4m/s时，则宜宜采采用泥水水盾构构[3]。根据日本的经验验验，当岩岩土中中的粉粒粒和黏黏粒的总总量达达到40％以上时时，通通常选用用土压压平衡盾盾构机机；相反反的情情况选择择泥水水盾构机机比较较适宜，但但当当地层中中粘土土含量不不足10％时，由由于于掘削面面上很很难形成成泥膜膜，掌子子面容容易坍塌塌，也也不推荐荐采用用泥水盾盾构[[3]。4.3盾构选型型型4.3.1泥水水水平衡盾盾构方方案（1）盾构类型型与与渗透系数数数的关系系根据德法等国的的的盾构施施工经经验，当当地层层的渗透透系数数大于10-4m/s时，宜采采用用泥水盾盾构。本本海底隧隧道穿穿越地层层主要要为粗砂砂层，渗渗透性较较强，渗渗透系数数大于于l0-4m/s，采用泥泥水水盾构施施工是是合适的的。（2）掘削面稳稳定定与泥膜的的的形成泥水盾构利用泥泥泥浆作为为支护护材料，掘掘削削面的稳稳定是是通过泥泥浆渗渗透形成成不透透水的泥泥膜，通通过泥水水压力力来平衡衡作用用于掘削削面的的土压力力和水水压力，泥泥膜膜能否形形成对对掘削面面的稳稳定至关关重要要。由于泥水盾构利利利用泥水水压力力对抗掘掘削面面地层的的地下下水压、土土压压，同时时泥水水渗入地地层形形成不透透水的的泥膜，所所以以掘削土土体对对地层的的扰动动小；泥泥水盾盾构可选选用面面板型刀刀盘，增增加了掘掘削面面的稳定定性，加加上泥水水压对对地下水水压的的对抗作作用，掘掘削面的的稳定定性最可可靠，适适用于高高水压压水底隧隧道的的施工；；由于于泥水渗渗入地地层的浸浸泡作作用，致致使掘掘削面地地层变变得松软软，盾盾构的刀刀盘掘掘削扭矩矩变小小，适用用于大大直径、长长距距离隧道道的施施工。泥膜的形成与否否否与盾构构穿越越地层颗颗粒的的有效孔孔隙J有关[2]]，当J<Dmin（泥泥水水最小粒粒径）时时，泥水水中的的水渗入入地层层，而颗颗粒成成分吸附附聚集集在开挖挖表面面，迅速速形成成泥膜；；当有有效孔隙隙，JJ>3DDmaax（泥水水最最大粒径径）时时，全部部泥水水可经过过地层层的孔隙隙流走走，无法法形成成泥膜，易易出出现逸泥泥现象象，泥水水压力力管理较较困难难，易造造成掌掌子面坍坍塌或或地面沉沉降的的危险。当当有有效孔隙Dmin<J<3Dmaxx时，泥泥水中的的颗粒粒成分向向地层层间隙渗渗透、填填充，最最后形形成泥膜膜。本本项目盾盾构穿穿越的地地层主主要为中中粗砂砂层，颗颗粒有有效孔径径较大大，如果果不添添加增粘粘剂，则则泥膜的的形成成相对困困难。目目前，国国内外外在砂层层采用用泥水平平衡盾盾构施工工的工工程很多多，如如日本东东京神神田川环环七号号线地下下调节节池工程程，盾盾构直径13.77m，穿越地地层层为洪积积粘土土、砂质质土及及砂砾石石互层层，泥浆浆中加加入分散散剂和和增粘剂剂；日日本东京京湾海海底隧道道，盾盾构直径14.1144m,，穿越的地地层层主要为为粘土土、砂质质土及及砾质土土；上上海崇明明越江江隧道，盾盾构构直径15.4422m，穿越的的地地层主要要为粘粘土、砂砂质土土及砾质质土。所以，本项目在在在泥水中中适当当加入增增粘剂剂之后，泥泥膜膜的形成成完全全没有问问题，泥泥水平衡衡盾构构非常适适合这这样渗透透性强强、水压压力大大的海底底隧道道施工。（3）复合地层层的的掘进复合地层有几种种种情况：①隧道穿越越地地层由几几种土土层组成成，每每层的物物理力力学参数数各不不相同；②断面上部部为为土体，而而下下部为岩岩石；；③部分地段段为为土，部部分地地段为岩岩石。本本文仅研研究第第二种情情况。根根据地勘勘资料料揭示，该该隧隧道中部部盾构构需要穿穿过长长200～30000m左右的全全强强、弱风风化花花岗岩，弱弱风风化花岗岗岩的的单轴抗抗压强强度较高高，超超过100MMpa。对于这这种种情况，目目前前有两种种处理理方法。一一种种方法是是当盾盾构掘进进到稳稳定岩层层时，在在对掘削削面进进行稳定定性加加固之后后，对对盾构刀刀盘上上的刀头头进行行更换，增增加加更有利利于硬硬岩掘进进的滚滚刀。深深圳地地铁一号号线和和广州地地铁三三号线中中遇到到类似的的情况况，采用用更换换刀头的的方法法通过硬硬岩地地层。但但是，深深圳地铁铁隧道道、广州州地铁铁隧道的的盾构构直径只只有6～10m左右，而而本本隧道盾盾构直直径达15m左右，如如此此大断面面的复复合盾构构目前前在世界界上还还没有工工程应应用的先先例。国国内盾构构生产产企业沈沈阳重重工已经经生产产出直径12m左右的复复合合盾构用用于地地铁的建建设。另另一种方方法就就是当盾盾构掘掘进到硬硬岩段段时，盾盾构机机停止掘掘进，随随后采用用钻爆爆法进行行施工工，待隧隧道通通过岩层层地段段后，进进行盾盾构管片片拼装装，最后后继续续采用盾盾构掘掘进。秦秦岭铁铁路隧道道由于于在中部部碰到到强度极极高的的花岗岩岩和片片麻岩后后，掘掘进机掘掘进速速度慢，最最后后也采用用钻爆爆法完成成了中中部70000m左右的隧隧道道掘进。秦秦岭岭铁路隧隧道中中部采用用钻爆爆法开挖挖地段段的岩石石是弱弱、微风风化花花岗岩、片片麻麻岩，埋埋深达达16000m左右，具具备备相当好好的钻钻爆开挖挖条件件，而本本隧道道虽然穿穿越花花岗岩地地层，但但隧道上上半断断面是全全风化化花岗岩岩和渗渗透性极极强的的粗砂层层，渗渗透系数数达到到0.377××l0-4m/s，而且长长度度较短，如如果果采用钻钻爆法法开挖，则则施施工风险险很大大，极易易发生生塌方涌涌水事事故，不不适合合本工程程。（4）孤石的处处理理根据地勘资料，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地层后对对地层层的浸泡泡作用用，致使使掘削削面地层层变的的松软，盾盾构构的刀盘盘掘削削扭矩变变小，泥泥水盾构构的掘掘进速度度较土土压平衡衡盾构构快，更更换刀刀头的频频率较较土压盾盾构低低，从而而减少少了在水水下更更换刀头头时进进行掘削削面加加固的工工程量量，缩短短了工工期。（6）造价由于泥水平衡盾盾盾构需要要购置置庞大的的泥水水处理系系统，所所以盾构构造价价较高。但但从从刀具的的使用用成本来来看，如如果均使使用面面板式刀刀盘的的话，由由于泥泥水盾构构的刀刀具有泥泥水的的润滑和和冷却却作用，土土压压平衡盾盾构消消耗的刀刀具费费用约为为泥水水盾构的的1.5倍。如果果土土压平衡衡盾构构采用辐辐条式式刀盘，则则刀刀具费用用会大大幅度降降低。由由于泥水水盾构构掘进速速度快快，辅助助施工工量小，工工期期短，所所以从从总的工工程造造价上来来看，两两者相差差不大大。4.3.2土压压压平衡盾盾构方方案（1）盾构类型型与与粘土含量量量的关系系本隧道盾构穿越越越的地层层主要要为粗砂砂层，粉粒粒和黏粒的的总量没有有达到40％以上，根根据盾构选选型经验，不不适宜采用用土压平衡衡盾构施工工。如果要要用土压平平衡盾构，则则需要对渣渣土进行改改良。（2）掘削面稳稳定定与土压平平平衡本隧道盾构穿越越越的地层层主要要为粗砂砂层，塑塑性差、内内摩摩擦角大大、渗渗透性强强，如如果采用用土压压平衡盾盾构，则则掘削面面的稳稳定性差差，极极易发生生喷水水现象。（3）复合地层层的的掘进对于本隧道所面面面临的复复合地地层，土土压平平衡盾构构在处处理上所所面临临的问题题与泥泥水平衡衡盾构构的相同同。（4）孤石的处处理理对于较大粒径的的的孤石，可可以以采用辐辐条式式刀盘，采采用用带式螺螺旋输输送机排排出，如如采用Φ1000mmmm带式螺旋旋输输送机可可输送送的最大大粒径径为L72255mm×Φ670mmmm[3]，因因此此即使未未经破破碎的孤孤石也也能通过过带式式螺旋输输送机机排出。（5）掘进速度度由于土压平衡盾盾盾构刀盘盘掘削削扭矩大大，刀刀盘磨损损程度度大，更更换刀刀头频繁繁，掘掘进速度度较泥泥水平衡衡盾构构慢。（6）造价由于土压平衡盾盾盾构不需需要购购置泥水水处理理系统，所所以以设备的的购置置成本较较低。但但土压平平衡盾盾构刀盘盘及刀刀具磨损损程度度大，换换刀频频繁，施施工费费用较高高。5方案比选由于本隧道全长长长49500m，盾构段段长37000m，盾构直直径径为14.88m，穿越渗渗透透性强的的砂层层，根据据工程程规模和和地质质条件，采采用用土压平平衡盾盾构是不不合适适的。从地质条件、水水水文条件件、土土层颗粒粒组成成、掘削削面稳稳定性、复复合合地层处处理、孤孤石处理理、掘掘进速度度、造造价各方方面来来综合考考虑，本本工程采采用泥泥水平衡衡盾构构是合适适的。泥泥水平衡衡盾构构掘削面面稳定定性好、刀刀盘盘的掘削削扭矩矩小，盾盾构掘掘进速度度快，刀刀头磨损损程度度低，适适用于于大直径径、长长距离、高高水水压水底底隧道道的施工工。鉴于本工程的特特特点，如如果采采用盾构构机穿穿越硬岩岩地层层，单纯纯的泥泥水盾构构将不不能胜任任，必必须采用用适合合于岩土土地层层掘进的的大断断面复合合盾构构。但是是，如如此大断断面的的复合盾盾构，目目前世界界上制制造经验验较少少，但根根据国国内外当当前的的建设实实践和和技术水水平，只只要通过过深入入的研究究和必必要的科科学试试验，采采纳国国际先进进技术术和引进进先进进设备，大大直直径复合合盾构构是可以以制造造出来。6复合泥水盾构构构施工典型型工工程由于本项目须采采采用适合合于岩岩土地层层掘进进的大断断面复复合盾构构。下下面介绍绍一些些国内外外采用用复合泥泥水盾盾构施工工的典典型工程程，提提供参考考。（1）广州地铁铁二二号线广州地铁二号线线线南起海海珠区区的琶州州，北北至白云云区的的新市，线线路路全长233.32kiinn。区间隧隧道道衬砌外外径为为6.0m，内内径径为5.4m。隧道主要埋置于于于全风化化～中中风化夹夹杂综综合岩带带、中中风化带带、微微风化带带岩层层中，见见图3.刀盘采用全断面面面滚刀和和标准准割刀组组合布布置的形形式来来开挖岩岩体，既既能开挖挖强度度较大的的微风风化岩层层，又又能适应应强度度较底的的强风风化岩层层的施施工。刀盘切削直径DDD=622100mm，刀刀盘盘转速刀n≤3r／min，推进进速速度v=30mmm／min。图3局部地质质纵断断面Fig3lllocallgeooloogyskkiaggraaph（2）马来西亚亚SSMARTT隧道SMART隧道道道位于马马来西西亚吉隆隆坡市市，为泄泄洪及及公路合合建隧隧道，盾盾构隧隧道全长54000m，盾构机机直直径13.2211m。隧道主主要要穿越区区为强强度较高高的石石灰岩。隧隧道道断面及及盾构构机见图4，地质纵纵断断面见图5。图4SMAAART隧道断面面及及盾构机机Fig4tttunneells