寸萬(wàn)里

摘 要：本文介紹了泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)在廣東西江項(xiàng)目的成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：泥水平衡式盾構(gòu)機(jī);穿越西江;應(yīng)用

水電十四局有限公司中標(biāo)廣東省天然氣管網(wǎng)一期管道項(xiàng)目西江盾構(gòu)隧道工程，該工程工期緊并將穿越西江，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，擬采用一臺(tái)泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)及相應(yīng)后配套設(shè)備進(jìn)行施工，結(jié)合工程特點(diǎn)，可以明確該臺(tái)泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)、能力及運(yùn)行管理將決定該工程的成敗。

一、西江盾構(gòu)隧道工程概況、地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)概況

1、工程概況

西江盾構(gòu)隧道屬于廣州至肇慶干線，是廣東省天然氣管網(wǎng)一期工程的重大控制性工程之一。穿越位于廣東省肇慶市鼎湖區(qū)沙浦鎮(zhèn)和永安鎮(zhèn)境內(nèi)，進(jìn)口端屬于永安鎮(zhèn)貝水鄉(xiāng)貝水村，出口端屬于沙浦鎮(zhèn)典水一鄉(xiāng)東江村。

西江隧道穿越等級(jí)為河流大型穿越工程，穿越段總長(zhǎng)度為2445.6m（其中盾構(gòu)掘進(jìn)段長(zhǎng)度2161.4m，南岸與北岸豎井深度分別為26.9m和18.3m，合計(jì)2206.3m;連接線路段為239m）。西江隧道屬于水下圓形斷面單管盾構(gòu)隧道;采用泥水加壓盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)，襯砌管片內(nèi)徑為Ф3.08m，外徑Ф3.58m（盾構(gòu)機(jī)刀盤Ф3.86m）。隧道內(nèi)敷設(shè)管徑為Φ914mm材質(zhì)為X70直縫埋弧鋼管，管道設(shè)計(jì)壓力為9.2MPa，采用3層PE加強(qiáng)級(jí)防腐。西江盾構(gòu)隧道始發(fā)井直徑為12.5m，接收井直徑為10.0m。管道從南岸始發(fā)井開始以3.0%的下向坡度前進(jìn)736.65m到達(dá)水平段，然后經(jīng)過(guò)558.73m的水平段后進(jìn)行變坡，沿坡度為3.0%的上向坡前進(jìn)865.99m后到達(dá)盾構(gòu)接收井;盾構(gòu)始發(fā)和接收工作井均采用圓形截面豎井方式。

2、地層巖性

隧址區(qū)第四紀(jì)地層分布廣泛，主要有人工填土、耕植層，第四系全新統(tǒng)殘坡積層、沖積層以及第四系上更新統(tǒng)沖積層。隧址區(qū)及其附近地區(qū)基巖地層主要為第三系莘莊村組（EX）和侏羅系桂頭群J 1-2。

3、特殊性巖土體和放射性礦（氣）體

隧址區(qū)揭露地層中發(fā)育的特殊性巖土為軟土，主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（局部淤泥），由于軟土具含水量高、孔隙比大、壓縮性高、欠固結(jié)、承載力低、易蠕變、觸變等特點(diǎn)，對(duì)穿越有影響的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在施工中采取相應(yīng)的處理措施。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)普查資料和相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)資料，隧道穿越地層無(wú)特殊性巖土體，不含放射性礦體和有害礦（氣）體。

4、隧道穿越巖土體

隧道圍巖洞口段為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層及強(qiáng)-中等風(fēng)化泥巖（礫巖）外，隧道洞身穿越的主要巖層為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、細(xì)砂（局部為圓礫）及第三系紫紅色泥巖（夾礫巖）。揭露的基巖強(qiáng)風(fēng)化層層底標(biāo)高：-58.35～-13.91m，揭露厚度：2.60～25.10m。中等風(fēng)化層層底標(biāo)高：-64.75～-16.25m;揭露厚度：2.10～17.00m。

5、隧道設(shè)計(jì)概況

5.1 設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

5.1.1盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為Ф3.08m;

5.1.2結(jié)構(gòu)按VII度抗震設(shè)防烈度驗(yàn)算;

5.1.3區(qū)間防水按二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)考慮，盾構(gòu)法裝配式鋼筋砼管片的抗?jié)B等級(jí)不小于1.2MPa;

5.1.4結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)：不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)≮1.05，考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)≮1.15。

5.2 最小轉(zhuǎn)彎半徑：500m

5.3 最大坡度：3%

5.4 盾構(gòu)隧道鋼筋砼管片

5.4.1管片環(huán)設(shè)計(jì)為5+1模式，采用鋼筋混凝土管片現(xiàn)場(chǎng)拼裝，分為6塊，一塊封頂塊、2塊相鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。采用C50鋼筋砼預(yù)制，寬度1200mm，厚度250mm。管片間采用螺栓連接，環(huán)向每個(gè)接縫有2個(gè)螺栓，共12個(gè)，縱向共設(shè)16個(gè)螺栓。管片環(huán)寬為1.2m。管片環(huán)與環(huán)之間采用錯(cuò)縫拼裝方式，管片端采用平面式，管片環(huán)縫設(shè)置榫槽，縱縫不設(shè)置榫槽。

5.4.2隧道埋深：最大埋深31m，最小埋深19m，

5.4.3管片整環(huán)拼裝的允許誤差：相鄰環(huán)的環(huán)面間隙：0.6～0.8mm;縱縫相鄰塊間隙：1.5～2.5mm;縱向螺栓孔孔徑、孔位：±1.0mm;襯砌外徑：±3.0mm。

二、泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)的選購(gòu)

現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)集液壓、機(jī)電控制、測(cè)控、計(jì)算機(jī)、材料等各類技術(shù)于一體，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品。盾構(gòu)機(jī)的機(jī)型種類很多，而目前作為主流技術(shù)的主要有泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)、TMB掘進(jìn)機(jī)和微型盾構(gòu)機(jī)等。泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)由盾體、開挖機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、送排泥漿機(jī)構(gòu)、拼裝機(jī)構(gòu)及附屬裝置組成;是目前各種盾構(gòu)機(jī)中最復(fù)雜、相同開挖尺寸條件下價(jià)格較高的一種。它適用范圍較大，主要用于復(fù)雜地質(zhì)條件，多用于含水率高的軟弱土質(zhì)中，是一種低沉降、較安全的施工機(jī)械，對(duì)穩(wěn)定的地層優(yōu)點(diǎn)尤為明顯，其工作效率較高，但隨著土砂百分比的增加，會(huì)出現(xiàn)泥水分離難度增大。

由于泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)組織系統(tǒng)復(fù)雜，單機(jī)價(jià)格昂貴，采購(gòu)選型工作至關(guān)重要，中國(guó)電力建設(shè)股份公司對(duì)此極其重視，由股份公司設(shè)備物資采購(gòu)中心組織進(jìn)行集中采購(gòu)招標(biāo)，采用邀請(qǐng)招標(biāo)方式。在評(píng)標(biāo)過(guò)程中采取聘請(qǐng)多名資深專家參與標(biāo)書評(píng)審，并進(jìn)行封閉評(píng)標(biāo)，四家投標(biāo)廠商中的廣州海瑞克隧道機(jī)械有限公司所提供的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)同比泥漿系統(tǒng)流量最大、配置合理，盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)均為歐洲生產(chǎn)，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性能得以保證;并且該公司在國(guó)內(nèi)的業(yè)績(jī)豐富，所制造的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)取得過(guò)驕人的成績(jī)，如已經(jīng)建成的上海長(zhǎng)江隧道使用海瑞克公司提供的兩臺(tái)直徑為 15.43 米的世界上直徑最大的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)，這兩個(gè)分別重2300噸和長(zhǎng)125米的“巨人”在水下65米深處成功穿越長(zhǎng)江;其次南京長(zhǎng)江隧道最低點(diǎn)水土壓力高達(dá)0.65兆帕，居世界同類隧道之最，隧道在江底穿越淤泥、粉細(xì)砂、礫砂、卵石和風(fēng)化巖等，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，也是采用兩臺(tái)直徑14.93米的海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)完成盾構(gòu)穿越工程?？紤]到廣東地區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的可靠性和安全性要求較高，評(píng)標(biāo)委員會(huì)一致推薦選購(gòu)廣州海瑞克隧道機(jī)械有限公司的泥水平衡式盾構(gòu)機(jī);通過(guò)多輪次采購(gòu)合同商談，最終水電十四局有限公司以3980萬(wàn)元價(jià)格采購(gòu)了一臺(tái)海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)。

三、所購(gòu)泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和配置

1、刀盤焊接防磨保護(hù)層，并配備耐磨刀具，刀盤開口率≥25%;具有可靠、靈敏的壓力平衡調(diào)節(jié)能力，穿越復(fù)雜地質(zhì)時(shí)，可通過(guò)注入膨潤(rùn)土或其它漿液等手段，控制地表隆陷值不超過(guò)±10mm。

2、刀盤主驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，裝機(jī)功率：400kw，轉(zhuǎn)速范圍：0 -3.4rpm，最大掘進(jìn)速度不低于80mm/min。

3、刀盤主軸承、大齒圈傳動(dòng)裝置及減速器和主軸承密封使用壽命滿足在最大推力下不小于10000h，主軸承密封系統(tǒng)最大壓力：6bar。

4、管片安裝機(jī)為中心回轉(zhuǎn)機(jī)械抓取式，符合CEN 標(biāo)準(zhǔn)，具有6個(gè)自由度，每環(huán)拼裝時(shí)間不大于30min。

5、盾尾配置4排密封刷，布設(shè)4路同步注漿管路。

6、同步注漿系統(tǒng)具有可靠的防堵塞性能和處理措施，具有自動(dòng)控制注漿壓力和漿液排量的能力。

7、配置有一臺(tái)巖石破碎機(jī)，破碎最大粒徑為540mm，最大破碎硬度為160Mpa。

8、泥漿系統(tǒng)最大泥水量：400m3/h，進(jìn)排泥漿管徑：DN200。

9、電器設(shè)備要求防水、防潮、防塵、防震，防護(hù)等級(jí)不低于IP55，所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)防護(hù)等級(jí)不低于IP55。

10、測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)的精度等級(jí)不低于2秒，有效工作距離不小于200m。

四、后配套設(shè)備配置

泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)施工同時(shí)需有相匹配的泥水處理等配套設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，后配套設(shè)備配置有1套ZX-550泥水處理及制漿系統(tǒng)、1臺(tái)MG16/5t×20m×6+29m-A5雙主梁門式起重機(jī)、2輛JXK14-7/192電機(jī)車、2輛3m3砂漿車、4輛10t管片車及2臺(tái)KGCA100-300V充電機(jī)，總價(jià)為401.70萬(wàn)元。

五、泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)穿越西江施工

穿越河流是當(dāng)今盾構(gòu)施工的高端技術(shù)，如能順勢(shì)而為，試機(jī)切入將占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)而取得該領(lǐng)域的入場(chǎng)券，有利于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，拓寬經(jīng)營(yíng)范圍，對(duì)企業(yè)發(fā)展具有重要意義，水電十四局有限公司對(duì)此極其重視，采取由下屬設(shè)備租賃中心組建專業(yè)化隊(duì)伍負(fù)責(zé)盾構(gòu)施工（泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)安裝、掘進(jìn)、運(yùn)行維護(hù)、拆除）。盾構(gòu)施工部大膽利用他們?cè)谔旖虻罔F取得的“半環(huán)始發(fā)”經(jīng)驗(yàn)，用現(xiàn)成的兩塊鋼筋混凝土管片作為負(fù)環(huán)管片，利用盾構(gòu)機(jī)自身的千斤頂推動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)了始發(fā)，既節(jié)約了成本，又為類似施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

西江江底地層復(fù)雜，刀盤粘附泥土和刀具磨損是影響盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)的兩大難題。在強(qiáng)風(fēng)化巖和粘土地層的掘進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)了刀盤面和土倉(cāng)內(nèi)壁附著泥餅的情況，而堅(jiān)硬的泥餅會(huì)把刀盤開口堵塞，還加重了刀具負(fù)荷，使掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)變化，大大降低了工作效率。此外，刀盤泥餅與土艙中隔板的長(zhǎng)時(shí)間摩擦，會(huì)導(dǎo)致中隔板等位置的溫度快速升高，從而引起回轉(zhuǎn)中心橡膠密封件性能下降。為解決這些難題，首先采取打開艙門人工清除泥餅的方式來(lái)處理，但因艙內(nèi)作業(yè)不僅有很大風(fēng)險(xiǎn)，并且作業(yè)極為艱難，通過(guò)咨詢和摸索，采用降低泥漿比重并添加工業(yè)洗衣粉，同時(shí)在刀盤上安裝泥漿噴嘴的辦法，最終有效地解決了刀盤結(jié)泥餅的問(wèn)題，提高了掘進(jìn)速度，確保了盾構(gòu)順利通過(guò)粘土層。

為防止盾構(gòu)設(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中偏沉，在拖車底部加裝安全定位輪;給電瓶機(jī)車增設(shè)自動(dòng)剎車系統(tǒng)和視頻監(jiān)控顯示器，使運(yùn)輸行駛更安全;在泥漿管路上安裝安全閥，解決了因盾構(gòu)機(jī)泥漿泵意外停機(jī)所形成高壓沖擊而導(dǎo)致漿管斷裂的難題;給滾刀增加敷焊耐磨層，延長(zhǎng)了刀具在復(fù)雜地質(zhì)中的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本;共約五公里多的DN200進(jìn)排泥漿鋼管全部采用凸緣加密封膠圈及抱箍進(jìn)行連接安裝使用，對(duì)比用法蘭連接方式，節(jié)約了大量的安裝時(shí)間及輔助材料費(fèi)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)使用效果。

在泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)出洞前，根據(jù)接收井的地質(zhì)條件，采用高壓旋噴樁，對(duì)接收井外圍沿隧道軸線方向進(jìn)行了16.5米的土體加固，減小了滲水壓力和延長(zhǎng)了滲水通道，大大降低了接收風(fēng)險(xiǎn)。

在所有施工人員的努力下，取得月掘進(jìn)高峰強(qiáng)度達(dá)到368.4米（307環(huán)）、日掘進(jìn)高峰強(qiáng)度達(dá)到26.4米（22環(huán)）的好成績(jī)。過(guò)程中該臺(tái)海瑞克泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)機(jī)況一直保持良好，未出現(xiàn)大的故障，最終歷經(jīng)345個(gè)日夜，盾構(gòu)機(jī)成功穿越西江從北岸精準(zhǔn)破壁而出，成型隧道軸線最大偏離僅為2.6厘米遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范值，安全順利完成2160.6米長(zhǎng)的穿越西江掘進(jìn)任務(wù)。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文選取廣東西江項(xiàng)目應(yīng)用泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)成功穿越西江的經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明了如何結(jié)合項(xiàng)目的地質(zhì)情況、工程特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的合理選型、確定主要參數(shù)及后配套設(shè)備配置，介紹了泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用中所需的一些技術(shù)措施及方法。同時(shí)也為建筑施工企業(yè)在同類型項(xiàng)目施工時(shí)，提供一些有益的借鑒和幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]王振信;盾構(gòu)法隧道的耐久性[J];地下工程與隧道;2002年02期

[2]李鴻威，劉樹亞;地鐵工程中盾構(gòu)法隧道的質(zhì)量缺陷和改進(jìn)辦法[J];西部探礦工程;2003年12期