大埋深长距离输水隧洞工程的盾构机选型

刘海波

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

新疆某长距离输水隧洞SS段后段地质条件复杂，分布着极软岩、中强膨胀性岩体、冲洪积覆盖层、含水富水层等多种复杂地层和不良地质条件，平均埋深71 m。采用钻爆法及盾构法施工均可行，考虑施工工期及安全风险等方面因素，最终确定采用3台盾构机结合钻爆法施工，其中盾构段长19 km。由于该段地质条件复杂，且埋深大、距离长，国内无类似已建或在建工程，为保证隧洞施工的可靠性，盾构机选型至关重要。

1 工程地质

1.1 盾构1段

1.1.1 桩号72+400—77+362段

该段沿线为山前冲洪积平原区，地形平坦。洞身段穿过岩性以白垩土黄—红黄色砂岩为主，局部夹砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂砾岩，属极软岩。地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间微承压水，水位高于隧洞顶部37.7～71.3 m，对混凝土具有强腐蚀性。

隧洞上覆岩体厚63～75 m，洞身处在新鲜厚层状岩体内。围岩天然含水率16.0%～25.0%，饱和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，饱和密度2.10～2.39 g/cm3，渗透系数6.24×10-4cm/s，属中等透水层。泥岩的自由膨胀率一般为83%～98%，属中—强膨胀岩，自稳能力较差，易产生塑性变形。

1.1.2 桩号77+362—78+300段

该段沿线为山前冲洪积平原区，地形平坦。洞身段穿过岩性以白垩土黄—红黄色砂岩为主，局部夹砂岩、泥质砂砾岩，属极软岩。地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间微承压水，对混凝土具有腐蚀性。

隧洞上覆岩体厚66 m，洞身处在新鲜厚层状岩体内。围岩大多较完整，为Ⅴ类围岩。天然含水率16.0%～25.0%，饱和含水率19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33 g/cm3，干密度1.80～2.20 g/cm3，饱和密度2.10～2.39 g/cm3，渗透系数6.24×10-4cm/s，属中等透水层。泥岩的自由膨胀率一般为83%～98%，属中—强膨胀岩，自稳能力较差，易产生塑性变形。

1.2 盾构2段

1.2.1 桩号78+400—79+208段

该段工程地质与桩号77+362—78+300段相同。

1.2.2 桩号79+208—82+735段

该段沿线为山前冲洪积平原区，地形平坦。隧洞上覆岩体厚61～64 m，洞身段穿过的岩性以新近系红色、灰色砂岩为主，局部夹泥岩、泥质砂岩，属极软岩。砂岩呈巨厚层状，泥岩、泥质砂岩呈中厚层状。岩层总体产状300°NE∠3°，与洞轴线夹角42°。除桩号66+015.307处附近发育F92活动断层（纸房断裂）外，其他地段断层及节理裂隙不发育。地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间微承压水，水位高于隧洞顶部41.2～60.3 m，对混凝土具有硫酸盐型强腐蚀性，对结构中的钢筋及钢结构具有中等腐蚀性。

洞身附近围岩天然含水率10.0%～17.0%，饱和含水率14.3%～19.7%，天然密度2.05～2.15 g/cm3，干密度1.85～1.94 g/cm3，饱和密度2.15～2.23 g/cm3，渗透系数6.24×10-4cm/s，属中等透水层。泥岩的自由膨胀率一般为40%～67%，属弱膨胀岩。洞段自稳能力较差，易产生塑性变形，建议在开挖中采取短进尺、强支护、快衬砌方法施工。F92断层断裂活动对围岩一般不会产生突发性大的剪切破坏，主要产生变形破坏，建议采取抗变形措施。

1.2.3 桩号82+735—84+500段

该段沿线为山前冲洪积平原区，地形平坦。地表分布第四系上更新统—全新统洪积含砾粉土层，一般厚2.0～78 m。洞身段穿过的岩性以新近系红色、灰色泥岩为主，局部夹泥质砂岩，属极软岩。砂岩呈巨厚层状，泥岩、泥质砂岩呈中厚层状，岩层总体产状300°NE∠3°，与洞轴线夹角42°。断层及节理裂隙不发育，地下水均为碎屑岩类孔隙裂隙水，属于层间微承压水，含水层岩性为泥质砂岩，水位高于隧洞顶部54.7～60.9 m，对混凝土具有硫酸盐型强腐蚀性，对钢筋及钢结构具有中等腐蚀性。

隧洞上覆岩体厚63～76 m，洞身处在新鲜厚层状岩体内。围岩属极软岩，大多较完整，为Ⅴ类围岩。围岩泥岩的天然含水率17.0%～22.4%，饱和含水率19.7%～25.0%，天然密度2.03～2.11 g/cm3，干密度1.65～1.77 g/cm3，饱和密度2.07～2.12 g/cm3。泥岩的自由膨胀率一般为45%～70%，属弱膨胀岩。自稳能力较差，易产生塑性变形。

1.3 盾构3-1段

该段沿线为山前冲洪积扇区，地势由北向南倾斜。隧洞上覆岩土厚度30～65 m，洞身段穿过岩性分别为：桩号103+184.708—103+494段处于新近系泥质砂砾岩内，属Ⅴ类围岩；103+494—105+263段处于第四系上更新统—全新统洪积（Q3+4pl）含土角砾夹含砾黏土质砂层内，属Ⅴ类围岩；105+263—105+471段处于下石炭统凝灰质砂岩内，属Ⅲ类围岩；105+471—105+555段处于新近系泥质砂砾岩内，属Ⅴ类围岩。新近系泥质砂砾岩属于极软岩，节理裂隙不发育。含土角砾层最大粒径＜60 mm，角砾含量占50%～60%，土占10%～15%，干密度2.0～2.05 g/cm3，相对密度0.85，结构密实，渗透系数6.2×10-2cm/s，属强透水层。下石炭统凝灰质砂岩夹凝灰质粉砂岩和凝灰角砾岩，岩体主要呈巨厚层状，属坚硬岩，与洞轴线夹角约50°，石英含量一般＜5%。地下水均为松散类孔隙潜水，水位埋深一般12～45 m，水位高于隧洞顶部11～20 m，对混凝土具有硫酸盐型强腐蚀性，对钢筋及钢结构具有中等腐蚀性。自稳能力较差，易产生塑性变形和突水、突泥现象。

1.4 盾构3-2段

1.4.1 桩号85+500—89+273段

该段工程地质与桩号82+735—84+500段相同。

1.4.2 桩号89+273—90+480段

该段沿线为山前冲洪积扇区，地势由北向南倾斜。隧洞上覆盖层厚86～112 m，洞身段穿过的岩性均为第四系上更新统洪积含碎石黏土层。碎石粒径＜40 mm，含量占35%～40%，砂与土各占30%左右，密实，未胶结，干密度1.90 g/cm3，饱和密度2.10 g/cm3，渗透系数2.54×10-2cm/s，属强透水层。地下水均为松散类孔隙潜水，水位高于隧洞顶部57～59 m，对混凝土具有硫酸盐型强腐蚀性，对钢筋及钢结构具有中等腐蚀性。围岩属极软岩，为Ⅴ类围岩，自稳能力较差，易产生塑性变形和突水、突泥现象。

2 盾构机选型因素

不同类型盾构机其适用的地质范围各不相同。因此，应根据地质条件，选择与之相适应的盾构机类型。该SS段后半段输水隧洞盾构区间穿越极软地层，围岩具有不稳定性，使用的盾构机类型为密闭型的土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机。

2.1 土压平衡盾构机

该类型盾构机优点有：①工程成本低：本身造价相对泥水盾构机价格低，且无需复杂的泥水处理系统，占地面积小、设备投入少、成本低；②出土效率高：盾构机只是对渣土性能的改良，不存在泥装分离处理工序，排土效率高；③适用地层范围宽：目前土压平衡盾构机对所有地层均适用。

该类型盾构机存在缺点有：①掘削扭矩大：改良土体时所添加材料的相对密度比土层的要大，对地层的浸渗作用小，刀盘的掘削摩阻力增大即刀盘扭矩大，导致盾构机的装备扭矩大、功耗大；②地层沉降变化大：相对于泥水平衡盾构机来说，对周围地层的扰动较大；③直径不宜过大，否则会对地层变形影响加剧，目前最大仅为11 m。

2.2 泥水平衡盾构机

该类型盾构机优点有：①对地层的扰动小：其原理是利用泥水压对抗开挖面的水压、土压，同时泥浆在开挖面处渗入地层并形成不透水泥膜，刀盘对地层的扰动小，开挖后需注浆加固的部位少且注浆量小，有利于控制成本，减少环境污染；②适用于特殊的高地下水压：在江底、河底、海底隧道施工中，可通过选用面板型刀盘来增加开挖面的稳定性，另外盾构机的泥水压力与地下水压形成相互平衡，开挖面稳定性可靠；③适于大直径化：泥水浸泡使掘削地层存在不同程度的松软，开挖时的刀盘切削扭矩小，同样扭矩驱动设备条件下，泥水平衡盾构机的直径要比土压平衡盾构机大；④掘进中盾壳摆动小：由于地层受到浸泡作用，刀盘所受的切削阻力小，盾构机的姿态容易控制，水平、竖直摆动较小；⑤适用地层范围广：适用的土质从软黏土层、滞水细砂层、砂砾层一直到漂砾层，甚至包括固结游泥层及含甲烷气体的特殊地层等，最适于在洪积层砂性土中施工。

2.3 盾构机选型的主要方法

盾构机选型除对土质条件、地下水进行勘察外，还应对占地环境做充分勘察，依据有：①工程地质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）；②开挖面稳定措施；③隧道埋深、地下水位；④设计隧道断面；⑤环境条件（附近管线和建筑物及其结构特性）；⑥衬砌类型；⑦工期；⑧造价；⑨宜用的辅助工法；⑩设计路线、线形、坡度、电气及其他设备条件。

基于以上依据，盾构机选型的主要方法为：①根据地层渗透系数：该段地层多为泥岩和泥质砂岩，宜优先选用土压平衡盾构机。②根据地层颗粒级配：黏土、淤泥质土区适用土压平衡盾构机，砾石粗砂区适用泥水平衡盾构机，粗砂、细砂区适用泥水及改良后的土压平衡盾构机。③根据地层类别：土压平衡盾构机的工作原理是在开挖掘进时，刀盘切削的渣土进入土仓后经螺旋输送机输出，因为螺旋输送机渣土出口为斜起向上一定角度，渣土在螺旋输送机内会形成压力递降而保持土仓压力稳定，其主要适用于流塑性较好的土层中施工，易使开挖面土层处于稳定。泥水平衡盾构机工作原理是采用泥浆作为支护材料，利用循环泥浆将开挖的渣土颗粒悬浮并输送至泥水室内，再通过处理设备将泥水和渣土分离；在开挖面上形成不透水的泥膜，保持水压力，以平衡土压力和水压力。一般而言，泥水平衡盾构机适合切削渣土颗粒比较大的地层。

3 各段盾构机选型

3.1 盾构1段

从地层渗透系数考虑，围岩属中等透水层，渗透系数接近10-7m/s，适用土压平衡盾构机。隧道施工中仅有渗水、线状流水现象，最大涌水量仅924 m3/h，水量不大，且可使开挖面土体流塑性增大，减小盾构机壳体与地层间的摩阻，有利于盾构机掘进。

从洞身岩性角度考虑，洞身穿越岩性以砂岩、泥岩为主，细颗粒含量较多，渣土较易形成不透水的流塑体，易充满土舱，从而建立平衡压力，较适宜采用土压平衡盾构机。

从地下水压力角度考虑，泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机对地下承压水的适应能力基本相当。对于后者而言，当水压大时，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在输送机排土阀门处易发生水土喷涌，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌；需在螺旋输送机出口处安装保压泵，同时还可采用多级螺旋输送机出土，降低出口处水压力。在高地下水压、细泥沙、中粗沙和砾石层地层中掘进时，可在螺旋输送机上布置注浆孔，注入聚合物与渣土混合，形成不透水的混合渣体，控制渣土安全排出。该段最大孔隙裂隙水压为0.43 MPa，而土压平衡盾构机能够承受的水压可以达到0.6 MPa。因此，泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机均适用。

从环境保护角度考虑，土压平衡盾构机掘进渣土可直接弃渣，施工场地小，对周围环境影响小；而泥水平衡盾构机需要在地面占用较多的场地来布置泥水处理系统，同时还要布置废浆弃置场地，会造成很大的环境污染。

从工程成本角度考虑，泥水平衡盾构机泥水分离及泥浆输送系统管理复杂、造价高、耗电量大、运行费用高，成本高于土压平衡盾构机。

综合以上几点，盾构1段适合采用土压平衡盾构机。

3.2 盾构2段

该段与盾构1段工程地质和水文地质类似，围岩为中等透水层，隧道施工中仅有渗水、线状流水现象，最大涌水量为1 961 m3/h；洞身岩性以砂岩、泥岩为主；最大孔隙裂隙水压为0.36 MPa。选型分析类似盾构1段，亦适合采用土压平衡盾构机。

3.3 盾构3-1段

从地层渗透系数考虑，围岩为强透水层，渗透系数6.2×10-5m/s，泥水、土压平衡盾构机均适用。隧道施工有渗水、线状流水和涌水、涌泥现象，最大涌水量达到2 087 m3/h，水量很大，使用土压平衡盾构机时应注意防喷涌措施。

从洞身岩性角度考虑，该段穿越地层岩性主要为泥质砂砾岩、含土角砾夹含砾黏土质砂层、凝灰质砂岩，含土角砾层，最大粒径＜60mm，角砾含量占50%～60%，颗粒粒径较大，适宜采用泥水平衡盾构机。但根据国内外工程实例，通过渣土改良等技术，土压平衡盾构机在大粒径卵石土地层中亦有良好适应性。因此，土压、泥水平衡盾构机均适用。

从地下水压力角度考虑，该段最大孔隙裂隙水压为0.18 MPa，两者均适用。

综合以上分析，该段土压及泥水平衡盾构机均适用。考虑到环保和工程成本，更适宜采用土压平衡盾构机，且考虑到可能出现的喷涌问题，应选用加泥式土压平衡盾构机。

3.4 盾构3-2段

该盾构段地质条件变化较大，分两段讨论。

3.4.1 桩号85+500—89+273段

根据地勘报告，该段地质条件与盾构2段桩号82+735—84+500段相同，较适合采用土压平衡盾构机。

3.4.2 桩号89+273—90+480段

从地层渗透系数考虑，围岩属强透水层，渗透系数2.54×10-5m/s，泥水、土压平衡盾构机均适用。隧道施工中有渗水、线状流水和涌水、涌泥现象，最大涌水量约2 390 m3/h，水量很大，使用土压平衡盾构机时应注意防喷涌措施。

从洞身岩性角度考虑，该段洞身穿越岩性为含碎石黏土层，地层中颗粒粒径不大，渣土能形成不透水的流塑体，易充满土舱，建立压力平衡。若采用泥水平衡盾构机，需在地面布置泥水分离和调浆制浆装置和沉淀池，易造成环境污染问题，因此较适宜选用土压平衡盾构机。

从地下水压力角度考虑，该盾构段最大孔隙裂隙水压为0.47 MPa，泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机均能适应。

综合以上分析，盾构3-2段适合采用土压平衡盾构机，考虑到可能出现的喷涌问题，应选用加泥式土压平衡盾构机。

4 结语

盾构机选型需要考虑的因素较多，针对工程特点，应先从主要因素进行分析对比，其中地层的渗透系数、穿越地层的岩性、地下水等影响较大，再结合现场占地环境等其他因素综合考虑，最终确定盾构机选型。