侯凱文， 王 崇， 江 杰, 3, 4,*， 楊鋼鋒， 歐孝奪, 3， 唐迎春

(1. 廣西大學土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004； 2. 中建交通建設集團有限公司， 北京 100142；3. 廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 4. 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004； 5. 廣西財經(jīng)學院， 廣西 南寧 530004)

南寧地鐵2號線盾構選型設計與適應性分析

侯凱文1， 王 崇2， 江 杰1, 3, 4,*， 楊鋼鋒2， 歐孝奪1, 3， 唐迎春5

(1. 廣西大學土木建筑工程學院， 廣西 南寧 530004； 2. 中建交通建設集團有限公司， 北京 100142；3. 廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 4. 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004； 5. 廣西財經(jīng)學院， 廣西 南寧 530004)

盾構的選型與設計對地鐵區(qū)間盾構施工具有重要意義，其選型的合適與否直接影響到盾構施工的成敗。針對南寧地鐵2號線所遇到的黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結合的特殊復雜地質條件，提出盾構選型總體要求，開展對盾構動力設備、刀盤、刀具等關鍵部位的選型研究，同時優(yōu)化防泥餅、螺旋輸送機、小傾角皮帶機和同步注漿設計方案以及地質加固方案。通過實際掘進參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)分析，結果表明盾構設備選型及優(yōu)化設計方案對南寧地區(qū)特殊復雜地質條件適應性良好。

南寧地鐵； 盾構選型； 巖溶地層； 硬巖層； 砂礫層； 上軟下硬地層

0 引言

地質條件和盾構設備對地鐵盾構施工的成敗起著決定性作用，2個因素既相輔相成又相互制約。在盾構設備的選型上，最關鍵的一個因素就是地質條件。由于城市地下空間的工程及水文地質情況的復雜性和不確定性，盾構設備的選型及適應性就顯得尤為重要[1-3]。

國內許多學者就地鐵隧道的盾構選型問題開展了相關研究。劉金祥等[4]對西安地鐵砂性土層標貫基數(shù)大于45時盾構選型應注意的問題進行了研究，并提出相應的建議；楊曉華[5]結合蘭州地區(qū)的工程及水文地質情況，對砂卵石地層中雙洞地鐵隧道的盾構選型進行了研究；郭彩霞等[6]針對北京地區(qū)無水大粒徑卵礫漂石地層，對盾構刀盤刀具、螺旋輸送系統(tǒng)等關鍵設備進行了適應性研究和優(yōu)化改造；譚順輝[7]結合地鐵盾構在深圳地區(qū)復合地層施工中的重難點問題，針對性地對盾構刀盤結泥餅、盾構被卡以及刀具磨損等問題提出了設計改造方法；曹智等[8]對成都富水砂卵石地層的盾構設計選型進行了優(yōu)化研究，與國外盾構對比后得出“中鐵盾構”具有更強適用性的結論； 文獻[9-13]分別針對各地區(qū)典型地層的盾構選型和設計進行了研究，并取得了一定成果。但目前針對由巖溶地層、上軟下硬地層等多種地層結合而成的特殊復雜地層的盾構選型還沒有進行過研究。南寧地鐵2號線穿越黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結合的復雜地層，同時南寧地鐵工程尚處于起步階段。因此，有必要針對南寧地鐵2號線穿越的特殊復雜地層進行盾構選型分析并提供選型參考依據(jù)。

本文結合南寧地鐵2號線穿越特殊復雜地層的區(qū)間實際工程情況，針對盾構施工過程中可能遇到的重難點問題，從盾構的動力配置、刀盤刀具、防泥餅設計、螺旋輸送機、皮帶機、同步注漿及地質加固等方面進行選型優(yōu)化研究，并基于后期盾構掘進參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)對盾構選型結果進行適應性分析。

1 工程地質概況

南寧地鐵2號線玉洞站—金象站區(qū)間(以下簡稱玉金區(qū)間)隧道全長926.325 m。隧道埋深9.28～12.42 m，地下水位為1.80～7.90 m。

根據(jù)工程勘察資料，本區(qū)間隧道穿越的主要地層有硬塑狀粉質黏土地層、殘積土及泥巖地層、全斷面風化巖地層、上軟下硬地層以及巖溶地層，其中上軟下硬地層主要指上部為粉質黏土層、下部為硬巖層(主要包含硅質巖和灰?guī)r層)。區(qū)間隧道地質剖面如圖1所示。

(a) 隧道左線

(b) 隧道右線

圖1 區(qū)間隧道地質縱剖面圖

Fig. 1 Geological profiles of tunnel

隧道盾構施工重難點主要有以下幾方面。

1)硬塑狀粉質黏土地層。該層平均厚度為9.04 m，且分布廣泛；土層壓縮系數(shù)為0.17 MPa-1，屬中等壓縮性土。當盾構穿越該地層時，刀盤轉矩增大且渣土改良困難，切削下來的塊狀渣土可能會導致螺旋輸送機出渣不連續(xù)。

2)殘積土及全風化、強風化泥巖地層。當遇到黏粒含量大、渣土改良效果不佳時，刀盤面板可能會產(chǎn)生結泥餅現(xiàn)象。

3)全斷面風化巖地層。該地層中巖石的單軸抗壓強度較大，尤其是中風化灰?guī)r，其單軸抗壓強度達到60 MPa。盾構施工難點主要有： ①對刀具磨損的作用較大；②巖石較破碎情況下，刀具將承受較大沖擊載荷，造成刀盤振動大； ③邊刀磨損較嚴重且未進行更換時會造成盾構卡盾； ④地層給盾體提供的摩擦力小，盾構主機滾轉的趨勢加大； ⑤刀盤底部的渣土塊會對刀盤和刀具造成二次磨損，且其作用不斷增強。

4)上軟下硬地層。盾構施工難點主要有： ①刀具在軟硬交界面承受沖擊載荷，會造成刀具的異常損壞或松動； ②易發(fā)生地表沉降，當?shù)毒咂茙r效率低、掘進速度過慢時，刀盤中上部的軟土層擾動時間相對較長，特別是當土艙壓力不足時，易發(fā)生超挖及地表沉降； ③軟硬不均地層條件下，刀盤承受偏載，主軸承的受力條件差，需嚴格控制推進力。

5)巖溶地層。根據(jù)巖溶專項勘察資料可知，本區(qū)間鉆孔遇洞率為55.6%，屬巖溶強烈發(fā)育地區(qū)，溶洞發(fā)育統(tǒng)計如表1所示。該區(qū)間的可溶巖主要是灰?guī)r，屬碳酸鹽類可溶巖。場地灰?guī)r為中厚層狀構造，巖質堅硬，巖體破碎—較完整；巖芯大部分呈短柱狀，少量呈碎塊狀，巖體局部可見溶蝕裂隙或蜂窩狀溶孔發(fā)育。盾構在掘進時容易發(fā)生“栽頭”“陷落”等事故，并且對地表沉降有較大影響[14]。同時，本區(qū)間地下水豐富，具有承壓性，且均位于隧道頂部以上，施工中存在涌水、涌泥的風險。

表1 溶洞發(fā)育統(tǒng)計

2 盾構選型重難點分析

在盾構選型時，針對本區(qū)間盾構施工的重難點問題考慮盾構相關性能和參數(shù)。

1)針對渣土改良困難及結泥餅的問題，應在刀盤上設置渣土改良噴嘴，用于對刀盤中心及各個容易結泥餅部位的沖洗和清理。這樣既可以防止渣土在刀盤中心區(qū)域堆積，又起到有效保護刀具的作用。土艙內配置渣土改良注入口，保證渣土從被刀盤切削下來直到排出整個過程的改良效果，并且有效降低和防止螺旋輸送機卡死情況的發(fā)生。

2)針對風化砂巖灰?guī)r類地層，其巖石的單軸抗壓強度較大，對刀具磨損的作用較大，邊刀磨損較嚴重且可能造成盾構卡盾，所以必須增強刀盤的強度和耐磨性，并提供超大驅動功率。

3)針對混合類復雜地層，由于各地層軟硬不均、強度差異明顯，適當增大刀盤開口率以適應不同地層。設計開口率較小時，可以考慮添加減摩材料，保證出土量。

4)針對地層含大量破碎巖層及透水性強的巖層且在富水條件下容易產(chǎn)生噴涌的問題，螺旋輸送機設計為防噴涌形式。

5)當盾構穿越巖溶段時，應優(yōu)化地質加固方案，尤其應注重超前地質注漿加固效果，著重控制地表和隧道沉降，盡量防止破壞溶洞。

3 盾構關鍵部位選型及設計

本區(qū)間隧道左、右線分別采用中鐵裝備207#和208#土壓平衡盾構，型號均為CTE6250，盾構開挖直徑為6.28 m，主機和整機的總長分別為8.389 m和80 m，總裝機質量約為500 t。

3.1 針對性設計

3.1.1 動力配置

盾構主驅動的轉矩設計應滿足盾構掘進過程中各地層對轉矩的需求。結合本區(qū)間的地質概況，對盾構轉矩值進行計算。

T=αD3。

(1)

式中：T為刀盤裝備總轉矩，kN·m；α為轉矩系數(shù)，kN/m2，土壓平衡盾構α=18～22 kN/m2；D為刀盤外徑，m。

根據(jù)盾構施工經(jīng)驗，結合本區(qū)間的復雜地質條件和刀盤結構形式，為保證有足夠的安全儲備，取α=22 kN/m2、D=6.28 m，代入式(1)求得盾構轉矩T=5 449 kN·m。本區(qū)間盾構配置8組液壓馬達驅動，采用開式液壓回路，額定轉矩為6 000 kN·m，大于經(jīng)驗公式計算結果，說明轉矩儲備是足夠的。此外，盾構脫困轉矩達7 200 kN·m，最高轉速達3.7 r/min。

同時預留1組液壓驅動的安裝位置，當安裝9組液壓驅動時，額定轉矩可增加至6 650 kN·m，脫困轉矩為8 100 kN·m，最高轉速為3.35 r/min。

3.1.2 刀盤優(yōu)化設計

針對區(qū)間洞身范圍以復合地層為主的特點，應將出土率控制在100%以上。而刀盤開口率很大程度上決定了盾構出土率，可參照王洪新[15]提出的刀盤出土率的計算公式

(2)

式中：emax為最大出土率；ξ為刀盤開口率；p0為開挖面土體靜止側向土壓力；pa為主動土壓力；c、φ為土體黏聚力和內摩擦角；γ為隧道中心以上土體的加權平均容重；K0為土體靜止側壓力系數(shù)；H為隧道中心埋深；l為土艙長度；k1、k2分別為黏聚力c和摩擦因數(shù)tanφ的折減系數(shù)，k1=4.3、k2=1.8。

區(qū)間穿越的粉質黏土層和風化巖地層的c、φ分別取0～35 kPa、15°～60°。將各地層的c、φ值代入式(2)，得出應選擇30%～60%的刀盤開口率?？紤]到較小的刀盤開口率可以減少地層損失，根據(jù)施工經(jīng)驗并結合盾構穿越地層條件，設計刀盤開口率為40%，保證穿越強度較低土層時可以有效控制土層變形，而穿越強度較高的土層時，可添加減摩材料減小土層的內摩擦角，從而避免出現(xiàn)由于刀盤開口率過小導致出土困難的現(xiàn)象。由此中鐵裝備207#、208#盾構刀盤采用準面板結構設計，主要結構為“輻條+面板”，包含4個主梁和4個副梁，如圖2所示。刀盤開口均勻，且中心有足夠的開口面積。

針對全斷面風化巖地層加劇刀盤磨損的特點，在刀盤面板上鑲焊耐磨復合鋼板，降低刀盤掘進時渣土對刀盤面板的磨損，并在外圈梁表面鑲焊合金刀具以增強刀盤的耐磨性能。

3.1.3 刀具配置

針對盾構區(qū)間穿越的復雜地層，應綜合考慮刀具配置對各地層的適應性，具體方案如下。

1)滾刀： 43.18 cm(17英寸)中心雙聯(lián)滾刀(2刃)和45.72 cm(18英寸)單刃滾刀分別配置4把和31 把，共39刃。中心雙聯(lián)滾刀和正滾刀的間距分別為90 mm和100 mm，弧形區(qū)域刀間距依次遞減，可保證刀盤有效開挖直徑，減少邊滾刀的更換次數(shù)。所有單刃滾刀均為同一規(guī)格，邊滾刀被磨損后可更換為正滾刀使用。

圖2 土壓平衡盾構刀盤總圖

2)邊刮刀8 把，硬質合金采用E5 類材料，高度為130 mm。這樣既可以清除刀盤周邊渣土，也能夠保護刀盤大圓環(huán)，防止其被直接磨損。

3)刮刀36 把，高度和寬度分別為130 mm和200 mm，采取合金釬焊形式，硬質合金采用E5 類材料，全斷面覆蓋，錯刃布置以利于在黏性土和風化巖中切削。

4)為了利于盾構能在不同的地質條件下順利掘進，滾刀應可以實現(xiàn)與撕裂刀互換。

5)焊接撕裂刀17 把，刀高167.7 mm，采取合金釬焊形式，硬質合金采用E5類材料。

6)超挖刀1 把，可對前方土體進行超挖，實現(xiàn)40 mm的超挖量。

3.1.4 防泥餅設計

刀盤由4 根主刀梁、4 個牛腿、4 根牛腿支撐環(huán)梁以及外圈梁等組成，刀盤中心區(qū)域的開口較大。刀盤環(huán)向牛腿支撐梁在刀盤軸向的高度低于主刀梁，刀盤中心區(qū)域開口與周邊區(qū)域開口貫通，有利于中間渣土向周邊流動。

為改善中心土艙內渣土的流動性，刀盤及其支撐系統(tǒng)本身應具備一定的渣土攪拌能力。通過刀盤和隔板的相對運動實現(xiàn)對渣土的攪拌，同時增設攪拌棒以加強攪拌效果。刀盤管路連接結構采用“L”型梁形式，“L”型梁中心配有高壓沖水口，配合土艙中心固定隔板上的高壓水沖刷口被動攪拌棒。同時固定隔板上安裝高壓水沖刷口，連接離心泵對土艙內的渣土進行攪拌和沖刷，有效地改善渣土流動性，防止土艙中心結泥餅。圖3為土艙內高壓沖水示意圖。

圖3 土艙內高壓沖水示意圖

設計200 mm寬的加強型刮刀，在確保切削率和出渣率的前提下，減少同一刀梁上刮刀數(shù)量，同時增加同一刀梁上相鄰刮刀之間的間距，保證刀梁上渣土的流塑性，防止刀梁表面結泥餅。

刀盤前面板均勻設置6個改良劑注入口，根據(jù)盾構掘進的需要可自由切換注入膨潤土或泡沫，每路為單管單泵配置。該盾構改良系統(tǒng)對切削下來的渣土具有較強的改良能力，能有效防止刀盤結泥餅。

3.1.5 螺旋輸送機設計

螺旋輸送機的運送能力直接關系到盾構的出渣能力，進而影響土艙壓力的平衡，因此，必須保證螺旋輸送機的運送能力達到出渣要求。此外，還應加強螺旋輸送機的耐磨性。采用軸式螺旋輸送機，轉速為0～22 r/min。

1)螺旋輸送機輸送能力計算。

①開挖出土量

(3)

式中：D為刀盤開挖直徑，m；v1為油缸最大推進速度，m/h；A為松方系數(shù)。

根據(jù)盾構概況，將D=6.28 m、v1=4.8 m/h、A=1.5代入式(3)，得出開挖的出土量Q1=223 m3/h。

②螺旋輸送機最大輸送土量

Q=Sψv。

(4)

計算后得到螺旋輸送機最大輸送土量Q=447 m3/h>Q1=223 m3/h，因此滿足最大速度開挖量要求。

2)螺旋輸送機耐磨設計。

①螺旋軸耐磨設計： 螺旋軸葉片外圓焊接高鉻合金塊，同時葉片和中心軸上堆焊耐磨網(wǎng)格，提高螺旋軸的耐磨性。

②筒體耐磨設計： 在螺旋輸送機第1節(jié)筒體內表面焊接耐磨復合鋼板，以提高筒體的耐磨性。

3)防噴涌設計： 根據(jù)勘察資料可知區(qū)間的地下水位較高，若螺旋輸送機內的渣土不能形成有效“土塞”，將導致螺旋輸送機發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

盾構防噴涌設計如圖4所示。

①盾構出土口設置2個閘門，通過控制2個閘門的不同開度，使出渣的路徑形成S形，以降低噴涌壓力。

②螺旋輸送機沿軸向均勻設置4個渣土改良注入口，既可注入膨潤土又可注入高分子聚合物漿液，增加渣土的流塑性，降低螺旋輸送機的噴渣壓力。

③設置保壓泵接口，接入泥漿泵以保證出渣率，避免渣土改良效果不好而造成的噴涌現(xiàn)象。

圖4 盾構防噴涌設計

3.1.6 小傾角皮帶機設計

本區(qū)間盾構隧道基本位于地下水位之下，當發(fā)生噴涌時，大角度的皮帶機很難將稀渣運出，導致施工掘進困難。根據(jù)施工經(jīng)驗，當皮帶機傾角設計為 9.5°時，輸送稀渣的能力大大提高，基本能將稀渣輸送出去，確保盾構在發(fā)生噴涌時也能正常掘進； 因此，本區(qū)間設計采用9.5°的小傾角皮帶機。

3.1.7 同步注漿優(yōu)化設計

施工過程中的二次沉降多數(shù)是由于砂漿不能及時和充分填充管片外空隙引起，究其原因，除了跟注漿量有關外，注入點的布置對其也有一定的影響。常規(guī)注漿口一般設計在尾盾左上、右上、左下、右下位置，但在滲透系數(shù)較大的地層中，注漿填充率往往不足而導致拱頂空洞不能填實，造成沉降嚴重； 因此，本區(qū)間在盾尾頂部增加2個注漿口(如圖5所示)，通過系統(tǒng)配置的8 m3砂漿罐、2個注漿泵以及盾尾配備的4×2+2=10根注漿管(正常情況下4用6備)，對盾構頂部的空洞進行回填。

圖5 同步注漿管路布置

3.1.8 地層加固方案

由于掌子面前方存在不穩(wěn)定地層，尤其遇到巖溶發(fā)育強烈的地段，溶洞、巖溶裂隙帶及巖溶水的存在將會帶來很大的安全隱患，因此有必要對溶洞和不穩(wěn)定地層采取超前加固處理，控制隧道的變形，防止開挖面坍塌造成地表沉陷，避免發(fā)生突水突泥事故。在溶洞注漿填充處理的基礎上，根據(jù)需要加固的范圍要求，在中盾盾殼上半部分的圓周邊均勻設置12根外插角為6°的超前注漿管，進行超前鉆探和周向注漿加固；同時，在盾體壓力隔板上設置6個外插角為12.5°的超前注漿孔，配備超前地質鉆機，對隧道前方地層進行水平超前注漿加固。圖6為超前地質加固示意圖。

在盾構穿越后，結合各方面監(jiān)測資料，通過管片預留的注漿孔對穿越段的隧道進行注漿補加固，防止溶洞受擾動后緩慢破壞。補加固注漿選用雙液漿，采用隔環(huán)壓注方式。

3.2 盾構主要參數(shù)

盾構采用“輻條+面板”刀盤形式，主驅動采用液壓驅動方式。盾構主要技術參數(shù)如表2所示。

圖6 超前地質加固示意圖

參數(shù)名稱 參數(shù)值盾構開挖直徑/mm6280刀盤開口率/%40滾刀數(shù)量31刮刀數(shù)量36焊接撕裂刀數(shù)量17主軸承直徑/mm3061主驅動功率/kW945參數(shù)名稱參數(shù)值刀盤轉速/(r/min)0～3.7額定轉矩/(kN·m)6000脫困轉矩/(kN·m)7200最大推力/kN39910推進速度/(mm/min)30～80渣土改良注入口個數(shù)6螺旋輸送機直徑/mm800

4 盾構適應性分析

4.1 適應性評價

針對本工程區(qū)間特殊復雜地層盾構施工遇到的重難點問題，對盾構在刀盤、刀具等關鍵部位進行選型及設計，確保其能安全順利地通過該區(qū)間。

1)綜合各地層對刀具的要求后進行刀具的選型設計。刀具的布置不僅要求適應對黏土層的掘進，具備一定的防結泥餅措施，同時還應適應對較硬巖層的破碎。

2)盾構刀盤設置6路單管單泵的泡沫膨潤土注入系統(tǒng)，并在螺旋輸送機上設置4個膨潤土和高分子聚合物的注入口。通過對渣土的改良，提高其流塑性，不僅降低了渣土對刀盤刀具的磨損，還能有效地控制噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，穩(wěn)定掌子面。

3)螺旋輸送機出土口的2個閘門是防止發(fā)生水噴涌的基本硬件措施，同時小傾角皮帶機的設置大大提高了稀渣的輸送能力。

4)刀盤中心設置足夠的開口，保證渣土能被順利排出。同時刀盤中心區(qū)域設置3路高壓噴水口，降低結泥餅的風險。

5)在盾尾頂部增設2個注漿口，可直接對頂部空洞進行回填，較好地控制地表沉降及成型隧道質量，大大降低施工風險。

6)超前注漿加固的配置便于不良地質尤其巖溶地層的加固處理，也有利于對突發(fā)情況的處理，降低施工風險，保證施工安全。

4.2 掘進參數(shù)分析

4.2.1 土艙壓力

平衡壓力的設定是土壓平衡式盾構施工的關鍵，維持和調整設定的土壓力值亦是盾構推進操作中的重要環(huán)節(jié)，對盾構軸線和地層變形量的控制起主導作用。

土艙壓力設定采用水土合算公式p=∑rihik0i(ri為第i層土體的天然容重；hi為第i層土體厚度；k0i為第i層土體水平側壓力系數(shù))進行計算。計算得到的理論土艙壓力為56～120 kPa。按照施工經(jīng)驗，在對沉降要求比較嚴格的地段計算土壓力時，通常在理論計算的基礎上再考慮10～20 kPa的壓力作為預備壓力。實測土艙壓力如圖7所示。

圖7 土艙壓力曲線

由圖7可以看出： 玉金區(qū)間左右線始發(fā)后逐步建立土艙壓力，左右線盾構在黏土中掘進時上部土艙壓力基本控制在110～140 kPa；后期進入碎石土層及強風化硅質巖層后，由于該地層孔隙比較大且部分地層處于巖溶裂隙帶，上部土艙壓力有所下降，基本控制在30～70 kPa，土艙壓力最低為20 kPa，但地表沉降控制良好；重新進入黏土層后，土艙壓力逐步提高，基本控制在100～140 kPa。

4.2.2 刀盤轉矩

玉金區(qū)間的盾構刀盤轉矩如圖8所示。

圖8 刀盤轉矩曲線

由圖8可以看出： 玉金區(qū)間左右線盾構在黏土層掘進時，刀盤轉矩集中控制在1 500～2 200 kN·m；進入碎石土層及強風化硅質巖層后，刀盤轉矩有所增加，基本控制在2 000～3 000 kN·m；期間左線夾雜1段中等風化灰?guī)r層，刀盤轉矩相對較高，基本控制在3 000～3 500 kN·m；重新進入黏土層后，刀盤轉矩逐步降低至1 800～2 500 kN·m，較前段黏土層中掘進轉矩有所增加，認為與強風化硅質巖層及中風化灰?guī)r層中掘進時刀具磨損有關。

4.2.3 推進速度

玉金區(qū)間的盾構推進速度如圖9所示。

圖9 盾構推進速度曲線

由圖9可以看出： 玉金區(qū)間左右線盾構在黏土層中掘進時，掘進速度基本控制在50～60 mm/min，且相對穩(wěn)定；進入碎石土層及強風化硅質巖層后，掘進速度降低，基本控制在30～60 mm/min。期間左線盾構在中風化硅質巖層掘進時速度緩慢，基本控制在15～30 mm/min；重新進入黏土層后掘進速度逐步恢復，基本控制在 50～80 mm/min，且相對穩(wěn)定。由于右線后挖，施工經(jīng)驗較左線更為豐富，因此其推進速度較左線更快。

4.2.4 其他參數(shù)

1)同步注漿量及注漿壓力。在黏土層掘進過程中，同步注漿量基本控制在5.0～6.0 m3/環(huán)，漿液注入量為理論填充量的1.2～1.5倍；進入強風化硅質巖層后，由于該地層孔隙率較大，且局部地區(qū)處于巖溶裂隙帶，同步注漿量增大，基本控制在7.2～9 m3/環(huán)，漿液注入量為理論填充量的1.7～2.2倍；局部地區(qū)最大注漿量可達13 m3/環(huán)，注漿壓力基本控制在250～350 kPa，施工期間對注漿量及注漿壓力進行雙控，確保同步注漿密實。

2)出土量。玉金區(qū)間左線盾構在黏土層掘進過程中，出土量均控制在55～58 m3/環(huán)；進入強風化硅質巖層后出土量相對減少，基本在52～56 m3/環(huán)。通過同步漿液的調整，能夠及時填充出土形成的建筑空隙，保證漿液填充密實度良好。

3)泡沫劑用量。玉金區(qū)間左線盾構掘進過程中泡沫劑用量集中控制在40～70 L/環(huán)，通過對現(xiàn)場出土進行觀察，渣土改良整體效果良好。

通過以上對掘進參數(shù)的分析，認為盾構掘進與地層有著密切關系，同時本區(qū)間在盾構選型設計的前提下，通過對掘進參數(shù)的控制和調整確保了盾構的順利掘進。

4.3 地表沉降數(shù)據(jù)分析

玉金區(qū)間左右線的地表沉降曲線如圖10所示。

圖10 地表沉降曲線

由圖10可以看出： 左線與右線監(jiān)測數(shù)據(jù)反映情況基本一致，并且沉降值都在30 mm以內。二者唯一不同之處在于，右線經(jīng)過左線推進區(qū)域時，由于對土體產(chǎn)生二次擾動，沉降變化較左線更加明顯。其中，沉降較小的區(qū)域為粉質黏土層及中風化灰?guī)r層，沉降較大的為碎石土層及強風化硅質巖層。其原因是后者地層松散，孔隙比及透水性相對較大，對盾構擾動反應敏感，沉降較難控制。因此，當盾構在強風化硅質巖及碎石土層等不穩(wěn)定地層掘進時，應加強控制。

5 結論與建議

盾構選型是地鐵盾構隧道施工成敗的關鍵，應慎重決策、充分討論并通過專家論證共同決定盾構型式，尤其是當遇到黏土層、硬巖層、夾雜碎石砂礫層、上軟下硬地層及巖溶地層等多種地層相結合的特殊復雜地質情況時，要特別加強對盾構關鍵部位的選型設計： 1)在刀盤上設置渣土改良噴嘴； 2)針對風化砂巖灰?guī)r類地層，必須加強刀盤強度和耐磨性，并提供超大驅動功率； 3)適當增大刀盤開口率； 4)加強防泥餅設計； 5)針對復雜地層容易產(chǎn)生噴涌問題，螺旋輸送機設計須為防噴涌形式； 6)在盾尾頂部增設2個注漿口，優(yōu)化同步注漿設計； 7)在掌子面不穩(wěn)定及涌水地層，對開挖面前方進行超前地質加固。

通過對盾構掘進參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)的分析，認為本區(qū)間的盾構選型設計適用于南寧地區(qū)復雜的地質條件，有效地保障了盾構施工的安全性。

目前尚未總結出一套針對巖溶地區(qū)的盾構選型設計方案，建議下一步對巖溶地質條件下的盾構選型展開針對性研究。

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Type Selection Design and Adaptability Analysis of Shield Used in Line No. 2 of Nanning Metro

HOU Kaiwen1, WANG Chong2, JIANG Jie1, 3, 4, *, YANG Gangfeng2, OU Xiaoduo1, 3, TANG Yingchun5

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China;2.ChinaConstructionCommunicationsEngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing100142,China; 3.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralEngineeringSecurity,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China;4.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,Guilin541004,Guangxi,China;5.GuangxiUniversityofFinanceandEconomics,Nanning530004,Guangxi,China)

The type selection design of shield is very important to shield construction of metro; it directly affects the success of the construction. The Line No. 2 of Nanning metro crosses complex geological conditions, i. e. clay, hard rock, gravel, upper-soft and lower-hard stratum and karst stratum. As a result, the general requirements for shield type selection are put forward in terms of power device, cutterhead and cutter; meanwhile, the design of mud cake prevention, screw conveyor, small angle belt conveyor and synchronous grouting system and geological reinforcement methods are optimized. Finally, the actual tunneling parameters and ground surface settlement data show that the adaptability of the shield machine in Nanning area is good.

Nanning metro; shield type selection; karst stratum; hard rock stratum; gravel stratum; upper-soft and lower-hard stratum

2017-02-14;

2017-05-19

國家自然科學基金資助(51568006， 41372361)； 廣西巖土力學與工程重點實驗室資助課題(14-KF-03)； 廣西自然科學基金資助(2015GXNSFBA139241)

侯凱文(1989—)，男，廣西容縣人，廣西大學巖土工程專業(yè)在讀博士，研究方向為隧道工程設計與施工。E-mail： houkaiwen2008@sina.com。*通信作者： 江杰， E-mail： jie_jiang001@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)08-1037-09