淺議沈陽地鐵過渾河隧道盾構機選型

1．  工程概況

沈陽地鐵十號線長青橋站～渾南大道站區間基本位于渾河下方，全長1619.456m，其中位于渾河下方的線路長約470m。隧道最大覆土厚度25.0m、最小覆土厚度13.2m，其中在渾河底，隧道頂板距離水面最大約23m，距離河底最小約15.3m。

2．  隧道工程地質條件概況

隧道穿越的地層主要為全新世圓礫和礫砂，上更新世粉細砂和中粗砂。上覆土層主要為①雜填土（Q4ml）、③-1粉質粘土（Q42al）、③-2粉細砂（Q42al）、③-2-1粉質粘土（Q42al）、③-3中粗砂（Q42al）、③-4礫砂（Q42al）、③-5圓礫（Q42al）、③-5-2粉細砂（Q42al）、③-5-3中粗砂（Q42al）和④-4礫砂（Q4al+pl）。

本區間范圍內的地下水賦存于圓礫、礫砂等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。穩定水位埋深約為7.0m～12.5m，相當于水位標高32.71m～39.35m，含水層厚度約19.0m。

地下水主要補給來源為渾河側向補給及大氣降水垂直入滲補給。主要排泄方式為徑流排泄和地下水的人工開采。地下水流向總的方向是由東向西。但由于受人工開采地下水的影響，局部地下水流向會有所變化。場地地下水徑流條件良好，除③-1、③-2-1粉質粘土及⑦-4泥礫外，含水層滲透性強，滲透系數K一般在30～100m/d之間，水力坡度 1.0‰～2.0‰。

長青橋站和長青橋站～渾南大道站區間內地表水系主要為渾河。河水與地下潛水水力聯系密切。

3．  盾構機地質適應性選型分析

3.1巖土類型的地質適應性

國內外大量實踐經驗表明，對于細顆粒含量低，粗顆粒含量大滲透系數大的礫砂和圓礫地層，土壓平衡盾構機（Earth pressure balance shield machine）對這種巖土類型的地質適應性差，所以一般選取泥水平衡盾構機（Slurry Shield Machine）。

土壓平衡盾構機對這種巖土類型不適應主要表現在，很難將渣土改良為流塑狀態，故在螺旋輸送機內不能形成土塞效應，如果地下水壓力較大，螺旋出口就容易形成噴涌。另外，渣土改良效果不好，在土倉內不易建立土壓，不能很好地支撐開挖面，開挖面上方就容易沉降或隆起。

渾河段隧道上方的土層，最上面的粘性土層厚最厚4m，從上往下依次是礫砂、圓礫和中粗砂，這種無粘性砂性地層自穩定性差，如果土層變形較大，在這種強透水地層極易產生塌陷。

隧道穿越的地層主要為圓礫和礫砂，處于中密-密實狀態，盾構機在這種地層中掘進時，推力和扭矩很大，對地層的擾動也大，刀盤上方的土體松動圈也大，發生塌陷的風險性也高。

在沈陽地鐵一號線建設過程中，某地鐵隧道采用土壓平衡盾構機施工，掘進的地層是中粗砂和礫砂地層，由于盾構機渣土改良效果不好，導致土壓力控制不好，造成地面多次塌陷，還出現過泡沫冒出地面的事故。

3.2水文地質條件的地質適應性

工程地質勘察報告表明，上覆的砂性地層和盾構機開挖的地層均為強透水地層，且河水與地下潛水水力聯系密切。對于這種地層，應該選擇泥水平衡盾構機，因為該類型盾構機對地下水有很好的地質適應性。表現在，膨潤土泥漿能在開挖面一定范圍內形成泥膜，對刀盤四周和正前方能形成止水帷幕；泥水出渣系統將渣土直接排出隧道外，盾構機及隧道是一個封閉系統，與外界的地下水和巖土層沒有直接的接觸；泥水排渣系統，特別是氣墊式盾構機，泥水壓力能很好地控制，壓力控制精度達±0.005MPa，能確保開挖面的穩定，能將地面的沉降精度控制在＋10～－20mm。這樣就不易產生地面塌陷或隆起。另外，盾構機開挖過程中，難免出現設備故障，如果長時間停機，開挖倉內的壓力會損失，開挖面也會失穩。泥水平衡盾構機特有的旁通模式能保證開挖倉壓力的穩定，從而維護開挖面的穩定性。而這些是土壓平衡盾構機所不能及的。

如果在河底發生塌陷，河水將瞬間進入土倉內，在螺旋輸送器出口形成噴涌，隧道管片附近的礫砂地層和圓礫地層會被沖刷流失，導致隧道管片垮塌，從而導致整個隧道被淹。類似這種情況在國內也發生過惡心事故。

如在南京某地鐵隧道盾構機掘進到達時，由于加固區長度不夠，導致地下水順著盾體和地層的間歇流入隧道管片四周，導致管片失穩，整個隧道被淹。在天津地鐵建國道站至天津站右線盾構掘進時，由于操作失誤，導致地下水迅速在螺旋輸送機出口形成噴涌，最終發生了掌子面透水事故，最終導致“建-天”區間雙線損毀。

4．  建議和結論

綜上所述，對于該過渾河的地鐵隧道的地質條件，泥水平衡盾構機有更強的地質適應性。雖然有人提出如果能很好地對渣土進行改良，土倉壓力能很好地控制，采用土壓平衡盾構機也能順利通過渾河。但這個風險性太大，這好比酒后駕駛，如果沒有遇到特殊路況或緊急情況，酒后駕駛也不一定出事，但一旦碰到，就會有很大的風險。所以，雖然采用泥水平衡盾構機會需要較大的施工場地進行泥水分離，設備成本也高，但本文建議采用風險系數低的泥水平衡盾構機掘進該段區間。