铁科院（深圳）研究设计院有限公司1 广东.深圳 518034深圳市地铁集团有限公司2 广东.深圳 518026
摘要：通过深入分析深圳地铁自然地理条件及隧道洞身地质特征，阐述不同地质条件下全断面隧道掘进机选型要点。深圳地铁隧道整体呈深埋趋势，洞身地质随第四系地层的分布呈现出区域特征。第四系风化残积土地层是地铁隧道区间最为常见地层，在河涌发育地区，冲、洪积层较为常见，地铁隧道洞身范围基岩起伏线是机械选型的重要关注点。分析结果表明：硬岩地层，破岩能力是关键，长距离优先选用TBM，短距离优先选用复合盾构；软弱地层除长距离透水地层选用泥水平衡盾构外，一般选择土压平衡盾构；上软下硬地层优先选择复合盾构。
关键词：地铁隧道；机械选型；特征分析；深圳地铁；洞身地质；全断面隧道掘进机
0.引言
自2001年深圳地铁一期工程在购物公园站～香蜜湖站区间隧道首次引入盾构法施工以来，历经近20年的建设与发展，全断面隧道掘进机已然成为地铁隧道建设最为重要的工程装备[1]。深圳地铁广泛采用闭胸式土压平衡盾构机、复合盾构机、岩石掘进机（TBM）、泥水平衡盾构机和双模盾构机，超过半数区间采用土压平衡复合盾构，局部长距离穿越山岭隧道采用TBM。不同形式的掘进机械所适应的地质条件与环境条件不尽相同。
崔洪谱等从设计方面对广州复合地层的盾构选型进行了分析与研究[2]；韩坤成等研究了硬岩地层中土压平衡盾构机的选型[3]；林彬对富水岩层盾构机选型配置进行了研究[4]；贾瑞华等对大东湖深隧长距离大埋深复杂地层盾构选型做了研究[5]。
以上学者从微观层面对特定地层的全断面隧道掘进机选型问题进行了研究，侧重点机械配置。合适的机械选型是区间隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的重要保证，本文立足于深圳地铁洞身地质条件，从宏观层面对全断面隧道掘进机选型进行研究，侧重点在隧道洞身地质条件。
1.深圳自然地理条件
1.1气象、水文
深圳市地处北回归线以南，属亚热带海洋性季风气候特征，河流受地质构造影响，沟渠干流短、规模小、数量多[6]。
深圳地下水水位埋深1.5～8.3 m，主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水，以孔隙潜水为主，主要由大气降水补给，局部地层水位受潮汐影响[7]。
1.2地形、地貌
深圳地势整体呈东南高西北低，深圳南部为半岛海湾地貌带，中部为海岸山脉地貌带，北部为丘陵沟谷地貌带。
1.3第四系地层分布[1，6-8]
深圳地区第四纪地层上更新统有：海积层、潟湖沉积层、冲积层、洪积层；全新统有：海积层、潟湖沉积层、海积冲积层、冲积—洪积层、洪积层。
红壤型风化残积层普遍分布于高、中、低台地的顶部或山坡，形成红壤型风化壳，一般厚度小于20m，个别地区厚度大于60m。
角砾碎屑残坡积层广布于高丘陵和低山，以火山岩、砂页岩及变质岩地区最为发育，厚度一般小于5m。
上更新统沉积物主要由砂砾、砂、砂质黏土、淤泥，局部夹泥炭等组成，厚度一般在5～15m，按其成因可分为海相沉积层、海—陆交互相潟湖沉积层，陆相的冲积层和洪积层等。
全新统的沉积层较为发育，沉积物由砂砾、砂、砂质黏土、黏土和淤泥等组成，局部夹有泥炭、厚度一般为10～20m，最厚达36m，按其成因可分为海相沉积层、海—陆交互相潟湖沉积层及海积冲积层，陆相的冲积—洪积层、洪积层等。
2.隧道洞身地质特征
2.1地质构造与地层岩性
深圳地铁隧道埋深基本在8～28m之间，地铁隧道穿越多种复合地层，部分区段基岩突起现象显著。
在东部半岛海湾地貌带，中部海岸山脉地貌带多遇到高强度硬岩以中、微风化基岩为主，种类有花岗岩、统角岩、凝灰岩等，部分强度达120MPa以上。
在丘陵沟谷地貌带，存在较厚沉积层、冲洪积软弱地层，分布有花岗岩残积土、花岗岩全风化层、上覆第四系淤泥质土、黏土、粉细砂、中粗砂、粉质黏土等软弱层[6-8]。
2.2常见洞身地质特征
深圳市风化带分布完整，同一风化带的厚度变化很大，小到2～3m、大到30m以上，风化残积土地层是深圳地铁隧道区间最为常见的地层。
在深圳河涌较为发育地区，分布着冲、洪积层，厚度分布不一，一般在地表下6～30m之间，是盾构机掘进较为常见地层。主要类型有中砂、粗砂、含砾粗砂、砾砂及断层破碎带，渗透系数可达25m/d，个别地层甚至能达到50 m/d[6，7]。
2.3岩溶与基岩起伏线
东部地区冲洪积河谷平原之下，隐伏有大面积的岩溶地貌，分布在龙岗河的西坑、横岗、龙岗、坪地；并隐伏于坪山河、葵涌河、坑梓河等河谷平原区和坑梓东部低山丘陵台地边缘之下[6，7]。
地铁隧道洞身范围基岩起伏线处于第四系地层底界面，是现阶段机械选型的重要关注点，随第四系地层的分布呈现明显的区域特征。
2.4隧道洞身发展趋势
随着城市地下空间开发的不断深入，深圳地铁隧道整体呈深埋趋势，隧道处于全断面硬岩地层的现象越来越普遍。
随着隧道掘进装备性能的提升，长距离、大断面、异形掘进机也将在地铁建设中发挥做出重要贡献。
3.机械选型主要步骤
3.1基本程序
地铁隧道全断面隧道掘进机选型应以安全性、适应性、可靠性、经济性和高效性为前提，配套设备应与主机掘进速度相匹配，安全可靠、结构简单、布置合理且便于维护。
根据地质条件、线路设计条件、周边环境条件、工期和经济性条件，通过调查、论证、比选等程序，科学选择机械型式，如图1所示[9]。
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图1 全断面隧道掘进机选型基本流程
3.2注意事项
3.2.1深入调查是前提
工程地质条件、线路设计条件、工程经济条件和工程环境条件是决定掘进机械是否适配的基础，特别是环境条件和地质特征更是影响机械选型的决定因素。
3.2.2充分论证是关键
从开挖面的稳定、变形控制要求、开挖机械的可靠性方面，进一步展开论证，对拟选装备的适应性、可靠性进行专项论证，形成论证报告为机械比选提供数据支撑。
3.2.3详尽比选是保障
在充分论证的基础上，从安全、经济、造价方面进一步比选，最终选定机械型式。
4.深圳地铁典型地层机械选型
4.1硬岩地层
高硬度岩层广泛存在于深圳地区，岩层突起现象明显，以中、微风化硬岩为主，主要种类有花岗岩、统角岩、凝灰岩等[7]。
硬岩地层破岩能力是关键，机械掘进过程中易出现掘进速度慢、刀具磨损等问题，且盾构姿态难以控制。考虑到掘进效率与经济效益，硬岩地层可采用以下选型标准：单个区间，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级全断面硬岩地层长度较大（大于1km）时时，优先选用TBM；单个区间，全断面硬岩地层长度较小（小于200m）时，优先选用复合盾构；全断面硬岩区间长度超过单个区间长度的70%（如图2所示），且硬岩区间围岩以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级为主，优先选用双模盾构；全断面硬岩区间长度小于单个区间长度的30%，优先选用复合盾构；其他情况，可根据硬岩地层分布特征，选用复合盾构或双模盾构机。
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图2 硬岩区间隧道纵断面示意图
4.2软弱地层
软弱地层较为典型的表现形式是第四系地层，应着重考虑机械开挖面的稳定，主要影响地层为透水砂层和风化残积土地层。
强透水地层会使掘进机土仓及螺旋输送机被水压击穿，螺旋输送机失去“土塞”效应，产生“喷涌”现象[7]。风化残积土地层易存在及处理“孤石（风花球），机掘进时土仓容易结“泥饼”。因此，除较为典型的长距离江底、海底隧道采用泥水平衡盾构工法外，一般宜选择土压平衡盾构。
4.3上软下硬地层
深圳地铁隧道区间穿越地层较为复杂多变，上软下硬地层广泛存在。地铁隧道洞身范围基岩起伏线随第四系覆盖层厚度而变化，上软下硬地层机械选型需要考虑下伏硬岩强度特征和上覆第四系软弱地层影响，如图3所示。
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图3 上软下硬地层断面示意图
上软下硬地层中掘进，上部地层土体较易进入土仓，下部岩层不易破碎，造成地面沉降过大，甚至地面塌陷。掘进机姿态控制难度加大，易发生刀具磨损、偏磨、损坏。因此，上软下硬地层优先选择复合盾构，滚刀与齿刀应具备互换功能，滚刀轨迹应覆盖硬岩断面，如图4所示。
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图4 隧道掘进剖面示意图
5.结论与建议
自然环境条件和工程地质特征是影响全断面隧道掘进机选型的决定性因素，应经过深入的调查、充分的论证和详尽的比选。
（1）单个区间，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级全断面硬岩地层长度较大（大于1km）时时，优先选用TBM。
（2）单个区间，全断面硬岩地层长度较小（小于200m）时，优先选用复合盾构。
（3）除较为典型的长距离江底、海底隧道采用泥水平衡盾构工法外，一般宜选择土压平衡盾构。
（4）典型的上软下硬地层，宜优先选择复合盾构。
本次研究主要在宏观层面，基于地铁隧道洞身地质条件对全断面隧道掘进机选型做了分析与研究，下阶段可分别对不同地层的机械配置条件进行专项研究，以进一步提高机械选型的适用性与可靠性。
参考文献：
[1]陈馈.盾构施工关键技术［M］.北京：中国铁道出版社，2020.
[2]崔洪谱，孙恒，李杰华.广州复合地层条件下盾构选型设计[J].建筑机械.2020，（11）：87-91.
[3]韩坤成，李旭东，魏畅，陈林，吴炫.硬岩地层中土压平衡盾构机的选型研究[J].现代制造技术与装备.2020，56（09）：5-7.
[4]林彬.富水岩层盾构机选型配置研究[J].低碳世界，2020，10（05）：147-149.
[5]贾瑞华，谷海华，叶亦盛，陈 伟.大东湖深隧长距离大埋深复杂地层盾构选型研究[J].施工技术.2020，49（19）：67-70.
[6]康镇江.深圳地质［M］.北京：地质出版社，2009.
[7]宋天田.深圳地铁土压平衡盾构适应性研究[J].现代城市轨道交通，2010，（04）：47-49.
[8]黄镇国.深圳地貌［M］.广东：广东科技出版社，1983.
[9][日]土木学会.隧道标准规范【盾构篇】及解说［M］.朱伟，译.北京：中国建筑工业出版社，2011．