广州地铁修建中的盾构选型.pdf

第4 1 卷第1 期 2 0 0 4年 2月 现代隧道技术 M o d e rn T u n n e l l i n g T e c h n o l o g y Vo l . 4 1 No P e h . 2 0 0 4 文童编号 1 0 0 9 一 6 5 8 2 2 0 0 4 0 1 一 0 0 1 0一 0 4 广州地铁修建中的盾构选型 白中仁 中国铁 路工程总公司， 北京1 0 0 0 5 5 摘 要 广州是目 前我国 应用盾构技术修建地铁隧道发展最快的城市， 但因其特殊的工程地质条件， 给盾构 施工带来很多难题。 文章分析了 广州的总体地质特点， 总结了已经完成的盾构施工案例， 叙述了地铁修建中盾构 选型的发展。 关链词广州地铁地质因素 施工案例 盾构选型 中圈分类号 U 4 5 5 . 4 3文献标识码 A 1 引言 广州市是我国目 前经济发展最为活跃的 城市之 一， 随着城市的拓展和人口密度的增加， 城市交通系 统面临空前的压力， 因此发展地下轨道交通成为城 市建设最为迫切的任务之一。 广州地铁已经建成的 线路有地铁一号线和地铁 二号线， 在建的有地铁三号线和地铁四号线。 从地 铁二号线开 始， 盾构机械开始大规模的 应用于地铁区 间隧道的开挖施工中。盾构机械施工有安全、 环保、 高速的 特点， 但也存在很高的风险。 本文主要从地质 和机械系统两方面探讨广州地铁修建中盾构选型的 一些要点， 以 促进盾构机械在地铁施工中的应用。 2 广州地区地质概述 广州位于珠江三角洲冲积平原的边沿， 滨临南 海， 其中也分布少量的低丘沟壑地貌。广州降水非 常丰富， 珠江水系的河流密布， 地下水位较高。 广州市区表层广泛分布第四纪沉积物， 下覆 是中生代白翌系红色碎屑岩， 北部地区有显露古 生代二叠系和石炭系的砂页岩、 页岩以及前震旦 系变质岩。 东北部有燕山晚期侵人的花岗岩等。 第四 系沉积物主要由 陆相和海相沉积的淤泥、 沙层、 沙砾质粘土层等构成。下覆地层由于风化原因， 其 残积层的厚度和深度差异较大， 中 度风化一 微风化岩 石的抗压强度为 1 0一 1 5 0 M P a 。广州地区地质构造 较为简单， 比 较大的褶皱有珠江向斜、 广州背斜和沙 河向 斜， 规模较大的断裂有七条， 基岩裂隙比 较发育。 3 盾构选型中的地质因素 广州地铁沿线的工程地质、 水文地质条件比较 复杂， 其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一 性差， 物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松 软富水的淤泥质土、 中细沙层， 又有较坚硬的砂砾 岩、 花岗片 麻岩、 混合岩， 以 及介于上述两类岩土之 间具不同风化程度的软塑一 硬塑状粘性土层。软硬 相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。因 此选择用于广州地铁施工的盾构时， 要求它必须有 与上述地质条件相匹配的性能。 广州地铁施工用盾构选型需考虑的 地质因素 1 第四系松软土层 广州地区第四系覆盖层较厚， 其中冲洪积的淤 泥、 淤泥质粘沙土、 中细沙层等是特别松软的地层， 主要分布于市区西部的黄沙、 荔湾一带及珠江河道 支叉两岸。由于它们饱水、 稳定性差、 无自 稳能力， 开 挖时易坍塌、 涌水、 涌沙， 地面沉降明显。因此， 要 求通过此类土层的盾构必须具有良 好的密水性能， 具 有生 产和 保持足够泥水压力和土压 平衡压力的 功能。 第四系冲洪积沙质粘土和红色碎屑残积层及全 风化带多呈流塑至硬塑状， 透水性弱， 稳定性差， 适宜 收摘日期 2 0 0 3一1 0一 1 5 作者简介 白中仁， 男， 高级工程师 1 0 万方数据 广州地铁修建中的盾构选型 采用土压平衡盾构施工， 但应注意通过粘粒成分高 的土层时盾构刀盘要有防止刀盘面被粘结的功能。 2 白噩系泥岩、 砂质泥岩、 砂岩等地层 这是广州地铁沿线碰到的主要岩层， 随着风化 程度的不同， 其岩石强度和稳定性变化较大， 但整体 稳定性属中等。适宜选用复合型土压平衡盾构施 工。 但施工中 应注意地层的上下软硬不均及纵向软 硬相间的问题。中一 微风化钙质和铁质胶结的砂 岩、 砂砾岩的岩石强度较高 最高达6 0 M P a 左右 ， 是盾构刀盘、 刀具选择时必须加以考虑的因素。 3 中生代燕山期花岗岩及震旦系混合岩 广州地铁区间隧道部分地段围 岩为花岗 类岩体 和混合岩岩体。 此类岩体的以 下特点是盾构选型时 必须考虑的因素 ①中等风化及微风化岩， 岩石抗压 强度达到1 4 0 M P a 以上; ②岩石中 石英含量较高， 对 刀盘和刀具的 磨损性强; ③全风化及部分强风化带 整体破碎， 遇水和扰动后易液化、 流坍， 而其中存在 的球状风化“ 孤石” 却十分坚硬、 耐磨。 4 断层破碎带 广州地铁区间隧道经常碰到规模不等的断层破 碎带， 它多为富水且稳定性差， 少量为铁、 钙质或硅 质胶结的角砾岩， 十分坚硬， 这些都会给盾构施工造 成困 难。 要求盾构具有良好的密水性能， 同时为了 对断层带属性和影响范围作出预报， 要求盾构应配备 地质超前钻探的机具 或装备这些设备的预留装置。 5 穿越江河地段 广州地处珠江三角洲的河流密布区边缘， 地铁 隧道下穿江河时有发生， 遇到此情况时， 应根据江河 河床段工程地质、 水文地质条件选择合理的施工方 法。如果下穿隧道围岩为软弱、 透水性强的岩土层 或透水断 层破碎带时， 最好选用泥水盾构; 如果下穿 隧道围岩为透水性弱或不透水的粘性土或基岩时， 可根据不透水 或弱透水 层距隧道顶部的厚度选 用土压平衡盾构或泥水盾构。 无论选择何种类型的 盾构， 防止江河水涌人隧道、 确保围岩稳定是关键。 匀， 有足够的脱困扭矩。从已经成功施工的工程应 用来看， 采用液压驱动是比较好的选择。 3 刀盘有较强的 适应性 刀盘应配备有充足的刀具， 且刀具可以更换， 以 分别对付软硬不同的围岩。 4 刀盘有较高的开口率 较高的开口 率可以防止刀盘在粘性较高的地层 中掘进时中心部位结成泥饼， 地铁二号线穿越珠江 的海珠广场一 市二宫区间施工时， 刀盘中心部位的 泥饼就成为施工的最大障碍之一。 5 配备碴土改良 设备 碴土改良 设备能向土仓和开挖面注人土质改良 剂， 既可以降低刀盘和螺旋输送机的 转动扭矩、 降低 机械负荷， 又可以防止产生泥饼， 在渗透性大的 地层 还可以减少地下水的流失。 6 配备人仓加压系统及碎岩系统 为顺利通过软硬不均和球形风化孤石等地段， 应配备人仓加压系统， 并应配备碎岩系 统。 7 主机有超前钻孔预留口 盾构主机上设置超前钻机一方面可以超前探测 地质状况， 另一方面在无法从地表进行地层加固时 可以从隧道内加固地层。 8 可靠盾构铰接部分 盾构的铰接部分应有充分的可靠性， 且应配备 铰接紧急密封。从几个工程实例看， 铰接位置的漏 水漏砂曾经造成数起地层下陷事故。 表1 列出了 不同 地质要求的盾构配置状况。 4 广州地质对盾构性能的特殊要求 1 机械的主要部分应有充分的可靠度 特别是刀盘结构体、 主轴承等应保证在一个区 间施工完成之前不出现大的问题， 避免在施工过程 中进行维修。 2 驱动系统应有较高的工作弹 性 驱动系统应适应复杂多变的地层， 特别是在同 一开挖面存在软硬不同的地层时， 刀盘的转速应均 5 广州地区盾构施工的典型实例 1 一号线黄沙一 公园前区间 该区间的南段黄沙一 中山七路主要地质为第四 系沉积层， 并穿越珠江; 北段中山七路 一 公园前主 要为白翌系红砂岩地层。区间施工采用两台泥水加 压盾构， 设计总 推力3 3 〕 】 〕 k N ， 额定扭矩2 5 0 0 k N m , 最大 扭矩3 7 0 0 k N m ， 开口 率2 5 ; 配备滚刀1 2 把， 仿形刀2把， 刮刀 1 3 8 把， 预割刀7 2 把， 中心刀8 把; 主机采用铰接结构。工程穿越的特征地层为淤 泥层、 富水沙层、 红砂岩土层。工程施工承包商为日 本青木， 施工过程基本顺利， 但一直受到刀盘泥饼问 题的困扰; 由于刀具配置问题， 盾构在中风化的岩层 中掘进速度非常缓慢， 只有正常速度的四分之一。施 工中曾出 现地层泥土流失过多造成房屋倒塌的 事故。 这个工程的 重要意义在于第一次在广州地铁施 工中采用盾构， 并发挥了盾构在安全和效率上的优 1 1 万方数据 现代 隧道技 术 衰I 不同 地质要求的盾构配，状况 T a b l e I S h i e l d fi t ti n g req u i r e m e n t s i n d i ff e r e n t g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s 地质类型 } 岩 土 性 状} 盾 构 配 置 状 况 施工描述成功范例 白噩系红 砂岩地层 强风化地层粘性土 碴土改良系统、 合适 的刀盘开口 率 防止泥饼 二号线越 一三区间， 江 一 鹭区间 微风化地层软岩、 少量硬岩碴土改良系统 容易掘进， 但提防枯性 土堵仓 二号线越 一三区间， 江 一鹭区间 第四系沉积岩地层软土、 沙土层 碴土改良系统、 可靠 的铰接系统 保证合适的土压、 防止 地下水土流失 二号线越 一三区间， 江 一 鹭区间 花岗岩、 混合岩 强风化岩层砾质粘性土 碴土改良系统、 合适 的刀盘开口率 容易掘进， 但提防枯性 土堵仓， 刀具磨耗较快 三号线大一 汉区间 微风化岩层硬岩 坚固的刀盘 、 重型滚 刀 掘进困难， 刀具磨损大 无完全成功范例， 经济 范围内盾构只能短距离 掘进 混合地层上软下硬岩层 碴土改良系统、 坚固 的刀盘、 重型滚刀、 人仓加压系统、 超前 钻孔 掘进困难， 刀具磨损大， 刀具破坏严重， 需要带 压进仓换刀或加固地层 后维护刀盘 三号线大 一 汉区间， 成 功的进行了地层从地表 加固换刀， 但带压进仓 换刀尚无成功范例 断层碎石 块状土 碴土改良系统、 坚固 的刀盘、 人仓加压系 统、 超前钻孔、 可靠 的铰接系统 掘进困难， 刀具破坏严 重， 需要带压进仓换刀 或加 固地层后维护 刀 盘， 并防止断层水土从 铰接处流失 二号线越 一三区间， 三 号线大 一 汉区间等， 尚 需更多的施工经验 穿越江河 高渗透土 碴土改良系统、 可靠 的铰接系统 防止泥饼形成和输送机 出土口喷涌， 防止水土 从铰接处渗漏 无完全成功经验 高渗透岩 碴土改良系统、 可靠 的铰接系统、 人仓加 压系统、 超前钻孔 掘进困难， 需要带压进 仓换刀或加固地层后维 护刀盘 无完全成功经验 软硬混合地层 碴土改良系统、 可靠 的铰接系统、 人仓加 压系统、 超前钻孔 掘进困难， 需要带压进 仓换刀或加固地层后维 护刀盘 无完全成功经验 势。其中取得的经验教训为以后盾构在广州地铁中 的推广应用积累了经验。 2 二号线越秀一 三元里区间 该区 间主 要为白 4系红砂岩地层， 其间 穿越走马 岗 断 裂。 区间 隧 道 施工 采用两台 土压平 衡式盾构。 盾 构 设计总推力3 3 0 0 0 k N ， 盾构刀盘部分重5 5 t ， 几乎 是一号线盾构刀盘重量的两倍， 刀盘开口 率2 8 ; 配备可更换齿刀的双刃滚刀1 3 把， 仿形刀1 把， 小 齿刀6 4 把， 刮刀8 把， 中心刀6 把; 刀盘驱动采用全 液压设计， 额定扭矩4 5 0 0 k N m ， 最大扭矩5 3 0 0 k N m , 大大超过了一号线盾构的水平。 该盾构的其他先进之处还有 大直径 D 9 0 0 的 螺旋输送机; 全液压驱动的高速管片安装机， 6 个自 1 2 由度; 符合欧洲安全标准的加压仓， 设计工作压力 3 x 1 0 P a ; V M T S L S - T 激光自 动 导向 系 统; 可靠的 铰接密封系统， 三道亚紧密封加一道紧急密封; 高速 同 步注 浆系统; 碴土改良 系统以及先进的S I M E N S I 中央 控制系统等。 工程施工比较顺利， 在全风化的地层中盾构达 到了 设计的掘进速度， 由于配备了良 好的碴土改良 系统， 施工人员最担心的刀盘结成泥饼的情况非常 轻微; 在微风化的较硬岩层中， 盾构掘进也到达了 3 0 n u n / m i n 的平均速度。该工程创造了广州地铁施 工的数个第一 日 最高掘进速度第一 3 0 m ; 月最 高掘进速度第一 4 0 5 m 等; 月平均掘进速度第一 2 3 0 m 。 最终隧道提前两个月贯通。 工程取得成功。 万方数据 广州地铁修建中的质构选型 6 广州地区盾构选型的发展 随着广州地铁建设的加速， 选择日 益成熟、 完善的 盾构法将是区间隧道施工 一 的必然趋势。将来的盾构在 功能 上会更 加 可靠完 备， 施工的 安全性 越来越高， 对地 质的适应性越来越强， 施工速度也会越来越快。 1 采用较重的刀盘以适应软硬复杂的地质 较重的刀盘意味着较高的结构强度和可靠性， 目 前正在施工的刀盘最大重量已经达到了6 5 t 。刀 具的硬度和耐磨性也大大增加了， 一些在硬岩掘进 机上采用的重型滚刀材料被应用在盾构机刀具上， 正 在施工的 盾构刀具标准破岩强度已经达到1 6 0 M P a 以上。 2 全液压驱动系统 该系统具有体积小、 功率大、 抗过载能力强的优 点， 特别适合刀盘驱动和螺旋输送机的驱动。它的 可靠性也较高， 维修保养的周期也比较长， 对震动、 潮湿等恶劣的工作环境不敏感。 在地铁三号线使用 的 盾构中， 采用液压驱动的已经占 到了绝大多数。 3 刀盘增加伸缩装置 这种想法在地铁三号线的盾构设计中已被提了 出来， 但是由于种种原因没有被采用， 但这仍然是非 常好的 一个设计思路。 刀盘伸缩装置需要在刀盘的驱动系统上增加一 套伸缩机构， 伸缩机构的主要部件为伸缩滑槽和支 撑油缸。正常掘进时油缸完全伸出， 刀盘受到的力 可以由油缸的油压精确的反映。在遇到地质突变 时， 可以根据刀盘的受力情况判断出开挖面的软硬 J清况， 避免刀具因过大的推力而损坏。 刀盘伸缩装置更有意义的用途在于硬岩中更换 刀具很安全方便。更换刀具时油缸缩回， 可以很容 易的更换刀具而不需要人工开凿坚硬的开挖面; 刀 具更换完毕后油缸边缓慢的伸出边转动刀盘， 可以 避免新更换的刀具受到过大的荷载而破坏。 4 更多的超前钻孔 目 前使用的盾构具有的超前钻孔数量很少， 隧道 上半断面 一般只有4 个左右。广州地质复杂多变， 在遇到上软下硬的地层需要换刀的情况时可能要进 行地层加固。如果隧道埋深很大或者地表不具备加 固条件， 就需要从洞内加固地层。目前盾构具有的 超前钻孔多是为地质勘查准备的， 用来加固地层其 数量就少了， 因此增加钻孔数量是非常有必要的。 从目 前的注浆加固手段来看， 在上半断面至少应有 6 一 8 个或以 上的钻孔， 以形成拱棚型 加固范围。 5 地质超前预报系统 德国易北河第四隧道施工的盾构使用了这种设 备， 其实际使用效果非常好。 它的工作原理是通过不 同密度物体反射的不同强度的雷达波， 判断刀盘前方 的地质情况， 从而提醒操作人员提前做好准备。在 复杂多变的地质中， 这种设备能避免很多操作失误。 6 保压泵碴系统 保压泵碴系统把土压平衡盾构的应用范围大大 的扩展了， 这套系统使以前被认为只有泥水式盾构 才能施工的 地层， 土压盾构也能有效通过。 保压泵碴系统的主要原理是在螺旋输送机的 排 土口 增加一个保压泵碴装置， 这套装置能把开挖出 的碴土和泥水分离， 排出的碴土进入碴车， 泥水可以 用专用的泵再注回土仓。 这套装置能在渗透性非常大的地层保证地下水 土不致大量流失， 确保土压盾构的正常工作。 广州地铁实践表明， 在盾构选型时必须根据施 工区段的工程地质和水文地质条件对盾构的选型和 机具性能提出明确的要求， 选择与地质环境相匹配 的盾构是保证盾构施工更加安全、 可靠、 高效的重要 前题。相信通过设计、 施工和机具制造的共同 努力， 盾构施工的应用前景将越来越广阔。 S e l e c t i o n o f s h i e l d t y p e s i n G u a n g z h o u Me t r o c o n s t r u c t i o n B a i Z h o n g r e n C h i n a R a il w a y E n g i n e e ri n g C o 印 o r a ti o n , B e ij i n g 1 0 0 0 5 5 A b s t r a c t T h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f m e t r o t u n n e l b y s h i e l d m e t h o d h a s b e e n r a p i d e s t d e v e l o p e d i n G u a n g - z h o u . H o w e v e r , d u e t o t h e s p e c i a l e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s m a n y d if f i c u l t i e s h a v e b e e n e n c o u n t e r e d d u r i n g c o n s t r u c t i o n . T h e p a p e r a n a l y z e s g e n e r a l g e o l o g i c a l f e a t u r e s , s u m m a r i z e s t h e p r o j e c t c a s e s c o n s t r u c t e d b y s h i e l d a n d p r e s e n t s t h e p r o g r e s s e s i n s e l e c t i o n s o l u t i o n o f s h i e l d t y p e s i n m e t r o c o n s t r u c t i o n . K e y w o r d s G u a n g z h o u m e t r o ; G e o l o g i c a l f a c t o r s ; P ro j e c t c a s e ; 5 e l e c t i o n o f s h i e l d t y p e s‘ ，1 3 万方数据