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富水砂砾石地层地铁区间隧道盾构机选型分析
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内容提示：成都地铁一号线一期工程盾构区间隧道将基本在局部含大漂石的砂砾地层通过，且地下水位高，因此盾构机型式的确定是很关键的。盾构机选型受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件、工期要求、造价等多种因素的制约，本文综合各种因素对盾构机的选型进行了分析，提出了一些针对成都地铁一号线盾构机选型的建议供参考。
【摘要】成都地铁一号线一期工程盾构区间隧道将基本在局部含大漂石的砂砾地层通过，且地下水位高，因此盾构机型式的确定是很关键的。盾构机选型受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件、工期要求、造价等多种因素的制约，本文综合各种因素对盾构机的选型进行了分析，提出了一些针对成都地铁一号线盾构机选型的建议供参考。（参考《建筑中文网》）
【关健词】盾构隧道 盾构选型 地铁 大漂石 砂砾石
1工程背景
1.1工程地质及水文地质条件
成都地铁一号线一期工程北起红花堰，南至规划的世纪广场，线路总长15.15 km。其中红花堰站到桐梓林站之间的区间隧道拟采用盾构法施工，总长约为10.6 km。据目前的地质勘察资料，盾构通过区间基本位于Q3层，该Q3卵石士层为中密到密实，稍湿到饱和，直径大于5 cm的砾石含量一般都在50%以上，可能还随机分布直径大于20 cm的砾石层甚至胶结砾石层，部分区段还夹砂土透镜体，土中第四系孔隙潜水较发育，渗透系数K=10 ~20 m/d。地下水位均在盾构上方，北段水位埋深大致为4.5~6.8 m，南段水位埋深大致为7.0~10.0 m[1]。在成都天府广场挖掘的含砾地层如图1所示[5]。
1.2工程地质特点及难点
成都地铁将要穿越的地层的地质条件十分复杂和困难，采用盾构法施工，面临的困难是地下水位高、大砾石和漂石的处理以及长距离在砂砾石地层中掘进，怎样综合处理好上述三种因素，国内尚无先例，在国外也无完全成熟的经验，因此盾构机的选择很关键。
2盾构机的适应性分析
参考国内外在类似含砂砾地层施工的工程实例，成都地铁一号线一期工程将着重考虑敞开式盾构机、加泥式土压平衡盾构机和泥水平衡式盾构机这三种盾构设备的适应性及其特殊设计制造的可能性。下面分别阐述三种盾构机如何适应成都的特殊情况。
2.1敞开式盾构机的适应性
敞开式盾构机的特点是掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干挖态，所以出土效率高。这种形式的盾构可根据其机械化程度的差异，分为人工式、半机械式、机械式三种。全敞开式盾构机用于掘削面自稳性好的地层(如:洪积层压实砂、砂砾、固结粉砂及黏土)。对自稳性差的地层(如:冲积层中的砂层、粉砂层及黏土层)而言，应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。敞开式盾构在成都地层掘进的前提是需沿线大范围的地面降水，同时为了保障施工沿线上方建筑的安全，以及防止开挖掌子面的失稳，采用预注浆和超前管棚等辅助施工措施是必要的。
敞开式盾构机在成都地层中使用的优点是:①对盾构设备的要求较低，可实现国产化;②可形成多种断面形式，如矩形、马蹄形等;③漂石、砂卵石等对开挖的制约小。
但敞开式盾构机在成都地层中使用也有许多不利因素，主要表现在以下几个方面:①需要采取强有力的辅助施工措施进行超前地层加固，否则，掌子面土体难以实现自稳，会诱发严重的安全事故。虽然成都地层在降水情况下地表的下沉量较小，但是地面高楼林立，防范措施必不可少，而以目前的工程实例来看，在成都地层中实施预注浆和超前管棚这些辅助措施的效果并不好;②对地下水生态环境会造成严重破坏。由于需要沿线大范围地面降水，这将在施工地段周围产生很大的降水漏斗，周围的水环境将受到严重的不利影响，甚至会导致地面绿化带的枯死。同时，当注入有机浆液加固地层时，会使地下水受到污染(如1974年日本福岗曾发生注浆污染地下水事件);③虽然敞开式盾构机的设备费用和人工开挖费用较低，但加上其辅助加固费用，成本不一定得到降低;④为了节约成本，如果采取人工开挖，施工进度缓慢，容易延误工期，会影响整个工程的进度。同时若采用了压气的辅助工法，则当压气气压>0.15 ψPa时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康;⑤成都地铁一号线将穿过小沙河、府河及南河三条河流的下方，这些地方怎样降水通过是一难题。
综合上述各种利弊因素，在成都地区采用敞开式盾构机进行施工需要慎重考虑。
2.2加泥式土压平衡盾构机的适应性
土压平衡式盾构属于闭胸式盾构，盾构掘进时其前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体涌入土舱，当切削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使切削土体对切削面加压，从而保持稳定。在加压压力与切削地层的泥水压相等后，若能维持螺旋出土器的出土量与刀盘的切土量相等，则达到了平衡状态，即掘削面稳定。
如前所述，成都是砂卵石极多、细石成分少的砂砾石地层，若采用土压式平衡盾构机，由于砂砾土的塑流性和抗渗性差，将使得排土难以顺畅从而无法满足掘削面稳定的要求，需混入提高流塑性和抗渗性的添加材，即要采用加泥式土压平衡盾构机。
对于加泥式土压平衡盾构机，在成都地层中能顺利掘进需要解决的几个关键问题是:刀盘、刀具的耐磨性;如何破碎大粒径漂石;如何防止喷涌以及盾构的密封性能。
首先对于刀盘，考虑到要在砂砾石层中要长距离掘进，又要能顺利排除大砾石，采用高耐磨柱状辐条式刀盘或小幅面板 辐条式的组合刀盘是比较好的，如图3所示[2]。对于刀具，要满足的条件是:①要选用硬度大、抗剪性好的优质钢材制作刀刃;②外周刀应多于其他切削轨迹上的切削刀;③要使刀盘上的刀具过渡平滑，刀具受力尽可能均衡;④各种刀具均可从刀盘内部进行拆卸及更换[3]。对砂砾地层适应性比较好的是一种贝壳型钻，如图4所示[2]，贝壳型钻与齿形钻进行落差配置，该贝壳型钻先行挖掘，先对卵石进行冲击来解除砂卵石的约束力，剩余部分齿形钻进行挖掘。这样就有效减少了齿形钻的磨损，并且对于贝壳型钻可以配置预备刀实现一次自动更换，从而减少开仓更换刀具次数甚至中途不用开仓更换刀具。
对于大粒径漂石破碎的问题，尽量采用常规挖掘的方式，即按可能通过的最大砾石的直径确定开口率的切口宽度，配备与上述砾石直径条件相适应的螺旋输送机排除砾石。根据成都地铁6.2 m左右的盾构机实际条件，可以使螺旋出土器的开口尺寸达到1000 mm，能满足L725 mm xФ670 mm的漂石直接通过，而大于670 mm的漂石出现的概率不高，应能基本满足要求。即使出现大于670 mm的漂石，在螺旋出土器的前端可设置一道闸门，当大漂石进入土舱内时将该道门关闭，同时土舱内加气压防止水灌入，从螺旋出土器的前端将漂石取出或打碎后取出，这样可使通过的漂石尺寸达到L 1 000 mm xФ750 mm[2]。如果常规挖掘方式失效，则只能采取掘削面破碎方式，即在旋转刀头上安装齿式刀头及滚刀进行破碎，但这种方式需要地层对漂石有一定的夹持力，否则失效，在成都的地层中能否应用成功值得商榷。最后在不得已的条件下就只能采取人工开仓排石，由于成都是砂卵石层，若要通过压气支撑掌子面开仓取石时，则要采取减小土层透气性的一些措施，如泥皮法、密封墙法、区域密封法以及帷幕注浆法等等。
螺旋出土器为了达到运送尺寸最大为L725 mm xФ670 mm，必然采用带式螺旋出土器，带式螺旋出土器在高地下水位、高水压条件下会发生喷涌问题，对于成都地层，喷涌事故发生最好的预防措施是①通过向开挖下来的土体中添加材料来减小开挖土体的渗透系数;②采用多段螺旋输送机从而降低出土器出口处的水压力。如图5、图6所示[2]。
同样由于成都地层高水位的关系，盾构的密封也是需要注意的问题。盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾密封和铰接密封三个方面，应遵循“以防为主，多道设防，杜绝漏水”的原则，并遵循各项规范要求。由于本工程要承受较高的地下水压，建议盾构机轴承止水带设计中采用主轴承外密封措施，该方法使用四道唇形密封，能承受0.6MPa乃至更高的工作水压力，该系统的润滑全部为自动润滑，油脂或者是油的泄露，设备会自动立即停止运转，并且能通过泄露仓对密封状况进行检测。建议盾尾止水刷采用将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用4道密封承受高水压。
2.3泥水式平衡盾构机的适应性
地下水位高、水压大的地层中特别适合使用泥水式盾构机，因为泥水式盾构是将水、土及添加剂混合制成的泥水经输送管道压人泥水舱，用泥水压来平衡掌子面的水土压。掘进时刀盘切削下来的土砂进入泥水舱，搅拌后经泥浆泵送到地表的泥水分离系统，待水土分离后再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进。在盾构机中泥水平衡式盾构对地层的扰动最小，地面沉降最小。
【关健词】盾构隧道 盾构选型 地铁 大漂石 砂砾石
1工程背景
1.1工程地质及水文地质条件
成都地铁一号线一期工程北起红花堰，南至规划的世纪广场，线路总长15.15 km。其中红花堰站到桐梓林站之间的区间隧道拟采用盾构法施工，总长约为10.6 km。据目前的地质勘察资料，盾构通过区间基本位于Q3层，该Q3卵石士层为中密到密实，稍湿到饱和，直径大于5 cm的砾石含量一般都在50%以上，可能还随机分布直径大于20 cm的砾石层甚至胶结砾石层，部分区段还夹砂土透镜体，土中第四系孔隙潜水较发育，渗透系数K=10 ~20 m/d。地下水位均在盾构上方，北段水位埋深大致为4.5~6.8 m，南段水位埋深大致为7.0~10.0 m[1]。在成都天府广场挖掘的含砾地层如图1所示[5]。
1.2工程地质特点及难点
成都地铁将要穿越的地层的地质条件十分复杂和困难，采用盾构法施工，面临的困难是地下水位高、大砾石和漂石的处理以及长距离在砂砾石地层中掘进，怎样综合处理好上述三种因素，国内尚无先例，在国外也无完全成熟的经验，因此盾构机的选择很关键。
2盾构机的适应性分析
参考国内外在类似含砂砾地层施工的工程实例，成都地铁一号线一期工程将着重考虑敞开式盾构机、加泥式土压平衡盾构机和泥水平衡式盾构机这三种盾构设备的适应性及其特殊设计制造的可能性。下面分别阐述三种盾构机如何适应成都的特殊情况。
2.1敞开式盾构机的适应性
敞开式盾构机的特点是掘削面呈敞露状态，故挖掘状态是干挖态，所以出土效率高。这种形式的盾构可根据其机械化程度的差异，分为人工式、半机械式、机械式三种。全敞开式盾构机用于掘削面自稳性好的地层(如:洪积层压实砂、砂砾、固结粉砂及黏土)。对自稳性差的地层(如:冲积层中的砂层、粉砂层及黏土层)而言，应辅以压气、降水、注浆加固等措施，以便确保掘削面的稳定。敞开式盾构在成都地层掘进的前提是需沿线大范围的地面降水，同时为了保障施工沿线上方建筑的安全，以及防止开挖掌子面的失稳，采用预注浆和超前管棚等辅助施工措施是必要的。
敞开式盾构机在成都地层中使用的优点是:①对盾构设备的要求较低，可实现国产化;②可形成多种断面形式，如矩形、马蹄形等;③漂石、砂卵石等对开挖的制约小。
但敞开式盾构机在成都地层中使用也有许多不利因素，主要表现在以下几个方面:①需要采取强有力的辅助施工措施进行超前地层加固，否则，掌子面土体难以实现自稳，会诱发严重的安全事故。虽然成都地层在降水情况下地表的下沉量较小，但是地面高楼林立，防范措施必不可少，而以目前的工程实例来看，在成都地层中实施预注浆和超前管棚这些辅助措施的效果并不好;②对地下水生态环境会造成严重破坏。由于需要沿线大范围地面降水，这将在施工地段周围产生很大的降水漏斗，周围的水环境将受到严重的不利影响，甚至会导致地面绿化带的枯死。同时，当注入有机浆液加固地层时，会使地下水受到污染(如1974年日本福岗曾发生注浆污染地下水事件);③虽然敞开式盾构机的设备费用和人工开挖费用较低，但加上其辅助加固费用，成本不一定得到降低;④为了节约成本，如果采取人工开挖，施工进度缓慢，容易延误工期，会影响整个工程的进度。同时若采用了压气的辅助工法，则当压气气压>0.15 ψPa时，操作人员会患高压病，直接威胁人体健康;⑤成都地铁一号线将穿过小沙河、府河及南河三条河流的下方，这些地方怎样降水通过是一难题。
综合上述各种利弊因素，在成都地区采用敞开式盾构机进行施工需要慎重考虑。
2.2加泥式土压平衡盾构机的适应性
土压平衡式盾构属于闭胸式盾构，盾构掘进时其前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体涌入土舱，当切削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使切削土体对切削面加压，从而保持稳定。在加压压力与切削地层的泥水压相等后，若能维持螺旋出土器的出土量与刀盘的切土量相等，则达到了平衡状态，即掘削面稳定。
如前所述，成都是砂卵石极多、细石成分少的砂砾石地层，若采用土压式平衡盾构机，由于砂砾土的塑流性和抗渗性差，将使得排土难以顺畅从而无法满足掘削面稳定的要求，需混入提高流塑性和抗渗性的添加材，即要采用加泥式土压平衡盾构机。
对于加泥式土压平衡盾构机，在成都地层中能顺利掘进需要解决的几个关键问题是:刀盘、刀具的耐磨性;如何破碎大粒径漂石;如何防止喷涌以及盾构的密封性能。
首先对于刀盘，考虑到要在砂砾石层中要长距离掘进，又要能顺利排除大砾石，采用高耐磨柱状辐条式刀盘或小幅面板 辐条式的组合刀盘是比较好的，如图3所示[2]。对于刀具，要满足的条件是:①要选用硬度大、抗剪性好的优质钢材制作刀刃;②外周刀应多于其他切削轨迹上的切削刀;③要使刀盘上的刀具过渡平滑，刀具受力尽可能均衡;④各种刀具均可从刀盘内部进行拆卸及更换[3]。对砂砾地层适应性比较好的是一种贝壳型钻，如图4所示[2]，贝壳型钻与齿形钻进行落差配置，该贝壳型钻先行挖掘，先对卵石进行冲击来解除砂卵石的约束力，剩余部分齿形钻进行挖掘。这样就有效减少了齿形钻的磨损，并且对于贝壳型钻可以配置预备刀实现一次自动更换，从而减少开仓更换刀具次数甚至中途不用开仓更换刀具。
对于大粒径漂石破碎的问题，尽量采用常规挖掘的方式，即按可能通过的最大砾石的直径确定开口率的切口宽度，配备与上述砾石直径条件相适应的螺旋输送机排除砾石。根据成都地铁6.2 m左右的盾构机实际条件，可以使螺旋出土器的开口尺寸达到1000 mm，能满足L725 mm xФ670 mm的漂石直接通过，而大于670 mm的漂石出现的概率不高，应能基本满足要求。即使出现大于670 mm的漂石，在螺旋出土器的前端可设置一道闸门，当大漂石进入土舱内时将该道门关闭，同时土舱内加气压防止水灌入，从螺旋出土器的前端将漂石取出或打碎后取出，这样可使通过的漂石尺寸达到L 1 000 mm xФ750 mm[2]。如果常规挖掘方式失效，则只能采取掘削面破碎方式，即在旋转刀头上安装齿式刀头及滚刀进行破碎，但这种方式需要地层对漂石有一定的夹持力，否则失效，在成都的地层中能否应用成功值得商榷。最后在不得已的条件下就只能采取人工开仓排石，由于成都是砂卵石层，若要通过压气支撑掌子面开仓取石时，则要采取减小土层透气性的一些措施，如泥皮法、密封墙法、区域密封法以及帷幕注浆法等等。
螺旋出土器为了达到运送尺寸最大为L725 mm xФ670 mm，必然采用带式螺旋出土器，带式螺旋出土器在高地下水位、高水压条件下会发生喷涌问题，对于成都地层，喷涌事故发生最好的预防措施是①通过向开挖下来的土体中添加材料来减小开挖土体的渗透系数;②采用多段螺旋输送机从而降低出土器出口处的水压力。如图5、图6所示[2]。
同样由于成都地层高水位的关系，盾构的密封也是需要注意的问题。盾构密封主要分为主轴承密封、盾尾密封和铰接密封三个方面，应遵循“以防为主，多道设防，杜绝漏水”的原则，并遵循各项规范要求。由于本工程要承受较高的地下水压，建议盾构机轴承止水带设计中采用主轴承外密封措施，该方法使用四道唇形密封，能承受0.6MPa乃至更高的工作水压力，该系统的润滑全部为自动润滑，油脂或者是油的泄露，设备会自动立即停止运转，并且能通过泄露仓对密封状况进行检测。建议盾尾止水刷采用将密封材料或润滑脂压入钢丝刷间或用4道密封承受高水压。
2.3泥水式平衡盾构机的适应性
地下水位高、水压大的地层中特别适合使用泥水式盾构机，因为泥水式盾构是将水、土及添加剂混合制成的泥水经输送管道压人泥水舱，用泥水压来平衡掌子面的水土压。掘进时刀盘切削下来的土砂进入泥水舱，搅拌后经泥浆泵送到地表的泥水分离系统，待水土分离后再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环完成掘削、排土、推进。在盾构机中泥水平衡式盾构对地层的扰动最小，地面沉降最小。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/9115.htm
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