成都地鐵盾構(gòu)選型設(shè)計及實用性比較

曹 智，李劍祥

（1.中鐵城市發(fā)展投資有限公司，四川 成都 610031；2.中鐵六局集團成都地鐵3號線盾構(gòu)項目部，四川 成都 610031）

0 引言

2012年1月，中國中鐵股份公司與成都市政府簽訂了成都地鐵建設(shè)合同，標的涵蓋了成都地鐵1號線南延線首期工程、3號線一期及地鐵7號線等合計全長約64 km的設(shè)計施工任務(wù)。上述3條線覆蓋成都所有復雜水文地質(zhì)，其中7號線是成都唯一的環(huán)形線路，既有富水卵石，也有膨脹泥巖，更有復合地層。

為快速有序、均衡高效地推進施工，中國中鐵在盾構(gòu)選型上進行了深入研究。在成都市地鐵1號線一期和2號線施工中，分別采用8臺、15臺“國外盾構(gòu)”施工，對其實踐經(jīng)驗，中國中鐵充分進行了考慮和借鑒：在砂卵石地層中采用盾構(gòu)法施工，卵石含量、粒徑、強度和沖填物的性質(zhì)對盾構(gòu)選型和施工起決定性作用，盾構(gòu)隧道的上覆蓋層、地下水情況和地表建（構(gòu)）筑物分布狀況，也對盾構(gòu)選型和施工亦有一定影響［1］；在成都地鐵1號線4標試驗段施工時，分別采用1臺泥水盾構(gòu)與1臺土壓盾構(gòu)進行左右線的掘進［2］；在研究成都地鐵1號線和2號線施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提煉汲收諸多要點，通過對成都地鐵1號線試驗段盾構(gòu)選型進行總結(jié)，得出土壓平衡盾構(gòu)全面優(yōu)于泥水平衡盾構(gòu)的結(jié)論［3］；在土壓平衡盾構(gòu)掘進效果的基礎(chǔ)上，研究刀具耐磨性，以期提高掘進里程，減少換刀帶來的各項風險［4］；根據(jù)成都地鐵1號線盾構(gòu)所選機型在施工過程中的經(jīng)驗和教訓，通過對盾構(gòu)的掘進機制深入分析，提出了在富水砂卵石地層盾構(gòu)刀盤的合理結(jié)構(gòu)形式［5］；刀盤是隧道掘進機的關(guān)鍵部件，刀盤的結(jié)構(gòu)性能會影響隧道掘進機的施工效率、施工成本及施工安全［6］；盾構(gòu)刀盤的合理設(shè)計和刀具布置，可減少碴土堆積和結(jié)泥餅現(xiàn)象，同時對碴土起著有效的攪拌作用［7］。

結(jié)合上述結(jié)論和成都地鐵施工實際案例，中國中鐵優(yōu)化改進“中鐵盾構(gòu)”，并投入施工。通過對投入施工的“中鐵盾構(gòu)”進行調(diào)研，在與“國外盾構(gòu)”對比后認為，“中鐵盾構(gòu)”具有更強的適應(yīng)性、可靠性，并具有一定的先進性和經(jīng)濟性。

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

見表1。

表1 成都地鐵1，3，7號線工程概況表Table 1 Overview of No.1 Line，No.3 Line and No.7 Line of Chengdu Metro

1.2 地質(zhì)特點

1）盾構(gòu)區(qū)間隧道穿越地層地質(zhì)情況復雜，主要為砂卵石、泥巖，以及砂卵石和泥巖的復合地層。

2）其砂卵石地層中，卵石含量高達50% ～85%，粒徑以20～80 mm為主，部分粒徑大于100 mm，最大粒徑為180 mm，卵石級配差，細顆粒含量少；局部含有粒徑超過500 mm的高強度漂石；卵石和漂石單軸抗壓強度高，部分達55～165 MPa；地層的密實度從松散-稍密-中密-密實均存在，但以中密和密實居多，在區(qū)位分布上靠近城市西部。

3）全風化、強風化、中風化泥巖等屬于膨脹（土）巖，具有遇水軟化、崩解，失水開裂、收縮（膨脹）的特點，天然單軸抗壓強度為3～10 MPa。另有黏性極強的膨脹性泥巖（3號線北端），亦為不良盾構(gòu)施工地質(zhì)。

1.3 水文特征

地下水基本存在于砂卵石層中，水位均位于隧道頂板以上，屬強透水層，富水性好。特別是部分標段臨近河流干道，加之成都氣候多雨，地下水補給較為充足。

1.4 盾構(gòu)施工主要重難點

1）在砂卵石地層土倉建壓掘進，對主驅(qū)動扭矩要求高，刀盤、刀具和螺旋輸送機磨損快。

2）小曲線施工盾構(gòu)轉(zhuǎn)向困難；施工中地層泄漏土倉保壓換刀困難。

3）渣土改良不易達到良好效果，添加劑注入量大。

4）地表沉降控制難，后期沉降較明顯。

5）強透水地層可能會發(fā)生噴涌。

6）在泥巖和復合地層容易結(jié)泥餅等。

2 盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計

2012年4月上旬，由中國中鐵股份公司發(fā)起和組織，成都地鐵公司、中鐵工程裝備集團有限公司、中鐵二院、中鐵咨詢院及各參建施工單位參與，對適用于成都地鐵的新造盾構(gòu)選型配置、既有盾構(gòu)改造、配套設(shè)備的匹配等課題進行了深入探討，從盾構(gòu)設(shè)計和使用角度提出了應(yīng)對措施。

2.1 總體設(shè)計思路

堅持針對性和通用性的設(shè)計原則，保證設(shè)備可靠性和良好性價比，滿足各標段的地質(zhì)條件，并重點關(guān)注：

1）盾構(gòu)在砂卵石地層中，土壓平衡盾構(gòu)能夠在足夠土壓力條件下快速掘進，確保地層不坍塌，地表不發(fā)生異常沉降，達到良好的地表沉降控制效果。

2）刀盤開口和渣土改良設(shè)計能夠滿足在富水砂卵石層、泥巖地層順利掘進和防泥餅的需要。

3）刀盤刀具、螺旋輸送機有足夠的強度和良好的耐磨性設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離持續(xù)掘進，不易出現(xiàn)異常損壞。

4）盾構(gòu)各系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)具有國內(nèi)外行業(yè)先進水平，盾構(gòu)關(guān)鍵部件全球采購，采用國際知名廠商產(chǎn)品。

2.2 針對性設(shè)計

結(jié)合成都的各種地質(zhì)，特別是富水砂卵石及復合地層，設(shè)計考慮的重點為：

1）主驅(qū)動系統(tǒng)需要有足夠功率和扭矩，設(shè)計為液壓大扭矩，且做到主軸承及主軸承密封、主驅(qū)動組件、鉸接密封等關(guān)鍵部件質(zhì)量可靠。“中鐵盾構(gòu)”主驅(qū)動采用9組液壓馬達驅(qū)動，驅(qū)動功率為945 kW，額定扭矩為6 650 kN·m，脫困扭矩為8 100 kN·m，可以滿足在對扭矩要求較高的卵石地層中掘進。液壓驅(qū)動尤具有耐沖擊性、高扭矩性等特性，能更好地適應(yīng)富水砂卵石掘進。

2）刀盤形式主要指開口形式和開口率，二者直接影響掘進效率。一般來說，輻條之間的刀盤外周長多設(shè)定在2.5～4.5 m，所以標稱直徑6 280的刀盤可以設(shè)計成4輻條+4面板，每輻條寬度為750 mm。刀盤具體形式如圖1所示。

開口盡量靠近刀盤的中心位置，以利于中心部位渣土的流動。同時為防止中心區(qū)域渣土堆積，造成泥餅現(xiàn)象，刀盤開口率可以達到38%。該種形式刀盤即提高了開口率，也滿足了配置40把滾刀刃和刀盤本身剛度的要求。

3）刀盤面板、刀盤周邊和螺旋輸送機耐磨設(shè)計采用復核鋼板或耐磨塊，加強了耐磨性能。

圖1 刀盤形式Fig.1 Cutter head

4）采用單管單泵的泡沫系統(tǒng)并配置刀盤、盾殼膨潤土系統(tǒng)，利于渣土改良和盾體防卡。

每路泡沫采用單管單泵設(shè)計，當?shù)侗P噴口阻力不同時，每路泡沫仍能夠等量噴出，以避免在中、強風化巖中掘進時的泥餅問題。

配置的盾殼外膨潤土注入系統(tǒng)，從盾殼外部注入膨潤土或黏土，可有效減少砂層對盾體的摩擦阻力，防止卡盾。

刀盤各添加劑注入口分布如圖2所示。

圖2 添加劑注入口分布及其改良區(qū)域圖Fig.2 Distribution of additives injecting points and their conditioning scopes

添加劑注入口設(shè)有橡膠逆流防止閥（單向閥）（見圖3），以防止管路被泥砂堵塞，同時考慮到在卵石層中掘削，在6個添加劑注入口閥上設(shè)置保護刀具，以防止入口閥被卵石擠壓損壞。在人行閘內(nèi)的中心旋轉(zhuǎn)接頭后部留有液壓快速接頭，其構(gòu)造能承受高壓油，如果注入口被堵塞時，可接上油壓管路，通過液壓疏通裝置，用油泵向刀盤加泥系統(tǒng)管路加注最大為14 MPa左右的液壓油進行疏通，工程應(yīng)用效果很好。

圖3 添加劑注入閥詳細結(jié)構(gòu)Fig.3 Detail of additives injecting valve

5）在土倉和螺旋輸送機上共采用3道閘門設(shè)計，配置有高分子聚合物注入系統(tǒng)接口、保壓泵接口，以利于解決盾構(gòu)在富水地層掘進時的噴涌及脫困問題。

2.3 確定盾構(gòu)主要參數(shù)

1）按照總體設(shè)計思路及具體針對性設(shè)計的要求，確定了盾構(gòu)的主要參數(shù)（見表2）。

表2 中鐵盾構(gòu)主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of CREC shield

2）采用液壓驅(qū)動，適應(yīng)管片規(guī)格：外徑為6 000 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，寬度為1 500 mm，縱向螺栓分度為36°，刀盤開挖直徑≥前盾外徑30 mm，最大推進速度≥80 mm/min，最小轉(zhuǎn)彎半徑為250 m，適應(yīng)縱向坡度應(yīng)不小于±35‰。

3 “中鐵盾構(gòu)”應(yīng)用情況對比

目前，大部分“中鐵盾構(gòu)”已按期投入使用，承擔著地鐵1號線南延線、3號線絕大部分（地鐵7號線盾構(gòu)施工將于2014年全面鋪開），以及地鐵2號線（二期）和4號線（一期）部分的盾構(gòu)施工任務(wù)。

3.1 “中鐵盾構(gòu)”應(yīng)用概況

現(xiàn)成都地鐵1號線和3號線，施工中共計使用18臺盾構(gòu)，其中“中鐵盾構(gòu)”15臺，其他盾構(gòu)3臺。15臺“中鐵盾構(gòu)”中包含新機12臺（液驅(qū)），改造機3臺（電驅(qū)），其中1號線南延線使用了中鐵新機2臺和2臺其他盾構(gòu)。

中鐵系列盾構(gòu)自大規(guī)模投用至今，達到了預期效果。特別是中鐵58號盾構(gòu)，在全斷面砂卵石地層掘進中，創(chuàng)造了單日21環(huán)（31.5 m）的成都地鐵盾構(gòu)掘進施工的最高記錄，并在35 d的有效掘進時間內(nèi)完成了615 m的區(qū)間掘進施工任務(wù)，充分證明了設(shè)備的高效性和可靠性。

從整體看，已投用的15臺“中鐵盾構(gòu)”，無論是在全斷面砂卵石地層、膨脹性泥巖地層，還是泥巖與卵石的復合地層中，都具有較強的適應(yīng)性：在富水砂卵石地層掘進，最短換刀距離600 m以上，3號線1標中鐵56號盾構(gòu)實現(xiàn)長距離持續(xù)掘進至852 m處換刀，刀盤、刀具磨損正常。雖受各種城市活動影響，渣土外運受阻，穿越重大危險源等，在施工連續(xù)性得不到保障的情況下，但“中鐵盾構(gòu)”仍取得了如表3所示的成績（截至2013年12月31日）。

表3 成都地鐵1號線和3號線各臺盾構(gòu)詳細施工情況一覽表Table 3 Statistics of shields used in No.1 Line and No.3 Line of Chengdu Metro

3.2 “中鐵盾構(gòu)”與“國外盾構(gòu)”的對比驗證

在成都地鐵施工期間，“中鐵盾構(gòu)”與曾經(jīng)在1號線和2號線施工中表現(xiàn)良好的國外某知名品牌，在各種地質(zhì)條件下多次同時投入施工，實用效果證明“中鐵盾構(gòu)”能更好地適應(yīng)在成都地質(zhì)條件下施工。

3.2.1 施工進度

3.2.1.1 泥巖、粉土地層

在成都地鐵2號線東延線保安村站—龍泉東站區(qū)間，其右線長1 489.70 m，左線長1 488.608 m，“中鐵盾構(gòu)”承擔右線掘進任務(wù)，“國外盾構(gòu)”承擔左線掘進任務(wù)。

“中鐵盾構(gòu)”于2012年11月26日先行始發(fā)，并于2013年6月1日順利接收，總計用時188 d，其中除去非掘進天數(shù)38 d，實際掘進天數(shù)150 d，平均實際日掘進9.93 m，最高日掘進18環(huán)（27 m）。

“國外盾構(gòu)”則于2012年12月12日始發(fā)，至2013年7月2日順利接收，總計用時200 d，其中除去非掘進天數(shù)36 d，實際掘進天數(shù)164 d，平均實際日掘進9.08 m，最高日掘進18環(huán)（27 m）。具體進度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

3.2.1.2 全斷面砂卵石地層

在成都地鐵3號線馬鞍北路站—一號橋站區(qū)間，其左線長739.936m，右線長740.322m。“中鐵盾構(gòu)”承擔左線掘進任務(wù)，“國外盾構(gòu)”承擔右線掘進任務(wù)。

表4 泥巖、粉土地層“國外盾構(gòu)”和“中鐵盾構(gòu)”施工進度統(tǒng)計表Table 4 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in mudstone and silt strata

“中鐵盾構(gòu)”于2013年4月13日先行始發(fā)，并于2013年8月31日順利到達一號橋站接收，總計用時141 d，其中去除非掘進天數(shù)56 d，實際掘進天數(shù)85 d，平均實際日掘進8.7 m，最高日掘進16環(huán)（19.2 m）。

“國外盾構(gòu)”則于2013年7月15日始發(fā)，至2013年11月18日順利接收，總計用時126 d，其中去除非掘進天數(shù)25 d，實際掘進天數(shù)101 d，平均實際日掘進7.32 m；最高日掘進16環(huán)（19.2 m）。具體進度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表5所示。

表5 全斷面砂卵面地層“國外盾構(gòu)”和“中鐵盾構(gòu)”施工進度統(tǒng)計表Table 5 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in full-face sandcobble strata

從表4和表5可以看出，“中鐵盾構(gòu)”、“國外盾構(gòu)”分別在泥巖、粉土地層和全斷面富水砂卵石地層中的掘進效率比較接近，局部進度差異由非設(shè)備因素所致。在整個盾構(gòu)區(qū)間掘進過程中地表沉降可控，單次及累計沉降均未超過規(guī)范要求，圓滿完成了掘進任務(wù)。

3.2.2 設(shè)備故障率對比

“中鐵盾構(gòu)”、“國外盾構(gòu)”在泥巖、全斷面富水砂卵石地層中的掘進故障次數(shù)如表6所示。

表6 泥巖、全斷面富水砂卵石地層中掘進故障次數(shù)對比Table 6 Comparison and contrast between malfunctions of CREC shields and those of foreign shields in mudstone strata and full-face water-rich sand-cobble strata

“中鐵盾構(gòu)”、“國外盾構(gòu)”在區(qū)間掘進工作中，影響生產(chǎn)的故障頻率均在正常范圍內(nèi)。

3.2.3 掘進參數(shù)及消耗材料參數(shù)對比

見表7和表8。

表7 泥巖、粉土地層掘進參數(shù)及消耗材料參數(shù)對比Table 7 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in mudstone and silt strata

表8 全斷面砂卵石地層掘進參數(shù)及消耗材料參數(shù)對比Table 8 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in full-face sandy-cobble strata

在實際使用上，“中鐵盾構(gòu)”和“國外盾構(gòu)”主要存在如下區(qū)別。

1）“中鐵盾構(gòu)”的扭矩配置和刀盤設(shè)計更適合于帶壓掘進。按規(guī)作業(yè)時，掘進風險相對較低，地表沉降易于控制。

2）“中鐵盾構(gòu)”對土壓的敏感性相對較高，因而對盾構(gòu)司機的操作技能要求相對更高，容錯性稍低。

3）“中鐵盾構(gòu)”的渣土改良系統(tǒng)具備一定優(yōu)勢，體現(xiàn)在改良劑的定量、定點注入、堵管預防、堵管檢測等方面。總體來講，實用效果良好。

4）“中鐵盾構(gòu)”的刀盤、螺旋輸送機等關(guān)鍵部件的耐磨設(shè)計具備一定優(yōu)勢，實踐效果良好。

5）“中鐵盾構(gòu)”的分布式I/O控制模式，更趨人性化，有利于操作人員實施組裝、調(diào)試和故障處理等方面的施工作業(yè)。

6）“中鐵盾構(gòu)”配件充足、服務(wù)體系健全，在同等故障頻率情況下延誤時間遠低于“國外盾構(gòu)”。

7）中鐵土壓平衡盾構(gòu)能夠適應(yīng)富水砂卵石地層施工，拓展了土壓平衡盾構(gòu)的使用范圍，提高了盾構(gòu)施工技術(shù)水平。

4 結(jié)論與討論

在成都地鐵施工中，針對成都復雜多變的地質(zhì)，優(yōu)化設(shè)計的“中鐵盾構(gòu)”與“國外盾構(gòu)”相比，在實用性、經(jīng)濟性方面具有明顯的優(yōu)勢。在泥巖地段施工中，有時會出現(xiàn)管片上浮、錯臺等問題，應(yīng)大力推廣雙液漿注入系統(tǒng)的應(yīng)用，使管片在脫出盾尾前受雙液漿凝固作用下被固定住，從而減少或消除管片上浮的幅度。管片上浮問題與盾構(gòu)尾盾設(shè)計和重心布置有關(guān)，尚需深入研究、優(yōu)化改進，進一步提高設(shè)備實用性、可靠性。

同時，在強化和鞏固優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，“中鐵盾構(gòu)”需要進一步降低制造成本，增強設(shè)備的工作穩(wěn)定性，提高性價比，并進一步完善盾構(gòu)技術(shù)、配件、耗材供給等一站式服務(wù)。

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