广州市轨道交通三号线盾构机选型及其适应性分析

　　摘要：文章对泥水盾构和土压平衡盾构的各自特点及盾构选型的一般原则进行了讨论，分析了广州市轨道交通三号线盾构机选型时需要考虑的地质因素，并介绍了三号线盾构机类型及其差异，最后对其适应性进行了总结。
　　关键字：泥水盾构，土压平衡盾构，选型，地质因素，适应性
　　1引言
　　盾构机的性能及其与地质条件、工程条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键，所以采用盾构法施工就必须选择最适宜的盾构机。盾构选型要尽量做到安全性、适用性、先进性、经济性相统一。
　　2土压平衡盾构与泥水盾构的特点比较
　　（1）稳定工作面的方式不同。土压平衡盾构是利用土仓中聚积的土体来平衡工作面的土压力，而泥水盾构是利用泥水作为支护材料形成泥膜来平衡工作面的土压力。
　　（2）适应的地层有所不同。土压平衡盾构适用于泥土地质条件。由于泥土的黏合性，泥土在螺旋输送机内输送连续性好，出渣速度容易控制，容易形成土塞效应稳定掌子面。当土压平衡盾构在砂层中掘进时，由于砂粒在螺旋输送机上输送连续性差，不易形成土塞效应，掌子面不易稳定。土压平衡盾构对高水压（0.3MPa以上）的地层适应性差。由于水压力的作用，螺旋输送机无法保证正常的压力梯降，不能形成有效的土塞效应，易产生渣土喷涌现象。泥水盾构适用于软粘土层、滞水细砂层、砂砾层、漂砾层、固结淤泥层及含甲烷气体的特殊地层等，最适于在洪积层砂性土中掘进。
　　（3）由于泥水渗入地层的浸泡作用,致使掘削地层不同程度有些松软,故泥水盾构的刀盘掘削扭矩小,而对于土压平衡盾构，因添加材的相对密度大,对掘削地层的浸渗作用小,所以掘削摩阻力大,即掘削扭矩大,致使土压盾构机的装备扭矩大、功耗大。所以同样扭矩驱动设备的情况下,泥水盾构的直径可以做得大。
　　（4）泥水盾构成本高，占地面积大，且影响交通、市容。由于设置泥水管理系统、泥水处理系统,致使工序、设备复杂,成本高。另外，由于泥水配制系统、泥水处理系统的存在,致使地表占地面积大增。相对来说，土压平衡盾构造价低，对环境影响较小。
　　（5）土压平衡盾构的刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中渣土与添加材料搅拌阻力也大，而泥水盾构的切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到润滑冷却作用，摩擦阻力与土压平衡盾构相比要小，因此，泥水盾构的刀具、刀盘的寿命较土压平衡盾构要长。
　　（6）与泥水盾构相比,土压平衡盾构推力较大，对周围地层的扰动大。
　　3盾构选型原则及需考虑的特殊地质因素
　　3.1盾构选型的一般原则
　　由于地下水在土层中的渗透作用，产生渗透力，导致土体中发生应力应变，可能引起流土或管涌等渗透变形，因此，地下水渗透作用是影响工作面稳定的主要因素。反映土体透水性的指标是渗透系数。根据国内外盾构施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水平衡盾构，如图1所示。
　　但是，仅以渗透系数来判定是不够的，颗粒的级配也应当是一个重要的参考指标。即便土层的渗透系数很小，适用于土压平衡式，若土体中的粗颗粒较多，想要实现土体的平衡也是很困难的。因为当土体进入土仓之后，逐渐将土仓堆满以建立土压力；然而若粗颗粒较多，土的流塑性就较差，那么进入土仓之后虽能堆满，但内部仍然空隙较多，无法形成土塞效应。土压平衡式盾构一般适用于粘土地质，粘土进入土仓能够充满土仓的各个部位以形成土塞效应；而泥水平衡式盾构则适用于硬度较高的砾石、粗砂地质，还可以用在地质情况较为复杂的地方。大体上，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40%以上时，通常会选用土压平衡盾构机；相反的情况选择泥水盾构机比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。岩土颗粒与盾构机选型的关系如图2所示。
　　总之，要根据地下水的情况和土体的颗粒级配情况选择适当的盾构类型。另外，由于工程地质的复杂性，对于同一个盾构标段，可能出现某些部分适合选用土压平衡盾构，而其他部分又适合采用泥水盾构，因此，这就需要综合考虑并分析不同选择的风险，最终择优选取。
　　3.2三号线盾构选型需考虑的特殊地质因素
　　（1）第四系软土层
　　三号线沿线第四系覆盖层较厚,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。由于它们饱水、稳定性差,开挖时易坍塌、涌水涌砂,地层沉降较大。因此,要求通过此类土层的盾构必须具有良好的密水性能,且具有保持足够泥水压力或土压力的功能。
　　（2）白垩系砂岩、泥质砂岩，泥岩、砂质泥岩等地层
　　这是三号线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、微风化钙质和铁质胶结的砂岩、砂砾岩的岩石强度较高(最高可达60MPa左右),是盾构刀盘、刀具选择时必须加以考虑的因素。
　　（3）燕山期花岗岩及震旦系混合岩
　　三号线盾构区间部分地段围岩为花岗岩岩体和混合岩岩体。此类岩体的以下特点是盾构选型时必须考虑的因素:1）岩石中石英含量较高,对刀盘和刀具的破坏性强；2）微风化岩石抗压强度可高达160MPa，是盾构选型时必须认真加以考虑的因素；3）全风化、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体，俗称“孤石”却十分坚硬、难以破除。
　　（4）富水断裂带
　　三号线盾构区间多次穿越断裂带，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。
　　（5）复杂的水文地质
　　三号线沿线沟渠密布，江河纵横，隧道多次横穿珠江主水道，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。
　　4三号线盾构机类型及设计差异
　　4.1盾构机类型
　　广州地铁三号线盾构机的配置具有典型性和代表性。广州地铁三号线全线共15个区间采用盾构法施工，分8个盾构标段。根据三号线的地质条件及上述选型原则，各标段盾构机类型如表1所示。

广州地铁三号线盾构标段区间长度及盾构机类型

　　4.2盾构机的主要差异
　　（1）刀盘的重量和强度有较大差别。三号线海瑞克盾构机刀盘重57t，维尔特盾构机刀盘重量为48.2t，三菱泥水盾构机刀盘重量为29t。
　　（2）刀盘扭矩差别较大。维尔特盾构机的刀盘额定工作扭矩为7340kN•m，最大脱困扭矩为9550kN•m；海瑞克盾构机的刀盘工作扭矩为4500kN•m，最大脱困扭矩为5300kN•m；三菱盾构机的刀盘最大扭矩为6327kN•m。
　　（3）海瑞克公司的刀具在两个参数上与维尔特和三菱公司的刀具有明显不同：一、海瑞克的滚刀和刮刀突出刀盘面板的高度为175mm和140mm，分别比维尔特的110mm和70mm及三菱的90mm和60mm的高；二、海瑞克两种刀具高度差为35mm，维尔特两种刀具高度差为40mm，三菱两种刀具高度差为30mm。
　　（4）仿形刀的伸出量各家盾构机制造商有所不同，海瑞克盾构机为40～50mm，维尔特盾构机为100mm，而两台三菱公司的泥水盾构机其仿形刀的伸出量为130mm。
　　（5）海瑞克和维尔特盾构的盾壳分两节,前盾外径比刀盘开挖外径小,后盾外径则更小,这种阶梯轴的外径设计方式,使盾壳在复杂地层(尤其是硬岩)不易被卡受困；三菱盾构是直筒型的设计,虽然也分前、后盾,但前、后盾外壳直径一样,导致盾壳在复杂地层掘进时,容易被卡住,相对来说没有前者灵活。
　　（6）海瑞克盾构机配置了30个推进油缸，三菱泥水盾构使用了24个推进油缸，维尔特盾构机配置了20个推进油缸。相对来讲，海瑞克盾构机使用了小缸径的推进油缸，在盾构壳体圆周上布置得更为均匀，使管片的受力状态更为合理。
　　（7）海瑞克螺旋输送器输送直径为φ900mm，导程为600mm，速度范围（无级变速）为0～22.4r/min，由液压马达驱动，最大扭矩为225kN•m，输送能力300m3/h。维尔特盾构机螺旋输送器的直径略小，为700mm，但设计的最大出土能力基本相同，为270m3/h左右。最大扭矩也基本相同，均为225kN•m左右。
　　（8）海瑞克和维尔特盾构管片安装机有6个自由度,三菱盾构有5个，这种自由度上的差异,使得海瑞克和维尔特盾构管片安装机运作灵活,易于实现管片的高质量安装。
　　5盾构机适应性分析
　　三号线15台盾构机分别采用了海瑞克、维尔特及三菱盾构机，各工程所采用的盾构机总体掘进情况良好，基本能适应相应工程的施工，但在工程施工过程中，还是遇到了一些问题。
　　1）对于花岗岩上软下硬地层、孤石地层及长距离全断面硬岩地层，盾构机存在严重不适应现象，盾构机的刀具损坏严重，掘进速度极其缓慢。
　　2）由于刀盘中心部位开口率比较小，在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中掘进，刀盘中心部位经常会出现泥饼，在三号线珠客、大沥等区间多次出现泥饼。
　　3）大沥区间盾构机在上部为富水砂层，下部为裂隙发育的红层<7>、<8>、<9>号地层中掘进，喷涌情况严重。
　　4）沥大区间的2号刀盘在施工过程中出现开裂解体事故。
　　参考文献：
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