广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破.doc

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1、广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破许少辉 竺维彬 袁敏正1前言1997年10月，广州地铁一号线采用的3台盾构机在广州复合地层中成功修建了8.9km地铁隧道，结束了当时能否在广州市区复合地层中使用盾构法修建地铁隧道的争论，使盾构法在广州的地位得以确立，并为1999年以后广州地铁二号线、三号线、四号线大幅度采用盾构技术修建地铁隧道奠定了基础。至今，在广州使用盾构法已修建地铁隧道约80km（见表1）。在此过程中大量技术难题的处理着实为在复合地层的盾构施工积累了宝贵的经验。2广州地区复合地层的概念与特点广州地区复合地层最重要的特点是工程范围内的岩性变化频繁，物理力学特性差异大，基岩风化界面起伏大，断

2、层破碎带分布密集，含水量差异明显。具体表现为：同一里程隧道横断面表现为上下或左右软硬不均，在隧道纵剖面上表现为软硬相间，其中隧道断面地层的复合特性，对盾构施工的影响尤为明显。盾构隧道埋深一般在l030m，隧道断面及上覆的地层从地表至下依次为：上部：第四纪软土层，主要由杂填土、流塑软塑淤泥层和富含水砂层组成。中部：第四纪残积层，该层是沉积岩、岩浆岩、变质岩等三大母岩地层风化后残积形成，可塑、硬塑半固结状态粘土和砂质、砾质粘性土。下部：大部分地区是由不同风化程度的白垩系砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量泥灰岩组成；少部分是由不同风化程度花岗岩或花岗片麻岩及混合花岗岩组成。2.1根据施工实践，对盾构机掘

3、进有不利影响的典型工程地质和水文地质2.1.1残积土的粘土以及泥岩类岩石经研磨后形成的粉粒状矿物质，在受压、受热、受湿环境条件下，会在刀盘表面或土仓内形成泥饼。2.1.2上软下硬或上硬下软的不均匀地层难以全天候进行动态平衡控制，易导致顶部坍塌。2.1.3软硬地层突变及花岗岩地区的球状风化体，会使刀盘变形和刀具崩裂（见图1）。2.1.4富水断裂带和岩石破碎带等地层会导致螺旋输送机出土口涌水涌砂，造成施工困难；2.1.5过江河或砂层、淤泥层，易失水和扰动引发大的沉降；2.1.6土压平衡状态施工遇到石英含量的地层时，刀具磨损严重。3盾构机对复合地层适应性的因素研究就目前盾构技术的发展水平，企图制造出

4、完全适应类似广州地区复合地层掘进的盾构机的想法是不现实的，所以，广州地铁多年的探索实践和总结，归纳出以下若干问题很值得在今后盾构机的设计和制造方面加以重视和研究，以提高盾构机对复合地层的适应性。3.1设计寿命盾构机设计寿命的提高对复合地层中盾构机的掘进施工影响较大，区别于单一均质地层，在复合地层中的最大不同点是，盾构机本身在设计上就必须考虑到对付千差万别地层变化。设计寿命作为一个反映盾构机综合性能的重要指标，其寿命的长短将直接关系到其应付各种地质条件的可行性和安全性。例如，在广州地铁使用引进的盾构机当中，部分按主轴承4000h、掘进3km使用寿命设计的盾构机所表现的对付不同性质地层的掘进能力明

5、显不如那些按主轴承10000h、掘进10km使用寿命设计的盾构机。为了保证10km的使用寿命，盾构厂家主要在钢结构的强度和主轴承密封系统进行了明显的优化。3.1.1主轴承等密封系统的优化：目前使用的维尔特盾构机主轴承密封和铰接密封是非常独特和高度可靠的，主轴承密封系统通过油脂连续流动保护密封性能，密封系统由5道专门为隧道开挖应用而设计的迷宫密封和唇型密封组成（见图2）。3.1.2刀盘等钢结构强度的优化：通过增加刀盘厚度（450mm），刀盘总重量（由原来的32t到48t再到目前57t），刀盘的周边面板焊接有格栅状的和Hardox耐磨材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的刚度和耐磨性能。盾构每把刀具能承

6、受25t的压力，使刀盘刀具标准破岩强度可达到200MPa以上。3.2主要技术参数盾构机的推力和扭矩取多大合适，一直是研究的重点。对于同一个项目，不同的制造商或承包商给出的盾构机主要参数，如刀盘转速和相应的扭矩相差甚远，这表明：不同的制造商对同一地区的地质条件的理解和认识明显不同。事实上，依据于地质特征的盾构机参数计算模式的局限性是显然的，目前还无法用一个或几个数学模型来准确模拟开挖介质，即千变万化的广州地质特征。广州的盾构施工实践已经把类似地质条件、同直径（约6m）隧道对盾构机主要技术参数，如最大推力、额定扭矩等，提出了明确的要求。3.2.1总推力：盾构机掘进所需推力的大小一方面受限于掘进速度

7、的要求，另一方面受限于隧道管片的承受力，3300035000kN的设计推力可以满足要求。3.2.2刀盘扭矩：从额定扭矩为3500kNm、4360kNm、5800kNm等不同盾构机施工中的不同表现来看，4500kNm的折衷选择是合理又经济的；广州的盾构掘进表明，设计时就考虑最大扭矩（脱困扭矩），将更有利于应付难以预计的实际情况。3.2.3刀盘转速：至于刀盘的转速，已经应用盾构机刀盘转速从01rpm、03rpm、06rpm不等，并由“有极调速”优化为“无极调速”。3.3刀盘开口和刀具的配置选择刀具配置，应充分研究刀具的均衡性原理各种刀具的破岩机理（见图3），除考虑各种刀具的轨迹覆盖整个刀盘面外，刀

8、具的组合形式、刀具的高度及高度差等性能或指标也很重要。3.3.1刀具的型式和超前量：刀具配备型式必须统筹兼顾全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层，还要考虑随着不同开挖面性状，灵活地变化刀具组合，有利于防止泥饼的形成和破除。（例如，某区间盾构机滚刀高出盘面175mm，刮刀高出盘面140mm，二者高差35mm的设计，对一度困扰广州地铁盾构施工的难题泥饼的形成，起到良好的抑制作用（见图4）。同时，进行相同位置不同刀具的互换性研究，以便掘进过程中便捷地拆装更换刀具。为了提高推进速度，减小刀具的磨损或破坏，施工中强化对工作面地质条件的研究和预测，根据不同的地层，及时更换与地层相适应的

9、刀具，已经成为复合地层盾构施工的重要手段。3.3.2刀盘的开口率在加强刀盘结构强度和刚度的同时，地铁二、三、四号线刀盘的开口率较一号线提高了515。尤其是对中心部位开口率进行改进和提高，对防止结泥饼起了明显的作用。3.4螺旋输送机的功能优化3.4.1结构型式的改变：在广州曾经使用过两种结构型式的螺旋输送机。其一是中空的带式螺旋，这种螺旋结构便于出土，但在防止喷涌方面效果不好；其二是中心轴螺旋，这种螺旋结构在实际应用中对开挖面的稳定和防止出土口喷涌等方面更有效，更适合于掘进富水断层或穿越河涌。3.4.2叶轮的外缘耐磨性能的提高：螺旋输送机表面的耐磨性能的提高十分重要。例如在某区间，以土塞段为分界

10、线，土塞段前部的螺旋带外焊接40mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，土塞段以后的螺旋带外焊接20mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，对螺旋输送机起到了良好的保护作用。3.4.3功能的加强：螺旋输送器直径从750增加到中900，扭矩由60-90kNm，增加220kNm，、以满足快速掘进的要求。3.5渣土改良设备在类似广州地层盾构施工过程中必须进行渣土改良，这一点已经逐渐成为施工各方普遍共识。渣土改良设备能向土仓和开挖面注入添加剂（如泡沫等），同等条件下，既可以降低刀盘、螺旋输送机的扭矩，降低盾构机的负荷，降低刀具的磨损，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、控制土体平衡

11、，有利于沉降控制。在广州地铁曾使用的盾构机刀盘面板上的数量随着人们认识的加深而不断增加，即由最初的14个，增加到8个，同时，在盾构机设计时就充分考虑渣土改良设备与添加剂的使用等，已成为保证盾构机顺利掘进不可缺少的手段（见图5）。3.6人仓及加压环境下作业设备可以作为加压环境下作业保护屏障的人仓对在广州的复合地层盾构机施工具有特殊意义。主要表现在通过软硬不均或球形风化孤石、开挖面常压下不能自立的地段，通过人仓加压环境的建立可成为排除掘进障碍、更换刀具降低安全风险等作业的不可缺少的条件。甚至在某些区间通过人仓的加压环境更换损坏的刀具已成为一项通常的作业，至今三号线共46次使用气压技术进行换刀。与其

12、相配套的还有压力环境下专用的破岩设备、刀具拆卸和更换工具，以及有关医疗设施等（见图6）。3.7刀盘轴向平移装置刀盘轴向伸缩平移装置主要用途在于能避免开挖刀盘前方坚硬的岩石，并及时在硬岩地层中快捷地更换刀具。在三号线市番区间首次采用，刀盘200mm伸缩空间确实为硬岩中的刀具更换和顺利掘进带来了很大的方便。第一次使用，发挥了良好的作用，为类似地质条件下防止喷涌提供了根本性的解决方案。3.8保压泵碴系统土压平衡盾构机螺旋输送机保压泵碴系统，是补充增加的泥水加压出渣系统。该系统能在喷涌等难以保持土仓平衡的情况下，继续保持土仓压力并且保证碴土能顺利出至矿车，防止污染隧道，更有利于连续施工。该系统在四号线

13、小新区间海瑞克盾构机中使用过。3.9辅助施工设施激光导向系统、同步注浆系统等辅助施工设施，对于复合地层中盾构机施工保证隧道轴线控制和盾构隧道的质量起到十分重要的作用。3.10改善盾构作业施工环境进一步提高整机的人性化设计，使得盾构机的使用和维护更加方便，如在不影响整体性能的条件下，将盾构机中体中的部分元件后移至台车上，方便作业人员的通行和维护。4盾构施工技术的探索和突破围绕盾构机始发、到达、穿越珠江、切桩、调头，通过暗挖段施工、硬岩地层掘进、带压进仓作业等课题，积极进行探索和开展科技攻关，解决了诸多属于复合地层掘进的技术难题，取得了一系列突破。兹将盾构机穿越各类地层的施工技术要点总结如下。4.

14、1穿越硬岩地层4.1.1采用敞开掘进模式；加大刀盘转速，控制贯人度；经常性对刀具检查和更换；特别是边缘扩孔刀的及时更换（见图7）。4.1.2严格控制姿态的变化，保证开挖面和刀盘面的平行，绝对禁止急纠方向。4.1.3在掘进时合理使用发泡剂，控制浓度38，降低温度和减少摩擦，以保护刀具，提高掘进效率。4.1.4条件许可时可采用矿山法成洞后，再由盾构拼装管片的方法。大汉区间在220m硬岩段就是成功采用该方法通过，克服了盾构机掘进该硬岩地段速度慢、成本高的缺点。四号线小新和三号线市番盾构也先后采用该方法通过硬岩段。4.2穿越上软下硬地层上软下硬地层掘进过程中，最大危害是下面硬地层造成掘进速度慢，但在较

15、慢的掘进速度下，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。4.2.1掘进过程中严格控制土压，土仓压力不得小于主动土压，严格控制出土量（建议每环至少检查并确认三次）；在停机期间，土仓压力足够保持开挖面稳定。4.2.2掘进时向土仓内及时足量诸如膨润土等具有稳定开挖面的添加剂。4.2.3根据实际调节推力，减小刀具在岩层交界面碰撞强度；降低刀盘转速，防止软硬界面处刀具的崩裂。4.2.4采用压气作业，经常性进行刀具检查和更换。4.2.5掘进过程尽可能连续，尽量避免停机。4.3穿越孤石群4.3.1采用地质钻探、物探等方法进一步探明孤石及上软下硬地层分布。4.3.2在地面具备条件的地方进行预加固或采用从地面

16、钻孔爆破、冲孔清除。4.3.3采用压气作业和预先加固地基，经常性进行刀具检查和更换。4.3.4优化掘进参数：包括推力、刀盘转速、土仓压力、泡沫剂加量等。4.3.5采用特殊洞内加固措施进行刀具检查和孤石处理。4.3.6采用洞内静态爆破、炸药爆破以及特殊工具（液压分裂机）来清除孤石（见图8）。三号线市番、天华盾构隧道花岗岩及球状花岗岩地层的岗石强度均超过160MPa，是广州地铁盾构施工所遇到的最硬的岩石。通过综合使用以上方法，并采用盾构机前方静态微膨胀爆破、火力爆破、液压分裂机，及冲孔桩等技术成功破碎档在盾构机前方破碎孤石。4.4穿越江河、过河涌或水塘、富水地层广州地铁已经有20台次穿越珠江、河涌

17、的经验，逐渐形成了盾构机过江、涌时要把握“护头保尾”原则（始终保持盾构机头土仓压力稳定和盾尾密封良好），并利用信息化施工手段，及时调整盾构机各种参数，充分考虑各种可能性做好应急预案等方面，为盾构机顺利穿越江河进行了有益和成功的尝试（见图9）。 4.4.1盾构设备性能是能否树立进行过江施工的关键。因此在过江前，必须对盾构机进行全面系统地检查与维修，保证盾构在性能完好。4.4.2正确设定掘进参数。土仓压力设定考虑到海水涨落的影响，严格控制出土量。在停机期间，关闭螺旋输送机出土闸门，以保持土仓压力。4.4.3特别注意地下水浮力问题。在富含地下水的硬岩地层中掘进时，管片所受到的浮力远与其自重，管片在浮

18、力作用下产生上浮。为此，必须调整浆液配合比，缩短其凝结时间，迅速稳定管片；盾构掘进过程中全程（包括换车、拼装管片期间）注浆相当重要。4.4.4随时加注盾尾油脂，保持盾尾密封始终具有良好的密封效果。目前穿越珠江最宽的是南珠江水面宽度为505m，仅用50d通过，沥大区间右线盾构仅历时一个月即穿越312m宽的珠江三枝香水道，创泥水盾构过江的纪录。珠客区间右线盾构仅历时22d即穿越318m宽的北珠江，创土压平衡盾构过江河的纪录（是二号线过江的5.78倍）。4.5穿越砂层由于砂层具有渗水系数大、粉细砂层易液化、粘性砂层流动性好等特点，因此，盾构机通过该地层时，易发生地层的土力学特性变化，如桩基处于砂层中

19、，砂层受扰动后，降低了桩与土体之间的摩擦力，消弱了桩基的承载力，造成建筑物沉降。因此怎样减小对砂层的扰动，是安全过砂层的首要问题。4.5.1盾构机在砂层中通过时，将采取土压平衡模式掘进，增大盾构机的推进速度，降低刀盘转速，确保土仓压力以稳定开挖面，应严密监测和控制地表沉降。4.5.2向盾构机土仓中加入膨润土或聚合物等添加剂，改善土仓中砂、土、水混合物的流动性，使其成为一种塑性流动体，满满地通过盾构机螺旋输送器和输送带流出，避免喷涌。4.5.3调节螺旋输送机的转速或闸门开度控制出土量；采取逐斗控制出土量的方法控制。三号线市番、大沥、沥大和珠客都成功通过砂层。4.6盾构穿越断裂带富水断层最突出的地

20、质特点是岩石破碎且单个碎块硬度大（见图10）、强度高、地下水丰富，补给异常迅速。值得指出是，在这类地层中不仅盾构机螺旋输送机出口容易出现喷涌，而且该地层对盾构机刀具的磨损甚至破坏也是相当严重的，曾出现过多次在这种极端不良的地质情况下停机更换刀具的情况。一般情况下，从地面或盾构机内对前方地层进行适当的加固是必要的。4.6.1对断裂带进行详细的地质补充勘查。4.6.2穿越断裂带前尽可能开仓更换、维修刀具，如果断裂带地层不能自稳时，可采用垂直袖阀管注浆等技术对地层进行预加固。4.6.3采取土压平衡模式掘进，加大泡沫剂的用量以改良碴土，在断裂带施工中，碴土改良相比较硬岩段来说更为重要。某区间在遇到断层

21、时对前方断层土体进行加固之后，仍无法阻止异常丰富的地下水，后来只能利用盾构机仓壁上的预留孔，穿过刀盘的中间的空隙，向盾构机前方断层内插入引水管，引排水量一度达到2000m3d，有效地降低了地下水压，保证了稳定切削面的稳定，实现了安全开仓，更换刀具，再次掘进。三号线汉市、大汉和天华都成功通过榄塘、礼村和瘦狗岭断裂带地层。4.7盾构穿越有害物质地层在三号线汉市盾构遇到劣质煤层的地层，开仓后有强烈的刺激性气味的气体，通过仪器测量发现，甲烷气体浓度偏高，一氧化碳浓度严重超标，通过采取如下措施，安全度过了危害物质地层。4.7.1加强培训和宣传，提高全体施工人员安全意识。4.7.2购置大量防护用品以防万一

22、，严禁井下动火作业，在井口设置安全检查，严禁将烟火带人洞内。4.7.3对井下有害气体的浓度进行时时监测并记录。4.7.4加强排风降低井下有害气体的浓度达到安全标准后再进行作业。4.8盾构穿越重要房屋、构筑物和桩基础为确保施工不影响地面建筑，顺利切除已废除的桩基，避免造成地面沉降超限，危及建筑物安全，特对隧道的掘进施工提出以下要求：4.8.1采取土压平衡模式，土压、刀盘转速严格按指令执行；逐斗控制出土量。4.8.2掘进过程应保证同步注浆以及时稳定地层，如盾尾注浆跟不上，必须降低掘进速度以确保每环注浆量。对启用的备用注浆管，要注意维护，确保4条注浆管路的通畅。4.8.3盾构掘进过程中，要注意发泡剂

23、及水的合理使用，一方面可以改善土的性质，加强对刀具的保护，提高掘进效率，另一方面可避免发泡剂管路搁置而堵塞。4.8.4掘进及注浆施工过程中，安排专人对该段地面及建筑物进行24h（间隔不大于2h）观测，并将监测结果及时口头上报，同时整理成书面形式，并画出主要监测点的沉降变化曲线图。4.8.5当地质情况比较复杂又不易确定时，应密切监视土压显示、观察螺旋机的出土情况和结合地面监测，判断开挖面有无涌水和坍塌现象发生，以便及时采取对策。4.8.6刀具硬度仅对桩基中8mm以下的钢筋具有切割能力。对于小的沉管灌注桩一般可以由盾构机直接破碎，慢速通过；对于大的钻孔灌注桩，则需要采用压气作业进入土仓进行人工清除。在三号线天华盾构区间内，处理进入隧道范围内的华工科技楼69根直径500mm、强度等级80MPa预应力钢筋砼管桩时所采用的钻冲切割拔除法，属国内首创。三号线盾构隧道用483根新桩基托换了359根旧桩基，并拨除了69根侵入遂道内的桩基，创全线托换桩基数量之最。5结束语对复合地层盾构机适应性问题的探讨，以及进行复合地层盾构施工技术研究，至今仍是世界隧道建设中的重大课题。广州地铁经过10年来盾构施工的实践，为这一难题的解决做出了重要贡献，也必将为盾构技术发展史上留下一笔重彩。