成都地鐵盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)及實(shí)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(tuán)成都地鐵3號線盾構(gòu)項(xiàng)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(biāo)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(jì)全長約64 km的設(shè)計(jì)施工任務(wù)。上述3條線覆蓋成都所有復(fù)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(fù)合地層。

為快速有序、均衡高效地推進(jìn)施工，中國中鐵在盾構(gòu)選型上進(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中國中鐵充分進(jìn)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(qiáng)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(biāo)試驗(yàn)段施工時(shí)，分別采用1臺泥水盾構(gòu)與1臺土壓盾構(gòu)進(jìn)行左右線的掘進(jìn)［2］；在研究成都地鐵1號線和2號線施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提煉汲收諸多要點(diǎn)，通過對成都地鐵1號線試驗(yàn)段盾構(gòu)選型進(jìn)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(jìn)效果的基礎(chǔ)上，研究刀具耐磨性，以期提高掘進(jìn)里程，減少換刀帶來的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)［4］；根據(jù)成都地鐵1號線盾構(gòu)所選機(jī)型在施工過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，通過對盾構(gòu)的掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，刀盤的結(jié)構(gòu)性能會影響隧道掘進(jìn)機(jī)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(jì)和刀具布置，可減少碴土堆積和結(jié)泥餅現(xiàn)象，同時(shí)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(shí)際案例，中國中鐵優(yōu)化改進(jìn)“中鐵盾構(gòu)”，并投入施工。通過對投入施工的“中鐵盾構(gòu)”進(jìn)行調(diào)研，在與“國外盾構(gòu)”對比后認(rèn)為，“中鐵盾構(gòu)”具有更強(qiáng)的適應(yīng)性、可靠性，并具有一定的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)

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

2）其砂卵石地層中，卵石含量高達(dá)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(xì)顆粒含量少；局部含有粒徑超過500 mm的高強(qiáng)度漂石；卵石和漂石單軸抗壓強(qiáng)度高，部分達(dá)55～165 MPa；地層的密實(shí)度從松散-稍密-中密-密實(shí)均存在，但以中密和密實(shí)居多，在區(qū)位分布上靠近城市西部。

3）全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)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(diǎn)，天然單軸抗壓強(qiáng)度為3～10 MPa。另有黏性極強(qiáng)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(qiáng)透水層，富水性好。特別是部分標(biāo)段臨近河流干道，加之成都?xì)夂蚨嘤辏叵滤a(bǔ)給較為充足。

1.4 盾構(gòu)施工主要重難點(diǎn)

1）在砂卵石地層土倉建壓掘進(jìn)，對主驅(qū)動扭矩要求高，刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)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(dá)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(qiáng)透水地層可能會發(fā)生噴涌。

6）在泥巖和復(fù)合地層容易結(jié)泥餅等。

2 盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

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(tuán)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(jìn)行了深入探討，從盾構(gòu)設(shè)計(jì)和使用角度提出了應(yīng)對措施。

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

堅(jiān)持針對性和通用性的設(shè)計(jì)原則，保證設(shè)備可靠性和良好性價(jià)比，滿足各標(biāo)段的地質(zhì)條件，并重點(diǎn)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(jìn)，確保地層不坍塌，地表不發(fā)生異常沉降，達(dá)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(jì)能夠滿足在富水砂卵石層、泥巖地層順利掘進(jìn)和防泥餅的需要。

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

4）盾構(gòu)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)具有國內(nèi)外行業(yè)先進(jìn)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(jì)

結(jié)合成都的各種地質(zhì)，特別是富水砂卵石及復(fù)合地層，設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)為：

1）主驅(qū)動系統(tǒng)需要有足夠功率和扭矩，設(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)。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(jìn)。

2）刀盤形式主要指開口形式和開口率，二者直接影響掘進(jìn)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(biāo)稱直徑6 280的刀盤可以設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)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(jī)耐磨設(shè)計(jì)采用復(fù)核鋼板或耐磨塊，加強(qiáng)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(jì)，當(dāng)?shù)侗P噴口阻力不同時(shí)，每路泡沫仍能夠等量噴出，以避免在中、強(qiáng)風(fēng)化巖中掘進(jìn)時(shí)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(shí)考慮到在卵石層中掘削，在6個(gè)添加劑注入口閥上設(shè)置保護(hù)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(shí)，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(jìn)行疏通，工程應(yīng)用效果很好。

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

5）在土倉和螺旋輸送機(jī)上共采用3道閘門設(shè)計(jì)，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(jìn)時(shí)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(jì)思路及具體針對性設(shè)計(jì)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(jìn)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(dān)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(jì)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(jī)12臺（液驅(qū)），改造機(jī)3臺（電驅(qū)），其中1號線南延線使用了中鐵新機(jī)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(dá)到了預(yù)期效果。特別是中鐵58號盾構(gòu)，在全斷面砂卵石地層掘進(jìn)中，創(chuàng)造了單日21環(huán)（31.5 m）的成都地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工的最高記錄，并在35 d的有效掘進(jìn)時(shí)間內(nèi)完成了615 m的區(qū)間掘進(jìn)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(fù)合地層中，都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性：在富水砂卵石地層掘進(jìn)，最短換刀距離600 m以上，3號線1標(biāo)中鐵56號盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)長距離持續(xù)掘進(jìn)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(yùn)受阻，穿越重大危險(xiǎn)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(xì)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(yàn)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(shí)投入施工，實(shí)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(jìn)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(dān)右線掘進(jìn)任務(wù)，“國外盾構(gòu)”承擔(dān)左線掘進(jìn)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(jì)用時(shí)188 d，其中除去非掘進(jìn)天數(shù)38 d，實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)150 d，平均實(shí)際日掘進(jìn)9.93 m，最高日掘進(jìn)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(jì)用時(shí)200 d，其中除去非掘進(jìn)天數(shù)36 d，實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)164 d，平均實(shí)際日掘進(jìn)9.08 m，最高日掘進(jìn)18環(huán)（27 m）。具體進(jìn)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dān)左線掘進(jìn)任務(wù)，“國外盾構(gòu)”承擔(dān)右線掘進(jìn)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(jìn)度統(tǒng)計(jì)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(dá)一號橋站接收，總計(jì)用時(shí)141 d，其中去除非掘進(jìn)天數(shù)56 d，實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)85 d，平均實(shí)際日掘進(jìn)8.7 m，最高日掘進(jìn)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(jì)用時(shí)126 d，其中去除非掘進(jìn)天數(shù)25 d，實(shí)際掘進(jìn)天數(shù)101 d，平均實(shí)際日掘進(jìn)7.32 m；最高日掘進(jìn)16環(huán)（19.2 m）。具體進(jìn)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jìn)度統(tǒng)計(jì)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(jìn)效率比較接近，局部進(jìn)度差異由非設(shè)備因素所致。在整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過程中地表沉降可控，單次及累計(jì)沉降均未超過規(guī)范要求，圓滿完成了掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jì)更適合于帶壓掘進(jìn)。按規(guī)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)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(jī)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(diǎn)注入、堵管預(yù)防、堵管檢測等方面。總體來講，實(shí)用效果良好。

4）“中鐵盾構(gòu)”的刀盤、螺旋輸送機(jī)等關(guān)鍵部件的耐磨設(shè)計(jì)具備一定優(yōu)勢，實(shí)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(shí)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(shí)間遠(yuǎn)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(fù)雜多變的地質(zhì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的“中鐵盾構(gòu)”與“國外盾構(gòu)”相比，在實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的優(yōu)勢。在泥巖地段施工中，有時(shí)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(jì)和重心布置有關(guān)，尚需深入研究、優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提高設(shè)備實(shí)用性、可靠性。

同時(shí)，在強(qiáng)化和鞏固優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，“中鐵盾構(gòu)”需要進(jìn)一步降低制造成本，增強(qiáng)設(shè)備的工作穩(wěn)定性，提高性價(jià)比，并進(jìn)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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