福州軌道交通2號線施工與盾構(gòu)機選型設(shè)計

林學(xué)華　朱齊平

摘 要：文章介紹了福州軌道交通2號線的工程概況，分析了沿線地質(zhì)條件和施工難點，提出了盾構(gòu)機選型設(shè)計方案，對盾構(gòu)機穿越閩江、烏龍江和可能存在的孤石等問題提出了相應(yīng)的施工建議。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；福州軌道交通；地鐵施工；盾構(gòu)機選型

1 工程項目概況

按照國家發(fā)改委批準的《福州市城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃》（2009～2016），福州市將在2016年前先后建設(shè)1號線、2號線，總長55.3km，在中心城區(qū)形成1、2號線“十”字形主骨架，有效地支持了城市“東擴南進”的發(fā)展戰(zhàn)略。2號線路工程全長約29.574km，均為地下敷設(shè)，沿城市東西向發(fā)展副軸布置，共設(shè)車站22座，西起閩侯縣蘇洋村，東至?xí)x安區(qū)鼓山鎮(zhèn)，途徑上街大學(xué)城片區(qū)、金山工業(yè)區(qū)、金山居住區(qū)、閩江北岸商務(wù)中心區(qū)、鼓樓成熟建成區(qū)及晉安區(qū)東部鼓山片區(qū)，連接中心城以及被閩江、烏龍江分割的金山地區(qū)、閩侯地區(qū)，與城市“東擴、沿江”的發(fā)展方向相吻合。福州市軌道交通2號線工程示意圖，如圖1所示。

2 盾構(gòu)施工難點

2號線路工程地質(zhì)條件普遍復(fù)雜，基本位于沖淤積平原地貌，全線淤泥等軟土發(fā)育，過烏龍江和閩江以及眾多內(nèi)河，砂層分布普遍，飽和砂土有液化現(xiàn)象，沿線多為商業(yè)和居民密集區(qū)，周邊環(huán)境敏感；管線遷改及交通疏解困難。

2.1 穿越閩江、烏龍江等多處河流及內(nèi)河

福州地鐵2號線隧洞要穿越近400m寬的閩江河床，閩江地質(zhì)情況復(fù)雜。閩江水之下的地質(zhì)主要以一些砂層為主。河沙的主要成分就是石英，在盾構(gòu)機掘進過程中，刀具與石英摩擦?xí)r磨損大。

閩江段，盾構(gòu)穿越地層有17中等風(fēng)化花崗巖、32中砂、52細砂、82中砂、83淤泥質(zhì)土夾薄層粉砂、少量砂夾淤泥。在殘積土或者巖層當中，通過氣壓或者常壓的方式可以到土倉里換刀具，但若過江砂層里換刀的話，工作難度相當大，風(fēng)險高。

（1）容易導(dǎo)致刀盤前方及其上部的軟弱失穩(wěn)、塌方。

（2）避免江中停機換刀。

（3）容易導(dǎo)致盾尾漏漿。

（4）注意切口水壓，平衡開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩(wěn)定。

2.2 施工下穿多處建（構(gòu)）筑物

線路沿線下穿沙堤橋、林洲路橋、輪船港、五里亭立交、晉安河橋、浦東河橋、鳳坂河橋、磨洋河橋等多處橋梁，市區(qū)建筑物眾多，需要下穿大量多層房屋建筑，并需托換橋樁基礎(chǔ)。上洋～鼓山區(qū)間和出入段線四線下穿溫福高鐵和三環(huán)高架橋，需要認真研究具體的保護措施和應(yīng)急方案，保證鐵路運輸安全。

2.3 穿越繁華商業(yè)區(qū)

2號線沿線經(jīng)過大學(xué)城、金山片區(qū)、閩江北岸商務(wù)中心區(qū)、鼓樓成熟建成區(qū)，市區(qū)道路狹窄，車站大多位于城市主干道或交通密集的重要道路下方，比如國賓大道、金祥路、荷塘路、福馬路等區(qū)域性干道，需要保證施工期間的交通順暢和居民出行需求。

國賓大道沿線有埋深較深的污水管，車站附屬結(jié)構(gòu)局部有沖突需采取保護措施，南門兜站附近有110kV高壓電纜，其它管線遷改工作量大，需認真研究管線遷改方案，確保站位的可實施性。施工期間盡量減少對周邊企業(yè)、居民的生產(chǎn)、生活用電、用氣、用水的影響。

3 盾構(gòu)機選型設(shè)計

3.1 盾構(gòu)機選型

工程區(qū)間隧道穿越范圍內(nèi)的土層隧道掘進范圍內(nèi)涉及的巖土層主要為淤泥類和砂類地層，局部個別工點有粘性土及風(fēng)化巖地層；軟土地層大范圍分布，隧道范圍內(nèi)比例有78.8%。

根據(jù)盾構(gòu)推進的長度、施工場地條件、建設(shè)工期、設(shè)備利用經(jīng)濟性等因素綜合考慮，2號線工程一共有21段盾構(gòu)區(qū)間（含下院出入段線），考慮用20臺盾構(gòu)施工，平均單臺盾構(gòu)掘進長度約2.1km。

2號線主要采用土壓平衡（復(fù)合式，EPB）盾構(gòu)機，過烏龍江和閩江段區(qū)間以及穿越重要的地面建構(gòu)筑物段采用泥水平衡盾構(gòu)，局部需要磨樁穿越的區(qū)間采用復(fù)合盾構(gòu)。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

3.2.1 EPB盾構(gòu)機總體設(shè)計范圍及主要尺寸

盾構(gòu)外徑：φ6480mm；盾體長度：約9475mm

總長度包括后配套：約76m；總重量包括后配套：約450t

最小曲線半徑：250m

3.2.2 其他技術(shù)參數(shù)

最大掘進速率：8cm/min

平均掘進速率：3.5cm/min；管片寬度：1200mm

管片重量：約48kN

刀盤驅(qū)動：變頻電機驅(qū)動，（裝備動力：90kW×10）

刀盤轉(zhuǎn)速：0.3～3.05rpm；刀盤扭矩最大：7320kN-m

盾構(gòu)機推進系統(tǒng)

總推力：41，600kN（單位面積推力：1，281kN/m2）；推進油缸數(shù)量：1，300kN×32根

最大推進速度：8.0cm/min

鉸接裝置：總推力31，800kN；鉸接油缸數(shù)量：2，650kN×12根

鉸接操作：全方向（上下、左右、傾斜方向）

螺旋出渣機驅(qū)動

驅(qū)動形式：液壓驅(qū)動方式（裝備動力：110kW）

排土量：320m3/h（最大排出粒徑：φ300mm×600mm）

直徑：φ850mm（帶軸式螺旋機）

轉(zhuǎn)速：0.6～16rpm

驅(qū)動扭矩：常用最大：154kN.m；脫困時最大：202kN.m

管片拼裝裝置

形式：環(huán)形齒輪

操作方式：無線遙控操作

轉(zhuǎn)動速度：高速：1.5r/min；低速：0.2r/min

盾構(gòu)機核心零部件如刀盤軸承、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)減速機、重要的傳感器（比如土壓力傳感器，漿液壓力和流量傳感器）、密封件（盾尾密封、鉸接密封、主軸承密封）等選用國際上先進的成熟產(chǎn)品。為了滿足福州軌道交通2號線的施工要求，盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動功率大（900kW），螺旋輸送機直徑大（φ850mm），可以破碎和排出較大的石塊（300mm×600mm）。

4 特殊地質(zhì)條件下的施工對策

4.1 對沿線建、構(gòu)筑物影響的控制措施

工程沿線分布有較多建（構(gòu)）筑物，還需多次穿越高鐵、橋梁樁基礎(chǔ)、建筑物基礎(chǔ)、河流及堤岸基礎(chǔ)，道路兩側(cè)及各交叉路口存在埋藏較深的各類非開挖管線等，因此在盾構(gòu)施工時可采取如下措施：

（1）隨時調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，確保土艙（泥水艙）壓力穩(wěn)定，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，以改善盾構(gòu)前方土體的塌落或擠密現(xiàn)象，降低地基土橫向變形施加于樁基上的橫向力。

（2）采用同步注漿，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產(chǎn)生的對樁基的負摩阻力。

（3）施工中采用信息化施工，加強監(jiān)測，包括對建（構(gòu)）筑物的變形、沉降的監(jiān)測，如發(fā)生較大變形，在隧道內(nèi)管片上全斷面設(shè)置注漿管，在加強同步注漿的同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行壁后注漿以及二次補壓漿，保證施工期間建筑物的安全。

（4）在淤泥、軟土地段施工時，要注意盾構(gòu)機的姿態(tài)控制，防止盾構(gòu)機扣頭。

4.2 盾構(gòu)機破碎孤石

（1）由于孤石的影響，盾構(gòu)施工過程中可能出現(xiàn)的主要問題有：刀具磨損嚴重、刀座變形、更換困難；刀盤磨耗導(dǎo)致刀盤強度和剛度降低，刀盤變形；刀盤受力不均勻?qū)е轮鬏S承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞、盾構(gòu)負載加大；被刀盤推向隧道側(cè)面的大漂石甚至導(dǎo)致盾構(gòu)轉(zhuǎn)向，偏離隧道軸線等。

（2）孤石能否被盾構(gòu)機成功破碎，需滿足兩個條件：一是盾構(gòu)提供足夠的切削力；二是在孤石被刀具破碎過程中，周邊土體不能產(chǎn)生破壞，即孤石不能移動。我們在盾構(gòu)機選型設(shè)計時充分考慮了這些因素。

4.3 孤石預(yù)處理方法

根據(jù)孤石破碎情況的預(yù)測，對不能夠通過盾構(gòu)機破除的孤石可采取預(yù)處理措施：

（1）對孤石周邊風(fēng)化土層進行地面或洞內(nèi)預(yù)加固，以提供盾構(gòu)機破巖和人工破巖的條件。

（2）洞內(nèi)靜態(tài)爆破或火藥爆破孤石。

（3）地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石。

（4）壓氣作業(yè)條件下人工破除孤石，破除時可采用巖石分裂機等設(shè)備。

4.4 盾構(gòu)機穿越閩江（烏龍江）的對策

盾構(gòu)過江雖然以快速通過為原則，但并非盲目地加快速度掘進。泥水盾構(gòu)除取決于自身的掘進能力（總推力與扭矩）外，還與背填注漿能力以及環(huán)流系統(tǒng)的能力有關(guān)，如若背填注漿能力跟不上盾構(gòu)掘進的速度，則管片的背填注漿量不足，如若環(huán)流系統(tǒng)的能力跟不上盾構(gòu)掘進的速度，則刀盤切削下來的碴土進入泥水倉后，無法及時地通過泥漿管路運送到地面，將造成泥水倉堵塞和管路堵塞，泥水倉壓力產(chǎn)生瞬間高壓，對開挖面土體產(chǎn)生擾動，容易引起開挖面地坍塌。因此，掘進速度必須在確保注漿質(zhì)量和保持環(huán)流系統(tǒng)暢通的前提下逐漸加快。在過江段，以確保開挖面穩(wěn)定為原則，提倡盾構(gòu)機均速前進，保持環(huán)流系統(tǒng)暢通。本工程過江段的掘進速度一般控制在20～25mm/min左右為宜。

參考文獻

[1]福州市軌道交通2號線工程[R].巖土工程勘察報告，2014.

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