貴陽軌道交通三號線盾構機選型的思考

謝大文 黃衛華

(1.中鐵交通投資集團,廣西 南寧 530000； 2.中鐵隧道局集團，廣西 南寧 530000)

貴陽軌道交通三號線已經開始建設，與一號線和二號線不同的是區間隧道首次采用大規模的盾構法施工。這對于貴陽軌道交通來說是個新課題，也是新挑戰。在一、二號線軌道交通施工過程中，出現巖溶溶洞、圍巖變化頻繁等因素，無疑會增加對采用盾構機施工的信心影響。結合軌道三號線的地勘報告，三號線穿越地帶有明浜、填土、巖溶、地表塌陷、滑坡、崩塌、順坡、煤礦采空區、有害氣體、紅黏土、風化巖和殘積土等不良地質。因此，如何有針對性、有預見性做好盾構選型，為盾構施工創造有利條件是保證貴陽軌道交通三號線順利、高效施工的必要，也為后期貴陽市軌道交通以及其他領域采用盾構機施工提供重要的參考。

1 貴陽軌道交通三號線概況

貴陽市軌道交通三號線一期工程(以下簡稱“三號線”)起點為花溪環城高速北側的桐木嶺站，終點為烏當區洛灣站，經過花溪區、南明區、云巖區、烏當區四個行政區域。初步設計線路全長43.03 km。左右線間距為14 m～22 m，最小曲線半徑R=340 m，最大曲線半徑R=500 m。隧道埋深范圍6.2 m～28.7 m。

地形地貌：貴陽市位于貴州省中部偏北，地處云貴高原的東斜坡，地形起伏較大，有山地、臺地與丘陵，河谷、槽谷和盆地，海拔最高為1 762 m，最低為1 006 m。

地層巖性：沿線巖體結構以層狀巖體為主，涉及地層主要有白堊系、二疊系、三疊系、石炭系、泥盆系及第四系地層。巖石飽和極限抗壓強度為8 MPa～108 MPa。

三號線工程沿線水系均屬烏江水系，穿越和鄰近的主要河流有花溪河、南明河、小車河、貫城河、市西河、環溪河(松溪河)等。

2 貴陽軌道交通三號線中盾構選型影響因素分析

2.1 不良地質

從以上可以看到，貴陽軌道交通三號線穿越地帶情況復雜，既有溶洞、明浜，下穿河道，泥盆系等，又穿越樓房等等。光是穿越溶洞和明浜就得考慮適當的方法解決開挖前支護和施工過程穩定。因此，進一步了解地質情況，對是否可以選用盾構施工、充分發揮盾構施工在安全、快速、經濟、穩定等方面的優點起著決定性作用。

2.2 水文情況

水文情況是決定盾構機選型的一個重要指標，確定著采用盾構的型式及其他結構件、功能件的選型配套。地層的富水性和地層的滲透性是盾構機選型考慮關鍵因素。

2.3 線路設計情況

線路的設計情況決定著是否可以使用盾構進行施工；如果采用盾構進行施工，如何針對曲線半徑小進行盾構鉸接形式選擇；如何配置刀盤和刀具。

2.4 盾構機的來源

結合貴陽軌道交通三號線各標段的施工單位情況和貴陽市軌道交通項目的管理情況，所有盾構機的來源由各施工單位自行解決。部分施工單位會新采購盾構機用于貴陽軌道交通的施工，這樣，經過選型和論證，選用盾構機的型式、性能更符合當地的地質、水文、場地，其適應性、針對性、安全性更好；部分單位則從其他地方調配企業保有的盾構機，這樣其盾構機的結構型式、性能等均已經固化，如不進行針對性的調整和改進將會在適應性、經濟性、高效性上與目標有所差距；部分單位采用再制造后的盾構機用于貴陽軌道交通，經過技術交流和設計聯絡，同樣也能達到新造盾構機的效果。

2.5 計劃采用盾構區間隧道施工場地因素

貴州是典型的山地地貌，地無三尺平，貴陽市結構物密集，可用施工場地相對少并狹小。各計劃采用盾構機施工區間隧道施工場所的選擇也需要深入研究并合理選擇、合理規劃、合理設置，否則會造成設備和場地不匹配、生產能力不對等，盾構機計劃施工進度、安全、質量得不到保障。

2.6 環保因素

為符合城市生態文明建設要求，城市施工必然需要滿足各項環保要求。盾構法施工雖然具有集成化、安全、穩定、高效等優點，但其各類配套設備、輔助生產設施仍會造成一定環保問題，必須在方案設計時予以考慮，并做到高標準設計、嚴格落實、嚴格監督，確保盾構機施工環保、人性化、文明、有序。

3 貴陽軌道三號線盾構機選型及盾構施工的思考

3.1 做好選用盾構機施工的論證

一般情況下，選用軌道交通區間隧道施工方法可結合地質情況、水文情況、線路情況等施工條件進行確定。但是貴陽軌道交通區間隧道采用盾構機施工是首次，而且計劃進行盾構施工區間多，投入盾構施工的規模較大，如果沒有進行深入、全面、系統論證而僅從技術上決定采用盾構法進行施工，其最終效果不能達到預期。為了達到計劃目標和效果，需要進行技術交流、座談、評審，提出可能存在的風險和問題，分析問題，研判風險，制定風險防范措施，研究在哪些區間隧道采用盾構法，哪些隧道采用礦山法。通過交流和研究、評審，解決施工方案的可行性、經濟性、高效性、環保性。

3.2 做好盾構機的選型和配套工作

從地質、水文概況和影響因素分析，貴陽軌道交通三號線以層狀巖體為主、紅粘土等為輔，無砂礫地層，其地層滲透性較低，低于使用土壓盾構的極限滲透性，即其滲透性低于10-4m/s。因而按地層地質情況和盾構機型式所能適應的地質情況(見圖1)、擬用盾構機施工現場的場地來看，貴陽軌道交通不適合采用泥水盾構，宜采用土壓平衡盾構機。另外，土壓平衡盾構機對施工現場和周邊環境造成的環保問題相對較低，其配套的設備相對較少、占用場地相對泥水盾構而言較小，這些都是土壓平衡盾構的優點。因此，選用土壓平衡盾構機用于該項目是優先選擇。

考慮到該項目中含有泥盤系等粘土情況，盾構刀盤的開口率不宜低，開口率不能低于15%，否則容易造成掘進過程中結泥餅而無法順暢出渣。由于該項目大多區間隧道圍巖飽和極限抗壓強度大于40 MPa，最高達到108 MPa，與其他城市如青島地鐵一號線盾構區間隧道的施工相似，其圍巖極限抗壓強度最高達120 MPa,為保證足夠的推進強度和刀盤的穩定性，本項目盾構機的刀盤宜采用面板式六輻條刀盤。因此貴陽軌道交通盾構施工區間選用盾構建議采用面板式六輻條刀盤，開口率[3]為30%。亦即采用的是復合式盾構。由于該項目盾構區間隧道地質變化頻繁性，存在溶洞需要超前處理的可能，在刀盤的選用時應考慮換刀、超前處理溶洞的便利性。在刀盤的驅動形式上，有電力驅動和液壓驅動模式，但目前市場上復合式盾構多采用液壓驅動模式。

由于部分隧道的曲線半徑較小，最小曲線半徑340 m,最大曲線半徑500 m,最大縱坡為34‰,盾構機轉向頻繁；貴陽市地下圍巖結構復雜等因素，結合盾構機不同鉸接形式(如圖2所示)的優缺點，選用主動鉸接形式[1]。雖然被動鉸接形式盾構的彎曲角度能達到3°，也已經能滿足最小曲線半徑340 m的要求和線路縱坡度的要求，但主動鉸接形式在復雜地層條件下更具有施工優越性。

貴陽市雨水較多，地下水資源豐富。地下水以及明浜對盾構機施工安全是一個大威脅。主要是盾構出渣過程時的噴涌風險，特別是穿越河道地段或地下水資源豐富地段表現較為突出。因此盾構選型時需要考慮在出渣螺旋機的選擇上具備防噴涌裝置。

該項目線路穿越結構物多、密集，出于以下方面考慮：一是盾構經過地表結構物密集區時不對結構物造成破壞；不產生較大的振動超環保指標進而影響附近居民的生產生活，在盾構機選型時增加消振裝置。另外，為了全面達到環保要求，減少其他配套設備的振動影響，還可以在盾構后配套、端頭井等方面增加減振措施。

關于管片拼裝機的選型[2]。目前管片拼裝機有單導梁和雙導梁兩種，兩種形式各有優勢。很多情況下為了操作方便已經取消了喂片機。拼裝機的拼裝精度和點位的設計必須滿足施工需要和操作習慣。

3.3 技術儲備和管理措施

首次大規模在貴陽軌道交通項目使用盾構法進行施工，其管理難度之大、管理工作之多不言而喻，從建設單位到投資單位、施工單位均應建立較為完善的管理體系、安全體系和監督體系。同時還需要設置相應的機構開展管理工作，需要較大的技術儲備進而保證施工進度、安全、質量的目標。只有建立較為專業化的組織機構和適量的技術儲備才能確保事前規劃、事中檢查落實、事后總結應用。

3.4 推動專業化的設備管理模式

設備管理需要推進專業化、標準化、信息化。很多施工企業在規模擴張過程中由于各種因素受限，設備管理的專業化、標準化、信息化推進較慢，特別是盾構施工的管理。有的企業為了滿足施工需要，將僅進行了短期培訓的操作、管理人員用到盾構施工實踐中，往往造成由于施工經驗的缺乏而問題不斷。而行業中已經在盾構操作、盾構管理方面形成專業化的模式，盾構操作、管理服務外包企業如雨后春筍般涌現，其人員經驗豐富、技術水平高，管理走向標準化、規范化；同樣在設備狀態監測方面也日新月異，部分企業已經看到盾構機設備狀態監測的必要性，行業化地走盾構機狀態監測、分析之路，為盾構機使用、維護、保養提供了重要的技術和狀態支持。隨著信息化技術的發展，盾構機也應用了遠程狀態監控、遠程技術支持等信息技術，為盾構施工注入了新的氣息。

3.5 充分利用同類型地質情況城市地鐵的施工經驗控制好施工參數

盾構機施工參數的合理選取意義重大。針對不同地層地質，選取合理的施工參數，不僅能規避可能出現的各種問題，還能確保施工的進度、安全和質量。有經驗的盾構操作人員和選取合理的盾構機掘參數是正常施工的關鍵。從前面分析的地質來看，貴陽城市軌道三號線擬用盾構機施工區間隧道的地質情況和線路穿越地帶與青島地鐵一號線有很多類似之處，如上軟下硬、巖層硬度高、曲線半徑小、縱坡大、穿越結構物多等非常相似，不妨可以利用其施工過程掘進參數作為實踐參照進行摸索和試驗，總結出適應該項目的掘進參數進而為后期其他線路盾構施工提供范例。

4 結語

盾構施工設備選型是永恒的課題，沒有一成不變。只有結合施工實際和技術創新、經驗總結，才能更好解決新情況和新問題。雖然前人做了大量的研究工作、總結了豐富的盾構施工經驗，但在實際應用過程中還需與時俱進，利用新技術、新材料、新方法于實踐，才能更好實現盾構施工的安全、快速、經濟和環保。