成都地铁盾构机配置浅见

成都地铁盾构机配置浅见

柳艳清

一重集团（天津）隧道工程有限公司

摘 要：因高富水、渗透系数大、漂石含量多、漂石粒径大等地质特点造成成都地铁盾构施工困难，盾构机选型配置困难，但在国内外盾构施工史上还是有相似地质施工经验可以借鉴的。笔者对相似地层盾构施工案例进行了对比、分析、总结，在盾构机刀盘、刀具、螺旋输送机、渣土改良系统四方面提出了相应建议。希望这些建议能够为后续类似地层盾构机配置提供一些启示。

关键词：土压平衡盾构机 成都地铁 地质条件 典型卵石地层 配置

1 引言

笔者结合成都典型砂卵石地层与国内外类似地层施工及盾构机情况进行对比、分析，提出了一些建议和意见，旨在能为后续类似地层盾构施工中在盾构机配置方面提供一些启示。

2. 地质情况

2.1 成都典型卵石层特点

成都典型的卵石层特点是：卵石含量高（65%~75%），漂石含量高（一般5%~10%，局部可达20%），漂石粒径大（550mm~670mm），卵石硬度高（最大单轴抗压强度可达200MPa），地下水位高、渗透系数大、地层含水丰富。

2.2 相似地层地质情况

2.2.1 意大利都灵地铁1号线

意大利都灵地铁1号线一期工程盾构机主要通过冲积地层，地层粒径组成如下：

实际情况更为复杂，漂石和卵石含量很高，部分区域卵石成全断面分布，并夹杂漂石。砂和细颗粒填充物很少，其中细颗粒填充物含量小于5%。标段5地层与成都典型卵石地层极为相似，水压达到1.5bar，渗透系数达10^-3m/s，存在巨大漂石（0.5m~1.2m）。

2.2.2 台湾桃园机场线CU02A标

台湾桃园机场线CU02A标盾构区间主要通过地层为卵砾石层和风化砂岩层。卵石层粒径以200mm~300mm为主，最大约为1000mm，卵砾石含量约为60%~90%,卵砾石强度为140MPa~210 MPa，渗透系数为1.8×10^-5cm/s—4.5×10^-3cm/s，地下水位约为-5m。

3 盾构机配置

3.1 刀盘开口率配置

针对成都典型卵石层的特点，盾构机刀盘应在满足强度和刚度的基础上保证刀盘具有一定开口率。刀盘开口过小，卵石、漂石不能顺利进入土仓，并在刀盘前面滚动，对刀盘、刀具造成二次磨损；刀盘开口过大，更换刀具时，开口间设置挡板困难，增加换刀安全风险。盾构机在卵石夹砂层透镜体段掘进时，由于开口过大，缺少辅助支撑，易发生坍塌。笔者结合都灵地铁、台湾桃园机场线地质和盾构配置情况及成都典型卵石地层情况分析，认为成都典型卵石地层盾构机刀盘的开口率在45%~50%较为合适，该范围内的开口率既考虑了卵石、漂石能顺利地通过刀盘进入土仓，又考虑了盾构机刀盘对土体的辅助支撑作用。

45%~50%开口率的刀盘对于卵石与漂石的处理方式以排出为主，辅以刀盘破碎或其他辅助工法。对于不能进入土仓或进入土仓不能排出的漂石，建议采用其他辅助工法解决。毕竟盾构机不是万能的，在辅助工法配合下才能更好地发挥其优势。

以下是桃园机场线盾构刀盘和都灵地铁1号线5标盾构机刀盘。

图1 桃园机场线盾构刀盘 图2 都灵地铁1号线5标盾构刀盘

台湾桃园机场线两台盾构机分别掘进距离为1203m和1233m，两台盾构机均未中途换刀，刀盘状况良好。桃园机场线盾构机刀盘开口率在60%以上，允许漂石通过刀盘进入土仓，施工效果良好。

都灵地铁1号线5标盾构机掘进815m共换刀2次，第一次在掘进318m处，换刀309把，第二次掘进497m，换刀590把。该刀盘开口率不足30%，施工过程中刀具、刀盘磨损严重。

3.2 刀具配置

目前针对成都典型卵石地层，盾构处理大粒径漂石的方法主要为滚刀破碎后排出。滚刀破岩时需要岩石固定，在成都卵石地层中，虽然部分地段卵石很密实，但密实不等于固定，滚刀破岩时，漂石移动，使滚刀破岩困难，进而造成滚刀容易损坏。在修建成都地铁1号线过程中，每120m~150m就需要换刀一次，为避免损坏刀座，所有刀具必须全部更换，极大的增加了刀具成本。故笔者认为成都典型卵石地层刀具配置方式应采用加强型大尺寸刀具，包括先行刀、刮刀、齿刀及中心鱼尾刀。以上刀具配置与3.1所述刀盘（开口率为45%至50%）相匹配，能够更好地排出成都典型卵石层中的卵石及大漂石。超过一定尺寸的漂石除辅助工法破碎外，也可使用刀盘本身破碎，如使用刀盘破碎就需要在刀盘上安装滚刀，但滚刀数量不宜过多，滚刀应安装在刀盘外周轨迹处，以便使漂石随刀盘旋转至刀盘外周部，由滚刀破碎。如台湾桃园机场线盾构机刀盘（见图2 桃园机场线盾构刀盘）。

3.3 螺旋输送机配置

有人认为成都卵石地层水位高、水量丰富、渗透系数大，如使用无轴螺旋输送机易发生喷涌事故，故在成都典型卵石地层不能使用无轴螺旋输送机。笔者认为这个观点是不准确的。造成喷涌现象主要原因是螺旋输送机保压性差，而螺旋输送机保压性能与螺旋机长度、叶片节距、螺旋输送机转速、有无轴、渣土情况等都有关系，有无轴仅是影响螺旋输送机保压性的一个因素，其中影响螺旋机保压性的一个主要因素是渣土的止水性。据日本盾构专家称，在渣土改良良好的情况下，在2bar水土压力下，使用无轴螺旋输送机是不会发生喷涌的。同时，借鉴台湾桃园机场盾构使用无轴螺旋输送机的成功案例，表明在成都典型卵石地层使用无轴螺旋输送机也是可行的。无轴螺旋输送机可更好地将成都典型卵石地层存在大漂石排出。

3.4 添加剂注入系统配置

目前成都地铁盾构添加剂注入系统主要为膨润土注入系统、泡沫注入系统及聚合物注入系统。从施工成本上考虑，使用聚合物的成本过高，如仅添加膨润土和泡沫，由于地层级配不良，颗粒间缺乏填充物，颗粒间隙大，泡沫容易消泡，膨润土缺乏附着，也不能很好地填充颗粒间空隙，导致渣土止水性差，不能达到使用无轴螺旋输送机所要求的止水性效果。成都典型卵石地层的一个特点是细颗粒填充物较少，渗透系数过高，从颗粒组成和渗透性上看，更适合使用泥水平衡盾构机。但是受其他条件的限制，使用泥水盾构也存在诸多问题。此时我们可以逆向思维，对土体进行改良，使渣土性能适合土压平衡盾构机掘进，这里的改良指对卵石地层颗粒组成进行改善，使渣土的粒径组成和渗透系数适合土压平衡盾构机掘进。如在卵石层中添加不同粒径的颗粒，改良级配，此时再向渣土里注入高浓度的膨润土和泡沫即可达到很好的止水效果。

4. 成都地铁盾构配置建议

笔者所叙述的刀盘形式，刀具配置，螺旋输送机形式及添加注入系统配置是相辅相成的，在盾构机配置时需要相互协调考虑的。笔者认为在目前成都典型砂卵石类地层盾构机配置的基础上主要应考虑以下几方面：

1、刀盘开口率控制在45%至50%之间，漂石以排出方式或排出方式结合辅助工法处理。

2、刀具配置大尺寸强化刀具，刀具类型为先行刀、刮刀、齿刀、中心鱼尾刀等软土刀具，为增加刀具使用寿命，可采取同一轨迹配置多把刀具。

3、螺旋输送机采用无轴带式螺旋输送机，尽可能采用大尺寸螺旋输送机，使较大的漂石能够顺利的排出。

4、配置改良渣土级配的添加剂系统，改善土体的渗透性，保证无轴螺旋输送机能够正常使用。

5.结论

虽然成都地层地质情况复杂，施工困难，但并非没有类似地质盾构施工的经验可以借鉴，只有在认真分析、对比、总结、借鉴其他案例的基础上才能优化盾构机的配置，找到合适的施工方法，进而达到安全施工、高效施工、低成本施工的目的。以上仅为笔者的一点拙见。

参考文献

[1]格兰多利，都灵地铁盾构机施工.意大利塞利公司施工报.2005

[2]卓彦百，廖明祥. 由卵砾石层施工工率谈浅盾机之因应-以桃园机场捷运CU02A标为例[J]. 隧道建设，2011，31（增刊1）

作者简介：柳艳清（1983年2月—），男，本科，2007年毕业于河北建筑工程学院机械设计及自动化专业，主要从事盾构机设计及适应性方面研究、设备管理、现场服务工作。

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