过江地铁隧道盾构机选型

过江地铁隧道盾构机选型陈珊东（广东华隧建设股份有限公司，广州510635）摘要：根据江底的工程地质条件和水文条件，以及江底隧道施工的特点，提出了使用于江底隧道施工用盾构机的型号和基本配置要求。同时还就泥水式平衡盾构机的体系选择、刀盘配置做了讨论。关键词：盾构机选型；泥水盾构；过江中图分类号：U455．3+9文献标志码：B文章编号：1672－741X（2009）增刊1－0069－04

ModelSelectionofShieldMachineforRiver－crossingMetroTunnelCHENShandong（GuangdongHuasuiConstructionStockCo．，Ltd．，Guangzhou510635，China）

Abstract：Accordingtoengineeringgeologicalconditionsandhydrologicconditionsatthebottomoftheriverandcon-structioncharacteristicofriver－crossingtunnel，themodeofshieldmachineforriver－crossingtunnelconstructionandfundamentalconfigurationrequirementsareputforward．Meanwhile，adiscussionontheselectionofsoilwaterbalanceshieldmachineandcutterheadsconfigurationhasalsobeenmade．Keywords：modelselectionofshieldmachine；soilwatershieldmachine；river－crossing

0引言

随着城市交通拥挤程度的增加和轨道交通技术的发展成熟，对城市地下铁道发展的要求越来越高，城市地下铁道网络也不断增加。而在地铁隧道施工过程中，常常遇到穿江过河的工程，特别是在华南地区施工中，几乎每条地铁隧道都要从江底下穿过，甚至多次穿越。江底施工常伴随着浅覆土、江水潮汐变化、透水性强的淤泥和沙层等不利因素，因此在选择盾构机这一关键的施工设备时应该充分考虑开挖面的稳定性和适用性。盾构机的掘进模式由最初的手掘式到全机械式，到现在的土压平衡和泥水式平衡盾构机。现代盾构机已在控制系统、开挖面压力控制、数据采集等方面发展很快。地层适应性也从开始的单一地层到现在的复杂地层。隧道形状也从圆形发展到双圆、椭圆、矩形等多种形式。盾构直径尺寸也不断向超大、微小2个方向发展。直径18m的盾构机已在研制生产，小到直径200mm的微型盾构（顶管）已在工程中得到应用［1］。盾构技术的应用越来越广，如水工隧道、地铁隧道、市政管道等。而且随着压气换刀技术的发展，一次掘进距离也不断拉长。也正因为盾构机规格型号的多样性和专业型，所以选择时要特别注意适用于江底施工。本文从盾构机的机型，刀盘形式和环流体系等方面介绍了盾构机的选型。1选型考虑要素以及注意点1．1工程地质和水文条件对于过江隧道，其地质条比较复杂，富水沙层和淤泥较多，自稳性较差，通常是由多种地层复合而成。由于地铁线路设计的原因，在江底覆土较薄，最小可能还小于盾构机直径，并且通常还伴随着江水涨潮和落潮。如广州地铁三号线沥大区间穿越的三支香水道，覆土厚度为7．4～8．6m，仅略大于盾构直径，隧道穿越该水道初始51m为全断面中风化层，其余则为上软下硬地层，隧道上方存在淤泥及淤泥质土等软弱地层（盾构穿越该水道期间河水深度涨潮时为6．5m，退潮时为4．7m）。因此要有很好的江底适应能力，能够很好地保持开挖面的压力平稳。1．2曲线或者小半径转弯的需要

根据交通网络规划原则，地铁隧道肯定存在转弯部分；车站也通常设计为上坡进站下坡出站，同样存在曲线部分；地铁隧道在过江的时候，必然也是一个锅底型的线路。因此盾构机性能，应满足曲线推进和小半径转弯的要求。1．3同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进

盾构机的使用寿命一般可达8～10km（按照主轴

收稿日期：2009－04－01；修回日期：2009－04－03作者简介：陈珊东（1984—），男，广东梅州人，2006年毕业于华南农业大学电气化专业，助理工程师，现从事隧道及地下工程施工机械管理。

第29卷增刊12009年4月隧道建设TunnelConstructionVol．29Sup．1Apr．2009承10000h计算）［2］，而盾构法隧道工程标段划分一般在2个区间左右，单线长度不大于3km，低于盾构机的使用寿命，需要解体，转场和组装。因此所选盾构机在确保适应江底地层施工的前提下，须能够方便拆装，满足多次组装、解体和吊装运输的要求。2盾构机机型的确定对于过江隧道，泥水式平衡盾构机和土压平衡盾构机均有顺利完成的先例，但究竟采用那一种机型技术上更优越，经济上更合理，性能更稳定，则必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等进行综合比较之后，才能得出正确的决策。其内容与结果见表1。表1泥水式平衡盾构机和土压平衡盾构机性能比较［3］Table1PerformanceComparisonbetweenSoilWaterBalanceShieldMachineandEarthPressureBalanceShieldMachine［3］序号项目泥水式平衡盾构机土压平衡盾构机1出土方式管路泵送螺旋出土机2适用地层黏土、砂、卵石黏土、砂、卵石3开挖面稳定性稳定比泥水式稍差4地面沉降性沉降很小沉降小5刀盘阻力较小稍大6耐压能力耐高水压耐高压性稍差7配套设施多一般8综合造价稍高一般9适用直径范围范围广不适合10m以上10隧道环境较好稍差（粉尘较多）11掘进速度快（比土压稍慢）快通过上表比较可以发现，泥水式平衡盾构机在开挖面稳定性，沉降控制度，耐高水压性和刀盘阻力方面均优于土压平衡盾构机，而这一点恰恰是过江隧道所最需要控制好的地方。否则一旦出现开挖面失稳或者是江底沉降过大，往往造成严重的后果，甚至整条隧道报废。另外，泥水式平衡盾构机开挖的隧道环境良好，少尘土和化学污染，比较适合员工工作。因此，虽然土压平衡盾构机有经济上和速度的优势，但是在隧道过江要求稳定的特殊工作环境下，泥水式平衡盾构机无疑是最优的选择。3泥水式平衡盾构机的配置选择3．1刀盘部分的选择盾构机的刀盘，是隧道挖掘的开路先锋，是直接面对土层的工具，因此刀盘的选择是盾构机选择关键。如果没有选择好刀盘，再好的后配套设备也是无济于事。广州地铁三号线施工过程中，就出现过因为刀盘过于脆弱而发生辐条断裂的严重事件。3．1．1盾构机刀盘形式和支撑方式的选择盾构机刀盘形式，主要有面板式、辐条式和复合式3种刀盘，支撑方式一般有中心支撑、中间支撑和周边支撑3种。根据江底常见的上软下硬的地层施工经验显示，中心支撑复合式刀盘可以达到较好的开挖面稳定性的需要，较长的使用寿命和较低的工程造价，并且可以减少结泥饼的机会。3．1．2刀盘驱动方式的选择

刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分，需要完成切削土体、搅拌泥浆的任务。传统的驱动方式多为液压驱动，这种方式在刀盘启动扭矩、均匀加速和刀盘微动方面有良好的表现。但存在液压驱动噪音大、维护费用较高、需经常更换液压油和能耗大的缺点。随着异步电动机变频调速技术的发展成熟，其使用效果已经逐渐接近或者达到液压驱动的表现，并且有价格低廉、无需经常更换液压油、能量转换效率高、噪音小、污染少、维护方便的优点。故从盾构机刀盘驱动效率的高低，后续设备的多少，设备维护保养的难易、综合经济效益以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，江底隧道施工用盾构机，其刀盘的驱动方式以变频电机驱动为好，这也是发展的大趋势。3．1．3刀盘开口率的选择

刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值，切削的碴土通过刀盘的开口部分流往土仓，通过与泥浆混合并泵送出去。刀盘设计时，应在刀盘中心部分留有开口，便于渣土的流动，防止在中心部分形成泥饼。配合复合式刀盘的设计，刀盘开口宜采用楔形结构，开口从中间往边上逐渐变大，以利于碴土进入土仓和泥浆混合。在过江的泥水盾构中，因江底水压较大，沙层较多且透水性良好，故刀盘的开口率一般取10%～20%；如果江底地层中黏土较多，则适当加大开口率，减少泥饼产生的几率。3．1．4仿形刀的设置

隧道施工不可避免会有小半径曲线掘进，这个时候就需要用到仿形刀进行超挖。因此要在刀盘一个径向的两边配备2把仿形刀。根据超挖范围的要求，在需要的时候从辐条2端径向伸出仿形刀，实现仿形切削，扩大径向挖掘面，再配合铰接的使用，就可以实现小半径的转弯。仿形刀伸出值一般为100mm左右，由油压千斤顶控制。3．1．5刀盘选择其他注意事项

1）在江底黏土较多的时候，应选用带冲刷管路的

刀盘。这种刀盘里面设计有泥浆管路，可以在需要的时候对刀盘前面进行冲刷，减少泥饼的产生。效果类似于土压盾构机的泡沫管。但这个冲刷管路容易造成开挖面失稳，故使用时需注意地层。2）搅拌棒设计在刀盘的背面和土仓壁上，可以改

善泥浆的均匀性，使得环流系统顺畅，减少管路堵塞和泥饼现象。视土仓大小，搅拌棒一般伸出刀盘后端面

07隧道建设第29卷约800mm，刀盘背面的主动搅拌棒和土仓上的被动搅拌棒应设计在不同的轨迹线上，可以增加搅拌效果。3）滚刀和软岩刀的互换性。江底地层复杂，常常夹杂有硬岩和软岩。故刀盘应可以安装不同的刀具，适应不同的地层。3．2环流系统的选择3．2．1体系的选择环流体系主要为日本体系的直接控制型和德国体系的间接控制型2种。直接控制型是将泥浆从地面泵送至开挖面，与开挖的渣土混合成浓泥浆后再泵送到地面处理。间接控制型由压缩空气和泥浆组成，其中压缩空气起缓冲和压力设定的作用。并将盾构机开挖工作面分为土仓（前仓）和气仓（后仓），土仓充满泥浆，气仓充满压缩空气和泥浆，2个仓底部相通。根据压力学原理，通过设定气仓的压力，就可以间接控制掌子面的压力。同时由于空气的缓冲作用，使液位波动时对开挖面压力影响较小。因此间接控制型泥水平衡盾构与直接控制型相比，对开挖面土层支护更为稳定，对江底的沉降控制更为方便和可靠［4］。也方便以后气压开仓的需要。故江底隧道施工用盾构机，应选择带气压仓的间接控制型。3．2．2环流泵（电机）的选择作为泥水加压平衡盾构来说，环流泵就像人的心脏一样，给整个环流系统提供动力，因此环流泵的选择很关键。一般来说，盾构机的环流系统厂家都有良好的设计，但选型的时候应注意以下几点问题：1）环流泵的耐磨性能。因泥水加压平衡盾构的渣土都是泵送出去的，所以要求泵有很好的耐磨性能。2）泵的密封要好。如果密封不好的话，漏浆的情况就不可避免了。3）泵的组合最好是大功率，少台数。对比土压平衡盾构机来说，泥水加压平衡盾构本身就有比较多的配套设施，所以应尽量减少泵的台数，减少故障几率。并且大功率的泵，可以胜任比较复杂的地层和较长的隧道。3．3砾石处理措施的选择在江底挖掘的时候，难免会遇到砾石。而砾石是环流系统的天敌，很容易造成环流管路堵塞，使得排渣不畅。因此一定要选择一种合适的砾石处理措施，减少因砾石而停机的时间。常见的泥水加压平衡盾构的砾石处理装置有：1）破碎机———装于开挖面泥水压力室或者是管路中间，破碎机破碎砾石后，用管路送到地面；2）采石箱———装于管路中，其中放入砾石选择机，积满后取出；3）旋转阀———装于泥水压力室处，在不变动泥水压力的情况下连续取砾石。用于开挖面砾石量较多的场合。考虑到盾构机掘进的连续性，安装破碎机是比较好的解决办法，可以在掘进的同时消除砾石的影响。但考虑到安装在泥水压力室的破碎机很难维护和保养，故推荐选择安装在管路中间的破碎机。而且这种破碎机还可以在没有砾石的路段停用，节省能源［5］。