廣州地鐵修建中的盾構選型

摘　要　廣州是目前我國應用盾構技術修建地鐵隧道發展最快的城市,但因其特殊的工程地質條件,給盾構施工帶來很多難題。文章分析了廣州的總體地質特點,總結了已經完成的盾構施工案例,敘述了地鐵修建中盾構選型的發展。
關鍵詞　廣州地鐵　地質因素　施工案例　盾構選型

1 　引　言
廣州市是我國目前經濟發展最為活躍的城市之一,隨著城市的拓展和人口密度的增加,城市交通系統面臨空前的壓力,因此發展地下軌道交通成為城市建設最為迫切的任務之一。
廣州地鐵已經建成的線路有地鐵一號線和地鐵二號線,在建的有地鐵三號線和地鐵四號線。從地鐵二號線開始,盾構機械開始大規模的應用于地鐵區間隧道的開挖施工中。盾構機械施工有安全、環保、高速的特點,但也存在很高的風險。本文主要從地質和機械系統兩方面探討廣州地鐵修建中盾構選型的一些要點,以促進盾構機械在地鐵施工中的應用。
2 　廣州地區地質概述
廣州位于珠江三角洲沖積平原的邊沿,濱臨南海,其中也分布少量的低丘溝壑地貌。廣州降水非常豐富,珠江水系的河流密布,地下水位較高。
廣州市區表層廣泛分布第四紀沉積物,下覆是中生代白堊系紅色碎屑巖,北部地區有顯露古生代二疊系和石炭系的砂頁巖、頁巖以及前震旦系變質巖,東北部有燕山晚期侵入的花崗巖等。第四系沉積物主要由陸相和海相沉積的淤泥、沙層、沙礫質粘土層等構成。下覆地層由于風化原因,其殘積層的厚度和深度差異較大,中度風化～ 微風化巖石的抗壓強度為10～150 MPa 。廣州地區地質構造較為簡單, 比較大的褶皺有珠江向斜、廣州背斜和沙河向斜,規模較大的斷裂有七條,基巖裂隙比較發育。
3 　盾構選型中的地質因素
廣州地鐵沿線的工程地質、水文地質條件比較復雜,其中最重要的特點是工程范圍內的巖土均一性差,物理力學特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質土、中細沙層,又有較堅硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖,以及介于上述兩類巖土之間具不同風化程度的軟塑～ 硬塑狀粘性土層。軟硬相間的紅色砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層。因此選擇用于廣州地鐵施工的盾構時,要求它必須有與上述地質條件相匹配的性能。
廣州地鐵施工用盾構選型需考慮的地質因素:
(1) 第四系松軟土層
廣州地區第四系覆蓋層較厚,其中沖洪積的淤泥、淤泥質粘沙土、中細沙層等是特別松軟的地層, 主要分布于市區西部的黃沙、荔灣一帶及珠江河道支叉兩岸。由于它們飽水、穩定性差、無自穩能力, 開挖時易坍塌、涌水、涌沙,地面沉降明顯。因此,要求通過此類土層的盾構必須具有良好的密水性能,具有生產和保持足夠泥水壓力和土壓平衡壓力的功能。
第四系沖洪積沙質粘土和紅色碎屑殘積層及全風化帶多呈流塑至硬塑狀,透水性弱,穩定性差,適宜采用土壓平衡盾構施工,但應注意通過粘粒成分高的土層時盾構刀盤要有防止刀盤面被粘結的功能。
(2) 白堊系泥巖、砂質泥巖、砂巖等地層
這是廣州地鐵沿線碰到的主要巖層,隨著風化程度的不同,其巖石強度和穩定性變化較大,但整體穩定性屬中等。適宜選用復合型土壓平衡盾構施工。但施工中應注意地層的上下軟硬不均及縱向軟硬相間的問題。中～微風化鈣質和鐵質膠結的砂巖、砂礫巖的巖石強度較高(最高達60 MPa 左右), 是盾構刀盤、刀具選擇時必須加以考慮的因素。
(3) 中生代燕山期花崗巖及震旦系混合巖
廣州地鐵區間隧道部分地段圍巖為花崗類巖體和混合巖巖體。此類巖體的以下特點是盾構選型時必須考慮的因素: ① 中等風化及微風化巖,巖石抗壓強度達到140 MPa 以上; ② 巖石中石英含量較高, 對刀盤和刀具的磨損性強; ③ 全風化及部分強風化帶整體破碎,遇水和擾動后易液化、流坍,而其中存在的球狀風化“孤石”卻十分堅硬、耐磨。
(4) 斷層破碎帶
廣州地鐵區間隧道經常碰到規模不等的斷層破碎帶,它多為富水且穩定性差,少量為鐵、鈣質或硅質膠結的角礫巖,十分堅硬,這些都會給盾構施工造成困難。要求盾構具有良好的密水性能,同時為了對斷層帶屬性和影響范圍作出預報,要求盾構應配備地質超前鉆探的機具或裝備這些設備的預留裝置。
(5) 穿越江河地段
廣州地處珠江三角洲的河流密布區邊緣,地鐵隧道下穿江河時有發生,遇到此情況時,應根據江河河床段工程地質、水文地質條件選擇合理的施工方法。如果下穿隧道圍巖為軟弱、透水性強的巖土層或透水斷層破碎帶時,最好選用泥水盾構;如果下穿隧道圍巖為透水性弱或不透水的粘性土或基巖時, 可根據不透水(或弱透水) 層距隧道頂部的厚度選用土壓平衡盾構或泥水盾構。無論選擇何種類型的盾構,防止江河水涌入隧道、確保圍巖穩定是關鍵。
4 　廣州地質對盾構性能的特殊要求
(1) 機械的主要部分應有充分的可靠度
特別是刀盤結構體、主軸承等應保證在一個區間施工完成之前不出現大的問題,避免在施工過程中進行維修。
(2) 驅動系統應有較高的工作彈性
驅動系統應適應復雜多變的地層,特別是在同一開挖面存在軟硬不同的地層時,刀盤的轉速應均勻,有足夠的脫困扭矩。從已經成功施工的工程應用來看,采用液壓驅動是比較好的選擇。
(3) 刀盤有較強的適應性
刀盤應配備有充足的刀具,且刀具可以更換,以分別對付軟硬不同的圍巖。
(4) 刀盤有較高的開口率
較高的開口率可以防止刀盤在粘性較高的地層中掘進時中心部位結成泥餅,地鐵二號線穿越珠江的海珠廣場～ 市二宮區間施工時,刀盤中心部位的泥餅就成為施工的最大障礙之一。
(5) 配備碴土改良設備
碴土改良設備能向土倉和開挖面注入土質改良劑,既可以降低刀盤和螺旋輸送機的轉動扭矩、降低機械負荷,又可以防止產生泥餅,在滲透性大的地層還可以減少地下水的流失。
(6) 配備人倉加壓系統及碎巖系統
為順利通過軟硬不均和球形風化孤石等地段, 應配備人倉加壓系統,并應配備碎巖系統。
(7) 主機有超前鉆孔預留口
盾構主機上設置超前鉆機一方面可以超前探測地質狀況,另一方面在無法從地表進行地層加固時可以從隧道內加固地層。
(8) 可靠盾構鉸接部分
盾構的鉸接部分應有充分的可靠性,且應配備鉸接緊急密封。從幾個工程實例看,鉸接位置的漏水漏砂曾經造成數起地層下陷事故。
表1 列出了不同地質要求的盾構配置狀況。
5 　廣州地區盾構施工的典型實例
(1) 一號線黃沙～ 公園前區間
該區間的南段黃沙～ 中山七路主要地質為第四系沉積層,并穿越珠江;北段中山七路～ 公園前主要為白堊系紅砂巖地層。區間施工采用兩臺泥水加壓盾構,設計總推力33 000 kN , 額定扭矩2 500 kNm , 最大扭矩3 700 kNm , 開口率25 % ; 配備滾刀12 把,仿形刀2 把,刮刀138 把,預割刀72 把,中心刀8 把; 主機采用鉸接結構。工程穿越的特征地層為淤泥層、富水沙層、紅砂巖土層。工程施工承包商為日本青木,施工過程基本順利,但一直受到刀盤泥餅問題的困擾;由于刀具配置問題,盾構在中風化的巖層中掘進速度非常緩慢,只有正常速度的四分之一。施工中曾出現地層泥土流失過多造成房屋倒塌的事故。
這個工程的重要意義在于第一次在廣州地鐵施工中采用盾構,并發揮了盾構在安全和效率上的優勢。其中取得的經驗教訓為以后盾構在廣州地鐵中的推廣應用積累了經驗。

表1 　不同地質要求的盾構配置狀況

(2) 二號線越秀～ 三元里區間
該區間主要為白堊系紅砂巖地層,其間穿越走馬崗斷裂。區間隧道施工采用兩臺土壓平衡式盾構。盾構設計總推力33 000 kN , 盾構刀盤部分重55 t , 幾乎是一號線盾構刀盤重量的兩倍,刀盤開口率28 % ; 配備可更換齒刀的雙刃滾刀13 把,仿形刀1 把,小齒刀64 把,刮刀8 把,中心刀6 把;刀盤驅動采用全液壓設計,額定扭矩4 500 kNm , 最大扭矩5 300 kNm , 大大超過了一號線盾構的水平。
該盾構的其他先進之處還有:大直徑(D900) 的螺旋輸送機;全液壓驅動的高速管片安裝機,6 個自由度;符合歐洲安全標準的加壓倉,設計工作壓力3 ×105 Pa ;VM T SL S -T 激光自動導向系統;可靠的鉸接密封系統,三道亞緊密封加一道緊急密封;高速同步注漿系統;碴土改良系統以及先進的SIMENSI 中央控制系統等。工程施工比較順利,在全風化的地層中盾構達到了設計的掘進速度,由于配備了良好的碴土改良系統,施工人員最擔心的刀盤結成泥餅的情況非常輕微;在微風化的較硬巖層中,盾構掘進也到達了30 mm/ min 的平均速度。該工程創造了廣州地鐵施工的數個第一:日最高掘進速度第一(30 m) ;月最高掘進速度第一(405 m) 等;月平均掘進速度第一(230 m) 。最終隧道提前兩個月貫通,工程取得成功。