杭州地鐵1號線盾構選型探討

沈林沖，張金榮，秦建設，黃先鋒，郭愛國，王 勇

(1.杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310020;2.中國科學院 武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

1 工程概況

杭州市地鐵1號線為連接中心城核心區(qū)與江南、臨平、下沙副城中心區(qū)的骨干線路。線路南起蕭山湘湖杭州樂園，到達九堡公路客運中心站，線路在此向東、向北分成下沙段、臨平段。下沙段線路沿九沙大道向東，止于杭州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)東部居住區(qū);臨平段線路沿01省道向北，過臨平山，終止于余杭經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。1號線線路全長61.67 km，其中地下線45.05 km，地面線0.30 km，高架線15.43 km，地上地下過渡段0.89 km。設車站37座，其中:29座地下站、8座高架站。

本工程隧道結構采用預制鋼筋混凝土管片，管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、厚度0.35 m、環(huán)寬 1.2 m，每環(huán)管片數(shù)為(5+1)塊，中心孔吊裝，錯縫拼接。線路最小曲線半徑400 m，最大縱坡為28‰，隧道覆蓋層最深約28.1 m，最淺約5.0 m。

2 工程及水文地質概況

杭州地鐵1號線穿過的區(qū)域基本都屬于第四系沖海積、海相及河流相沉積地層，大致可分為兩個地貌區(qū)域。臨平～艮山門站及湖濱站～蕭山區(qū)間為錢塘江河口沖海積平原地貌，素填土下一般分布有10～20 m的錢塘江沖積沉積相砂質粉土、粉砂層，該層之下分布有厚層淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土。對地鐵施工而言，此種地質條件易導致坍塌變形;地下水作用下易出現(xiàn)流砂;下臥軟土層對地下車站圍護墻變形較為不利，區(qū)間隧道易產(chǎn)生工后沉降。艮山門站～湖濱站區(qū)間為濱海相沉積平原地貌，上部或無砂質粉土、粉砂層，或很薄，硬殼層下為深厚的飽和濱海相淤泥質軟土層，工程性能差，系地鐵車站和盾構區(qū)間開挖和掘進的主要土層。

地鐵1號線擬建場地主要分布有地表水和潛水，對臨近的地鐵車站開挖和區(qū)間隧道施工會產(chǎn)生一定的影響。錢塘江、京杭運河等為地鐵沿線河流，地下潛水為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水。擬建場地內(nèi)淺層地下水屬孔隙潛水，主要賦存于表層素填土及③1～③7層粉土、粉砂中，由降雨和地表水徑流補給，水位埋深較淺，場地抗浮設計水位一般取地表下0.5 m。承壓水分布在⑥2粉砂、⑧2中細砂、⑩2粉砂、圓礫層中，水量較豐富。承壓水頭埋深一般在地面下6.00～10.85 m，水位呈年周期性變化。

3 盾構選型遵循的主要原則

盾構工法是目前在復雜地質條件下修建隧道，特別是城市地鐵、江河、海底隧道所采用的主要施工方法。盾構機是盾構隧道施工的最重要的設備，盾構選型及設備參數(shù)選擇直接關系到隧道工程的進展和成敗。如果盾構機選型不合適或設備參數(shù)設計不當，輕則影響施工速度、拖延工期，造成經(jīng)濟損失，重則引起重大工程事故，甚至隧道報廢，出現(xiàn)人員傷亡，造成惡劣的社會影響和重大經(jīng)濟損失。因此，對采用盾構法施工的工程來說，盾構選型及設備參數(shù)選擇具有非常重要的意義。

近年來我國大型過江、過海隧道項目逐年增多，工程遇到的地質條件越來越復雜，采用盾構施工的趨勢越來越明顯。但是，目前的盾構選型的研究多是結合具體工程實例進行，還缺乏系統(tǒng)研究。因此，在遇到更為復雜地質條件，如高承壓水、穿越土層差異大、含有害氣體土層時，對盾構的選型進行充分論證是十分必要的。

3.1 盾構選型的一般原則

盾構選型時，應綜合分析影響盾構機選型的主要因素，如地質條件、地下水及地面情況、隧道斷面尺寸、隧道長度、隧道線路、工期以及施工過程的開挖和襯砌形式等問題［1］。在選型時，最重要的是以保持開挖面穩(wěn)定為基礎進行選擇，即安全為第一要務。為了選擇合適的盾構形式，還應對地質條件、地下水情況、周邊用地和周圍環(huán)境進行詳細的調查，并對可靠性、經(jīng)濟性和施工性作充分考慮［2］。

盾構機選型時先要看該盾構機是否有利于開挖面的穩(wěn)定，其次再考慮環(huán)境、工期、造價等限制因素，同時還必須將適宜的輔助工法也加以考慮，只有這樣才能選擇出一種較為適宜的盾構機。

3.2 土壓式盾構與泥水式盾構對比

目前，在軟土和有水壓條件下的隧道施工，一般選用密封式盾構機，可分為土壓平衡和泥水平衡兩種盾構機型［3］。

土壓平衡盾構分為兩類。一類是將開挖的土體充填在土艙內(nèi)，用螺旋輸送機調整土壓，來保持工作面的穩(wěn)定。這種盾構機僅適用于可用切削刀開挖且含砂量小的塑性流動性軟黏土。另一類是向開挖面注入水、泡沫、膨潤土等添加劑，通過強制攪拌使土體具有良好的塑性流動性和止水性，較好地傳遞土壓，以保持開挖面的穩(wěn)定和砂土的順暢排出。這種盾構機適用范圍很廣，可用于沖積黏土、洪積黏土、砂質土、砂礫、卵石等土層，以及這些土層的互層。但土壓式盾構，易出現(xiàn)砂性土排土困難，掘進機刀頭、刀盤磨損量大，以及在含水砂層透水系數(shù)大、孔隙水壓高時土艙頂部容易產(chǎn)生空隙，出現(xiàn)渣土噴涌等問題。

泥水平衡盾構通過向刀盤密封艙內(nèi)加入泥水漿來平衡開挖面的水、土壓力。泥水式盾構機適用的地層范圍較寬，從軟弱砂質土層到砂礫層都可以使用，泥水式盾構由于采用管道輸送，工作面全密封，安全性高，在軟弱互層地段也適用。泥水式盾構特別適用于砂礫、砂、亞黏土、黏土層或其互層的土層，有涌水工作面不穩(wěn)定的土層，上部有河川、湖沼、海洋等水壓高、水量大的地層。但在黏粒含量較高的硬黏土中施工時，容易出現(xiàn)黏土附著槽口及排泥管道上的情況，造成槽口及排泥管道堵塞，而出現(xiàn)掘進故障;另外，大塊石及其他不明障礙物也容易堵管。從經(jīng)濟上考慮，泥水式盾構要比同直徑的土壓平衡盾構造價高，且泥水平衡盾構與土壓平衡盾構相比，出土效率較低。另外，由于泥水式盾構的泥漿處理設備設在地面，要占用較大的場地空間，泥水分量系統(tǒng)對周邊環(huán)境影響較大，使其在城市密集區(qū)的應用受到了一定的限制。

4 影響盾構選型的不利因素分析

杭州地鐵1號線多數(shù)區(qū)段盾構隧道遇到的地層主要是滲透系數(shù)介于10－6～10－7cm/s的淤泥質土層，對于這類地層中選擇適宜的盾構，國內(nèi)外已有較多的成熟經(jīng)驗可以借鑒。但杭州地鐵還包含一些特殊的不利影響因素，盾構隧道能否在這些復雜條件下順利施工，是地鐵工程盾構選型中必須要考慮的問題。

4.1 長距離

由于地鐵1號線將穿越錢塘江，地鐵過江段隧道長度為1 908.7 m，長度較大，在河底隧道施工中途不可能設置豎井，需要可長距離施工的盾構機型。在選型時必須考慮的主要問題是:盾構機的耐久性、盾構機對土層的適宜范圍、材料、設備以及排土的輸送配套問題、測量技術及方向控制技術等。長距離隧道的掘進能否實現(xiàn)，在很大程度上取決于盾構機各部件的耐久性，包括刀頭的壽命、土砂密封的耐久性以及盾尾密封的耐久性等。盾構選型中必須考慮刀頭的使用壽命、中途換刀可能性以及機械檢修和換刀的施工工藝方法［4］。

4.2 高水壓

地鐵1號線沿線地層水系豐富，受錢塘江、京杭運河等河流影響，富含承壓水層，透水性好，且水壓較大。隧道在這種地質條件下不易形成有效的土塞效應，容易形成突發(fā)性涌水和流砂，導致開挖面坍塌。隧道穿越錢塘江過程中，靜水壓力較大，開挖面易失穩(wěn)，從而導致滲漏水等工程事故。錢塘江江底最大沖刷深度可達16 m，上覆土層較薄，當盾構隧道從江中向兩岸由深往淺掘進時，盾構易上撓、土體隆起，易引起冒頂、江水倒灌等事故。因此，盾構選型需要考慮關鍵部位的密封和盾構機的穩(wěn)定性。盾尾密封應選擇耐磨材料、增加段數(shù)、改進填充劑的注入管理和交換方法，確保盾尾密封止水性;需要冷卻裝置以防止法蘭密封段數(shù)增加引起溫度上升，保證砂土密封的止水性。在砂層中土壓式盾構螺旋輸送機的水封性不易得到滿足，泥水式盾構對付高水壓則較容易，但泥水盾構在開挖面上可能會出現(xiàn)水壓割裂地層的問題，高壓水會沿割裂面涌人隧道，引發(fā)工程災難。

4.3 含有害氣體土層

杭州地鐵1號線在江南及江北的部分區(qū)段分布有埋深為15～35 m的含有害氣體土層，氣體主要成分是甲烷(CH4)，壓力一般為0.1～0.4 MPa。目前，國內(nèi)外還沒有在含有害氣體土層中進行盾構施工的直接經(jīng)驗可借鑒。盾構在含有害氣體中掘進時，遇到的主要問題是含氣土層為非飽和土，含水量低，摩擦阻力較大。另外，含氣土層中的氣壓較大，如果有害氣體進入隧道，因有害氣體密度小，往往匯聚在隧道頂部形成層狀，加之有害氣體無色無味，容易被人忽略，有害氣體含量達到1%就可以遇火燃燒，達到5%可能遇火爆炸。所以，要求隧道內(nèi)部通風設施必須滿足保證安全的要求，且要保持良好的工作狀態(tài)，減小有害氣體濃度。另外，也對隧道的防火提出了更高的要求，盾構的氣體密封性要求較防水密封性更高，不但要求盾構機保證密封，而且要求排土處理系統(tǒng)也應具有防止氣體外泄的功能。

5 杭州地鐵的盾構選型

從工程設計條件和土層滲透性來分析，結合現(xiàn)有盾構施工積累的經(jīng)驗，土壓平衡盾構和泥水平衡盾構均可適應本工程的施工。單從地質情況來看，泥水平衡盾構在處理有害氣體、承壓水層及砂性土層施工方面較土壓平衡盾構具有優(yōu)越性。但從沿線周邊環(huán)境、施工工期和經(jīng)濟因素等方面考慮，土壓平衡盾構則要好于泥水平衡盾構。

盾構選型除考慮上述因素外，還需結合我國的國情、現(xiàn)有施工技術水平、招標要求以及企業(yè)承受能力等。鑒于我國目前用于城市市區(qū)和人口稠密地區(qū)的地鐵隧道施工大多采用土壓平衡盾構，承包商已積累較豐富的成熟施工經(jīng)驗，且土壓平衡盾構造價節(jié)省，不增加二次工程費用，環(huán)境污染小，對外部環(huán)境要求較少，在兩種類型均能滿足本工程施工需要的前提下，優(yōu)先考慮土壓平衡盾構。但必須加強盾構機的功能，增加技術要求和配置，使其能夠克服前述不利影響因素，滿足工程需要，這也是在確定盾構機類型之后，對盾構選型的進一步深化。在盾構機選型設計上主要重視螺旋機出渣防噴、土層的適宜性、刀盤和刀具的耐久性、盾構盾尾密封、地下有害氣體的預防和處治等，對其進行針對性的設計和配置。

5.1 螺旋機出渣防噴控制

土壓平衡盾構螺旋輸送機的主要功能是運送密封艙中切削下來的土，當螺旋輸送機內(nèi)充滿形成螺旋狀連續(xù)體的切削土時，可起到止水效果，保證土艙壓力平衡。杭州地鐵1號線需穿越多種類型土層，沿線富含承壓水，盾構機宜選用中心軸式螺旋機，大直徑的葉片可提高出土效率和實現(xiàn)大顆粒出土。配置液壓比例控制系統(tǒng)，螺旋機的殼體上設泥水加注口，用于改善土體流動性和噴涌時加泥，增強螺旋機的土塞密封作用。為預防在江底砂性土層和圓礫層中掘進時出現(xiàn)噴涌問題，需配備緊急開關裝置，以便緊急狀態(tài)時能及時關閉閘門。螺旋機上部預留應急注漿孔，并可外接保壓泵渣設備，預防出渣噴涌和土壓失衡。

5.2 土層適宜性的改進

土壓平衡盾構適應于顆粒不大、滲透系數(shù)小的地層，理想的土層包括黏土、淤泥、砂土以及礫石等，并且含有20%左右的水分［5］。在黏土層中掘進時，易形成“泥餅”，土體可能在艙內(nèi)周邊黏附、壓密、固結或黏結到盤上與切削刀一起旋轉，造成排土困難和增大刀盤推力與扭矩，需注入泥漿或泡沫劑進行改良。在砂性地層中掘進時，砂土塑性流動性差，需往開挖艙內(nèi)加注膨潤土或泡沫并機械攪拌，使砂土泥化，力求塑性流動化且不透水;對于砂礫石層，在艙內(nèi)添加高濃度、高黏性的制漿材料，以保證礫石土層的塑性流動化和不透水性。盾構機上需配置土體加泥加水系統(tǒng)，并增設攪拌裝置，有效控制添加材料的加入位置和加入量，提高了系統(tǒng)的檢測能力和系統(tǒng)工作的可靠性。

5.3 刀盤和刀具配置

盾構機的刀盤和刀具應根據(jù)地層特性，除能夠滿足掘進速度要求外，還應綜合考慮開挖面穩(wěn)定及排土等因素，選取合適形式、開口率和重量。合適的刀盤結構將有效地起到維持開挖面穩(wěn)定和渣土快速的進入。刀盤盤面板上和土艙應設加泥孔，用于加注高濃度泥漿，進行土體改良以及降低土體對刀盤的摩擦力。刀盤中心設置攪拌棒預防泥餅的形成?？紤]到地鐵隧道需克服長距離掘進的困難，盾構機的刀盤和刀具均應采用耐磨材料，進行專項耐磨設計，并設置磨損檢測裝置，方便掌握和了解刀盤和刀具的磨損情況。刀盤的主軸承是盾構機使用壽命的關鍵部件，同時承受推力、徑向負荷和傾覆力矩，需加大強度和剛度，以提高主軸承的壽命［6］。

5.4 盾尾密封

盾尾密封是確保盾構殼體的內(nèi)表面和管片的外表面之間的密封，防止地下水、外層土和支承液體或灰漿的侵入。盾尾密封是集彈簧鋼、鋼絲刷和不銹鋼金屬網(wǎng)于一體的結構，彈簧鋼和鋼絲刷需進行防銹處理。盾尾密封至少采用3道鋼絲刷密封，在各盾尾密封之間注入潤滑脂來提高止水性能。盾尾應設計一道膨脹應急密封，當鋼絲刷密封正常時該密封彎曲在盾尾的溝槽里不起密封作用;當鋼絲刷密封失效時通過注水或充氣使該密封膨脹，將管片外側與盾尾內(nèi)側之間的間隙完全密封，以防止涌水從盾尾漏入隧洞，并可在隧洞內(nèi)安全地更換前2～3道鋼絲刷。

5.5 地下有害氣體預警和處治

針對地鐵工程所遇的地下有害氣體地層，工程中提出了“排”、“疏”為主，“堵”“防”相配合的防治措施。隧道掘進前期打設預排氣井，對地下有害氣體進行預先有控排放，此種措施能夠有效地減小和避免有害氣體對地鐵工程的影響。但由于工程詳勘不可能排查出地鐵沿線所有的含有害氣體地層，并且即便進行有害氣體預先排放，也不能將地層中所含有害氣體排凈，土層中會殘留部分以氣泡或溶解形式存在的有害氣體，地鐵盾構施工中將無法回避。因此，盾構機必須配備有害氣體監(jiān)測與檢測儀器，及時發(fā)現(xiàn)有害氣體并進行預警與防控，防止災難事故發(fā)生。在盾殼頂部靠近盾尾處、螺旋機出土口和后備臺車車架上部靠近工作面處等部位均應設置有害氣體監(jiān)測設備，最好能夠與PLC自動控制系統(tǒng)連接，進行動態(tài)實時監(jiān)控。當任一處檢測點的瓦斯?jié)舛冗_到限值時，盾構立刻發(fā)出報警，馬上停止施工作業(yè)進行處理。同時，考慮有害氣體濃度呈梯形擴散，對盾構機內(nèi)的電器等盡量作防爆處理，預防不良氣體擴散剎那間濃度超限，產(chǎn)生爆炸危險。配備必要的通風設備，持續(xù)并增強工作面的通風，確保進入盾構工作區(qū)域內(nèi)的有害氣體能夠快速降到安全指標以下。在盾構機前端安裝超前物探設備，可以對盾構掘進方向上是否存在高壓有害氣體層進行提前發(fā)現(xiàn)，及時掌握有害氣體的埋深、壓力、儲量等信息，提出預報，根據(jù)有害氣體所在位置調整盾構掘進速度，以便提早采取有效的防護措施。增強同步注漿系統(tǒng)，同步置換和封閉管外空隙中有害氣體，改善管片結構防水和抗?jié)B性能，穩(wěn)固管外土體，促進隧道管片結構及早穩(wěn)定。

6 結論

盾構機作為盾構法施工的大型專用機械設備，不同于一般的施工機械，其選型需要考慮的因素較多。既涉及到地鐵沿線的水文和地層條件，又涉及到隧道設計條件和盾構機本身的部件配置，同時還要考慮盾構對地層條件的適應性，對周圍環(huán)境的影響，以及工期和造價。盾構選型參考國內(nèi)外已有盾構工程實例及相關的盾構技術規(guī)范，按照安全性、可靠性、適用性第一、技術先進性第二、經(jīng)濟性第三的原則進行，保證盾構施工的安全、可靠，選擇最佳的盾構施工方法和最適宜的盾構。

由于盾構機的造價很高，其選型還必須兼顧我國的國情、現(xiàn)有施工技術水平以及企業(yè)的承受能力等因素。盾構選型的正確與否，無論是對于盾構施工的技術水平，還是對于盾構施工的成本和效益均起著至關重要的作用。在杭州地區(qū)第一次修建地鐵就遇到如此復雜地層情況，盾構隧道的施工，無論對業(yè)主、設計、施工單位，還是對監(jiān)理單位來說，都是極大的挑戰(zhàn)和考驗。本著上述原則，慎重對待盾構選型問題，協(xié)同合作，集思廣益，完善盾構設計，加強盾構施工措施管理，一定能使杭州地鐵工程順利完成。

［1］宋克志，王夢恕.淺談隧道施工盾構機的選型［J］.鐵道建筑，2004(8):39-41.

［2］張雙亞，陳饋.北京鐵路地下直徑線盾構選型［J］.鐵道工程學報，2007(3):70-73.

［3］倪平利.天津地鐵盾構機選型的幾點考慮［J］.交通世界，2005(8):40-43.

［4］張鳳祥.選擇盾構工法的一些考慮［J］.巖石力學與工程學報，1997，16(1):85-90.

［5］唐經(jīng)世.成都地鐵一號線盾構機的優(yōu)選［J］.建筑機械化，2007，28(1):42-42.

［6］唐健，陳饋.成都地鐵試驗段盾構選型探討［J］.建筑機械化，2006(6):43-46.