福州軌道交通2號線施工與盾構機選型設計

林學華　朱齊平

摘 要：文章介紹了福州軌道交通2號線的工程概況，分析了沿線地質條件和施工難點，提出了盾構機選型設計方案，對盾構機穿越閩江、烏龍江和可能存在的孤石等問題提出了相應的施工建議。

關鍵詞：盾構機；福州軌道交通；地鐵施工；盾構機選型

1 工程項目概況

按照國家發(fā)改委批準的《福州市城市快速軌道交通建設規(guī)劃》（2009～2016），福州市將在2016年前先后建設1號線、2號線，總長55.3km，在中心城區(qū)形成1、2號線“十”字形主骨架，有效地支持了城市“東擴南進”的發(fā)展戰(zhàn)略。2號線路工程全長約29.574km，均為地下敷設，沿城市東西向發(fā)展副軸布置，共設車站22座，西起閩侯縣蘇洋村，東至晉安區(qū)鼓山鎮(zhèn)，途徑上街大學城片區(qū)、金山工業(yè)區(qū)、金山居住區(qū)、閩江北岸商務中心區(qū)、鼓樓成熟建成區(qū)及晉安區(qū)東部鼓山片區(qū)，連接中心城以及被閩江、烏龍江分割的金山地區(qū)、閩侯地區(qū)，與城市“東擴、沿江”的發(fā)展方向相吻合。福州市軌道交通2號線工程示意圖，如圖1所示。

2 盾構施工難點

2號線路工程地質條件普遍復雜，基本位于沖淤積平原地貌，全線淤泥等軟土發(fā)育，過烏龍江和閩江以及眾多內河，砂層分布普遍，飽和砂土有液化現象，沿線多為商業(yè)和居民密集區(qū)，周邊環(huán)境敏感；管線遷改及交通疏解困難。

2.1 穿越閩江、烏龍江等多處河流及內河

福州地鐵2號線隧洞要穿越近400m寬的閩江河床，閩江地質情況復雜。閩江水之下的地質主要以一些砂層為主。河沙的主要成分就是石英，在盾構機掘進過程中，刀具與石英摩擦時磨損大。

閩江段，盾構穿越地層有17中等風化花崗巖、32中砂、52細砂、82中砂、83淤泥質土夾薄層粉砂、少量砂夾淤泥。在殘積土或者巖層當中，通過氣壓或者常壓的方式可以到土倉里換刀具，但若過江砂層里換刀的話，工作難度相當大，風險高。

（1）容易導致刀盤前方及其上部的軟弱失穩(wěn)、塌方。

（2）避免江中停機換刀。

（3）容易導致盾尾漏漿。

（4）注意切口水壓，平衡開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩(wěn)定。

2.2 施工下穿多處建（構）筑物

線路沿線下穿沙堤橋、林洲路橋、輪船港、五里亭立交、晉安河橋、浦東河橋、鳳坂河橋、磨洋河橋等多處橋梁，市區(qū)建筑物眾多，需要下穿大量多層房屋建筑，并需托換橋樁基礎。上洋～鼓山區(qū)間和出入段線四線下穿溫福高鐵和三環(huán)高架橋，需要認真研究具體的保護措施和應急方案，保證鐵路運輸安全。

2.3 穿越繁華商業(yè)區(qū)

2號線沿線經過大學城、金山片區(qū)、閩江北岸商務中心區(qū)、鼓樓成熟建成區(qū)，市區(qū)道路狹窄，車站大多位于城市主干道或交通密集的重要道路下方，比如國賓大道、金祥路、荷塘路、福馬路等區(qū)域性干道，需要保證施工期間的交通順暢和居民出行需求。

國賓大道沿線有埋深較深的污水管，車站附屬結構局部有沖突需采取保護措施，南門兜站附近有110kV高壓電纜，其它管線遷改工作量大，需認真研究管線遷改方案，確保站位的可實施性。施工期間盡量減少對周邊企業(yè)、居民的生產、生活用電、用氣、用水的影響。

3 盾構機選型設計

3.1 盾構機選型

工程區(qū)間隧道穿越范圍內的土層隧道掘進范圍內涉及的巖土層主要為淤泥類和砂類地層，局部個別工點有粘性土及風化巖地層；軟土地層大范圍分布，隧道范圍內比例有78.8%。

根據盾構推進的長度、施工場地條件、建設工期、設備利用經濟性等因素綜合考慮，2號線工程一共有21段盾構區(qū)間（含下院出入段線），考慮用20臺盾構施工，平均單臺盾構掘進長度約2.1km。

2號線主要采用土壓平衡（復合式，EPB）盾構機，過烏龍江和閩江段區(qū)間以及穿越重要的地面建構筑物段采用泥水平衡盾構，局部需要磨樁穿越的區(qū)間采用復合盾構。

3.2 主要技術參數

3.2.1 EPB盾構機總體設計范圍及主要尺寸

盾構外徑：φ6480mm；盾體長度：約9475mm

總長度包括后配套：約76m；總重量包括后配套：約450t

最小曲線半徑：250m

3.2.2 其他技術參數

最大掘進速率：8cm/min

平均掘進速率：3.5cm/min；管片寬度：1200mm

管片重量：約48kN

刀盤驅動：變頻電機驅動，（裝備動力：90kW×10）

刀盤轉速：0.3～3.05rpm；刀盤扭矩最大：7320kN-m

盾構機推進系統(tǒng)

總推力：41，600kN（單位面積推力：1，281kN/m2）；推進油缸數量：1，300kN×32根

最大推進速度：8.0cm/min

鉸接裝置：總推力31，800kN；鉸接油缸數量：2，650kN×12根

鉸接操作：全方向（上下、左右、傾斜方向）

螺旋出渣機驅動

驅動形式：液壓驅動方式（裝備動力：110kW）

排土量：320m3/h（最大排出粒徑：φ300mm×600mm）

直徑：φ850mm（帶軸式螺旋機）

轉速：0.6～16rpm

驅動扭矩：常用最大：154kN.m；脫困時最大：202kN.m

管片拼裝裝置

形式：環(huán)形齒輪

操作方式：無線遙控操作

轉動速度：高速：1.5r/min；低速：0.2r/min

盾構機核心零部件如刀盤軸承、刀盤驅動系統(tǒng)減速機、重要的傳感器（比如土壓力傳感器，漿液壓力和流量傳感器）、密封件（盾尾密封、鉸接密封、主軸承密封）等選用國際上先進的成熟產品。為了滿足福州軌道交通2號線的施工要求，盾構機刀盤驅動功率大（900kW），螺旋輸送機直徑大（φ850mm），可以破碎和排出較大的石塊（300mm×600mm）。

4 特殊地質條件下的施工對策

4.1 對沿線建、構筑物影響的控制措施

工程沿線分布有較多建（構）筑物，還需多次穿越高鐵、橋梁樁基礎、建筑物基礎、河流及堤岸基礎，道路兩側及各交叉路口存在埋藏較深的各類非開挖管線等，因此在盾構施工時可采取如下措施：

（1）隨時調整盾構施工參數，確保土艙（泥水艙）壓力穩(wěn)定，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的塌落或擠密現象，降低地基土橫向變形施加于樁基上的橫向力。

（2）采用同步注漿，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產生的對樁基的負摩阻力。

（3）施工中采用信息化施工，加強監(jiān)測，包括對建（構）筑物的變形、沉降的監(jiān)測，如發(fā)生較大變形，在隧道內管片上全斷面設置注漿管，在加強同步注漿的同時根據監(jiān)測數據及時進行壁后注漿以及二次補壓漿，保證施工期間建筑物的安全。

（4）在淤泥、軟土地段施工時，要注意盾構機的姿態(tài)控制，防止盾構機扣頭。

4.2 盾構機破碎孤石

（1）由于孤石的影響，盾構施工過程中可能出現的主要問題有：刀具磨損嚴重、刀座變形、更換困難；刀盤磨耗導致刀盤強度和剛度降低，刀盤變形；刀盤受力不均勻導致主軸承受損或主軸承密封被破壞、刀盤堵塞、盾構負載加大；被刀盤推向隧道側面的大漂石甚至導致盾構轉向，偏離隧道軸線等。

（2）孤石能否被盾構機成功破碎，需滿足兩個條件：一是盾構提供足夠的切削力；二是在孤石被刀具破碎過程中，周邊土體不能產生破壞，即孤石不能移動。我們在盾構機選型設計時充分考慮了這些因素。

4.3 孤石預處理方法

根據孤石破碎情況的預測，對不能夠通過盾構機破除的孤石可采取預處理措施：

（1）對孤石周邊風化土層進行地面或洞內預加固，以提供盾構機破巖和人工破巖的條件。

（2）洞內靜態(tài)爆破或火藥爆破孤石。

（3）地面鉆孔爆破或沖孔破除孤石。

（4）壓氣作業(yè)條件下人工破除孤石，破除時可采用巖石分裂機等設備。

4.4 盾構機穿越閩江（烏龍江）的對策

盾構過江雖然以快速通過為原則，但并非盲目地加快速度掘進。泥水盾構除取決于自身的掘進能力（總推力與扭矩）外，還與背填注漿能力以及環(huán)流系統(tǒng)的能力有關，如若背填注漿能力跟不上盾構掘進的速度，則管片的背填注漿量不足，如若環(huán)流系統(tǒng)的能力跟不上盾構掘進的速度，則刀盤切削下來的碴土進入泥水倉后，無法及時地通過泥漿管路運送到地面，將造成泥水倉堵塞和管路堵塞，泥水倉壓力產生瞬間高壓，對開挖面土體產生擾動，容易引起開挖面地坍塌。因此，掘進速度必須在確保注漿質量和保持環(huán)流系統(tǒng)暢通的前提下逐漸加快。在過江段，以確保開挖面穩(wěn)定為原則，提倡盾構機均速前進，保持環(huán)流系統(tǒng)暢通。本工程過江段的掘進速度一般控制在20～25mm/min左右為宜。

參考文獻

[1]福州市軌道交通2號線工程[R].巖土工程勘察報告，2014.

[2]尹旅超，朱振宏，李玉珍，等譯.日本隧道盾構新技術[M].武漢：華中理工大學出版社，1999.

[3]竺維彬，鞠世鍵.復合地層中的盾構施工技術[M].中國科學技術出版社，2006.