成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析

1、現(xiàn)代隧道技術(shù)成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析文章編號：1009-6582（2010）06-0057-05MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析郭家慶（中鐵隧道股份有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）摘要成都地鐵盾構(gòu)4標段是成都地鐵一號線盾構(gòu)施工試驗段，為便于以后盾構(gòu)機能更準確地選型，本試驗段分別采用一臺泥水盾構(gòu)機與一臺土壓盾構(gòu)機進行左右線的掘進。通過對兩臺掘進機的適應(yīng)性分析可以看出：泥水盾構(gòu)的缺點是容易堵塞、出碴效率低、對地層完整性要求高、在含泥地層中容易封住開口、對進出洞密封要求高、施工中需要較大場地、施工成本高；

2、優(yōu)點是對地層擾動小、便于帶壓進艙。土壓平衡盾構(gòu)的缺點是刀盤磨損嚴重、地表沉降控制難度高，帶壓進艙困難；優(yōu)點是不受出碴限制、掘進速度快、便于維護、成本低。施工實踐證明：在地表要求不太嚴格的情況下適于用土壓平衡盾構(gòu)；在地表要求高、場地較大情況下，適合用泥水盾構(gòu)。關(guān)鍵詞土壓盾構(gòu)機泥水盾構(gòu)機成都地鐵試驗段適應(yīng)性文獻標識碼：A1引言成都地鐵盾構(gòu)4標段是成都地鐵一號線盾構(gòu)施在桐梓林站火車南站區(qū)間穿過電力調(diào)度中心4層樓房、機場立交橋、火車南站股道。本標段內(nèi)地表多為第四系全新人工填土覆蓋，其下為全新統(tǒng)沖積層粘性土、粉土、砂土、卵石土，再其下為第四系上更新統(tǒng)冰水、沖積層（為卵石土夾砂層透鏡體）；下伏基巖為白堊系

3、上統(tǒng)灌口組紫紅色泥巖。據(jù)初勘鉆探及探井揭露，漂石最大粒徑為270工試驗段，為了選出最適應(yīng)成都地鐵的盾構(gòu)機型，本試驗段選用了一臺海瑞克泥水平衡盾構(gòu)機和一臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機進行掘進。本文主要內(nèi)容是對這兩種盾構(gòu)機在成都地鐵一號線盾構(gòu)4標段的使用情況進行分析比較。2工程概況成都地鐵1號線盾構(gòu)4標段起于省體育館站南mm，一般含量為5%10，局部富集層高達20%30%；漂石分布隨機性較強，但主要分布于卵石層中下部，一般埋深大于6.5m。漂石單軸抗壓強度最大值為端，止于火車南站北端，共分為省體育館路倪家橋桐梓林火車南站3個區(qū)間。左線隧道長2328.2單線延米，采用1臺德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)（盾構(gòu)編號S4

4、01）進行施工；右線隧道長2572.23單線延米，采用1臺德國海瑞克泥水盾構(gòu)（盾構(gòu)編號S367）進行施工。2臺盾構(gòu)均從火車南站始發(fā)。本標段線路基本沿人民南路中部敷設(shè)，其間在倪家橋站桐梓林站區(qū)間穿過二環(huán)路、人南立交橋，修改稿返回日期：2010-06-0794.3MPa，最小值為92.8MPa，平均值為93.7MPa。3德國海瑞克泥水盾構(gòu)機（間接控制型）在成都地鐵一號線盾構(gòu)4標段的施工難點泥水輸送系統(tǒng)排碴比較困難泥水輸送系統(tǒng)容易在兩個區(qū)域發(fā)生堵塞：泥水盾構(gòu)機容易堵塞作者簡介：郭家慶（1980-），男，工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)管理工作，E-mail:guojqcd.第47卷第6期(總第335期)2

5、010年12月出版57現(xiàn)代隧道技術(shù)MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析（1）隔柵前面的堵塞其堵塞原因是地層中的異物,例如降水井的鐵圈，破碎機不能破碎，造成在隔柵前堵塞。一旦發(fā)生這種堵塞，泥水艙和氣墊艙均堆積大量卵石，在清理氣墊艙后，刀盤啟動仍然困難。（2）泵前堵塞通過了隔柵的大卵石在泵輪葉片中卡住，有時甚至卡住23塊，不能泵出，泵前管道內(nèi)擠滿了卵石，此種堵塞發(fā)生的次數(shù)較多（圖1）。減小隔柵尺寸可以避免泵前堵塞，但是會加大破碎機工作量，破碎機工作頻率不能滿足隔柵對減小后增大的破碎速度,按現(xiàn)有技術(shù)再想增加破碎機的頻率比較困難。有些盾

6、構(gòu)機內(nèi)設(shè)有一個過濾大石頭的密封箱，讓大直徑石頭存在泵前箱中，過一定的時間后用人工來清理。在成都地區(qū),這種大的卵石高達20%30%，清理的效率會更低，因此這種方法不可取。圖1泵前堵塞情況在正常掘進中，泥水系統(tǒng)出碴效率低從泥漿泵的設(shè)計來看，海瑞克泥漿泵的輸送能力與其它廠家的同類盾構(gòu)機相比是非常強的，理論設(shè)計為800m3/h（同直徑的日本機型多為420m3/h，歐洲其它機型為540m3/h），在掘進過程中,為了追求最大的出碴效率，實際能達到1000m3/h。但是在實際施工中，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機的出碴能力非常差，主要是排出的泥漿含石砂量太少。經(jīng)分析認為有以下原因：首先,成都的卵石含量太多、太大，卵石的密度也大

7、，這樣就造成了大質(zhì)量的卵石不易被泥漿帶出。這個原因無法人為改變。其次，盾構(gòu)機方面，因為海瑞克盾構(gòu)機是利用氣壓平衡原理，砂石到泥水艙泵的吸口還需要流動一58第47卷第6期(總第335期)2010年12月出版?zhèn)€較長的距離，而這一個長距離的泵送對卵石的吸引力較小。如果縮小氣壓艙的長度或不要氣壓艙直接利用泥水平衡，這將大大提高泥漿泵進口的出碴能力，從而提高盾構(gòu)機的掘進速度。成都地鐵一號線采用間接控制型(德國式)，如圖2。盾構(gòu)機刀盤到盾構(gòu)機出漿泵吸口距離大（泥水艙長度+氣壓艙長度），泵的吸力因為面擴散而使吸力大大降低，成都地層大直徑砂卵石的比例大、質(zhì)量重，流動比較困難。如果用直接控制型（日本、英國式）（

8、圖3）將可以大大縮短碴土從掌子面切削后到出碴泵吸口的距離，提高出碴能力。圖2間接控制型泥水盾構(gòu)(德國式)Fig.2Indirectly-controlledslurryshield(Germany)圖3直接控制型泥水盾構(gòu)(日本、英國式)Fig.3Directly-controlledslurryshield(Japan,UK)3.2在城市地鐵施工中，泥水盾構(gòu)機對地層的完整性要求高在成都地鐵施工中，因為成都地鐵一號線4標段大部分埋深在814m之間，在這樣的地層中，成都其它工程施工留下的孔洞（如降水井、地質(zhì)探孔等），容易造成出現(xiàn)以下情況：現(xiàn)代隧道技術(shù)成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分

9、析MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY·泥水加壓式盾構(gòu)的切口水壓不穩(wěn)定；·泥水冒溢。上述狀況的出現(xiàn)常使泥水加壓式盾構(gòu)施工陷于困境。泥水盾構(gòu)機因為出碴系統(tǒng)效率低下，所以每掘進一環(huán)需要的時間長，成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水盾構(gòu)機平均99min掘進一環(huán)，各種消耗材料是土壓盾構(gòu)機的3倍；盾構(gòu)機主機再加上接力的泥漿泵，其總功率大，消耗的電能也多。泥水盾構(gòu)機在成都砂卵石地層中的配件消耗非常大，特別是一些過流部件，如泥漿泵、氣動閥等，且更換的工作量也較大。如圖4所示，泥水盾構(gòu)機在含泥地層中因為開口被堵塞后而無法掘進。但土壓平衡盾構(gòu)機過此地層時，因為加入了適量的泡沫，各掘進參數(shù)良

10、好，順利地通過此段含泥的砂卵石地層。圖4泥水盾構(gòu)機在含泥的砂、卵石地層中被堵塞情況Fig.4Slurryshieldblockedinsand,gravelcontentground在考慮泥水加壓式盾構(gòu)進出洞施工技術(shù)時，應(yīng)明確泥水盾構(gòu)中的泥水是處在密閉加壓狀態(tài)的條件下來達到開挖面土體的穩(wěn)定，這是泥水盾構(gòu)與其它類型盾構(gòu)在進出洞施工技術(shù)方面的一個不同之處。如果不注意到這一特點，洞口沒有處理妥當，以致泥水沒有能處于密閉的加壓狀態(tài)條件下，是難于保持開挖面穩(wěn)定的。若止水密封圈破損，失去密封性能，則循環(huán)的泥水流失，泥水壓力不穩(wěn)定，盾構(gòu)周邊土體擾動嚴重，洞口土體將坍塌并影響地表，使其沉降過大；更嚴重的是泥水

11、加壓式盾構(gòu)將難于正常運轉(zhuǎn)施工，從而將延誤其推進工期。同樣情況，在泥水加壓式盾構(gòu)靠近盾構(gòu)接收井時，若盾構(gòu)接收井洞口沒有處理妥當，盾構(gòu)泥水壓力艙內(nèi)的泥水將大量涌入接收井內(nèi)，會造成泥水壓力艙內(nèi)的泥水無法正常循環(huán)運轉(zhuǎn)，其后果將嚴重影響其盾構(gòu)安全進洞施工。因此，必須在洞圈設(shè)置良好的密封止水裝置，才能防止盾構(gòu)泥水流失，不致大量竄入井內(nèi)，從而使盾構(gòu)切口泥水壓力保持穩(wěn)定，這是泥水加壓平衡盾構(gòu)在出洞過程中應(yīng)具備的必不可少的施工條件。3.6泥水盾構(gòu)地面泥水處理設(shè)備占地較大，在施工過程中需要較大場地4泥水盾構(gòu)機的優(yōu)點（1）對地層的擾動小，能把地表沉降控制在較小的范圍內(nèi)從泥水加壓式盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定情況來看，其盾構(gòu)前部

12、有旋轉(zhuǎn)切削刀盤，后面裝有密封隔墻，中間形成泥水壓力艙。在盾構(gòu)推進過程中將泥水送入泥水壓力艙，以保持盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定。在盾構(gòu)推進過程中，盾構(gòu)開挖面的土壁是呈垂直狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)刀盤不斷地切削土體的同時，又不斷地形成新的開挖面，這種盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定是依設(shè)定的泥水壓力和比重等來平衡土體壓力，泥水是處于循環(huán)的流體狀態(tài)，具有流動的動態(tài)性質(zhì)。從成都地鐵盾構(gòu)4標段左右兩條線的地表監(jiān)測結(jié)果看出，泥水盾構(gòu)機施工的地表沉降比土壓盾構(gòu)機施工的地表沉降要小得多，且泥水盾構(gòu)機從來沒有發(fā)生過地表塌陷。（2）泥水盾構(gòu)機帶壓進艙更加方便，成功的幾率遠遠大于土壓平衡盾構(gòu)機成都地層為富水的砂卵石地層，常壓開艙換刀必須要經(jīng)過地層加固處理

13、，為了減小對地表的影響，帶壓進艙換刀是成都地鐵盾構(gòu)施工的一個重要手段。因為泥水盾構(gòu)掘進過程中一直在有泥膜的情況下運轉(zhuǎn)，隨時帶壓進艙掌子面都能形成較好的泥膜，確保泥水艙更好的密閉性和保持壓力平衡，基本能達到隨時帶壓進艙的水平。5土壓平衡盾構(gòu)機優(yōu)點（1）土壓平衡盾構(gòu)機不受出碴限制，掘進速度快，現(xiàn)有的兩臺土壓盾構(gòu)機前800環(huán)，每環(huán)掘進時間為30min，而相鄰的另一個隧道泥水盾構(gòu)機的掘進時間為99min。（2）土壓盾構(gòu)機維護方便，無其它比較重要的影響盾構(gòu)推進的復(fù)雜設(shè)備，相對泥水盾構(gòu)機，維護起第47卷第6期(總第335期)2010年12月出版59現(xiàn)代隧道技術(shù)MODERNTUNNELLINGTECHNOL

14、OGY成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析來比較簡單。（3）土壓盾構(gòu)機掘進時間短，電、油脂、油料消耗較少，成本相對較低。6土壓盾構(gòu)機的不足之處（1）土壓盾構(gòu)機刀盤、刀具磨損嚴重，特別是刀盤周邊磨損后容易形成間隙被大的卵石卡住，使刀盤無法轉(zhuǎn)動（圖5）圖5刀盤、刀具磨損后被卵石卡住前期，盾構(gòu)機刀盤與開口的間隙為15mm，只有15mm以下的石頭，有可能在間隙中卡住，阻力相對較小，對盾構(gòu)機刀盤的轉(zhuǎn)動不會造成較大的影響；后期，隨著間隙的越來越大，被卡住的石頭也可能越來越大，對刀盤的阻力也越來越大?？ㄗ〉氖^多，阻力大于刀盤所能克服的磨擦力，刀盤就被卡住了。（2）土壓盾構(gòu)機螺旋輸送機磨損嚴重

15、，磨損后容易被石頭卡住，且修復(fù)相對困難（圖6）為了加強盾構(gòu)機螺旋輸送機螺旋外緣的耐磨性，盾構(gòu)機生產(chǎn)廠家采用分層澆注的方法，生產(chǎn)了特制的耐磨塊，將耐磨塊（圖7）的寬度增加到100mm，厚度為110mm，其中耐磨層大約為60mm。但是在成都地鐵施工中發(fā)現(xiàn)還是只能掘進2000m左右，且直徑磨得太小后，螺旋機經(jīng)常被子卵石卡住，造成掘進出碴困難。（3）土壓盾構(gòu)機地表沉降控制難度高因為土壓盾構(gòu)機無法像泥水盾構(gòu)機一樣，能較好地形成泥膜，特別是上部更是無法較好地形成壓力，所以土壓盾構(gòu)機的地表沉降比泥水機更難控制。（4）土壓盾構(gòu)機在砂卵石地層中施工時帶壓進艙比較困難60第47卷第6期(總第335期)2010年1

16、2月出版耐磨塊單邊磨損40mmFig.6，圖7耐磨塊示意成都地鐵一號線大部分在成都市南北主干道下，而成都地層是富水層，不對地層進行處理是無法實現(xiàn)常壓進艙更換刀具的。帶壓進艙可以減少對地面交通的干擾，因此帶壓換刀是成都地鐵盾構(gòu)施工的一個重要手段。成都砂卵石地層透氣性比較好，而土壓盾構(gòu)機掌子面很難形成像泥水盾構(gòu)機一樣的泥膜。所以帶壓進艙前，必須對掌子面進行密封處理來增加土艙的保壓能力，但無法保證每次都能成功帶壓進艙。7結(jié)束語通過對成都地鐵1號線盾構(gòu)4標段的兩種盾構(gòu)機適用性的分析可以看出：在地表要求不是很嚴格的情況下，用土壓盾構(gòu)機比較適應(yīng)；在地表要求高、且施工場地大時，用泥水盾構(gòu)機更能有效地保證施工

17、質(zhì)量與施工安全。現(xiàn)代隧道技術(shù)成都地鐵盾構(gòu)4標段泥水與土壓兩種盾構(gòu)機的適應(yīng)性分析參考文獻MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGYReferences1張寧川.泥水盾構(gòu)主機推進速度與泥漿系統(tǒng)能力的匹配J.隧道建設(shè)，2007，27（6）：79ZhangNingchuan.MatchingBetweenThrustSpeedofMainShieldMachineandCapacityofSlurrySystemJ.TunnelConstruction,2007,27(6):792劉高峰，宋天田.成都地鐵盾構(gòu)刀具磨損分析研究J.隧道建設(shè)，2007，27（6）：8993LiuGaofeng,S

18、ongTiantian.AnalysisandStudyonWearingofCuttingToolsofShieldMachinesusedinChengduMetroConstructionJ.TunnelConstruction,2007,27(6):89933田華軍.鄭州地鐵施工技術(shù)探討J.建筑機械化，2008，（10）：5760TianHuajun.TalkingaboutZhengzhouSubwayConstructionTechnologyJ.ConstructionMechanization,2008,(10):57604陳建，張寧川，呂建樂.S259號泥水平衡盾構(gòu)機改造J.

19、隧道建設(shè)，2007，27（6）：7175ChenJian,ZhangNingchuan,LuJianle.RefurbishmentofS259SlurryBalancedShieldMachineJ.TunnelConstruction,2007,27(6):71755郭家慶.成都砂卵石地層盾構(gòu)刀盤與刀具的選擇J.建筑機械化，2009，（2）：5658GuoJiaqing.SelectionofShieldCutterheadandToolforChengduSand-pebbleLayerJ.ConstructionMechanization,2009,(2):56586鞠世健，竺維彬.復(fù)

20、合地層盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)勘察方法的研究J.隧道建設(shè)，2007，27（6）：1014JuShijian,ZhuWeibin.StudyonGeologicalInvestigationMethodsforShieldTunnellinginMixedGroundJ.TunnelConstruction,2007,27(6):10147何川，晏啟祥.加泥式土壓平衡盾構(gòu)機在成都砂卵石地層中應(yīng)用的幾個關(guān)鍵性問題J.隧道建設(shè)，2007，27（6）：46HeChuan,YanQixiang.KeyIssuesofApplyingMudding-typeEPBShieldstoSandyCobbleGroun

21、dinChengdu,ChinaJ.TunnelConstruction,2007,27(6):46AnalysisontheAdaptabilityofSlurryShieldandEarthPressureBalancedShieldtoLot4ofChengduMetroGuoJiaqing（ChinaRailwayTunnelJointStockCo.,Ltd.,Xinxiang453000）AbstractOnthetestsectioninLot4ofChengdumetro,aslurryshieldandanearthpressurebalancedshieldwereadoptedsimultaneouslytodrivetheleftandrighttunnelsinordertodeterminewhichshieldwouldbemoreadaptable.Defectsoftheslurryshieldcomprisedtheliabilitytobeblockedinsoil-contentground,lowefficiencyformucking,highreq