杭州地铁1号线盾构选型探讨

沈林冲，张金荣，秦建设，黄先锋，郭爱国，王 勇

(1.杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310020;2.中国科学院 武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071)

1 工程概况

杭州市地铁1号线为连接中心城核心区与江南、临平、下沙副城中心区的骨干线路。线路南起萧山湘湖杭州乐园，到达九堡公路客运中心站，线路在此向东、向北分成下沙段、临平段。下沙段线路沿九沙大道向东，止于杭州经济技术开发区东部居住区;临平段线路沿01省道向北，过临平山，终止于余杭经济开发区。1号线线路全长61.67 km，其中地下线45.05 km，地面线0.30 km，高架线15.43 km，地上地下过渡段0.89 km。设车站37座，其中:29座地下站、8座高架站。

本工程隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，管片外径6.2 m、内径5.5 m、厚度0.35 m、环宽 1.2 m，每环管片数为(5+1)块，中心孔吊装，错缝拼接。线路最小曲线半径400 m，最大纵坡为28‰，隧道覆盖层最深约28.1 m，最浅约5.0 m。

2 工程及水文地质概况

杭州地铁1号线穿过的区域基本都属于第四系冲海积、海相及河流相沉积地层，大致可分为两个地貌区域。临平～艮山门站及湖滨站～萧山区间为钱塘江河口冲海积平原地貌，素填土下一般分布有10～20 m的钱塘江冲积沉积相砂质粉土、粉砂层，该层之下分布有厚层淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土。对地铁施工而言，此种地质条件易导致坍塌变形;地下水作用下易出现流砂;下卧软土层对地下车站围护墙变形较为不利，区间隧道易产生工后沉降。艮山门站～湖滨站区间为滨海相沉积平原地貌，上部或无砂质粉土、粉砂层，或很薄，硬壳层下为深厚的饱和滨海相淤泥质软土层，工程性能差，系地铁车站和盾构区间开挖和掘进的主要土层。

地铁1号线拟建场地主要分布有地表水和潜水，对临近的地铁车站开挖和区间隧道施工会产生一定的影响。钱塘江、京杭运河等为地铁沿线河流，地下潜水为第四系松散岩类孔隙潜水及承压水。拟建场地内浅层地下水属孔隙潜水，主要赋存于表层素填土及③1～③7层粉土、粉砂中，由降雨和地表水径流补给，水位埋深较浅，场地抗浮设计水位一般取地表下0.5 m。承压水分布在⑥2粉砂、⑧2中细砂、⑩2粉砂、圆砾层中，水量较丰富。承压水头埋深一般在地面下6.00～10.85 m，水位呈年周期性变化。

3 盾构选型遵循的主要原则

盾构工法是目前在复杂地质条件下修建隧道，特别是城市地铁、江河、海底隧道所采用的主要施工方法。盾构机是盾构隧道施工的最重要的设备，盾构选型及设备参数选择直接关系到隧道工程的进展和成败。如果盾构机选型不合适或设备参数设计不当，轻则影响施工速度、拖延工期，造成经济损失，重则引起重大工程事故，甚至隧道报废，出现人员伤亡，造成恶劣的社会影响和重大经济损失。因此，对采用盾构法施工的工程来说，盾构选型及设备参数选择具有非常重要的意义。

近年来我国大型过江、过海隧道项目逐年增多，工程遇到的地质条件越来越复杂，采用盾构施工的趋势越来越明显。但是，目前的盾构选型的研究多是结合具体工程实例进行，还缺乏系统研究。因此，在遇到更为复杂地质条件，如高承压水、穿越土层差异大、含有害气体土层时，对盾构的选型进行充分论证是十分必要的。

3.1 盾构选型的一般原则

盾构选型时，应综合分析影响盾构机选型的主要因素，如地质条件、地下水及地面情况、隧道断面尺寸、隧道长度、隧道线路、工期以及施工过程的开挖和衬砌形式等问题［1］。在选型时，最重要的是以保持开挖面稳定为基础进行选择，即安全为第一要务。为了选择合适的盾构形式，还应对地质条件、地下水情况、周边用地和周围环境进行详细的调查，并对可靠性、经济性和施工性作充分考虑［2］。

盾构机选型时先要看该盾构机是否有利于开挖面的稳定，其次再考虑环境、工期、造价等限制因素，同时还必须将适宜的辅助工法也加以考虑，只有这样才能选择出一种较为适宜的盾构机。

3.2 土压式盾构与泥水式盾构对比

目前，在软土和有水压条件下的隧道施工，一般选用密封式盾构机，可分为土压平衡和泥水平衡两种盾构机型［3］。

土压平衡盾构分为两类。一类是将开挖的土体充填在土舱内，用螺旋输送机调整土压，来保持工作面的稳定。这种盾构机仅适用于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软黏土。另一类是向开挖面注入水、泡沫、膨润土等添加剂，通过强制搅拌使土体具有良好的塑性流动性和止水性，较好地传递土压，以保持开挖面的稳定和砂土的顺畅排出。这种盾构机适用范围很广，可用于冲积黏土、洪积黏土、砂质土、砂砾、卵石等土层，以及这些土层的互层。但土压式盾构，易出现砂性土排土困难，掘进机刀头、刀盘磨损量大，以及在含水砂层透水系数大、孔隙水压高时土舱顶部容易产生空隙，出现渣土喷涌等问题。

泥水平衡盾构通过向刀盘密封舱内加入泥水浆来平衡开挖面的水、土压力。泥水式盾构机适用的地层范围较宽，从软弱砂质土层到砂砾层都可以使用，泥水式盾构由于采用管道输送，工作面全密封，安全性高，在软弱互层地段也适用。泥水式盾构特别适用于砂砾、砂、亚黏土、黏土层或其互层的土层，有涌水工作面不稳定的土层，上部有河川、湖沼、海洋等水压高、水量大的地层。但在黏粒含量较高的硬黏土中施工时，容易出现黏土附着槽口及排泥管道上的情况，造成槽口及排泥管道堵塞，而出现掘进故障;另外，大块石及其他不明障碍物也容易堵管。从经济上考虑，泥水式盾构要比同直径的土压平衡盾构造价高，且泥水平衡盾构与土压平衡盾构相比，出土效率较低。另外，由于泥水式盾构的泥浆处理设备设在地面，要占用较大的场地空间，泥水分量系统对周边环境影响较大，使其在城市密集区的应用受到了一定的限制。

4 影响盾构选型的不利因素分析

杭州地铁1号线多数区段盾构隧道遇到的地层主要是渗透系数介于10－6～10－7cm/s的淤泥质土层，对于这类地层中选择适宜的盾构，国内外已有较多的成熟经验可以借鉴。但杭州地铁还包含一些特殊的不利影响因素，盾构隧道能否在这些复杂条件下顺利施工，是地铁工程盾构选型中必须要考虑的问题。

4.1 长距离

由于地铁1号线将穿越钱塘江，地铁过江段隧道长度为1 908.7 m，长度较大，在河底隧道施工中途不可能设置竖井，需要可长距离施工的盾构机型。在选型时必须考虑的主要问题是:盾构机的耐久性、盾构机对土层的适宜范围、材料、设备以及排土的输送配套问题、测量技术及方向控制技术等。长距离隧道的掘进能否实现，在很大程度上取决于盾构机各部件的耐久性，包括刀头的寿命、土砂密封的耐久性以及盾尾密封的耐久性等。盾构选型中必须考虑刀头的使用寿命、中途换刀可能性以及机械检修和换刀的施工工艺方法［4］。

4.2 高水压

地铁1号线沿线地层水系丰富，受钱塘江、京杭运河等河流影响，富含承压水层，透水性好，且水压较大。隧道在这种地质条件下不易形成有效的土塞效应，容易形成突发性涌水和流砂，导致开挖面坍塌。隧道穿越钱塘江过程中，静水压力较大，开挖面易失稳，从而导致渗漏水等工程事故。钱塘江江底最大冲刷深度可达16 m，上覆土层较薄，当盾构隧道从江中向两岸由深往浅掘进时，盾构易上挠、土体隆起，易引起冒顶、江水倒灌等事故。因此，盾构选型需要考虑关键部位的密封和盾构机的稳定性。盾尾密封应选择耐磨材料、增加段数、改进填充剂的注入管理和交换方法，确保盾尾密封止水性;需要冷却装置以防止法兰密封段数增加引起温度上升，保证砂土密封的止水性。在砂层中土压式盾构螺旋输送机的水封性不易得到满足，泥水式盾构对付高水压则较容易，但泥水盾构在开挖面上可能会出现水压割裂地层的问题，高压水会沿割裂面涌人隧道，引发工程灾难。

4.3 含有害气体土层

杭州地铁1号线在江南及江北的部分区段分布有埋深为15～35 m的含有害气体土层，气体主要成分是甲烷(CH4)，压力一般为0.1～0.4 MPa。目前，国内外还没有在含有害气体土层中进行盾构施工的直接经验可借鉴。盾构在含有害气体中掘进时，遇到的主要问题是含气土层为非饱和土，含水量低，摩擦阻力较大。另外，含气土层中的气压较大，如果有害气体进入隧道，因有害气体密度小，往往汇聚在隧道顶部形成层状，加之有害气体无色无味，容易被人忽略，有害气体含量达到1%就可以遇火燃烧，达到5%可能遇火爆炸。所以，要求隧道内部通风设施必须满足保证安全的要求，且要保持良好的工作状态，减小有害气体浓度。另外，也对隧道的防火提出了更高的要求，盾构的气体密封性要求较防水密封性更高，不但要求盾构机保证密封，而且要求排土处理系统也应具有防止气体外泄的功能。

5 杭州地铁的盾构选型

从工程设计条件和土层渗透性来分析，结合现有盾构施工积累的经验，土压平衡盾构和泥水平衡盾构均可适应本工程的施工。单从地质情况来看，泥水平衡盾构在处理有害气体、承压水层及砂性土层施工方面较土压平衡盾构具有优越性。但从沿线周边环境、施工工期和经济因素等方面考虑，土压平衡盾构则要好于泥水平衡盾构。

盾构选型除考虑上述因素外，还需结合我国的国情、现有施工技术水平、招标要求以及企业承受能力等。鉴于我国目前用于城市市区和人口稠密地区的地铁隧道施工大多采用土压平衡盾构，承包商已积累较丰富的成熟施工经验，且土压平衡盾构造价节省，不增加二次工程费用，环境污染小，对外部环境要求较少，在两种类型均能满足本工程施工需要的前提下，优先考虑土压平衡盾构。但必须加强盾构机的功能，增加技术要求和配置，使其能够克服前述不利影响因素，满足工程需要，这也是在确定盾构机类型之后，对盾构选型的进一步深化。在盾构机选型设计上主要重视螺旋机出渣防喷、土层的适宜性、刀盘和刀具的耐久性、盾构盾尾密封、地下有害气体的预防和处治等，对其进行针对性的设计和配置。

5.1 螺旋机出渣防喷控制

土压平衡盾构螺旋输送机的主要功能是运送密封舱中切削下来的土，当螺旋输送机内充满形成螺旋状连续体的切削土时，可起到止水效果，保证土舱压力平衡。杭州地铁1号线需穿越多种类型土层，沿线富含承压水，盾构机宜选用中心轴式螺旋机，大直径的叶片可提高出土效率和实现大颗粒出土。配置液压比例控制系统，螺旋机的壳体上设泥水加注口，用于改善土体流动性和喷涌时加泥，增强螺旋机的土塞密封作用。为预防在江底砂性土层和圆砾层中掘进时出现喷涌问题，需配备紧急开关装置，以便紧急状态时能及时关闭闸门。螺旋机上部预留应急注浆孔，并可外接保压泵渣设备，预防出渣喷涌和土压失衡。

5.2 土层适宜性的改进

土压平衡盾构适应于颗粒不大、渗透系数小的地层，理想的土层包括黏土、淤泥、砂土以及砾石等，并且含有20%左右的水分［5］。在黏土层中掘进时，易形成“泥饼”，土体可能在舱内周边黏附、压密、固结或黏结到盘上与切削刀一起旋转，造成排土困难和增大刀盘推力与扭矩，需注入泥浆或泡沫剂进行改良。在砂性地层中掘进时，砂土塑性流动性差，需往开挖舱内加注膨润土或泡沫并机械搅拌，使砂土泥化，力求塑性流动化且不透水;对于砂砾石层，在舱内添加高浓度、高黏性的制浆材料，以保证砾石土层的塑性流动化和不透水性。盾构机上需配置土体加泥加水系统，并增设搅拌装置，有效控制添加材料的加入位置和加入量，提高了系统的检测能力和系统工作的可靠性。

5.3 刀盘和刀具配置

盾构机的刀盘和刀具应根据地层特性，除能够满足掘进速度要求外，还应综合考虑开挖面稳定及排土等因素，选取合适形式、开口率和重量。合适的刀盘结构将有效地起到维持开挖面稳定和渣土快速的进入。刀盘盘面板上和土舱应设加泥孔，用于加注高浓度泥浆，进行土体改良以及降低土体对刀盘的摩擦力。刀盘中心设置搅拌棒预防泥饼的形成。考虑到地铁隧道需克服长距离掘进的困难，盾构机的刀盘和刀具均应采用耐磨材料，进行专项耐磨设计，并设置磨损检测装置，方便掌握和了解刀盘和刀具的磨损情况。刀盘的主轴承是盾构机使用寿命的关键部件，同时承受推力、径向负荷和倾覆力矩，需加大强度和刚度，以提高主轴承的寿命［6］。

5.4 盾尾密封

盾尾密封是确保盾构壳体的内表面和管片的外表面之间的密封，防止地下水、外层土和支承液体或灰浆的侵入。盾尾密封是集弹簧钢、钢丝刷和不锈钢金属网于一体的结构，弹簧钢和钢丝刷需进行防锈处理。盾尾密封至少采用3道钢丝刷密封，在各盾尾密封之间注入润滑脂来提高止水性能。盾尾应设计一道膨胀应急密封，当钢丝刷密封正常时该密封弯曲在盾尾的沟槽里不起密封作用;当钢丝刷密封失效时通过注水或充气使该密封膨胀，将管片外侧与盾尾内侧之间的间隙完全密封，以防止涌水从盾尾漏入隧洞，并可在隧洞内安全地更换前2～3道钢丝刷。

5.5 地下有害气体预警和处治

针对地铁工程所遇的地下有害气体地层，工程中提出了“排”、“疏”为主，“堵”“防”相配合的防治措施。隧道掘进前期打设预排气井，对地下有害气体进行预先有控排放，此种措施能够有效地减小和避免有害气体对地铁工程的影响。但由于工程详勘不可能排查出地铁沿线所有的含有害气体地层，并且即便进行有害气体预先排放，也不能将地层中所含有害气体排净，土层中会残留部分以气泡或溶解形式存在的有害气体，地铁盾构施工中将无法回避。因此，盾构机必须配备有害气体监测与检测仪器，及时发现有害气体并进行预警与防控，防止灾难事故发生。在盾壳顶部靠近盾尾处、螺旋机出土口和后备台车车架上部靠近工作面处等部位均应设置有害气体监测设备，最好能够与PLC自动控制系统连接，进行动态实时监控。当任一处检测点的瓦斯浓度达到限值时，盾构立刻发出报警，马上停止施工作业进行处理。同时，考虑有害气体浓度呈梯形扩散，对盾构机内的电器等尽量作防爆处理，预防不良气体扩散刹那间浓度超限，产生爆炸危险。配备必要的通风设备，持续并增强工作面的通风，确保进入盾构工作区域内的有害气体能够快速降到安全指标以下。在盾构机前端安装超前物探设备，可以对盾构掘进方向上是否存在高压有害气体层进行提前发现，及时掌握有害气体的埋深、压力、储量等信息，提出预报，根据有害气体所在位置调整盾构掘进速度，以便提早采取有效的防护措施。增强同步注浆系统，同步置换和封闭管外空隙中有害气体，改善管片结构防水和抗渗性能，稳固管外土体，促进隧道管片结构及早稳定。

6 结论

盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，不同于一般的施工机械，其选型需要考虑的因素较多。既涉及到地铁沿线的水文和地层条件，又涉及到隧道设计条件和盾构机本身的部件配置，同时还要考虑盾构对地层条件的适应性，对周围环境的影响，以及工期和造价。盾构选型参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，按照安全性、可靠性、适用性第一、技术先进性第二、经济性第三的原则进行，保证盾构施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和最适宜的盾构。

由于盾构机的造价很高，其选型还必须兼顾我国的国情、现有施工技术水平以及企业的承受能力等因素。盾构选型的正确与否，无论是对于盾构施工的技术水平，还是对于盾构施工的成本和效益均起着至关重要的作用。在杭州地区第一次修建地铁就遇到如此复杂地层情况，盾构隧道的施工，无论对业主、设计、施工单位，还是对监理单位来说，都是极大的挑战和考验。本着上述原则，慎重对待盾构选型问题，协同合作，集思广益，完善盾构设计，加强盾构施工措施管理，一定能使杭州地铁工程顺利完成。

［1］宋克志，王梦恕.浅谈隧道施工盾构机的选型［J］.铁道建筑，2004(8):39-41.

［2］张双亚，陈馈.北京铁路地下直径线盾构选型［J］.铁道工程学报，2007(3):70-73.

［3］倪平利.天津地铁盾构机选型的几点考虑［J］.交通世界，2005(8):40-43.

［4］张凤祥.选择盾构工法的一些考虑［J］.岩石力学与工程学报，1997，16(1):85-90.

［5］唐经世.成都地铁一号线盾构机的优选［J］.建筑机械化，2007，28(1):42-42.

［6］唐健，陈馈.成都地铁试验段盾构选型探讨［J］.建筑机械化，2006(6):43-46.