贵阳轨道交通三号线盾构机选型的思考

谢大文 黄卫华

(1.中铁交通投资集团,广西 南宁 530000； 2.中铁隧道局集团，广西 南宁 530000)

贵阳轨道交通三号线已经开始建设，与一号线和二号线不同的是区间隧道首次采用大规模的盾构法施工。这对于贵阳轨道交通来说是个新课题，也是新挑战。在一、二号线轨道交通施工过程中，出现岩溶溶洞、围岩变化频繁等因素，无疑会增加对采用盾构机施工的信心影响。结合轨道三号线的地勘报告，三号线穿越地带有明浜、填土、岩溶、地表塌陷、滑坡、崩塌、顺坡、煤矿采空区、有害气体、红黏土、风化岩和残积土等不良地质。因此，如何有针对性、有预见性做好盾构选型，为盾构施工创造有利条件是保证贵阳轨道交通三号线顺利、高效施工的必要，也为后期贵阳市轨道交通以及其他领域采用盾构机施工提供重要的参考。

1 贵阳轨道交通三号线概况

贵阳市轨道交通三号线一期工程(以下简称“三号线”)起点为花溪环城高速北侧的桐木岭站，终点为乌当区洛湾站，经过花溪区、南明区、云岩区、乌当区四个行政区域。初步设计线路全长43.03 km。左右线间距为14 m～22 m，最小曲线半径R=340 m，最大曲线半径R=500 m。隧道埋深范围6.2 m～28.7 m。

地形地貌：贵阳市位于贵州省中部偏北，地处云贵高原的东斜坡，地形起伏较大，有山地、台地与丘陵，河谷、槽谷和盆地，海拔最高为1 762 m，最低为1 006 m。

地层岩性：沿线岩体结构以层状岩体为主，涉及地层主要有白垩系、二叠系、三叠系、石炭系、泥盆系及第四系地层。岩石饱和极限抗压强度为8 MPa～108 MPa。

三号线工程沿线水系均属乌江水系，穿越和邻近的主要河流有花溪河、南明河、小车河、贯城河、市西河、环溪河(松溪河)等。

2 贵阳轨道交通三号线中盾构选型影响因素分析

2.1 不良地质

从以上可以看到，贵阳轨道交通三号线穿越地带情况复杂，既有溶洞、明浜，下穿河道，泥盆系等，又穿越楼房等等。光是穿越溶洞和明浜就得考虑适当的方法解决开挖前支护和施工过程稳定。因此，进一步了解地质情况，对是否可以选用盾构施工、充分发挥盾构施工在安全、快速、经济、稳定等方面的优点起着决定性作用。

2.2 水文情况

水文情况是决定盾构机选型的一个重要指标，确定着采用盾构的型式及其他结构件、功能件的选型配套。地层的富水性和地层的渗透性是盾构机选型考虑关键因素。

2.3 线路设计情况

线路的设计情况决定着是否可以使用盾构进行施工；如果采用盾构进行施工，如何针对曲线半径小进行盾构铰接形式选择；如何配置刀盘和刀具。

2.4 盾构机的来源

结合贵阳轨道交通三号线各标段的施工单位情况和贵阳市轨道交通项目的管理情况，所有盾构机的来源由各施工单位自行解决。部分施工单位会新采购盾构机用于贵阳轨道交通的施工，这样，经过选型和论证，选用盾构机的型式、性能更符合当地的地质、水文、场地，其适应性、针对性、安全性更好；部分单位则从其他地方调配企业保有的盾构机，这样其盾构机的结构型式、性能等均已经固化，如不进行针对性的调整和改进将会在适应性、经济性、高效性上与目标有所差距；部分单位采用再制造后的盾构机用于贵阳轨道交通，经过技术交流和设计联络，同样也能达到新造盾构机的效果。

2.5 计划采用盾构区间隧道施工场地因素

贵州是典型的山地地貌，地无三尺平，贵阳市结构物密集，可用施工场地相对少并狭小。各计划采用盾构机施工区间隧道施工场所的选择也需要深入研究并合理选择、合理规划、合理设置，否则会造成设备和场地不匹配、生产能力不对等，盾构机计划施工进度、安全、质量得不到保障。

2.6 环保因素

为符合城市生态文明建设要求，城市施工必然需要满足各项环保要求。盾构法施工虽然具有集成化、安全、稳定、高效等优点，但其各类配套设备、辅助生产设施仍会造成一定环保问题，必须在方案设计时予以考虑，并做到高标准设计、严格落实、严格监督，确保盾构机施工环保、人性化、文明、有序。

3 贵阳轨道三号线盾构机选型及盾构施工的思考

3.1 做好选用盾构机施工的论证

一般情况下，选用轨道交通区间隧道施工方法可结合地质情况、水文情况、线路情况等施工条件进行确定。但是贵阳轨道交通区间隧道采用盾构机施工是首次，而且计划进行盾构施工区间多，投入盾构施工的规模较大，如果没有进行深入、全面、系统论证而仅从技术上决定采用盾构法进行施工，其最终效果不能达到预期。为了达到计划目标和效果，需要进行技术交流、座谈、评审，提出可能存在的风险和问题，分析问题，研判风险，制定风险防范措施，研究在哪些区间隧道采用盾构法，哪些隧道采用矿山法。通过交流和研究、评审，解决施工方案的可行性、经济性、高效性、环保性。

3.2 做好盾构机的选型和配套工作

从地质、水文概况和影响因素分析，贵阳轨道交通三号线以层状岩体为主、红粘土等为辅，无砂砾地层，其地层渗透性较低，低于使用土压盾构的极限渗透性，即其渗透性低于10-4m/s。因而按地层地质情况和盾构机型式所能适应的地质情况(见图1)、拟用盾构机施工现场的场地来看，贵阳轨道交通不适合采用泥水盾构，宜采用土压平衡盾构机。另外，土压平衡盾构机对施工现场和周边环境造成的环保问题相对较低，其配套的设备相对较少、占用场地相对泥水盾构而言较小，这些都是土压平衡盾构的优点。因此，选用土压平衡盾构机用于该项目是优先选择。

考虑到该项目中含有泥盘系等粘土情况，盾构刀盘的开口率不宜低，开口率不能低于15%，否则容易造成掘进过程中结泥饼而无法顺畅出渣。由于该项目大多区间隧道围岩饱和极限抗压强度大于40 MPa，最高达到108 MPa，与其他城市如青岛地铁一号线盾构区间隧道的施工相似，其围岩极限抗压强度最高达120 MPa,为保证足够的推进强度和刀盘的稳定性，本项目盾构机的刀盘宜采用面板式六辐条刀盘。因此贵阳轨道交通盾构施工区间选用盾构建议采用面板式六辐条刀盘，开口率[3]为30%。亦即采用的是复合式盾构。由于该项目盾构区间隧道地质变化频繁性，存在溶洞需要超前处理的可能，在刀盘的选用时应考虑换刀、超前处理溶洞的便利性。在刀盘的驱动形式上，有电力驱动和液压驱动模式，但目前市场上复合式盾构多采用液压驱动模式。

由于部分隧道的曲线半径较小，最小曲线半径340 m,最大曲线半径500 m,最大纵坡为34‰,盾构机转向频繁；贵阳市地下围岩结构复杂等因素，结合盾构机不同铰接形式(如图2所示)的优缺点，选用主动铰接形式[1]。虽然被动铰接形式盾构的弯曲角度能达到3°，也已经能满足最小曲线半径340 m的要求和线路纵坡度的要求，但主动铰接形式在复杂地层条件下更具有施工优越性。

贵阳市雨水较多，地下水资源丰富。地下水以及明浜对盾构机施工安全是一个大威胁。主要是盾构出渣过程时的喷涌风险，特别是穿越河道地段或地下水资源丰富地段表现较为突出。因此盾构选型时需要考虑在出渣螺旋机的选择上具备防喷涌装置。

该项目线路穿越结构物多、密集，出于以下方面考虑：一是盾构经过地表结构物密集区时不对结构物造成破坏；不产生较大的振动超环保指标进而影响附近居民的生产生活，在盾构机选型时增加消振装置。另外，为了全面达到环保要求，减少其他配套设备的振动影响，还可以在盾构后配套、端头井等方面增加减振措施。

关于管片拼装机的选型[2]。目前管片拼装机有单导梁和双导梁两种，两种形式各有优势。很多情况下为了操作方便已经取消了喂片机。拼装机的拼装精度和点位的设计必须满足施工需要和操作习惯。

3.3 技术储备和管理措施

首次大规模在贵阳轨道交通项目使用盾构法进行施工，其管理难度之大、管理工作之多不言而喻，从建设单位到投资单位、施工单位均应建立较为完善的管理体系、安全体系和监督体系。同时还需要设置相应的机构开展管理工作，需要较大的技术储备进而保证施工进度、安全、质量的目标。只有建立较为专业化的组织机构和适量的技术储备才能确保事前规划、事中检查落实、事后总结应用。

3.4 推动专业化的设备管理模式

设备管理需要推进专业化、标准化、信息化。很多施工企业在规模扩张过程中由于各种因素受限，设备管理的专业化、标准化、信息化推进较慢，特别是盾构施工的管理。有的企业为了满足施工需要，将仅进行了短期培训的操作、管理人员用到盾构施工实践中，往往造成由于施工经验的缺乏而问题不断。而行业中已经在盾构操作、盾构管理方面形成专业化的模式，盾构操作、管理服务外包企业如雨后春笋般涌现，其人员经验丰富、技术水平高，管理走向标准化、规范化；同样在设备状态监测方面也日新月异，部分企业已经看到盾构机设备状态监测的必要性，行业化地走盾构机状态监测、分析之路，为盾构机使用、维护、保养提供了重要的技术和状态支持。随着信息化技术的发展，盾构机也应用了远程状态监控、远程技术支持等信息技术，为盾构施工注入了新的气息。

3.5 充分利用同类型地质情况城市地铁的施工经验控制好施工参数

盾构机施工参数的合理选取意义重大。针对不同地层地质，选取合理的施工参数，不仅能规避可能出现的各种问题，还能确保施工的进度、安全和质量。有经验的盾构操作人员和选取合理的盾构机掘参数是正常施工的关键。从前面分析的地质来看，贵阳城市轨道三号线拟用盾构机施工区间隧道的地质情况和线路穿越地带与青岛地铁一号线有很多类似之处，如上软下硬、岩层硬度高、曲线半径小、纵坡大、穿越结构物多等非常相似，不妨可以利用其施工过程掘进参数作为实践参照进行摸索和试验，总结出适应该项目的掘进参数进而为后期其他线路盾构施工提供范例。

4 结语

盾构施工设备选型是永恒的课题，没有一成不变。只有结合施工实际和技术创新、经验总结，才能更好解决新情况和新问题。虽然前人做了大量的研究工作、总结了丰富的盾构施工经验，但在实际应用过程中还需与时俱进，利用新技术、新材料、新方法于实践，才能更好实现盾构施工的安全、快速、经济和环保。