南昌地铁3号线上软下硬地层盾构机选型

王 凯 赵 辉 林宝刚 连小涛 吴双双

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 四川成都 610031；2.中国中铁四局集团城市轨道交通工程分公司 安徽合肥 230023）

1 引言

随着我国社会经济的发展，地铁作为城市轨道交通的主要组成得到空前发展，规划和修建地铁的城市越来越多。盾构法因其安全高效成为地铁修建的主要工法之一，盾构隧道施工遇到的地层越来越复杂，其中以上软下硬地层最为典型。盾构隧道穿越上软下硬地层时，常遇到工作面稳定性差、盾构姿态难以控制、刀具偏磨严重、刀盘结泥饼，影响盾构机的正常掘进，甚至造成地面塌陷等事故[1-4]。盾构机选型直接影响盾构的施工效率、盾构的使用寿命、盾构的使用费用以及盾构施工的安全性[5-6]。根据盾构施工的工程地质及水文地质合理地选用刀盘结构形式，优化刀具配置及盾构配套系统是盾构选型成败的关键因素[7-9]。

王洪新探究了不同地质条件下刀盘开口率与出土量的相关关系，提出了一种定向分析刀盘开口率对地层适应性的计算方法，进而指导实际盾构工程中刀盘开口率的设定[10]。詹涛依托南昌地铁1号线某标段的盾构施工情况，对盾构刀盘、刀具的适应性进行分析，总结了该工程的刀盘、刀具配置方案，为类似工程提供参考和借鉴[11]。朱宏海对上软下硬地层盾构选型的难点进行了详细介绍和分析，结合国内大量工程的实施情况和经验，提出一种适应上软下硬地层的盾构选型方案[12]。

本文以南昌地铁3号线07合同段盾构施工为背景，结合盾构隧道参数及工程水文地质条件，分析了刀盘、刀具及盾构配套系统的适应性，明确提出了针对上软下硬地层的盾构选型方案，以期所取得的技术成果对同类工程有借鉴作用。

2 工程概况

2.1 盾构隧道参数

国威路站～青山湖西站区间位于青山湖区，区间呈西东走向，区间线路出国威路站西端后，沿国威路穿越青山湖隧道敞口段进入青山湖，至青山湖后下穿五湖大酒店引桥及220 kV电力隧道，后进入青山湖西站东端头，国青区间线路走向如图1所示。左线长1 889.612 m，右线长1 893.202 m，左右线线间距14 m。区间采用盾构法施工，管片内径5.4 m，外径6.0 m。隧道顶覆土厚度11.059～22.239 m。区间隧道纵坡呈“V”型，最大坡度26‰，最小坡度2‰。

图1 国威路站～青山湖西站区间线路走向

2.2 工程水文地质

隧道穿越地层主要为:粉质黏土、砾砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。盾构始发段与接收段均位于砾砂层，联络通道处在泥质粉砂岩中风化层。地层围岩质量主要为Ⅲ级，局部为Ⅴ级，综合围岩分级为Ⅵ级。盾构机穿越上软下硬地层，上层为强风化泥质粉砂岩（软岩），下层为中风化泥质粉砂岩（硬岩），且以硬岩为主，如图2所示。

图2 区间隧道穿越上软下硬地层

区间隧道毗邻青山湖，水域面积316公顷，水深约1.50～2.50 m，沿线地下水类型主要为上层滞水、松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。

3 工程特点、难点对盾构机的设计要求

3.1 基本功能要求

要求盾构具有开挖系统、出渣系统、管片拼装系统、人闸气压装置、渣土改良系统、同步注浆系统、超前注浆装置、安全可靠的铰接装置、动力系统、控制系统、测量导向系统、遇异常情况发生时能自动报警等基本功能[13]。

3.2 对上软下硬地层的适应性要求

盾构穿越上软下硬地层是国青区间盾构施工的重难点，该地层以硬岩地层为主，上层为强风化泥质粉砂岩（软岩），下层为中风化泥质粉砂岩（硬岩）。盾构穿越该地层面临的风险主要有掌子面稳定性差、盾构姿态控制难度大、刀盘表面易结泥饼、刀具偏磨严重。要求盾构具备以下功能:具备土压平衡式掘进能力；刀盘、刀具设计及配置合理；刀盘驱动扭矩和盾构推力的设定安全可靠；完备的盾构配套系统，如渣土改良系统、同步注浆系统、螺旋的输送机；如遇复杂地质条件，需具备超前预测的能力，以便及时采取应对措施[14-16]。

3.3 施工场地及环境保护要求

城市地铁施工现场周边建筑物密集，地下管线众多，盾构施工要能适应施工场地面积小的特性。

盾构施工要兼顾环境保护，降低对周围环境的影响，严格控制地表沉降，做到标准化施工；盾构施工中用到的一些辅助材料，如发泡剂泡沫等，选用环境友好型材料，废弃物处理更要严格把控。

4 盾构机选型

4.1 盾构机型确定

根据南昌地铁3号线国威路站～青山湖西站区间工程特点、难点对盾构机的设计要求，尤其是盾构机穿越上软下硬地层的适应性要求，结合类似工程盾构的选型经验及南昌地铁1、2号线施工经验，综合考虑施工工期、工程造价等因素，建议选用复合式土压平衡盾构机。

4.2 盾构机刀盘选型

目前，国内最常用的刀盘型式有面板式、辐条式以及介于两者之间的复合式刀盘。面板式刀盘有利于掌子面的稳定，但刀盘易结泥饼，影响掘削速度；辐条式刀盘排土容易，渣土流动性好，但不利于掌子面稳定性控制，不适用于上软下硬等复合地层[17]。综合考虑本工程地质情况和刀盘可能出现异常磨损，结泥饼等情况，决定选用复合式刀盘，复合式刀盘的开口率一般介于35%～45%之间。刀盘具体设计情况如下:

（1）刀盘材料为Q345B，主要由4个主刀梁、4个小面板及外圈梁组成。

（2）刀盘设计的开口率为36%，满足复合式刀盘开口率的一般要求，利于渣土顺利通过。

（3）刀盘的前面板和外圈梁含有耐磨层，保护刀盘本体，可降低刀盘在上软下硬地层掘进时渣土对刀盘外圈梁的磨损。

（4）刀盘设置有4处磨损检测装置，避免刀盘带伤掘进，威胁施工安全。

（5）刀盘面板上布置有6个渣土改良剂注入孔，便于注入添加剂，如发泡剂或膨润土等，可以有效防止刀盘结泥饼。

4.3 盾构机刀具选型

盾构机在上软下硬的复合地层中掘进时，刀具偏磨严重，磨损速度快，合理的盾构机刀具选型能有效延长刀具的使用寿命，减少换刀次数，保证施工顺利进行，降低工程成本。

结合盾构穿越上软下硬地层的工程特点及刀具配置基本原则，本工程对原有的刀具配置型式进行了优化，具体刀具设计及配置情况如下:

（1）配有17寸中心球齿滚刀4把，18寸球齿滚刀20把，18寸楔形齿刀12把，切刀32把，焊接撕裂刀29把，保径刀8把，超挖刀1把，泡沫口保护刀4把，如图3所示。

图3 刀具配置

（2）保证滚刀装配质量的基础上，滚刀前端堆焊耐磨层，提高刀圈两侧的粗糙度，增加其与地层之间的摩擦力，避免地层与刀圈间摩擦力不足引起滚刀偏磨。

（3）合理设计滚刀启动扭矩，保证滚刀具有较高的密封性能，减缓刀具偏磨。

（4）对初装刮刀的合金刃口进行倒圆角处理，提高其抗冲击性能，防止崩刃。

（5）在泡沫孔上方设置保护刀，并对保护刀本体进行镂空处理，增加泡沫喷射的面积，保证泡沫口畅通，及时通入泡沫进行渣土改良。

（6）使用一套特殊的监控系统来监测刀具磨损情况，根据刀具磨损预警，及时更换刀具，避免刀具过度磨损后带伤作业。

4.4 渣土改良系统

国青区间隧道穿越的上软下硬地层，且以硬地层为主，盾构机在该地层条件下掘进速度慢，易造成上层软土的超挖，引起地表沉降。在盾构掘进施工中，应选用与地层特性相匹配的化学添加剂，如发泡剂等，改良渣土性能，进而约束地表沉降，防止变形过大造成地面建筑物倾斜和地下管线开裂。

盾构机配置泡沫系统、膨润土系统、聚合物输送泵，其中泡沫系统采用4台螺杆泵进行输送，可同时注入刀盘前部。每路泡沫采用单管单泵设计，安装压力传感器，在刀盘喷口阻力不同的情况下，确保每路泡沫等量排出，改善在上软下硬地层中刀盘易结泥饼的特性。混合发泡剂和压缩空气产生大量泡沫，通过刀盘泡沫孔注入渣土，可以有效提升渣土的流动性，降低对刀盘及刀具的粘附性，改善刀盘结泥饼情况。膨润土系统采用2台挤压泵作为注入泵，一台用于刀盘前渣土改良，一台用于盾壳外润滑，如遇特殊情况膨润土需求量大时，也可联用2台挤压泵进行渣土改良。

4.5 同步注浆系统

为适应区间上软下硬的地质特点，盾构机同步注浆系统由一个带搅拌器的浆液罐（7 m3）和2个双出口注浆泵构成，注浆泵的最大出口压力达6 MPa，保证了工程的连续性，避免单泵失效影响施工。盾壳上配置10路注浆管，在盾尾左右两侧设有2路，出口均装备压力计，控制注浆压力在2.0～4.0 bar之间，依据注浆压力实时数据动态调整注浆量。在上位机上，有专项注浆系统控制界面，可以实时反馈注浆压力、注浆速度、累计注浆量等信息，便于及时做出反应，调整注浆方案，注浆系统控制界面见图4。

图4 注浆系统控制界面

4.6 螺旋输送机

国青区间盾构机螺旋输送机采用有轴螺旋机，可实现无极调速，螺旋机筒体内径为800 mm，出渣能力为306 m3/h，驱动形式采用中心驱动。为适应上软下硬的地质特点，筒体表面设有膨润土或泡沫的注入孔，螺旋输送机构造见图5。螺旋输送机的出渣口配有双闸门，可依据主控室的监控信息来调节闸门开启度，通过控制排土量来实现“土塞效应”，形成良好的排土止水效果，土压平衡模式掘进下则可调节土仓压力。当发生螺旋轴卡住现象，可以通过螺旋输送机伸缩功能和控制液压马达正反转来摆脱。螺旋输送机尾部配备蓄能器，当盾构机突然停电时，蓄能器工作，螺旋输送机下闸门关闭，防止喷涌现象发生。为进一步保证施工的安全性，螺旋输送机上留有保压泵接口，发生喷涌时，迅速关闭闸门，接保压泵调节土仓压力。

图5 螺旋输送机构造

5 结束语

盾构机穿越上软下硬地层的工程难点主要表现为开挖面稳定性差、盾构姿态难以控制、刀盘表面易结泥饼、刀具偏磨严重。为解决上述问题，本文提出了一套上软下硬地层的盾构选型方案:刀盘建议选用适应性较强的复合式刀盘，既有利于开挖面稳定，又便于渣土排出，降低刀盘结泥饼的风险；设计合理的刀具型式，如提高滚刀刀圈两侧的粗糙度等，能有效改善刀具偏磨；合理的启动扭矩及刀具配置，也能有效提高刀具的使用寿命；优化盾构配套系统，提高其对上软下硬地层的适应性。

南昌市轨道交通3号线工程土建施工07合同段国威路站～青山湖西站区间左线盾构机掘进过程中，盾构机对地层的适应性强，刀盘和刀具的合理配置克服了上软下硬地层掘进的不利条件，盾构配套系统的优化进一步保证了盾构机的顺利掘进。本文的盾构机选型方案对上软下硬地层等复合地层盾构施工具有一定的参考价值。