广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破

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1、广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破许少辉 竺维彬 袁敏正1前言1997年10月，广州地铁一号线采用的3台盾构机在广州复合地层中成功修建了8.9km地铁隧道，结束了当时能否在广州市区复合地层中使用盾构法修建地铁隧道的争论，使盾构法在广州的地位得以确立，并为1999年以后广州地铁二号线、三号线、四号线大幅度采用盾构技术修建地铁隧道奠定了基础。至今，在广州使用盾构法已修建地铁隧道约80km（见表1）。在此过程中大量技术难题的处理着实为在复合地层的盾构施工积累了宝贵的经验。2广州地区复合地层的概念与特点广州地区复合地层最重要的特点是工程范围内的岩性变化频繁，物理力 特性 大，基岩 化 大， 层破 ，

2、 量 。 表 为 一 程隧道 表 为 ，在隧道 表 为 ，中隧道 地层的复合特性，currency1盾构施工的“为 。盾构隧道一fi在l0fl30m，隧道 的地层地表至 为 四 层，要”、 fl 层和 层成。中 四积层，层是积岩、岩岩、变岩 三大岩地层 化后积成， 、 fl结 和、 性。大 地区是” 化程度的 岩、岩、 岩、 岩 少量 岩成 少 是” 化程度 岩 岩 合 岩成。2.1 施工实 ，currency1盾构机 “的 工程地和 地2.1.1积的 以 岩岩经后成的 物，在 、 、 ， 在表 内成 。2.1.2 的地层难以 动平衡控制，易导致顶 坍塌。2.1.3 地层突变 岩地区的球 化

3、， 使 变和 崩裂（见图1）。2.1.4 裂 和岩破 地层 导致螺旋输送机出口涌 涌，造成施工困难 2.1.5过江河 层、 层，易失 和扰动引发大的降 2.1.6 平衡施工遇到英 量的地层时， 损严重。3盾构机currency1复合地层适应性的因素究就目前盾构技术的发展 平，企图制造出完 适应似广州地区复合地层 的盾构机的想法是 实的，所以，广州地铁多年的探索实 和总结，归纳出以 若干问题很值得在今后盾构机的设计和制造方 加以重视和究，以提高盾构机currency1复合地层的适应性。3.1设计寿命盾构机设计寿命的提高currency1复合地层中盾构机的 施工“较大，区别于单一地层，在复合地层中

4、的最大 点是，盾构机本身在设计 就必须考虑到currency1付千 万别地层变化。设计寿命作为一个反映盾构机综合性能的重要指标，寿命的长短将直接关 到应付各种地 的 性和安 性。例如，在广州地铁使用引 的盾构机当中， 按轴承4000h、 3km使用寿命设计的盾构机所表 的currency1付 性地层的能力 如那些按轴承10000h、 10km使用寿命设计的盾构机。为了保证10km的使用寿命，盾构厂家要在钢结构的强度和轴承 封 统 了 的优化。3.1.1轴承 封 统的优化 目前使用的维尔特盾构机轴承 封和铰接 封是非常独特和高度 靠的，轴承 封 统通过油脂连续动保护 封性能， 封 统”5道专门为

5、隧道开 应用 设计的 封和 封成（见图2）。3.1.2 钢结构强度的优化 通过 加 度（450mm）， 总重量（” 的32t到48t 到目前57t）， 的 接 的和Hardox ， 保证 在岩层 时的 度和 性能。盾构 能承 25t的 力，使 标 破岩强度 到200MPa以 。3.2要技术 盾构机的 力和 多大合适，一直是究的重点。currency1于 一个 目， 的制造 承 出的盾构机要 ，如 和应的 ，表 的制造 currency1 一地区的地 的理currency1和“ 。实 ， 于地特的盾构机 计fifl的 性是 的，目前法用一个 个 fi 确fi开 ，千变万化的广州地特。广州的盾构施

6、工实 已经 似地 、 直（约6m）隧道currency1盾构机要技术 ，如最大 力、”定 ，提出了 确的要。3.2.1总 力 盾构机 所 力的大一方 于 度的要， 一方 于隧道 的承 力，33000fl35000kN的设计 力 以 要。3.2.2 ”定 为3500kNm、4360kNm、5800kNm 盾构机施工中的 表 ，4500kNm的是合理经的 广州的盾构 表 ，设计时就考虑最大 （ 困 ），将 于应付难以计的实 。3.2.3 至于 的，已经应用盾构机 0fl1rpm、0fl3rpm、0fl6rpm ，并”优化为。3.3 开口和 的 ，应 究 的衡性 理各种 的破岩机理（见图3）， 考虑

7、各种 的 个 ， 的合fl、 的高度 高度 性能 指标 很重要。3.3.1 的 fl和 前量 fl必须统 地层、 岩层、 、岩层，要考虑 着 开 性， 地变化 合， 于 的成和破 。（例如，区盾构机 高出 175mm， 高出 140mm，二高 35mm的设计，currency1一度困扰广州地铁盾构施工的难题- 的成， 到的制作用（见图4）。 时， 位 的 性究，以 过程中 地 。为了提高 度， 的损 破 ，施工中强化currency1工作 地 的究和 ， 的地层， 时 与地层适应的 ，已经成为复合地层盾构施工的重要 。3.3.2 的开口 在加强 结构强度和 度的 时，地铁二、三、四号线 的开口

8、 较一号线提高了5fl15。是currency1中 位开口 和提高，currency1 结 了 的作用。3.4螺旋输送机的功能优化3.4.1结构 fl的变 在广州经使用过 种结构 fl的螺旋输送机。一是中 的 fl螺旋，种螺旋结构 于出， 在 涌方 效果 二是中轴螺旋，种螺旋结构在实 应用中currency1开 的稳定和 出口 涌 方 效，适合于 层 穿越河涌。3.4.2叶轮的 缘 性能的提高 螺旋输送机表 的 性能的提高十 重要。例如在 区，以塞 为 线，塞 前 的螺旋 接40mm 的HARDOX-500 钢 ，塞 以后的螺旋 接20mm的HARDOX-500 钢 ，currency1螺旋输

9、送机 到了的保护作用。3.4.3功能的加强 螺旋输送器直750 加到中900， ”60-90kNm， 加220kNm，、以 快 的要。3.5渣设 在似广州地层盾构施工过程中必须 渣，一点已经逐渐成为施工各方普遍共“。渣设能向和开 注入添加剂（如泡沫 ）， ，既 以降低 、螺旋输送机的 ，降低盾构机的负荷，降低 的损， 以 产生 ，在渗透性大的地层 以 少地 的失、控制 平衡， 于降控制。在广州地铁使用的盾构机 的 量 着人们“的加 加，”最初的1fl4个， 加到8个， 时，在盾构机设计时就 考虑渣设 与添加剂的使用 ，已成为保证盾构机顺 缺少的 （见图5）。3.6人 加 作业设 以作为加 作业

10、保护屏障的人currency1在广州的复合地层盾构机施工 特殊意义。要表 在通过 球 化孤、开 常 能自立的地 ，通过人加 的建立 成为排 障碍、降低安 险 作业的 缺少的 。至在 些区通过人的加 损 的 已成为一通常的作业，至今三号线共46使用气 技术 。与 套的 力 专用的破岩设 、卸和 工 ，以 关医疗设施 （见图6）。3.7 轴向平移 轴向伸缩平移 要用途在于能避免开 前方坚 的岩，并 时在 岩地层中快 地 。在三号线市番区首采用， 200mm伸缩 确实为 岩中的 和顺 了很大的方。一使用，发挥了的作用，为似地 涌提供了 本性的currency1决方案。3.8保 泵碴 统 平衡盾构机螺

11、旋输送机保 泵碴 统，是补 加的 加 出渣 统。 统能在 涌 难以保持平衡的 ，继续保持 力并且保证碴能顺 出至 车， 污染隧道， 于连续施工。统在四号线新区海瑞克盾构机中使用过。3.9辅助施工设施激光导向 统、 步注 统 辅助施工设施，currency1于复合地层中盾构机施工保证隧道轴线控制和盾构隧道的量 到十 重要的作用。3.10善盾构作业施工 一步提高 机的人性化设计，使得盾构机的使用和维护加方 ，如在“ 性能的 ，将盾构机中 中的 元后移至台车 ，方 作业人员的通 和维护。4盾构施工技术的探索和突破围绕盾构机始发、到 、穿越珠江、切桩、头，通过暗 施工、 岩地层 、 作业 课题，积 探

12、索和开展科技攻关，currency1决了诸多属于复合地层 的技术难题， 得了一 列突破。兹将盾构机穿越各地层的施工技术要点总结如 。4.1穿越 岩地层4.1.1采用敞开 fifl 加大 ，控制贯人度 经常性currency1 检查和 特别是 缘扩孔 的 时 （见图7）。4.1.2严 控制姿的变化，保证开 和 的平 ，绝currency1禁 急纠方向。4.1.3在 时合理使用发泡剂，控制浓度3fl8，降低温度和 少摩擦，以保护 ，提高 效 。4.1.4 许 时 采用 山法成洞后， ”盾构拼 的方法。大汉区在220m 岩 就是成功采用方法通过，克服了盾构机 岩地 度慢、成本高的缺点。四号线新和三号

13、线市番盾构 先后采用方法通过 岩 。4.2穿越 地层地层 过程中，最大危害是 地层造成 度慢， 在较慢的 度 ， 的 容易造成 ，导致地 严重降。4.2.1 过程中严 控制 ， 力得于动 ，严 控制出量（建 至少检查并确三） 在 机 ， 力 保持开 稳定。4.2.2 时向内 时量诸如 稳定开 的添加剂。4.2.3 实 力， 在岩层 强度 降低 ， 处 的崩裂。4.2.4采用 气作业，经常性 检查和 。4.2.5 过程 能连续， 量避免 机。4.3穿越孤 4.3.1采用地 探、物探 方法 一步探 孤 地层 。4.3.2在地 的地方 加 采用地 孔 破、 孔 。4.3.3采用 气作业和先加地基，经常性 检查和 。4.3.4优化 力、 、 力、泡沫剂加量 。4.3.5采用特殊洞内加 施 检查和孤处理。4.3.6采用洞内 破、 破以 特殊工 （ 裂机） 孤（见图8）。三号线市番、 盾构隧道 岩 球 岩地层的 强度 过160MPa，是广州地铁盾构施工所遇到的最 的岩。通过综合使用以 方法，并采用盾构机前方 破、 力 破、 裂机， 孔桩 技术成功破 在盾构机前方破 孤。4.4穿越江河、过河涌 、 地层广州地铁已经20台穿越珠江、河涌的