廣州地鐵修建中的盾構(gòu)選型

摘　要　廣州是目前我國(guó)應(yīng)用盾構(gòu)技術(shù)修建地鐵隧道發(fā)展最快的城市,但因其特殊的工程地質(zhì)條件,給盾構(gòu)施工帶來(lái)很多難題。文章分析了廣州的總體地質(zhì)特點(diǎn),總結(jié)了已經(jīng)完成的盾構(gòu)施工案例,敘述了地鐵修建中盾構(gòu)選型的發(fā)展。
關(guān)鍵詞　廣州地鐵　地質(zhì)因素　施工案例　盾構(gòu)選型

1 　引　言
廣州市是我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為活躍的城市之一,隨著城市的拓展和人口密度的增加,城市交通系統(tǒng)面臨空前的壓力,因此發(fā)展地下軌道交通成為城市建設(shè)最為迫切的任務(wù)之一。
廣州地鐵已經(jīng)建成的線路有地鐵一號(hào)線和地鐵二號(hào)線,在建的有地鐵三號(hào)線和地鐵四號(hào)線。從地鐵二號(hào)線開(kāi)始,盾構(gòu)機(jī)械開(kāi)始大規(guī)模的應(yīng)用于地鐵區(qū)間隧道的開(kāi)挖施工中。盾構(gòu)機(jī)械施工有安全、環(huán)保、高速的特點(diǎn),但也存在很高的風(fēng)險(xiǎn)。本文主要從地質(zhì)和機(jī)械系統(tǒng)兩方面探討廣州地鐵修建中盾構(gòu)選型的一些要點(diǎn),以促進(jìn)盾構(gòu)機(jī)械在地鐵施工中的應(yīng)用。
2 　廣州地區(qū)地質(zhì)概述
廣州位于珠江三角洲沖積平原的邊沿,濱臨南海,其中也分布少量的低丘溝壑地貌。廣州降水非常豐富,珠江水系的河流密布,地下水位較高。
廣州市區(qū)表層廣泛分布第四紀(jì)沉積物,下覆是中生代白堊系紅色碎屑巖,北部地區(qū)有顯露古生代二疊系和石炭系的砂頁(yè)巖、頁(yè)巖以及前震旦系變質(zhì)巖,東北部有燕山晚期侵入的花崗巖等。第四系沉積物主要由陸相和海相沉積的淤泥、沙層、沙礫質(zhì)粘土層等構(gòu)成。下覆地層由于風(fēng)化原因,其殘積層的厚度和深度差異較大,中度風(fēng)化～ 微風(fēng)化巖石的抗壓強(qiáng)度為10～150 MPa 。廣州地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單, 比較大的褶皺有珠江向斜、廣州背斜和沙河向斜,規(guī)模較大的斷裂有七條,基巖裂隙比較發(fā)育。
3 　盾構(gòu)選型中的地質(zhì)因素
廣州地鐵沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜,其中最重要的特點(diǎn)是工程范圍內(nèi)的巖土均一性差,物理力學(xué)特性差異大。地鐵圍巖既有十分松軟富水的淤泥質(zhì)土、中細(xì)沙層,又有較堅(jiān)硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖,以及介于上述兩類(lèi)巖土之間具不同風(fēng)化程度的軟塑～ 硬塑狀粘性土層。軟硬相間的紅色砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層。因此選擇用于廣州地鐵施工的盾構(gòu)時(shí),要求它必須有與上述地質(zhì)條件相匹配的性能。
廣州地鐵施工用盾構(gòu)選型需考慮的地質(zhì)因素:
(1) 第四系松軟土層
廣州地區(qū)第四系覆蓋層較厚,其中沖洪積的淤泥、淤泥質(zhì)粘沙土、中細(xì)沙層等是特別松軟的地層, 主要分布于市區(qū)西部的黃沙、荔灣一帶及珠江河道支叉兩岸。由于它們飽水、穩(wěn)定性差、無(wú)自穩(wěn)能力, 開(kāi)挖時(shí)易坍塌、涌水、涌沙,地面沉降明顯。因此,要求通過(guò)此類(lèi)土層的盾構(gòu)必須具有良好的密水性能,具有生產(chǎn)和保持足夠泥水壓力和土壓平衡壓力的功能。
第四系沖洪積沙質(zhì)粘土和紅色碎屑?xì)埛e層及全風(fēng)化帶多呈流塑至硬塑狀,透水性弱,穩(wěn)定性差,適宜采用土壓平衡盾構(gòu)施工,但應(yīng)注意通過(guò)粘粒成分高的土層時(shí)盾構(gòu)刀盤(pán)要有防止刀盤(pán)面被粘結(jié)的功能。
(2) 白堊系泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等地層
這是廣州地鐵沿線碰到的主要巖層,隨著風(fēng)化程度的不同,其巖石強(qiáng)度和穩(wěn)定性變化較大,但整體穩(wěn)定性屬中等。適宜選用復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)施工。但施工中應(yīng)注意地層的上下軟硬不均及縱向軟硬相間的問(wèn)題。中～微風(fēng)化鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)的砂巖、砂礫巖的巖石強(qiáng)度較高(最高達(dá)60 MPa 左右), 是盾構(gòu)刀盤(pán)、刀具選擇時(shí)必須加以考慮的因素。
(3) 中生代燕山期花崗巖及震旦系混合巖
廣州地鐵區(qū)間隧道部分地段圍巖為花崗類(lèi)巖體和混合巖巖體。此類(lèi)巖體的以下特點(diǎn)是盾構(gòu)選型時(shí)必須考慮的因素: ① 中等風(fēng)化及微風(fēng)化巖,巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到140 MPa 以上; ② 巖石中石英含量較高, 對(duì)刀盤(pán)和刀具的磨損性強(qiáng); ③ 全風(fēng)化及部分強(qiáng)風(fēng)化帶整體破碎,遇水和擾動(dòng)后易液化、流坍,而其中存在的球狀風(fēng)化“孤石”卻十分堅(jiān)硬、耐磨。
(4) 斷層破碎帶
廣州地鐵區(qū)間隧道經(jīng)常碰到規(guī)模不等的斷層破碎帶,它多為富水且穩(wěn)定性差,少量為鐵、鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的角礫巖,十分堅(jiān)硬,這些都會(huì)給盾構(gòu)施工造成困難。要求盾構(gòu)具有良好的密水性能,同時(shí)為了對(duì)斷層帶屬性和影響范圍作出預(yù)報(bào),要求盾構(gòu)應(yīng)配備地質(zhì)超前鉆探的機(jī)具或裝備這些設(shè)備的預(yù)留裝置。
(5) 穿越江河地段
廣州地處珠江三角洲的河流密布區(qū)邊緣,地鐵隧道下穿江河時(shí)有發(fā)生,遇到此情況時(shí),應(yīng)根據(jù)江河河床段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件選擇合理的施工方法。如果下穿隧道圍巖為軟弱、透水性強(qiáng)的巖土層或透水?dāng)鄬悠扑閹r(shí),最好選用泥水盾構(gòu);如果下穿隧道圍巖為透水性弱或不透水的粘性土或基巖時(shí), 可根據(jù)不透水(或弱透水) 層距隧道頂部的厚度選用土壓平衡盾構(gòu)或泥水盾構(gòu)。無(wú)論選擇何種類(lèi)型的盾構(gòu),防止江河水涌入隧道、確保圍巖穩(wěn)定是關(guān)鍵。
4 　廣州地質(zhì)對(duì)盾構(gòu)性能的特殊要求
(1) 機(jī)械的主要部分應(yīng)有充分的可靠度
特別是刀盤(pán)結(jié)構(gòu)體、主軸承等應(yīng)保證在一個(gè)區(qū)間施工完成之前不出現(xiàn)大的問(wèn)題,避免在施工過(guò)程中進(jìn)行維修。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有較高的工作彈性
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)復(fù)雜多變的地層,特別是在同一開(kāi)挖面存在軟硬不同的地層時(shí),刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速應(yīng)均勻,有足夠的脫困扭矩。從已經(jīng)成功施工的工程應(yīng)用來(lái)看,采用液壓驅(qū)動(dòng)是比較好的選擇。
(3) 刀盤(pán)有較強(qiáng)的適應(yīng)性
刀盤(pán)應(yīng)配備有充足的刀具,且刀具可以更換,以分別對(duì)付軟硬不同的圍巖。
(4) 刀盤(pán)有較高的開(kāi)口率
較高的開(kāi)口率可以防止刀盤(pán)在粘性較高的地層中掘進(jìn)時(shí)中心部位結(jié)成泥餅,地鐵二號(hào)線穿越珠江的海珠廣場(chǎng)～ 市二宮區(qū)間施工時(shí),刀盤(pán)中心部位的泥餅就成為施工的最大障礙之一。
(5) 配備碴土改良設(shè)備
碴土改良設(shè)備能向土倉(cāng)和開(kāi)挖面注入土質(zhì)改良劑,既可以降低刀盤(pán)和螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩、降低機(jī)械負(fù)荷,又可以防止產(chǎn)生泥餅,在滲透性大的地層還可以減少地下水的流失。
(6) 配備人倉(cāng)加壓系統(tǒng)及碎巖系統(tǒng)
為順利通過(guò)軟硬不均和球形風(fēng)化孤石等地段, 應(yīng)配備人倉(cāng)加壓系統(tǒng),并應(yīng)配備碎巖系統(tǒng)。
(7) 主機(jī)有超前鉆孔預(yù)留口
盾構(gòu)主機(jī)上設(shè)置超前鉆機(jī)一方面可以超前探測(cè)地質(zhì)狀況,另一方面在無(wú)法從地表進(jìn)行地層加固時(shí)可以從隧道內(nèi)加固地層。
(8) 可靠盾構(gòu)鉸接部分
盾構(gòu)的鉸接部分應(yīng)有充分的可靠性,且應(yīng)配備鉸接緊急密封。從幾個(gè)工程實(shí)例看,鉸接位置的漏水漏砂曾經(jīng)造成數(shù)起地層下陷事故。
表1 列出了不同地質(zhì)要求的盾構(gòu)配置狀況。
5 　廣州地區(qū)盾構(gòu)施工的典型實(shí)例
(1) 一號(hào)線黃沙～ 公園前區(qū)間
該區(qū)間的南段黃沙～ 中山七路主要地質(zhì)為第四系沉積層,并穿越珠江;北段中山七路～ 公園前主要為白堊系紅砂巖地層。區(qū)間施工采用兩臺(tái)泥水加壓盾構(gòu),設(shè)計(jì)總推力33 000 kN , 額定扭矩2 500 kNm , 最大扭矩3 700 kNm , 開(kāi)口率25 % ; 配備滾刀12 把,仿形刀2 把,刮刀138 把,預(yù)割刀72 把,中心刀8 把; 主機(jī)采用鉸接結(jié)構(gòu)。工程穿越的特征地層為淤泥層、富水沙層、紅砂巖土層。工程施工承包商為日本青木,施工過(guò)程基本順利,但一直受到刀盤(pán)泥餅問(wèn)題的困擾;由于刀具配置問(wèn)題,盾構(gòu)在中風(fēng)化的巖層中掘進(jìn)速度非常緩慢,只有正常速度的四分之一。施工中曾出現(xiàn)地層泥土流失過(guò)多造成房屋倒塌的事故。
這個(gè)工程的重要意義在于第一次在廣州地鐵施工中采用盾構(gòu),并發(fā)揮了盾構(gòu)在安全和效率上的優(yōu)勢(shì)。其中取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為以后盾構(gòu)在廣州地鐵中的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

表1 　不同地質(zhì)要求的盾構(gòu)配置狀況

(2) 二號(hào)線越秀～ 三元里區(qū)間
該區(qū)間主要為白堊系紅砂巖地層,其間穿越走馬崗斷裂。區(qū)間隧道施工采用兩臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)。盾構(gòu)設(shè)計(jì)總推力33 000 kN , 盾構(gòu)刀盤(pán)部分重55 t , 幾乎是一號(hào)線盾構(gòu)刀盤(pán)重量的兩倍,刀盤(pán)開(kāi)口率28 % ; 配備可更換齒刀的雙刃滾刀13 把,仿形刀1 把,小齒刀64 把,刮刀8 把,中心刀6 把;刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)采用全液壓設(shè)計(jì),額定扭矩4 500 kNm , 最大扭矩5 300 kNm , 大大超過(guò)了一號(hào)線盾構(gòu)的水平。
該盾構(gòu)的其他先進(jìn)之處還有:大直徑(D900) 的螺旋輸送機(jī);全液壓驅(qū)動(dòng)的高速管片安裝機(jī),6 個(gè)自由度;符合歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)的加壓倉(cāng),設(shè)計(jì)工作壓力3 ×105 Pa ;VM T SL S -T 激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng);可靠的鉸接密封系統(tǒng),三道亞緊密封加一道緊急密封;高速同步注漿系統(tǒng);碴土改良系統(tǒng)以及先進(jìn)的SIMENSI 中央控制系統(tǒng)等。工程施工比較順利,在全風(fēng)化的地層中盾構(gòu)達(dá)到了設(shè)計(jì)的掘進(jìn)速度,由于配備了良好的碴土改良系統(tǒng),施工人員最擔(dān)心的刀盤(pán)結(jié)成泥餅的情況非常輕微;在微風(fēng)化的較硬巖層中,盾構(gòu)掘進(jìn)也到達(dá)了30 mm/ min 的平均速度。該工程創(chuàng)造了廣州地鐵施工的數(shù)個(gè)第一:日最高掘進(jìn)速度第一(30 m) ;月最高掘進(jìn)速度第一(405 m) 等;月平均掘進(jìn)速度第一(230 m) 。最終隧道提前兩個(gè)月貫通,工程取得成功。