广州地铁复合地层盾构技术的探索和突破 - 图文

工各方普遍共识。渣土改良设备能向土仓和开挖面注入添加剂（如泡沫等），同等条件下，既可以降低刀盘、螺旋输送机的扭矩，降低盾构机的负荷，降低刀具的磨损，又可以防止产生泥饼，在渗透性大的地层还可以减少地下水的流失、控制土体平衡，有利于沉降控制。

在广州地铁曾使用的盾构机刀盘面板上的数量随着人们认识的加深而不断增加，即由最初的1～4个，增加到8个，同时，在盾构机设计时就充分考虑渣土改良设备与添加剂的使用等，已成为保证盾构机顺利掘进不可缺少的手段（见图5）。

3.6人仓及加压环境下作业设备

可以作为加压环境下作业保护屏障的人仓对在广州的复合地层盾构机施工具有特殊意义。主要表现在通过软硬不均或球形风化孤石、开挖面常压下不能自立的地段，通过人仓加压环境的建立可成为排除掘进障碍、更换刀具降低安全风险等作业的不可缺少的条件。甚至在某些区间通过人仓的加压环境更换损坏的刀具已成为一项通常的作业，至今三号线共46次使用气压技术进行换刀。与其相配套的还有压力环境下专用的破岩设备、刀具拆卸和更换工具，以及有关医疗设施等（见图6）。 3.7刀盘轴向平移装置

刀盘轴向伸缩平移装置主要用途在于能避免开挖刀盘前方坚硬的岩石，并及时在硬岩地层中快捷地更换刀具。在三号线市番区间首次采用，刀盘200mm伸缩空间确实为硬岩中的刀具更换和顺利掘进带来了很大的方便。第一次使用，发挥了良好的作用，为类似地质条件下防止喷涌提供了根本性的解决方案。 3.8保压泵碴系统

土压平衡盾构机螺旋输送机保压泵碴系统，是补充增加的泥水加压出渣系统。该系统能在喷涌等难以保持土仓平衡的情况下，继续保持土仓压力并且保证碴土能顺利出至矿车，防止污染隧道，更有利于连续施工。该系统在四号线小新

区间海瑞克盾构机中使用过。 3.9辅助施工设施

激光导向系统、同步注浆系统等辅助施工设施，对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质量起到十分重要的作用。 3.10改善盾构作业施工环境

进一步提高整机的人性化设计，使得盾构机的使用和维护更加方便，如在不影响整体性能的条件下，将盾构机中体中的部分元件后移至台车上，方便作业人员的通行和维护。

4盾构施工技术的探索和突破

围绕盾构机始发、到达、穿越珠江、切桩、调头，通过暗挖段施工、硬岩地层掘进、带压进仓作业等课题，积极进行探索和开展科技攻关，解决了诸多属于复合地层掘进的技术难题，取得了一系列突破。兹将盾构机穿越各类地层的施工技术要点总结如下。 4.1穿越硬岩地层

4.1.1采用敞开掘进模式；加大刀盘转速，控制贯人度；经常性对刀具检查和更换；特别是边缘扩孔刀的及时更换（见图7）。

4.1.2严格控制姿态的变化，保证开挖面和刀盘面的平行，绝对禁止急纠方向。

4.1.3在掘进时合理使用发泡剂，控制浓度3～8％，降低温度和减少摩擦，以保护刀具，提高掘进效率。

4.1.4条件许可时可采用矿山法成洞后，再由盾构拼装管片的方法。大汉区间在220m硬岩段就是成功采用该方法通过，克服了盾构机掘进该硬岩地段速度慢、成本高的缺点。四号线小新和三号线市番盾构也先后采用该方法通过硬岩段。 4.2穿越上软下硬地层

上软下硬地层掘进过程中，最大危害是下面硬地层造成掘进速度慢，但在较慢的掘进速度下，上面的软土容易造成超挖，导致地面严重沉降。

4.2.1掘进过程中严格控制土压，土仓压力不得小于主动土压，严格控制出土量（建议每环至少检查并确认三次）；在停机期间，土仓压力足够保持开挖面稳定。

4.2.2掘进时向土仓内及时足量诸如膨润土等具有稳定开挖面的添加剂。 4.2.3根据实际调节推力，减小刀具在岩层交界面碰撞强度；降低刀盘转速，防止软硬界面处刀具的崩裂。

4.2.4采用压气作业，经常性进行刀具检查和更换。 4.2.5掘进过程尽可能连续，尽量避免停机。 4.3穿越孤石群

4.3.1采用地质钻探、物探等方法进一步探明孤石及上软下硬地层分布。 4.3.2在地面具备条件的地方进行预加固或采用从地面钻孔爆破、冲孔清除。 4.3.3采用压气作业和预先加固地基，经常性进行刀具检查和更换。 4.3.4优化掘进参数：包括推力、刀盘转速、土仓压力、泡沫剂加量等。 4.3.5采用特殊洞内加固措施进行刀具检查和孤石处理。

4.3.6采用洞内静态爆破、炸药爆破以及特殊工具（液压分裂机）来清除孤石（见图8）。

三号线市番、天华盾构隧道花岗岩及球状花岗岩地层的岗石强度均超过160MPa，是广州地铁盾构施工所遇到的最硬的岩石。通过综合使用以上方法，并采用盾构机前方静态微膨胀爆破、火力爆破、液压分裂机，及冲孔桩等技术成功破碎档在盾构机前方破碎孤石。 4.4穿越江河、过河涌或水塘、富水地层

广州地铁已经有20台次穿越珠江、河涌的经验，逐渐形成了盾构机过江、涌时要把握“护头保尾”原则（始终保持盾构机头土仓压力稳定和盾尾密封良好），并利用信息化施工手段，及时调整盾构机各种参数，充分考虑各种可能性做好应急预案等方面，为盾构机顺利穿越江河进行了有益和成功的尝试（见图9）。

4.4.1盾构设备性能是能否树立进行过江施工的关键。因此在过江前，必须对盾构机进行全面系统地检查与维修，保证盾构在性能完好。

4.4.2正确设定掘进参数。土仓压力设定考虑到海水涨落的影响，严格控制出土量。在停机期间，关闭螺旋输送机出土闸门，以保持土仓压力。

4.4.3特别注意地下水浮力问题。在富含地下水的硬岩地层中掘进时，管片所受到的浮力远与其自重，管片在浮力作用下产生上浮。为此，必须调整浆液配合比，缩短其凝结时间，迅速稳定管片；盾构掘进过程中全程（包括换车、拼装管片期间）注浆相当重要。

4.4.4随时加注盾尾油脂，保持盾尾密封始终具有良好的密封效果。

目前穿越珠江最宽的是南珠江水面宽度为505m，仅用50d通过，沥大区间右线盾构仅历时一个月即穿越312m宽的珠江三枝香水道，创泥水盾构过江的纪录。珠客区间右线盾构仅历时22d即穿越318m宽的北珠江，创土压平衡盾构过江河的纪录（是二号线过江的5.78倍）。 4.5穿越砂层

由于砂层具有渗水系数大、粉细砂层易液化、粘性砂层流动性好等特点，因此，盾构机通过该地层时，易发生地层的土力学特性变化，如桩基处于砂层中，砂层受扰动后，降低了桩与土体之间的摩擦力，消弱了桩基的承载力，造成建筑物沉降。因此怎样减小对砂层的扰动，是安全过砂层的首要问题。

4.5.1盾构机在砂层中通过时，将采取土压平衡模式掘进，增大盾构机的推进速度，降低刀盘转速，确保土仓压力以稳定开挖面，应严密监测和控制地表沉降。 4.5.2向盾构机土仓中加入膨润土或聚合物等添加剂，改善土仓中砂、土、水混合物的流动性，使其成为一种塑性流动体，满满地通过盾构机螺旋输送器和输送带流出，避免喷涌。

4.5.3调节螺旋输送机的转速或闸门开度控制出土量；采取逐斗控制出土量的方法控制。

三号线市番、大沥、沥大和珠客都成功通过砂层。 4.6盾构穿越断裂带

富水断层最突出的地质特点是岩石破碎且单个碎块硬度大（见图10）、强度高、地下水丰富，补给异常迅速。值得指出是，在这类地层中不仅盾构机螺旋输送机出口容易出现喷涌，而且该地层对盾构机刀具的磨损甚至破坏也是相当