摘　要　文章简要地介绍了盾构法施工的基本概念和工法要点,对广州轨道交通三号线客-大区间盾构施工的技术方案做了初步总结与评价,并根据施工过程中的实际体会,深入研究了技术要点和管理方法,可为今后进一步提高盾构法施工技术水平作参考。

关键词　盾构隧道　盾构机　施工技术
 
1 工程概况
      客-大(客村至大塘)区间为两条平行的分离式单线圆形盾构隧道,左右线总长为3076.93m(其中盾构隧道长3016.93m),共设3个联络通道、1个泵房、1个中间风井及左右线扩大段矿山法隧道、8个接口洞门。
线路最大坡度为30‰,曲线半径为1000m,隧道覆土厚度9.6～24m。
      客-大区间圆形隧道外径6.0m,内径5.4m,管片厚度300mm,管片宽度1.5m,分块数为6块,采用错缝拼装。环间采用三元乙丙橡胶止水条止水,同步注浆填充管片与地层空隙。管片混凝土强度等级为c50,抗渗等级不小于s12。
      该区间隧道沿线建筑物密集,有170多栋楼房,其中确定房屋桩基底到隧道顶面之距小于3m的共有14座。
      区间yck7+130.408至yck8+230段围岩主要为强风化和中等风化岩石,围岩级别为ⅲ～ⅳ级,岩质较均一,岩性强度较高,自稳能力较好,但节理裂隙较发育,局部易碎裂坍塌。wWW.11665.com
      区间yck8+230至yck8+668.4段围岩主要为全风化和可塑至硬塑状残积层,围岩级别为ⅰ～ⅱ级,土层自稳能力较好,但强度较低,且隧道埋深较浅,整体稳定性相对较差。
      盾构隧道采用一台海瑞克φ6.25m复合式土压平衡盾构机从大塘站北端头右线盾构工作井下井拼装始发,向北掘进,在客-大区间暗挖段洞室内调头后,返回向南掘进左线,在大塘站北端头盾构工作井解体吊出。盾构隧道掘进过程示意见图1。

      本工程的主要特点和难点是盾构在密集建筑群下的推进和盾构机在暗挖地下洞室内的调头。
      客-大区间盾构施工场地分为两个阶段,右线施工为第一个阶段,施工场地在大塘站北部;左线施工为减小轨道运输的运距和便于附属结构施工,将盾构场地转至客-大暗挖区间的施工竖井场地。
      盾构机于2003年4月18日进场,经组装、调试,采用软岩刀具于5月26日始发,推进480m后于8月9日至8月15日更换硬岩刀具继续推进至609m,于8月31日到达已完工的矿山法隧道和中间风井。9月16日由风井二次始发,推进898m,于2004年元月2日贯通右线。2004年元月至2月完成在地下洞室内的调头,2月26日左线始发,在8月19日贯通左线,到达大塘站,符合实施性施工组织设计进度安排。施工过程中未发生坍塌现象,隆降控制良好,隧道上方受影响范围内的170幢房屋安全无恙。总体讲基本顺利,虽未创出高的掘进水平,但基本掌握了盾构法施工技术。工程进度、安全、质量、施工技术与管理得到业主、监理的充分肯定,被广州地铁总公司评为优秀项目经理部,创出良好的信誉。
2 客-大区间盾构施工的总结与探讨
      在客-大区间盾构施工过程中,针对工程的特点、地质情况和现有的施工技术水平,借鉴兄弟单位的成功经验,认真研究优化,提出并实施了不少的成功的方案。
2.1 盾构机
2.1.1 盾构机的选型原则
      盾构机是盾构施工的关键,一般的选型原则是要适合隧道设计的特点、地质特点、环境特点,选型要有针对性。但是一台盾构机价值几千万元人民币,又有10km的寿命,对施工区域广阔的企业,在选型时不能仅看到眼前的项目,还要应对可能出现变化的条件(尤其是地质变化),所以,盾构机的主要技术参数选择要考虑一定的通用性。
2.1.2  盾构机的使用情况与问题
      海瑞克盾构机在广州轨道交通二号线工作良好,成为首选。客-大区间盾构经过2.5km的掘进,其主要技术性能、参数基本满足施工要求,但对付硬岩很困难。随着施工中的体会和广泛了解,海瑞克盾构机还存在许多需改进的地方。
(1)盾构机的推力和刀盘的扭矩
      盾构机的设计总推力为34210kn,但在实际使用中未超过12000kn。软土地层一般采用土压平衡模式,推力为5000～6000kn;在其他岩石单轴抗压强度超过100mpa的地段,总推力也未超过15000kn,海瑞克现场指导人员也不主张采用超过12000kn以上的推力。推力的设计首先要保证能够使刀具按设定贯入量(刀盘每转刀具贯入岩石的深度)贯入一定强度的岩石,但盾构机破岩机理是刀盘旋转带动滚刀滚动挤压破岩,所以扭矩必须足够。
      刀盘的扭矩设计为4500kn·m,脱困扭矩为5300kn·m。实际使用中,在软岩、软硬不均地层中,常有超过设定扭矩值而自动停机的问题。尤其在采用土压平衡模式粘性土层中掘进时,扭矩也很大,经常超过设定值。
      从目前使用情况来看,推力与扭矩的设置是不匹配的,即推力可减小,扭矩还应适当增加,应详细地计算验证,修正设计。
(2)刀盘的转速
      按海瑞克的设计,刀盘的转速设定为两档,低档为0～3r/min,高档为3～6r/min。使用高档(3～6r/min)是通过加大液压油流量来实现的,从而影响了机械寿命和设计强度。实践证明,刀盘转速只需要3r/min以下就可以满足施工要求。
(3)刀盘与刀具
①刀盘的开口率
      客-大盾构机刀盘的开口率不能变化,且中心区开口率小,不适应有粘性软土地层的需要,易形成泥饼。拉瓦特、海瑞克都已制造了开口率可调的盾构机,不仅能适应各种地层的掘进,而且为在不良地层下换刀提供了一定的安全保障。
②单刃滚刀、双刃滚刀及刀间距
      海瑞克的双刃滚刀设计从实践看来对付40mpa以上的岩石已十分困难。双刃滚刀要同时破200mm左右范围的岩石,肯定不如单刃滚刀破100mm范围岩石的效果好。在软硬不均的岩层中,应采用单刃滚刀及相应的刀盘设计,刀间距应取85mm左右。
(4)变频电机直接传动和液压传动
      海瑞克采用液压传动,但随着变频技术的日益完善,采用变频电机直接传动比液压传动优点多,首先是变频电机直接传动的机械效率高;其次可以减少发热环节,减少冷却水用量,减小噪音,且使用维护相对简单,所以应选择变频电机直接传动。
(5)便于操作维修的人性化设计
      威尔特、小松盾构机在通道、管片拼装工作台的设计上大大优于海瑞克,人员可以直接在通道上从操作室到盾体前部。
(6)注浆系统
      注浆系统要保持同步,二次注浆设备也应设计在后拖台车上,并要求在不影响正常掘进的情况下,可以进行二次注浆施工。
      以上仅就盾构机的一些问题进行分析,结论是:海瑞克应做出设计理念的清理和设计方案的改进。
2.1.3 盾构机的国产化与零部件的代用
      盾构机应有大量的结构部件可国产化,现已国产化的绝大部分是钢结构件,对于许多泵(如泡沫泵、膨润土泵等)及液压管路、空压机、皮带输送机,国内已有成熟的电器设备、零部件可直接代用,但国产刀具还需进一步研究。辅助性的螺栓、挡板进口一件动辄几百元,而代用自制产品仅几十元。
2.1.4 盾构机的保养与维修
      做好盾构机的保养与维修是保证盾构机正常工作,尤其是保证盾构机使用寿命的关键。建立强制保养制度十分重要,但根本的保证是要培养一班稳定的熟练维修保养人员,包括技术干部和技术工人。
2.2盾构施工的主要配套设备
2.2.1施工平面设计是配套设备选型的前提
      关键设备龙门吊的起重能力、跨距、提升高度、卸土方向及方式是决定龙门吊设计和造价的重要参数。客-大盾构始发井洞口大且长,周围还有风亭和出入口,平面布置给龙门吊设计和造价带来很大的影响,功能复杂、造价高、故障率也高。管片摆放、下井的位置也影响管片龙门吊或汽车吊的配置。
      管片进场摆放既要便于管片运输车的进场卸货,又要便于及时选择管片的点位和下井。
      实践证明,平面布置应以尽量减小提升土斗龙门吊的压力为原则,由此才能保证掘进进度。
2.2.2 运输方案的选择与机车车辆的配置
      采用一列车将一环碴土运完,并足量供应同步注浆浆液等辅助材料,有利于快速掘进。但要求盾构机后配套,即皮带运输机要足够长,机车牵引力足够(因为地铁线路纵坡一般较大),机车、车辆制动性能良好。
      实践证明,采用两列车装完一环碴土的方案只要安排合理,各项工作穿插进行,总体讲不会影响进度。这样,可以选择小吨位的机车,能减少投资。机车、碴车编组,还有许多方案可设计,如保证不间断掘进“双机车分部牵引方案”等,应进一步研究。

2.2.3 浆液拌合设备
      对同步注浆浆液的拌合设备及配套设施一定要符合环保要求,事后采用措施效果不佳。本项目因转场后环保要求高,只能增加一辆运输车,将经初拌的潮料运至场内加水二次拌合。
2.2.4 管片模具的选型
      通用性管片,即采用单一左或右转环拟合隧道线型,k型块将可能处于隧道底部泥水、淤泥、杂物处,对拼装质量有一定影响,但不用挑管片、计算安排各类管片的生产等,对管片宽度为1.2m以下可适用。
      采用左、右转和标准三类管片,对宽管片拟合曲线及纠偏均有利,封顶块也在上部,但要注意左右转环的模具及产量要大于用于曲线拟合的数量,以供纠偏时使用。
2.3辅助添加材料
2.3.1泡沫剂、膨润土泥浆
      基本功用是改良土体,在粘性土中对防止泥饼形成等有很好的效果,泡沫剂并非法国的就好。在软、硬不均的岩层中掘进,适当添加泡沫或澎润土泥浆,能起到冷却、润滑的作用,有助于减少刀具磨损。
2.3.2 盾尾油脂
      要达到相当的粘度,以能抗衡地层土水压力、注浆压力,质量不能含糊,国产的盾尾油脂完全能用。要特别注意,在始发前一定要将尾刷内的油脂彻底填满,日常的自动加注也要经常检查,保护尾刷,保证盾尾密封。
2.4 盾构掘进的主要施工方案
2.4.1 盾构在软岩地段的掘进
      yck8+668.4～yck8+188.4段隧道主要穿越的地层为〈5-2〉硬塑或中密状残积土、〈6〉岩石全风化带地段。在该地层盾构机采用土压平衡模式,以齿刀、刮刀为主切削土层,以低转速、大扭矩推进,主要掘进参数为:推力控制在6000～7000kn,刀盘转数为1.5～2.0r/min,刀盘扭矩为2500～3200kn·m,土舱压力为0.1～0.13mpa,推进速度为30～80mm/min,注浆压力0.2mpa左右。
      该地层的掘进,要在保证注浆量的前提下,控制好土舱压力,尽量做到快速均衡施工。要加强地面沉降监测,监测数据要及时反馈到盾构机操作室,以调整掘进参数,确保安全可靠掘进。
      客-大区间盾构由于施工控制严格,提前做出预测,实行了信息化施工,在建筑群下软土层的掘进中,无坍塌,隆降控制在+5mm～-15mm之间,确保了环境安全。
      在粘性土中掘进特别要注意防止泥饼的形成,采取加泡沫、设定合适的略低的土舱压力、适当控制推进速度和推力等措施是有效的。
2.4.2 盾构在硬岩地段的掘进
      yck8+160～yck7+233段隧道主要穿越的地层为〈8〉岩石中风化层、〈9〉岩石微风化层,岩性为泥质粉砂岩。在该地层盾构机采用敞开模式掘进,采取小推力、高转速,以滚刀破岩为主掘进,主要的掘进参数为:推力控制在8000～10000kn,刀盘扭矩为2000～3000kn·m,刀盘转数2.5～3.0r/min,推进速度25～40mm/min,注浆压力0.1mpa左右。
      在该地层掘进首要的是保护刀具、刀盘,要强制性地对刀具、刀盘按时进行检查,适时更换、修复。
      在硬岩富水地层,管片上浮是一种较为普遍的现象。采取改进同步注浆浆液的配合比、缩短浆液初凝时间、足量注浆是防止管片上浮的主要措施,同时加密管片姿态的测量频率,根据测量结果,适当将盾构机姿态压低于设计轴线,补偿因管片上浮对轴线的偏离。
2.4.3盾构在软硬不均地层中的掘进
      在软硬不均地层中掘进,为保护盾构及其刀具,不宜追求太高的施工进度。在此地层中掘进必须控制掘进参数,推力不宜太大,刀盘转速不宜太快(一般为1.0r/min左右),刀具贯入量不宜太深(一般为5mm/转)。同时掘进期间要经常、有计划地检查刀具、刀盘状况。
2.4.4 同步注浆的控制
      同步注浆首先要把握好浆液配合比,否则容易造成堵管现象(表1)。

      在软土区应以控制注浆量为准,在硬岩区应以注浆压力为主要控制参数。对制浆、运输过程的管理要到位,注浆手要精心操作,发生堵管要采取措施及时疏通,不能大意。
2.4.5管片的选型和拼装
      盾构机vmt系统能预测5环拟拼装管片的型号和点位,但施工中不要完全照办,还要本着纠偏不能过急的原则,并考虑现场所存放各类管片的数量,确定管片型号的选择。
      管片拼装是质量控制的关键环节,不必太快,拼装机操作手是关键,环向螺拴应注意紧固。因推进千斤顶分为四组,在盾构机推进时一定要把握各组推力不要相差过大。
2.5辅助施工方案
2.5.1盾构井端头加固方案
      针对大塘站北端头地层由上而下依次为:<1>杂填土、<2-1>淤泥及淤泥质土层、<4-1>冲洪积土层、<5-1>可塑或稍密状残积土层、<5-2>硬塑或中密状残积土层、<6>全风化泥岩、<7>强风化粉砂岩等地层的特点,在广州市盾构施工中首次选用钻孔灌注桩+注浆+搅拌桩加固方案。为了保证洞门破除和盾构始发的安全,应根据当时场地条件,采用曾确定的挖孔咬合桩方案,不仅能降低成本,还能使工期缩短。
2.5.2 建筑物保护方案
      房屋a186、a187、a063、a130、a130、a192、a177、a185、a173及东风二小学综合楼的桩基底与盾构隧道顶的距离小于0.5m,房屋需要进行保护加固。
      广州市地下铁道设计研究院提供了建筑物保护设计方案,根据其检算结果,结合实际情况,我们对原方案做了较大的改进:仅对东风二小学教学楼采用桩基托换,其它房屋的桩基采用筏板托换加固的办法,筏板厚度为0.4m,使原有桩基与筏基形成联合基础,提高房屋基础的承载力,同时利用筏板基础的刚度调整地层不均匀变形的应力。
      采用改进的方案施工,盾构机通过后地层沉降全部控制在容许范围内,房屋未出现异常现象,达到了加固效果,降低了成本。
2.5.3 始发期间运输方案的优化
      设计方案是使用临时出土口进行出碴进料,但临时出土口为两盾构单位共同使用,牵扯两个单位的协调和设备的租赁。提出始发运输的改进方案,采用从车站北端左线盾构井口出土,即右线掘进时布置一道岔,把列车转到左线北端头出土口进行出碴进料。这样既保证了进度,还省去租用一个月40t龙门吊及分担轨底梁的费用,也为地铁车站设计中是否设置临时出土口提供参考。
2.5.4 盾构机通过中间风井的矿山法隧道方案
      盾构机通过中间风井矿山法隧道采用拼装临时管片的方案。盾构机到达前,在矿山法隧道按盾构机的设计位置浇筑弧形导台,以作为盾构机的支撑平台和滑行轨道。
2.5.5 盾构机在地下洞室的调头
      由于三号线在客村站以南设有与二号线的联络线及折返线,其隧道断面变化大,用暗挖法施工。因此,盾构机不能在客村站内调头或吊出,采用了在暗挖段特设的扩大洞室内进行盾构机调头。
      为此,对方案进行了深入的研究、优化。按照最终确定的方案,在2004年元月至2月顺利地完成了地下洞室内的调头。其方案如下:
      (1)盾构机主体在扩大的地下洞室内调头。
      (2)后拖台车利用暗挖区间竖井及右线的大断面隧道调头并转至左线。
      (3)经反复分析,多次与业主、暗挖承包商联络协调,在调头的同时,进一步实施了转场方案,即在盾构机调头后将原设在大塘站的龙门吊等场内设备移至客村暗挖竖井场地,从暗挖区间的竖井出土、进料、通风、供电、给排水。转场后,为左线掘进、后续附属工程施工、保证工期都创造了良好的条件,同时减少资金投入,降低了成本。
3　总　结
      (1)盾构法施工是一个系统性很强的工程,其施工技术方案的确定,一定要从土建、机械、安全、经济各个方面综合权衡,认真比选。唯有统筹安排,才能确保盾构安全、快速、均衡的施工,成本才能得到有效控制。
      (2)盾构法施工要充分掌握和判断地质情况,以此作为选择适宜的盾构机型、合理的掘进模式和掘进参数的依据。要规范地、切实地实行信息化施工,对盾构法施工是既有条件又非常必要。
      (3)盾构法施工管理要以盾构机为中心,作为盾构法施工的关键设备,除了选择合适的盾构机外,还要对盾构机进行科学管理、维护、保养,让其发挥最大的生产效率。
      (4)盾构法施工要充分重视施工场地的设计布置与配套设备的配置与管理,这些往往是影响进度的重要因素。
      (5)盾构法施工归根结底是要“以人为本”,加强培训、精心操作、悉心体会,遇到问题时才能准确判断、及时处理。
 
参考文献
[1]尹旅超等.日本隧道盾构新技术[m].武汉:华中理工大学出版社,1999
[2]施仲衡等.地下铁道设计与施工[m].西安:科学技术出版社,1997