探究地铁盾构施工中存在的若干问题及对策

探究地铁盾构施工中存在的若干问题及对策

苗勇

中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司

摘要：地铁的建设多采用盾构法来进行施工建设，其施工时具有对周围建筑物及地面交通影响小、适应地下复杂多变环境等优势，同时盾构法施工中也存在着一些问题。本文作者结合多年来的施工经验，以成都地铁站为例对地铁盾构法施工问题及解决方案进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词：盾构设备；掘进；配置；地铁

1引言

在地铁隧道的施工过程中，要科学规划工程项目。要依据施工范围的地质条件，制定科学的施工方案，进行合理施工技术的选择，针对具体施工中出现的实际问题，要制定妥善的处理办法，根据工程实际情况，制定的措施要保证在较长时期内均可使用，从而有效避免以后施工中问题出现。只有选取正确的施工技术，科学分析施工范围内的地质条件，才能顺利完成地铁隧道的施工任务。

2工程背景及现状

成都地铁工程的高地下水位和砂卵石含量是其他城市地铁工程所罕见。成都地铁所在城区范围高楼林立、商业发达、交通繁忙、人流密集，线路要多次下穿河流、股道、站房，频繁下穿大型房屋、立交桥、市政隧道、燃气管道等种类不同、结构型式迥异、建成年代不一的建（构）筑物。仅成都地铁一号线一期工程和二号线一期工程，盾构隧道与既有房屋、桥梁、隧道、轨道和管线近接施工的最小距离就分别达0．75m、0．7m、2．0m、0．436m，建（构）筑物保护难度较大。因此，从地层角度和建构筑物环境保护角度而言，成都地铁盾构施工面临着巨大挑战，关系着成都地铁工程建设的成败。国内对砂卵石地层盾构选型和配置及其在施工中存在的不足非常重视并曾开展了大量研究，如徐鹏程等等针对北京地铁十号线二期火器营站-终点站区间讨论了刀具磨损的规律及刀具磨损与施工参数的关系；宋克志等对无水砂卵石地层的特点及盾构机的适应性进行了分析，重点从盾构的刀盘形式、支撑方式、扭矩、千斤顶的推力及配制、螺旋输送机及加泥加泡沫系统等方面着手保障盾构选型的准确性；陈广峰等通过对北京地铁四号线北京南站角门北路站区间盾构刀盘在砂卵石地层施工中磨损原因的分析和研究，指出导致刀具磨损的设计、磨损检测装置、设备管理及维护方面的缺陷和不足；线砂卵石地层特点，结合施工实践认识，对适合成都地铁盾构施工中存在的存在的问题进行了探索，提出了一些参考建议。

3盾构设备最初配置状况

成都市地铁一号线一期工程位于成都市中心南北主轴线和主要客运交通走廊内，正线全长15.9km，设有车站17座，设车辆段及综合基地1处，控制中心1座，主变电所1座。成都地铁一号线一期工程8台盾构机配置部分参数如表1。从盾构机的配置参数看出，成都地铁一号线八台盾构机的配置有以下特点：盾构机的刀盘开口率普遍较小；土压平衡盾构机的出碴系统都采用的是轴式螺旋输送机；刀盘上的刀具配置普遍采用了以破碎硬岩为主的滚刀，并且数量比例较大。

4施工中存在主要问题分析

成都地铁一号线一期工程各标段盾构施工主要问题如表2。施工实践表明，加泥式土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机在成都地铁富水砂卵石地层中都是适用的，但由于泥水盾构开口率提升空间有限，其在掘进效率和能耗问题上不如加泥式土压平衡盾构，因此，成都地铁一号线一期工程乃至二号线及后续线路基本都采用了加泥式土压平衡盾构机。但不管选用何种盾构机，其掘进都存在以下一些普遍性问题，具体表现在以下几个方面：

4.1刀具刀盘磨耗超过预期，刀具更换频繁

导致这一现象的主要因素有：刀盘刀具配置不合理，尤其是滚刀配置太多，且开口率均为30%以下，设置过低，导致大量大粒径卵石无法进仓并积聚在刀盘前方，对刀具和刀盘产生持续磨耗；卵漂石强度大，其正常磨耗也较软土等地层大；卵石对刀盘和刀具的不均匀冲击，刀盘和刀具除正常磨损外，还存在部分刀具偏磨现象，如刀盘中间刀具较刀盘四周刀具磨损较轻。其中，土压平衡盾构机与泥水平衡盾构磨耗也有所差异。土压平衡盾构机滚刀的磨损呈现局部的连续性，集中在某个外周区域，大量周边滚刀磨损严重，有些磨至刀轴，甚至整把刀报废，更多的是大量周边滚刀偏磨、多边形偏磨严重，如图1。刀盘中心羊角刀磨损严重，而周边刮刀的磨损主要在外周区域，有的磨至固定螺丝，有的整把刀几乎磨损殆尽，形成10cm×20cm的缺口，这些刀具磨损主要表现为刀圈脱落引起的刀体磨损，如图2。周边刮刀的磨损直接导致刮刀附近刀盘本体的严重磨损，磨损量超过7cm，出现滚刀的刀毂、刀轴以及挡块直接暴露现象。土压平衡盾构机刀具整体磨损如图3。

泥水平衡盾构刀盘磨损的主要原因是相应位置滚刀的弦磨损坏，造成了相应位置齿刀、刮刀的磨损加剧，当滚刀、齿刀和刮刀磨损后高度低于刀盘后，就直接导致了刀盘相应位置出现磨损。泥水平衡盾构刀具大多数属于偏磨，刀盘中间刀具磨损

4.2在局部地段存在含透镜体粉细砂地层

在局部地段存在含透镜体粉细砂地层，导致刀盘结泥饼现象严重，影响施工进度及地层稳定性。成都地层除砂卵石地层之外，局部地段还夹杂有厚度不均的粉细砂层。该砂层松散易塌、成拱能力和渣土流动性都较差，在受到大推力挤压和大扭矩旋转的情况下，伴有高温出现，易固结形成坚硬的泥饼。由于泥饼堵住刀盘开口，渣土难以入仓，导致掘进速度很慢。刀盘上的泥饼固结坚硬，附着在刀盘上，需风镐方可清除。含透镜体粉细砂地层对掘进反应敏感，清仓后再掘进的地层损失很大。

土压平衡盾构刀盘结泥饼如图4。

5盾构选型和工程应对措施

从成都地铁一号线一期工程盾构设备角度来看：刀盘面板型式、面板开口率、刀具数量及布置型式、螺旋出土器的直径和型式等因素与目前施工存在的问题有极大的相关性。为此，从以下几个方面进行了选型和配置优化，并相应采取了一系列工程应对措施，具体如下：

5.1增加盾构机的脱困扭矩

成都地铁盾构施工的统计结果表明，平均扭矩值为4250kN·m，部分时段超出6000kN·m时还经常出现卡住刀盘的情况。盾构脱困扭矩设计若采用T=αD3时，建议α的取值30～35。同时，在施工中采取措施减少意外阻力和扭矩的发生。

5.2重视刀具的布置结构型式

刀盘可以左右两个方向旋转，刀盘为可变速刀盘，变速范围控制在0．3～3．0rpm。刀盘刀具的布置应当进行段差设计，适当减少滚刀数量，充分发挥各类刮刀的作用。盾构在砂卵石地层中掘进需要配备滚刀，但砂卵石地层中滚刀的布设应适当减少，同时，加大滚刀刃的轨迹间距。利用刀具形态的变化，形成刀具段差，减少刀具扭矩。刀盘中心部位的中心双刃滚刀的设置应视情况而定，不可都设。在遇到较软地质条件时，可考虑使用特殊先行刀（俗称贝壳刀）取代滚刀。

5.3优化刀盘结构、泡沫系统以及搅拌系统，解决盾构刀盘结泥饼问题

对于含透镜体粉细砂层施工的盾构机，刀盘开口率调整增大的重点是面板中央部位。优先调整面板中央部位的开口率，有助于含透镜体粉细砂层顺畅地进入土仓，避免结泥饼现象的出现。刀盘设计时应重视中心滚刀的布置和刀盘搅拌棒的设置，建议刀盘采用有利于渣土的流动的中间支撑式。与此同时，中心部位易结泥饼的问题还需要在刀盘中心设置有效的泡沫系统，在刀盘支撑臂增加有效的搅拌系统加以解决。

5.4土压平衡盾构要坚持两级螺旋出土器防治地下水喷涌的方法

调整面板结构型式、加大刀盘开口率和螺旋机直径以后，喷涌的潜在可能加大，尽管目前成都地铁的喷涌问题还不突出，尚未成为主要矛盾，但受下穿河流等地段的许多不定因素影响，为防患于未然，采用双螺旋出土器是必要的。同时，配合采用碴土改良工艺减少喷涌的发生条件。

6结束语

随着盾构法在地铁工程施工中的广泛运用，其规模和数量的急剧扩大，在施工中的问题也是屡屡不断，所以需要我们对施工中出现的问题加以防范，采取措施，来防范事故的发生。

参考文献：

[1]竺维彬，张志良，刘靖，路水记.工程质量与安全管理[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2012.6

[2]黄俊文，胡威东，陈寿根.盾构施工中盾尾偏移影响研究[J].四川建筑，2009（02）：132-133