成都地铁盾构选型设计及实用性比较

曹 智，李剑祥

（1.中铁城市发展投资有限公司，四川 成都 610031；2.中铁六局集团成都地铁3号线盾构项目部，四川 成都 610031）

0 引言

2012年1月，中国中铁股份公司与成都市政府签订了成都地铁建设合同，标的涵盖了成都地铁1号线南延线首期工程、3号线一期及地铁7号线等合计全长约64 km的设计施工任务。上述3条线覆盖成都所有复杂水文地质，其中7号线是成都唯一的环形线路，既有富水卵石，也有膨胀泥岩，更有复合地层。

为快速有序、均衡高效地推进施工，中国中铁在盾构选型上进行了深入研究。在成都市地铁1号线一期和2号线施工中，分别采用8台、15台“国外盾构”施工，对其实践经验，中国中铁充分进行了考虑和借鉴：在砂卵石地层中采用盾构法施工，卵石含量、粒径、强度和冲填物的性质对盾构选型和施工起决定性作用，盾构隧道的上覆盖层、地下水情况和地表建（构）筑物分布状况，也对盾构选型和施工亦有一定影响［1］；在成都地铁1号线4标试验段施工时，分别采用1台泥水盾构与1台土压盾构进行左右线的掘进［2］；在研究成都地铁1号线和2号线施工经验的基础上，提炼汲收诸多要点，通过对成都地铁1号线试验段盾构选型进行总结，得出土压平衡盾构全面优于泥水平衡盾构的结论［3］；在土压平衡盾构掘进效果的基础上，研究刀具耐磨性，以期提高掘进里程，减少换刀带来的各项风险［4］；根据成都地铁1号线盾构所选机型在施工过程中的经验和教训，通过对盾构的掘进机制深入分析，提出了在富水砂卵石地层盾构刀盘的合理结构形式［5］；刀盘是隧道掘进机的关键部件，刀盘的结构性能会影响隧道掘进机的施工效率、施工成本及施工安全［6］；盾构刀盘的合理设计和刀具布置，可减少碴土堆积和结泥饼现象，同时对碴土起着有效的搅拌作用［7］。

结合上述结论和成都地铁施工实际案例，中国中铁优化改进“中铁盾构”，并投入施工。通过对投入施工的“中铁盾构”进行调研，在与“国外盾构”对比后认为，“中铁盾构”具有更强的适应性、可靠性，并具有一定的先进性和经济性。

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

见表1。

表1 成都地铁1，3，7号线工程概况表Table 1 Overview of No.1 Line，No.3 Line and No.7 Line of Chengdu Metro

1.2 地质特点

1）盾构区间隧道穿越地层地质情况复杂，主要为砂卵石、泥岩，以及砂卵石和泥岩的复合地层。

2）其砂卵石地层中，卵石含量高达50% ～85%，粒径以20～80 mm为主，部分粒径大于100 mm，最大粒径为180 mm，卵石级配差，细颗粒含量少；局部含有粒径超过500 mm的高强度漂石；卵石和漂石单轴抗压强度高，部分达55～165 MPa；地层的密实度从松散-稍密-中密-密实均存在，但以中密和密实居多，在区位分布上靠近城市西部。

3）全风化、强风化、中风化泥岩等属于膨胀（土）岩，具有遇水软化、崩解，失水开裂、收缩（膨胀）的特点，天然单轴抗压强度为3～10 MPa。另有黏性极强的膨胀性泥岩（3号线北端），亦为不良盾构施工地质。

1.3 水文特征

地下水基本存在于砂卵石层中，水位均位于隧道顶板以上，属强透水层，富水性好。特别是部分标段临近河流干道，加之成都气候多雨，地下水补给较为充足。

1.4 盾构施工主要重难点

1）在砂卵石地层土仓建压掘进，对主驱动扭矩要求高，刀盘、刀具和螺旋输送机磨损快。

2）小曲线施工盾构转向困难；施工中地层泄漏土仓保压换刀困难。

3）渣土改良不易达到良好效果，添加剂注入量大。

4）地表沉降控制难，后期沉降较明显。

5）强透水地层可能会发生喷涌。

6）在泥岩和复合地层容易结泥饼等。

2 盾构适应性设计

2012年4月上旬，由中国中铁股份公司发起和组织，成都地铁公司、中铁工程装备集团有限公司、中铁二院、中铁咨询院及各参建施工单位参与，对适用于成都地铁的新造盾构选型配置、既有盾构改造、配套设备的匹配等课题进行了深入探讨，从盾构设计和使用角度提出了应对措施。

2.1 总体设计思路

坚持针对性和通用性的设计原则，保证设备可靠性和良好性价比，满足各标段的地质条件，并重点关注：

1）盾构在砂卵石地层中，土压平衡盾构能够在足够土压力条件下快速掘进，确保地层不坍塌，地表不发生异常沉降，达到良好的地表沉降控制效果。

2）刀盘开口和渣土改良设计能够满足在富水砂卵石层、泥岩地层顺利掘进和防泥饼的需要。

3）刀盘刀具、螺旋输送机有足够的强度和良好的耐磨性设计，能够实现长距离持续掘进，不易出现异常损坏。

4）盾构各系统设计技术具有国内外行业先进水平，盾构关键部件全球采购，采用国际知名厂商产品。

2.2 针对性设计

结合成都的各种地质，特别是富水砂卵石及复合地层，设计考虑的重点为：

1）主驱动系统需要有足够功率和扭矩，设计为液压大扭矩，且做到主轴承及主轴承密封、主驱动组件、铰接密封等关键部件质量可靠。“中铁盾构”主驱动采用9组液压马达驱动，驱动功率为945 kW，额定扭矩为6 650 kN·m，脱困扭矩为8 100 kN·m，可以满足在对扭矩要求较高的卵石地层中掘进。液压驱动尤具有耐冲击性、高扭矩性等特性，能更好地适应富水砂卵石掘进。

2）刀盘形式主要指开口形式和开口率，二者直接影响掘进效率。一般来说，辐条之间的刀盘外周长多设定在2.5～4.5 m，所以标称直径6 280的刀盘可以设计成4辐条+4面板，每辐条宽度为750 mm。刀盘具体形式如图1所示。

开口尽量靠近刀盘的中心位置，以利于中心部位渣土的流动。同时为防止中心区域渣土堆积，造成泥饼现象，刀盘开口率可以达到38%。该种形式刀盘即提高了开口率，也满足了配置40把滚刀刃和刀盘本身刚度的要求。

3）刀盘面板、刀盘周边和螺旋输送机耐磨设计采用复核钢板或耐磨块，加强了耐磨性能。

图1 刀盘形式Fig.1 Cutter head

4）采用单管单泵的泡沫系统并配置刀盘、盾壳膨润土系统，利于渣土改良和盾体防卡。

每路泡沫采用单管单泵设计，当刀盘喷口阻力不同时，每路泡沫仍能够等量喷出，以避免在中、强风化岩中掘进时的泥饼问题。

配置的盾壳外膨润土注入系统，从盾壳外部注入膨润土或黏土，可有效减少砂层对盾体的摩擦阻力，防止卡盾。

刀盘各添加剂注入口分布如图2所示。

图2 添加剂注入口分布及其改良区域图Fig.2 Distribution of additives injecting points and their conditioning scopes

添加剂注入口设有橡胶逆流防止阀（单向阀）（见图3），以防止管路被泥砂堵塞，同时考虑到在卵石层中掘削，在6个添加剂注入口阀上设置保护刀具，以防止入口阀被卵石挤压损坏。在人行闸内的中心旋转接头后部留有液压快速接头，其构造能承受高压油，如果注入口被堵塞时，可接上油压管路，通过液压疏通装置，用油泵向刀盘加泥系统管路加注最大为14 MPa左右的液压油进行疏通，工程应用效果很好。

图3 添加剂注入阀详细结构Fig.3 Detail of additives injecting valve

5）在土仓和螺旋输送机上共采用3道闸门设计，配置有高分子聚合物注入系统接口、保压泵接口，以利于解决盾构在富水地层掘进时的喷涌及脱困问题。

2.3 确定盾构主要参数

1）按照总体设计思路及具体针对性设计的要求，确定了盾构的主要参数（见表2）。

表2 中铁盾构主要参数表Table 2 Main parameters of CREC shield

2）采用液压驱动，适应管片规格：外径为6 000 mm，内径为5 400 mm，宽度为1 500 mm，纵向螺栓分度为36°，刀盘开挖直径≥前盾外径30 mm，最大推进速度≥80 mm/min，最小转弯半径为250 m，适应纵向坡度应不小于±35‰。

3 “中铁盾构”应用情况对比

目前，大部分“中铁盾构”已按期投入使用，承担着地铁1号线南延线、3号线绝大部分（地铁7号线盾构施工将于2014年全面铺开），以及地铁2号线（二期）和4号线（一期）部分的盾构施工任务。

3.1 “中铁盾构”应用概况

现成都地铁1号线和3号线，施工中共计使用18台盾构，其中“中铁盾构”15台，其他盾构3台。15台“中铁盾构”中包含新机12台（液驱），改造机3台（电驱），其中1号线南延线使用了中铁新机2台和2台其他盾构。

中铁系列盾构自大规模投用至今，达到了预期效果。特别是中铁58号盾构，在全断面砂卵石地层掘进中，创造了单日21环（31.5 m）的成都地铁盾构掘进施工的最高记录，并在35 d的有效掘进时间内完成了615 m的区间掘进施工任务，充分证明了设备的高效性和可靠性。

从整体看，已投用的15台“中铁盾构”，无论是在全断面砂卵石地层、膨胀性泥岩地层，还是泥岩与卵石的复合地层中，都具有较强的适应性：在富水砂卵石地层掘进，最短换刀距离600 m以上，3号线1标中铁56号盾构实现长距离持续掘进至852 m处换刀，刀盘、刀具磨损正常。虽受各种城市活动影响，渣土外运受阻，穿越重大危险源等，在施工连续性得不到保障的情况下，但“中铁盾构”仍取得了如表3所示的成绩（截至2013年12月31日）。

表3 成都地铁1号线和3号线各台盾构详细施工情况一览表Table 3 Statistics of shields used in No.1 Line and No.3 Line of Chengdu Metro

3.2 “中铁盾构”与“国外盾构”的对比验证

在成都地铁施工期间，“中铁盾构”与曾经在1号线和2号线施工中表现良好的国外某知名品牌，在各种地质条件下多次同时投入施工，实用效果证明“中铁盾构”能更好地适应在成都地质条件下施工。

3.2.1 施工进度

3.2.1.1 泥岩、粉土地层

在成都地铁2号线东延线保安村站—龙泉东站区间，其右线长1 489.70 m，左线长1 488.608 m，“中铁盾构”承担右线掘进任务，“国外盾构”承担左线掘进任务。

“中铁盾构”于2012年11月26日先行始发，并于2013年6月1日顺利接收，总计用时188 d，其中除去非掘进天数38 d，实际掘进天数150 d，平均实际日掘进9.93 m，最高日掘进18环（27 m）。

“国外盾构”则于2012年12月12日始发，至2013年7月2日顺利接收，总计用时200 d，其中除去非掘进天数36 d，实际掘进天数164 d，平均实际日掘进9.08 m，最高日掘进18环（27 m）。具体进度数据统计如表4所示。

3.2.1.2 全断面砂卵石地层

在成都地铁3号线马鞍北路站—一号桥站区间，其左线长739.936m，右线长740.322m。“中铁盾构”承担左线掘进任务，“国外盾构”承担右线掘进任务。

表4 泥岩、粉土地层“国外盾构”和“中铁盾构”施工进度统计表Table 4 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in mudstone and silt strata

“中铁盾构”于2013年4月13日先行始发，并于2013年8月31日顺利到达一号桥站接收，总计用时141 d，其中去除非掘进天数56 d，实际掘进天数85 d，平均实际日掘进8.7 m，最高日掘进16环（19.2 m）。

“国外盾构”则于2013年7月15日始发，至2013年11月18日顺利接收，总计用时126 d，其中去除非掘进天数25 d，实际掘进天数101 d，平均实际日掘进7.32 m；最高日掘进16环（19.2 m）。具体进度数据统计如表5所示。

表5 全断面砂卵面地层“国外盾构”和“中铁盾构”施工进度统计表Table 5 Comparison and contrast between performance of CREC shields and that of foreign shields in full-face sandcobble strata

从表4和表5可以看出，“中铁盾构”、“国外盾构”分别在泥岩、粉土地层和全断面富水砂卵石地层中的掘进效率比较接近，局部进度差异由非设备因素所致。在整个盾构区间掘进过程中地表沉降可控，单次及累计沉降均未超过规范要求，圆满完成了掘进任务。

3.2.2 设备故障率对比

“中铁盾构”、“国外盾构”在泥岩、全断面富水砂卵石地层中的掘进故障次数如表6所示。

表6 泥岩、全断面富水砂卵石地层中掘进故障次数对比Table 6 Comparison and contrast between malfunctions of CREC shields and those of foreign shields in mudstone strata and full-face water-rich sand-cobble strata

“中铁盾构”、“国外盾构”在区间掘进工作中，影响生产的故障频率均在正常范围内。

3.2.3 掘进参数及消耗材料参数对比

见表7和表8。

表7 泥岩、粉土地层掘进参数及消耗材料参数对比Table 7 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in mudstone and silt strata

表8 全断面砂卵石地层掘进参数及消耗材料参数对比Table 8 Comparison and contrast between boring parameters and material consumption of CREC shields and those of foreign shields in full-face sandy-cobble strata

在实际使用上，“中铁盾构”和“国外盾构”主要存在如下区别。

1）“中铁盾构”的扭矩配置和刀盘设计更适合于带压掘进。按规作业时，掘进风险相对较低，地表沉降易于控制。

2）“中铁盾构”对土压的敏感性相对较高，因而对盾构司机的操作技能要求相对更高，容错性稍低。

3）“中铁盾构”的渣土改良系统具备一定优势，体现在改良剂的定量、定点注入、堵管预防、堵管检测等方面。总体来讲，实用效果良好。

4）“中铁盾构”的刀盘、螺旋输送机等关键部件的耐磨设计具备一定优势，实践效果良好。

5）“中铁盾构”的分布式I/O控制模式，更趋人性化，有利于操作人员实施组装、调试和故障处理等方面的施工作业。

6）“中铁盾构”配件充足、服务体系健全，在同等故障频率情况下延误时间远低于“国外盾构”。

7）中铁土压平衡盾构能够适应富水砂卵石地层施工，拓展了土压平衡盾构的使用范围，提高了盾构施工技术水平。

4 结论与讨论

在成都地铁施工中，针对成都复杂多变的地质，优化设计的“中铁盾构”与“国外盾构”相比，在实用性、经济性方面具有明显的优势。在泥岩地段施工中，有时会出现管片上浮、错台等问题，应大力推广双液浆注入系统的应用，使管片在脱出盾尾前受双液浆凝固作用下被固定住，从而减少或消除管片上浮的幅度。管片上浮问题与盾构尾盾设计和重心布置有关，尚需深入研究、优化改进，进一步提高设备实用性、可靠性。

同时，在强化和巩固优势的基础上，“中铁盾构”需要进一步降低制造成本，增强设备的工作稳定性，提高性价比，并进一步完善盾构技术、配件、耗材供给等一站式服务。

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