成都地铁一期工程区间隧道施工选择加泥式土压早衡盾构机施工

成都地铁一期工程区间隧道施工选择加泥式土压早衡盾构机施工隧道网 (2009-5-12 13:10:00)来源：中华硕博网 摘 要：成都地铁一期工程沿线建筑物密集、交通繁忙、地下管线纵横，其区间隧道基本通过饱水的砂卵石、且含有少量大粒径漂石的地层中,其施工方法的选择对于加快工程进度、提高工程质量、降低造价至关重要、在对国内外盾构施工进行调研基础上，推荐加泥式土压早衡盾构机施工隧道。 关键词：地铁区间 隧道 盾构机 成都市地铁一期工程为规划地铁一号线的红花堰至世纪广场段，正线全长1515km，其中地下线长1192km，高架及过渡段长323km。计有车站13座，车辆段及综合基地1处，控制中心1座，主变电所1座。 1 环境条件 成都市地铁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，沿线建筑物密集，商贸繁荣，交通十分紧张。线路途经火车北站、骡马市、市体育中心、天府广场、省体育馆、火车南站、行政广场、世纪广场等交通枢纽和主要客流集散点以及待开发的城南市级副中心和高新技术产业开发区。 2 地质情况 成都市地铁一期工程沿线第四系地层广布，基岩埋藏较深，由北向南第四系地层厚度逐渐变薄其厚度365-15m，自上而下有下列各层： 21人工填筑层O223，卵石456-746，砾石31-201，砂粒53-381。卵石单轴抗压强度655-184MPa，平均1022MPa，极值为206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大，相当于C10-C20。 24 第四系中更新统冰水沉积、冲积层 主要为卵石土，饱和，中密-密实。一般厚39m，最薄14m，局部大于15m，9陌成份为岩浆岩质、变质岩质，多为中等风化，具弱钙质胶结，粒径3-8cm，部分大于15cm，含少量大于20cm的漂石。 25白垩系上统灌口组 泥岩，紫红色，泥质结构，中厚厚层状构造，节理裂隙较发育，岩面埋深14-37m。 地下水主要赋存在卵石土中，水量极其丰富，渗透系数K=1253-274md，枯水期地下水位埋深35m，丰水期2-4m。 3 区间隧道施工方法的选择 施工方法对结构型式的确定和工程造价有决定性影响。施工方法的选定，一方面受沿线工程地质和水文地质条件、环境条件等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价、运营效果等产生直接的影响。 成都市地铁一期工程通过交通繁忙、客流集中、房屋密集、地下管线纵横地带，为减少地铁施工对城市交通和市民正常生活的干扰，宜采用暗挖法施工。 31矿山法 地铁区间隧道采用矿山法施工，是近年来为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法，也称浅埋暗挖法，目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全、经济的目的。 根据线路纵剖面设计，该段区间隧道全部位于饱水的砂卵石地层中，隧道施工前必须在沿线超前进行施工降水，并且由于砂卵石土层松散，无胶结，本身无自稳能力，因此开挖前必须在拱部采用管棚进行超前支护，控制围岩的变形，防止隧道上方围岩坍塌。并通过管棚对地层进行注浆加固，使拱部砂卵石层得到胶结，形成注浆加固圈，以提高砂卵石层的自稳能力。施工时原则上应少扰动围岩，宜采用管超前、短台阶、短进尺，环形开挖留核心土，及时施作初期支护，并修建仰拱尽快形成封闭结构，勤量测及时反馈信息。并及时对初期支护背后进行回填注浆。 1992年施工的成都市顺城街人防工程盐市口地段，采用暗挖人行通道连接，其通道全长55093m，开挖宽度58m，净高56m，隧道基底埋置深度为15m，顶部覆盖层厚度755m。其工程位于饱水、松散、无胶结的砂卵石地层中，施工中采用了松散围岩浅埋暗挖法，包括大面积井点降水、大管棚注浆超前加固、密排小管棚超前预支护及格栅支撑和模喷混凝土等技术，取得了成功。成都市顺城街人防工程所处的地质条件及周边环境类似地铁暗挖区间隧道。因此，人行通道的建成是地铁区间隧道采用矿山法施工的一次成功的尝试，为地铁工程提供了十分宝贵的经验，也提出了工程中须解决的技术问题。人行通道施工时曾考虑了小导管超前注浆加固和长管棚超前注浆加固两种方案。小导管施工简单、灵活，无须大的钻机设备，可加快施工进度，费用较低。但根据多组小导管成孔的试验结果证实，在这种密实的的砂卵石地层中，用一般铁路隧道常用的凿岩机钻孔，成孔困难，由于卵石卡钻导致无法钻进，也无法插入钢管，故最终采用了潜孔锤冲击旋转跟管钻进成孔工艺，边钻进边跟管，形成旋转钻进，冲击跟管，岩芯管携出砂石之循环作业系统，采用大管套小管的长管棚方案，取得了成功。 成都市地铁一期工程区间隧道大部分地段通过中密密实的Q3砂卵石地层，其卵石含量高，且大粒径卵石含量较多，经施工降水后，其地层较紧密，采用常规技术施作超前支护相当困难。因此，如何从设备及工艺上解决超前支护技术，并提高工效，降低造价是成都地铁一期工程能否采用矿山法作为区间隧道主要施工方法的关键及风险所在。根据国内其他城市地铁工程的经验，由于矿山法施工条件所限，往往工程质量控制较难，工程竣工后，衬砌开裂及渗漏水比较普遍。成都地铁区间隧道位于饱水的砂卵石地层，渗透系数大，地下水补给充足，因此，如何保证防水混凝土及防水板施工质量，避免地下水的渗漏，对于确保地铁运营安全和保护四周环境至关重要。 线路出红花堰站后将下穿3栋7层楼住宅房屋，铁路站场股道，随着线路向南延伸，还将穿过房屋群、两处河道段及火车南站站场股道。如前所述，采用矿山法施工必须在整个施工过程中实施降水，降水影响范围达到500m左右，由于在粘性土之下或卵石土层中存在饱和状的稍密-松散状态的砂、粉细砂土，因此沲工降水引起上覆土层的固结沉降对两侧浅基础房屋及地下管线将会带来一定的影响。由于成都地铁砂卵石土为松散、无胶结、无自稳能力的地层，因此暗挖沲工通过建筑物下方时，除要保证基础与隧道顶部之间有一定距离外，最主要的是要采取有效措施减少围岩变形，将其沉降量控制在不影响地面建筑物的安全和正常使用范围内。线路通过府河、南河段，由于受邻近车站埋深或既有建筑物的控制，隧道仍然在砂卵石中通过，因此在两处河道段采用矿山法施工在技术经济上是不现实的。 综上所述，根据全线的工程地质和水文地质情况、四周环境条件，目前推荐矿山法作为成都地铁区间隧道主要施工方法条件不成熟，但在区间隧道联络通道或渡线地段可采用矿山法施工。 32盾构法 盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音，无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度厂制预制构件，机械化拼装，因而质量易于控制。盾构技术的发展，尤其是泥水式、土压平衡式盾构的开发、使之在松散的含水砂层、砂夹卵石层、高水压地层等所有地层中进行开挖成为可能，所以当工程地质和水文地质条件以及四周环境情况等难以用矿山法和明挖法施工时，盾构法是较好的选择。上海地铁及广州地铁盾构施工的区间隧道工程质量优良、对城市环境影响小，所取得的成就令人瞩目。因此，地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势。继以上两城市采用盾构技术之后，南京、北京、深圳地铁区间隧道，均采用了盾构法施工，目前工程正在实施之中。 321 盾构机类型的选择 盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩塌，边在机内安全地进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工工法”，因此，盾构施工工法，是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。选择盾构施工方法时，在充分把握各种施工方法特点的基础上，根据工程的围岩条件，选择能保持开挖面稳定的机型，对于确保施工顺利和安全可靠至关重要；成都地铁通过地层为富水的松散、无自稳能力的砂卵石层，砾卵石含量高，且在隧道范围内可能存在随机分布的少量大粒径漂石，因此，所选择的盾构机，既要能确保开挖面的稳定，又能处理少量大粒径漂石。据调查，目前世界上已有相当数量的工程实例及相应的盾构机设备。 如瑞士的Grauholz隧道是座长55km的铁路双线隧道，内径106m。通过地段地质十分复杂，由于冰河时代阿尔卑斯山的冰川汇人该地区，松散的土壤沉积物构成了该地区的整个地质构造：粘土、细砂、中砂及卵石，还可能碰到抗压强度高达200MPa，尺寸超过几米的大块砾石。由于隧道两端洞口区段由富含地下水的松散沉积物构成，中间段通过稳定岩层，盾构机选用直径为116m的混合式盾构，在松散地层中采用泥浆盾构的开挖方式，利用锚固在刀盘上的刀具切割大砾石，在岩层地段采用敞开式掘进方式。又如德国汉堡4座易北河公路隧道，隧道长31km，内径1235m，隧道沿线遇砂、淤泥、冰河漂流物以及直径大于2m的大块漂石。隧道掘进采用直径14.2m的混合式盾构机，以泥浆支护其开挖面，完成了其中2561m地段的隧道工程。英国FyldeCoastal水利改建工程、加拿大Shcppald大街地铁隧道，成功的采用盾构机刀盘上的滚刀处理了地层中卵石。在日本，由于地质条件复杂，位于山地河流带多为砂卵石且含有大漂石地层。据不完全统计，在最大卵石粒径400mm的砂卵石地层中，采用盾构法施工的工程实例见表1。由此表明在日本采用土压平衡式盾构或泥水式盾构在砂卵石且含有大粒径卵石地层中进行盾构隧道施工已有相当多的工程实例。 在自稳性差的饱水砂卵石地层中，为了保持开挖面的稳定应选择密封式盾构机，但究竟是选用泥水式盾构还是土压平衡式盾构机呢？下面将从开挖面稳定、大粒径漂石处理方式、排土设备、造价四个方面进行比较。 322开挖面的稳定 泥水式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封仓中，注入适当压力的泥浆，并与大刀盘切削下来的土体混合，经充分搅拌后形成高浓度的泥水，然后用排泥泵及管道输送至地面。由于有一定压力的高浓度泥水可在较短时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜，使泥水压力通过泥膜向土层传递，形成地层土水压力的平衡力。泥水盾构对地层扰动最小，地面沉降小，易于保护四周环境，如广州地铁一号线黄沙公园前地段，隧道通过饱水砂层、淤泥等软弱地层，地面有密集的明末清初旧房，地铁施工采用两台泥水式盾构，成功的完成了四个区间盾构隧道，地面沉降基本控制在10mm以内。因此采用泥水式盾构通过建筑和铁路股道，安全性高。 土压平衡式盾构是指在推进时靠由刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定的盾构。盾构的前端紧靠刀盘设置密封仓，盾构推进时，前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体进人密封土仓，当土仓内的土体足够多时，可与开挖面上的土、水压力相抗衡，使开挖面地层保持稳定。盾构在砂卵石地层中掘进时，因土的摩阻力大，渗透系数高，地下水丰富，单靠掘削土提供的被动土压力，常不足以反抗开挖面的水、土压力；此外，由于土体的流动性差，使在密封仓内布满卵石土后，原有的盾构推力和刀盘扭矩常不足以维持正常推进切削的需要，密封仓内的碴土也不易于流人螺旋输送机和排出地面。因此，应向开挖面、土仓内、螺旋输送机内注人掭加剂，通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂和开挖下来的土砂混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水的泥土，及时布满土仓和螺旋输送机体内的全部空间，通过盾构千斤顶的推力使泥土受压，与开挖面土压和水压平衡，以稳定开挖面。这类盾构称为加泥式土压平衡盾构。 由于土压平衡式盾构，可通过控制排土量或进土量，较好的维持正面水土压力的平衡，在水位高，含砂量大的地段，可加入添加剂，提高土砂的流动性和不透水性，以保持开挖面的稳定。由于它对不同的地层有较好的适应性，所以目前土压平衡式盾构机已占绝对优势，国内地铁绝大多数选用土压平衡式盾构机施工区间隧道，均取得了较好的效果。与泥水式盾构相比，在砂、砾石层中掘进时，只需加适当的添加剂，就能保持开挖面的稳定，但省去了分离设备，因而加泥式土压平衡盾构的出现是盾构法技术的一大进步。 323 大粒径漂石处理力式 成都地铁区间隧道主要通过Q3，砂卵石地层，根据试验段地质详勘资料分析及全线地质咨询告，漂石占0-223，已发现最大漂石粒径670mm，在局部地段大粒径漂石富集成群，因此，无论选用何种盾构机，都有大粒径漂石破碎问题。 泥水式盾构 由于泥水式盾构是采用排泥管和排泥泵进行出土，般可以连续输送的砾石长径应小于排泥管直径的1/3。通常排泥管直径为100-200mm，因此被排除的砾石直径最多为50-70mm。试验段地质详勘资料表明，在Q3层中粒径大于8060mm的漂卵石，达到了24-757，也就是说，在排泥管之前有较多数量的石块需进行破碎，从目前把握的资料可有两种处理力式。 工作面破碎+机内破碎 在工作面利用刀盘上布置的滚动刀将大粒径的漂石破碎至300-400mm，然后通过刀盘上的开口将卵石土放进机内进行第二次破碎，其破碎设备可放在压力仓内，也可设在后方排泥管之前，将砾石再次破碎后，才进入排泥管。 工作面破碎+砾石分级 工作面刀盘上的滚刀将大粒径漂石进行第一次破碎之后，利用在压力仓与排泥管之间设置的旋转式分级器进行砾石分级处理，将粒径大于5070mm的砾石分离出来，采用斗车等运输工具运至洞外。因此，在含有大粒径砂卵石地层中采用泥水式盾构，需要对砾石进行两次处理，出土效率必然降低。 加泥式土压平衡盾构 加泥式土压平衡盾构是采用螺旋输送器进行排土，由于配备的螺旋机直径受到盾构机尺寸的限制，所以可能排除的卵石直锄；受到限制，如中轴式螺旋输送器直径为700mm时，通过最大砾石粒径为250mm，采用带式螺旋输送器虽然可以连续排除砾石的粒径要大得多，但是对于少见600mm的漂石输送亦有困难，所以仍需利用刀盘上的滚刀将大粒径的漂石破碎至300400mm左占，然后通过刀盘上的开口放进机内后采用带式螺旋输送器排土，所以采用加泥式土压平衡盾构只进行一次破碎，且破碎的数量较少，出土效率高 324排土设备 泥水式盾构 泥水式盾构是通过排泥管和排泥泵将土石送至地面泥浆处理场，经分离后的泥浆再通过送泥管输送至工作面。由于开挖下来的石土为砂卵、碎土石，对排泥管和泵的摩耗较大。在管路弯曲部位或盾构机不可能更换的部位，应采取厚管壁管道等措施。排泥泵的能力必须能确保所需的流量和扬程，还必须确保碴土中的固体物能够顺利通过。 加泥式土压平衡盾构 排土设备可选择中轴式螺旋输送器或带式螺旋输送器。中轴式螺旋输送器可连续排除石块的粒径受限，但是止水性和耐压陛较好。带式螺旋输送器可排除400mm石块，但止水性差。为解决带式螺旋输送器产生土砂喷发现象，除加人添加剂外，可在输送器上加设滑动闸门、锥阀等止水装置，或采用两段带式螺旋输送器来解决。 325设备费用 泥水式盾构需配置庞大的泥浆分离设备，费用高，占地面积大。成都地铁拟定的盾构始发井地段难以找到其场地。加泥式土压平衡盾构开挖出来的含部分添加剂的土石如不进行处理，则可省去大笔分离设备费用和场地。两者相比较加泥式土压平衡盾构机设备费用低。 326推荐采用的盾构机类型 技术经济比较 以下从十一个方面对泥水式盾构和加泥式土压平衡盾构进行比较 表2泥水式盾构与加泥式土压平衡盾构优缺点比较 类似工程经验 表1表明在日本含大粒径漂石的砂卵石地层中多采用土压平衡式盾构机施工。另外隧道标准规范及解说中对盾构施工现状问卷调查表明，目前在日本类似成都地质条件地层中加泥式土压平衡盾构使用的工程范围远大于泥水式盾构。成都市地铁一期工程区间隧道可采用泥水式盾构或加泥式土压平衡式盾构，但经以上技术、经济比较及参考类似工程经验，推荐加泥式土压平衡盾构。 由于目前国内在成都这种饱水的砂卵石土且含有大粒径漂石的地层中采用盾构法施工尚属首次，缺乏实践经验。成都市地铁一期工程先后通过地面控制较严格的房屋及铁路站场股道，对施工要求较高，因此根据工程地质及水文地质条件选择适用型、经济型的盾构机非常重要。在盾构工程招标和施工过程中，除应选择有丰富类似工程经验的盾构制造商外，还应为施工提供强有力的技术支持，以确保盾构工程安全、稳妥、保质、保量的完成。浅谈北京地区地铁隧道施工用盾构机选型(上)作者：北京市政集团 乐贵平摘 要：根据北京地区工程地质和水文条件，以及北京市地铁施工的特点，提出适用于北京地区地铁隧道施工用的盾构机型和盾构机基本配置的技术要求，同时还就盾构机扭矩、刀具形状与布置及作用等技术关键点进行了讨论。此外还提出，施工企业、国内重工业企业及科研单位三看联合起来共同攻关，可以设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。 关键词：北京地铁 盾构机 造型 砂卵石 磨损 1 前言 为承接北京地铁隧道施工任务，我集团公司于2002年10月参加了北京市地铁五号线盾构法施工标段的投标，由笔者执笔编写投标书中盾构机选型部分内容。在完成此任务的过程中，笔者对北京地区地质特征、盾构机机型及适应工程地质的特点等进行了思考，感到国内大型重工业企业如果深刻认识到北京地区地质的特点，在设计方面针对关键问题有正确的解决办法，再加上精心制造，完全有能力设计和制造出满足北京地区地铁隧道施工用的盾构机。为此，笔者将北京地区地铁隧道施工用盾构机选型的有关资料进行整理，同时结合我集团公司购买北京市地铁五号线施工用盾构机(外径6.14 m)时的一些基本考虑，勉凑一文，供国内同行参考，为促进我国盾构技术的发展贡献一点微薄之力。 2 北京地区地质情况简介及地铁隧道结构形式 2.1 工程地质及水文条件 北京市地处永定河洪冲积扇的中上部，第四系松散土层及砂卵石层遍布全区，其地质沉积层的相变十分明显，如西部单一的砂卵石层向东很快渐变成粘性土和粉细砂互层的多层状态。在北京市采用盾构法进行隧道施工时，将碰到以下几类极具北京地质特征的地层： (1)粘性土及粉土层(粉质粘土、粘质粉土)。 (1)砂性土层(粉细砂、中细砂、中砂、中粗砂，部分石英含量大)。 (3)砂卵石地层(一般粒径35mm，西部515mm，最大层厚超过40m以上)。 (4)粘质粉土、砂质粉土、中细砂互层，中砂、粉质粘土、砂卵石互层。 北京市的地下水一般指上层滞水、潜水和浅层地下水，另有一类景观、河期渗漏水以及城市上下水管道的漏失水等城市特殊水。 2.2 地铁隧道结构形式 北京市地铁隧道覆土厚度约为816m，埋深约为1422m。一般考虑采用节能型车站，隧道线形既有平曲线又有竖曲线。地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。隧道结构可分为普通环和通用环两种形式(图1，图2)。 普通环形式为常用的标准环+左转、右转环(楔形环)方式，在直线段使用标准环，曲线段采用楔形环。目前国内大部分城市地铁隧道均采用此种普通环拼装方式。 通用环形式是欧州常用的管片拼装方式，该方式只有1种楔形环，通过其不同组合实现直线和曲线管片拼装。 两种结构形式管片均由6块组成，本次北京市地铁五号线盾构施工标段即采用通用环拼装方式。 3 地铁施工用盾构机选型基本原则 笔者经过对国际国内盾构施工技术的调查分析，针对北京市地铁隧道盾构法施工，认为盾构机选型时应遵循以下几项基本原则。 （1）盾构机技术水平先进可靠，并适当超前，符合我国国情 （2）所选盾构机应满足北京市地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，特别是要满足规划在2008年前必须完成的隧道工程施工的需要。 （3）能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。 （4）盾构机能够适应北京市地下构筑物众多的特点，必要时可实现隧道（盾构机）内清楚或撤换障碍物的施工。 （5）盾构机在设计方面应考虑北京市地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。 4 盾构机选型考虑要素及注意点 4.1 工程地属条件 (1)粘性土及粉土层 盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。 (2)砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。 另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。 (3)砂卵石地层 北京地区的砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25 40之间盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型 时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。 (4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层 对于此类地层，盾构机施工比较容易有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。 (5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层 对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。 4.2 工程水文条件 对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可(对于密封0.6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易)。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。 4.3 曲线施工 根据城市地铁的使用要求以及城市交通网的规划，地铁隧道必然存在曲线部分，而节能型车站通常为进站上坡出站下坡，也有坡度较大的竖曲线部分；另外地铁隧道线形设计或施工时，常为避开既有构筑物，不得已改变线形，也会出现曲线。因此盾构机所装备的功能，应满足曲线推进的要求。设计在曲线段一般采用楔形管片，但为减少曲线施工对土层的干扰，笔者认为除采用楔形管片外，设计盾构机时还可以考虑采用油压分区控制、实现千斤顶可自由编组；或采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决。 4.4 地下构筑物众多 北京是一个拥有一千多万人口的特大城市，地下修建了大量的构筑物，如上下水管道、煤气、热力、电力、通讯、人防工程等。北京又是一个古老的城市，除地下可能有大量文物外，旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。而由于历史的原因，北京市城市建设档案管理相对滞后，很难弄清地下各种构筑物的分布状况。工程勘测时，因钻孔距离的局限，隧道沿线总存在勘测的空当，实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑，不能实施勘测。因此盾构法施工过程中，会遇到各种障碍物或异物，并且往往不具备从地面进行处理的条件，给盾构掘进施工带来意想不到的困难。盾构机选型时，应考虑北京地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。 4.5 浅覆土及隧道穿越建筑物下方 隧道穿越建筑物下方，特别是旧有民房(穿越其它现存构筑物两者距离过近的情况也可划归此类)，是城市隧道采用盾构法施工的首选原因；另由于种种原因，地铁隧道总会有局部埋深不大，隧道覆土较浅的地段，故盾构机在上述条件下施工不可避免。对此稍作分析即可知道，这两种情况下盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制土体(地面)沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。根据盾构法施工经验如果施工控制不好，确实会引起隧道前方或周边土体产生较大沉降与变形，造成地面房屋开裂或严重干扰相邻构筑物。因而盾构机选型时，将盾构机配备控制土体沉降与变形的功能以及具有操作简便、灵巧等性能作为重点考察内容。 4.6 同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进 根据北京地区地质条件，盾构机的使用寿命一般可达6km甚至10km以上，而盾构法隧道工程标段划分不会过大，估计在两个区间左右，即单线长度不大于4km，低于盾构机的使用寿命。笔者认为应考虑我国国情，尽可能增加盾构机用于工程施工的长度。故所选盾构机在确保适应北京各类地层施工的前提下，须充分考虑盾构机分块的合理性，既要保证盾构机的整体质量，又要满足便于组装、解体和搬运的要求。 5 盾构机机型选择 5.1盾构机技术发展简要回顾 盾构机问世近180年，但得到迅速发展是在20世纪60年代以后。纵览当今世界各国，盾构机综合技术水平首推日本(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近8500台)和欧洲(截至2002年10月，生产盾构机及TBM近500台)最高。盾构机由初期的手掘式发展到半机械式、全机械式，以及近30多年来高速发展的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机等。现代盾构机已在自动控制、激光导向、液压传动、开挖面压力控制、壁后同步注浆、盾尾密封、管片拼装、计算机数据采集等方面得到很大发展。进入20世纪80年代后期，世界上又开发出既可用于软土地层又可用于岩石围岩的复合式盾构机；开发出可转任意角度的复合子母式盾构机。另外，盾构法隧道成型断面除圆形之外，多圆形、椭圆形、矩形及多室矩形也在实际工程中得到应用。当今世界盾构机的技术水平已发展到相当高的阶段。对于北京地区的地质条件以及地铁隧道工程所穿越的区域，采用泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机均能满足隧道施工的需要。 5.2 盾构机机型的确定 正如5.1节所述，采用当今技术水平最高的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机，均能满足北京市地铁隧道的施工，但究竟采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能得出正确的决策。 泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水(浆)来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理。该设备系统庞大，占地面积多，且价格昂贵。 加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂(如泡沫等)，极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。 日本土木学会1997年修订隧道标准规范(盾构篇)及解释时，专门在日本全国境内对盾构机机型、使用地质条件以及工程应用数量等作了较全面的调查。调查结果如图35所示。 由图3图5可见，加泥式土压平衡盾构机应用的台数最多，工程项目应用的数量最大，适应不同地质条件(粘性土、砂性土、砂砾石甚至软岩)的能力最强，特别是在砂砾地层(最大粒径超过5mmm)中的应用占绝对优势。 为进一步分析判断，笔者对国内各大城市地铁工程应用盾构机的机型也进行了调查，结果如表1所示。 由表1可清楚地看出，无论南方还是北方，国内地铁隧道工程使用的盾构机型均以加泥式土压平衡盾构机型（含复合式）为主。尽管应用的地域或范围较广泛，地质条件相差较大，但据调查，该类机型均能较好地适应和顺利地完成地铁隧道的施工。可见，国内地铁工程盾构机的应用实践，也证明了加泥式土压平衡盾构机具有良好的适应性。笔者进一步对泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机的主要特性进行了比较，其内容与结果详见表2。 根据国外与国内盾构机实际应用现状和两种机型技术特性的比较结果，笔者认为，对于北京市地铁隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构机的技术经济比较合理，选型时宜优先考虑。(end) 成都地铁1号线一期工程盾构施工2标盾构施工成本分析与控制内容提要：在中国地铁隧道大都采用盾构法施工。盾构施工成本在一定程度上制约了城市地下空间的开发和利用。本文在分析了盾构法隧道成本构成的基础上，主要从降低盾构施工费用方面，结合成都地铁1号线一期工程盾构施工2标（人民北路站至天府广场站盾构区间）讲述如何控制盾构施工成本。关键词：盾构施工成本分析控制引言在现代化城市建设中，地下空间的开发利用已成为一个重要的组成部分。而盾构法隧道，由于其先进的施工工艺和不断完善的施工技术，使得其在城市地下空间的开发中也取得了巨大的成功，并被越来越多地应用于城市地铁、上下水道以及地下共同沟等隧道工程建设中，在我国的各大主要城市，如上海、北京、深圳、广州和南京等地，已建和在建的地铁隧道大都采用盾构法施工。现在成都、西安、杭州等地也正在开始采用盾构法修建地铁隧道。但是，一方面伴随着各主要城市为解决制约城市经济发展的交通瓶颈问题，对发展地下轨道交通有着较大的需求，另一方面，采用盾构法施工的隧道，从工程造价上来看是非常昂贵的。这在一定程度上制约了城市地下空间的开发和利用。因此，如何合理地控制盾构隧道的建设成本、降低工程造价，已成为当前地下空间开发必须认真研究的课题。影响地下铁道造价的主要因素，降低建设费主要应从以下三方面入手：降低车辆等设备购置费、运营管理费，以及降低作为基础设施的土建工程的费用。本文在分析了盾构法隧道成本构成的基础上，主要从降低盾构施工费用方面，结合成都地铁1号线一期工程盾构施工2标（人民北路站至天府广场站盾构区间）讲述如何控制盾构施工成本，盾构隧道的成本构成表1是对中、日两国盾构隧道建设成本的构成分析，从中我们可以看出各主要项目在整个隧道建设中所占的比例，并且，还可发现构成费用的主体主要有这几大项：管片衬砌、机器设备、废土运输处理及竖井建造的防护费用等。针对成都地铁卵石含量高、高富水等困难条件，主要从盾构机的选型、刀具、渣土改良以及盾构机的掘进技术、盾构始发阶段的试验等方面来讲述如何控制盾构施工成本，以达到降低成本，提高效益之目的。成都地铁1号线一期工程盾构施工2标（人民北路站至天府广场站盾构区间）成本控制成都地铁二标基本情况工程概况表1中日两国盾构隧道各项成本费用构成中国日本项目比例（%）项目比例（%）管片3438 管片3040 二次衬砌1215 二次衬砌510 盾构机1719 盾构机2030 工程设备58 工程设备1015 掘进设备915 掘进设备510 废土处理716 废土处理10左右掘进劳务费511 掘进劳务费5左右竖井建造718 竖井建造510 进出洞防护410 进出洞防护35 其它48 其它10以内2标段区间段地铁线路处于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北路南部和人民中路敷设，线路全长左线2390.316m ，右线2407.774m 。共三个区间，即人民北路站文武路站区间里程范围为Y(Z)CK5+664.400 Y(Z) CK6+796.600 ，左线长约1137m ，右线长约1132m ；文武路站骡马市站区间里程范围为Y(Z)CK7+254.900 Y(Z) CK7+704.640 ，左线长约442m ，右线长约450m; 骡马市站天府广场站区间里程范围为Y(Z)CK7+887.390 Y(Z) CK8+696.224 ，左线约长811m ，右线长约826m 。另区间内还包含有盾构始发井和附属工程。3 个联络通道（2 个含泵房），14 个洞门 见施工概况图1 施工概况图1 地质分析本标段隧道主要穿越卵石土层，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主，呈圆形亚圆形，粒径大小不一，分选性差。卵石含量约68% ，粒径以30 100mm 为主，初探揭示最大粒径180mm ，根据试验段探井和天府广场基坑揭示最大粒径达530 550mm ，圆砾含量约10 ，兼夹漂石，漂石最大粒径270mm 。卵石硬，最大强度可达200MP 。卵、砾石以中等风化为主。充填物主要为中细砂及少量粘性土。卵石土层顶板埋深8.2 22.0m 。下图为成都砂卵地层资料照片。盾构机掘进地层照片1 水文条件地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙水，二是基岩裂隙水。第四系孔隙水：主要赋存于全新统（Q4 ）、上更新统（Q3 ）和中更新统（Q2 ）的砂、卵石土中，三层砂卵石层含水极其丰富，形成一个整体含水层，含水层总厚度约26.3 31.7m ，为孔隙潜水，局部由于地形和上覆粘性土层控制，具微承压性。为强透水层，隧道基本位于该层砂、卵石土中，受地下水影响较大。上部的粘性土层为弱透水层，地下水含量甚微，对工程影响较小。根据试验资料可知，卵石土综合含水层渗透系数K 为12.53 27.4 m/d ，平均值为16.32 m/d ，为强透水层。地下车站主体结构和地下区间隧道基本位于该层砂、卵石土中，受地下水影响较大。盾构施工困难分析（1 ）大漂石、孤石难以破碎，需开仓处理； （2 ）遇到富含水地层，易形成喷涌；（3 ）地层极具透水性，同步注浆浆液易流失，易造成地表塌陷；（4 ）掌子面不稳定，换刀作业困难。成都这种卵石含量高、高富水条件用于土压平衡盾构机在世界范围内还是首次，盾构施工的成本控制难度要大得多，无论在盾构机选型上、渣土改良方面、地表沉降控制、换刀作业方面都提出了一个新的课题，这就需要我们想出一切好办法即要降低盾构机的各种消耗材料，又要提高盾构机的掘进速度，从而降低盾构施工成本。32合理的盾构机选型盾构机的选型主要包括：盾构类型的选择，如泥水式还是土压式；盾构机具体结构的选择，如刀盘型式、刀具配置、开口位置及开口率、推进千斤顶行程等。盾构机的选型不仅直接关系到设备的购置费，更与造价的合理性有关。不合理的选型，一方面会因为设备的预留储备过多，设备的利用率低，从而造成设备购置费用占整个工程造价的比重过高，形成不必要的浪费；另一方面，如果所选盾构不具有很好的地层适应性，不仅会造成高能耗低产出，而且会造成工期的延迟，从而最终导致工程造价的剧增。因此，合理而科学的盾构选型应结合拟建隧道的功能、总长度、埋深、地质条件，沿线地面建筑物、地下构筑物和管线等环境条件，以及对地表变形的控制要求等做综合的分析后决定，从而使得所选盾构产生最大的费效比。针对成都特殊的地质条件，中铁十三局选用是德国海瑞克公司的加泥复合式土压平衡盾构机S365、S366，此盾构机比广州所用的海瑞克公司土压平衡盾构机有了很大的改变，主要区别见表2 序号名称成都盾构机（S365）广州盾构机（S266）S3