沈林沖，張金榮，秦建設(shè)，黃先鋒，郭愛國，王 勇

(1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310020;2.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

1 工程概況

杭州市地鐵1號線為連接中心城核心區(qū)與江南、臨平、下沙副城中心區(qū)的骨干線路。線路南起蕭山湘湖杭州樂園，到達(dá)九堡公路客運中心站，線路在此向東、向北分成下沙段、臨平段。下沙段線路沿九沙大道向東，止于杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)東部居住區(qū);臨平段線路沿01省道向北，過臨平山，終止于余杭經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。1號線線路全長61.67 km，其中地下線45.05 km，地面線0.30 km，高架線15.43 km，地上地下過渡段0.89 km。設(shè)車站37座，其中:29座地下站、8座高架站。

本工程隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片外徑6.2 m、內(nèi)徑5.5 m、厚度0.35 m、環(huán)寬 1.2 m，每環(huán)管片數(shù)為(5+1)塊，中心孔吊裝，錯縫拼接。線路最小曲線半徑400 m，最大縱坡為28‰，隧道覆蓋層最深約28.1 m，最淺約5.0 m。

2 工程及水文地質(zhì)概況

杭州地鐵1號線穿過的區(qū)域基本都屬于第四系沖海積、海相及河流相沉積地層，大致可分為兩個地貌區(qū)域。臨平～艮山門站及湖濱站～蕭山區(qū)間為錢塘江河口沖海積平原地貌，素填土下一般分布有10～20 m的錢塘江沖積沉積相砂質(zhì)粉土、粉砂層，該層之下分布有厚層淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。對地鐵施工而言，此種地質(zhì)條件易導(dǎo)致坍塌變形;地下水作用下易出現(xiàn)流砂;下臥軟土層對地下車站圍護(hù)墻變形較為不利，區(qū)間隧道易產(chǎn)生工后沉降。艮山門站～湖濱站區(qū)間為濱海相沉積平原地貌，上部或無砂質(zhì)粉土、粉砂層，或很薄，硬殼層下為深厚的飽和濱海相淤泥質(zhì)軟土層，工程性能差，系地鐵車站和盾構(gòu)區(qū)間開挖和掘進(jìn)的主要土層。

地鐵1號線擬建場地主要分布有地表水和潛水，對臨近的地鐵車站開挖和區(qū)間隧道施工會產(chǎn)生一定的影響。錢塘江、京杭運河等為地鐵沿線河流，地下潛水為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水。擬建場地內(nèi)淺層地下水屬孔隙潛水，主要賦存于表層素填土及③1～③7層粉土、粉砂中，由降雨和地表水徑流補給，水位埋深較淺，場地抗浮設(shè)計水位一般取地表下0.5 m。承壓水分布在⑥2粉砂、⑧2中細(xì)砂、⑩2粉砂、圓礫層中，水量較豐富。承壓水頭埋深一般在地面下6.00～10.85 m，水位呈年周期性變化。

3 盾構(gòu)選型遵循的主要原則

盾構(gòu)工法是目前在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建隧道，特別是城市地鐵、江河、海底隧道所采用的主要施工方法。盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)隧道施工的最重要的設(shè)備，盾構(gòu)選型及設(shè)備參數(shù)選擇直接關(guān)系到隧道工程的進(jìn)展和成敗。如果盾構(gòu)機(jī)選型不合適或設(shè)備參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，輕則影響施工速度、拖延工期，造成經(jīng)濟(jì)損失，重則引起重大工程事故，甚至隧道報廢，出現(xiàn)人員傷亡，造成惡劣的社會影響和重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對采用盾構(gòu)法施工的工程來說，盾構(gòu)選型及設(shè)備參數(shù)選擇具有非常重要的意義。

近年來我國大型過江、過海隧道項目逐年增多，工程遇到的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，采用盾構(gòu)施工的趨勢越來越明顯。但是，目前的盾構(gòu)選型的研究多是結(jié)合具體工程實例進(jìn)行，還缺乏系統(tǒng)研究。因此，在遇到更為復(fù)雜地質(zhì)條件，如高承壓水、穿越土層差異大、含有害氣體土層時，對盾構(gòu)的選型進(jìn)行充分論證是十分必要的。

3.1 盾構(gòu)選型的一般原則

盾構(gòu)選型時，應(yīng)綜合分析影響盾構(gòu)機(jī)選型的主要因素，如地質(zhì)條件、地下水及地面情況、隧道斷面尺寸、隧道長度、隧道線路、工期以及施工過程的開挖和襯砌形式等問題［1］。在選型時，最重要的是以保持開挖面穩(wěn)定為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，即安全為第一要務(wù)。為了選擇合適的盾構(gòu)形式，還應(yīng)對地質(zhì)條件、地下水情況、周邊用地和周圍環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，并對可靠性、經(jīng)濟(jì)性和施工性作充分考慮［2］。

盾構(gòu)機(jī)選型時先要看該盾構(gòu)機(jī)是否有利于開挖面的穩(wěn)定，其次再考慮環(huán)境、工期、造價等限制因素，同時還必須將適宜的輔助工法也加以考慮，只有這樣才能選擇出一種較為適宜的盾構(gòu)機(jī)。

3.2 土壓式盾構(gòu)與泥水式盾構(gòu)對比

目前，在軟土和有水壓條件下的隧道施工，一般選用密封式盾構(gòu)機(jī)，可分為土壓平衡和泥水平衡兩種盾構(gòu)機(jī)型［3］。

土壓平衡盾構(gòu)分為兩類。一類是將開挖的土體充填在土艙內(nèi)，用螺旋輸送機(jī)調(diào)整土壓，來保持工作面的穩(wěn)定。這種盾構(gòu)機(jī)僅適用于可用切削刀開挖且含砂量小的塑性流動性軟黏土。另一類是向開挖面注入水、泡沫、膨潤土等添加劑，通過強(qiáng)制攪拌使土體具有良好的塑性流動性和止水性，較好地傳遞土壓，以保持開挖面的穩(wěn)定和砂土的順暢排出。這種盾構(gòu)機(jī)適用范圍很廣，可用于沖積黏土、洪積黏土、砂質(zhì)土、砂礫、卵石等土層，以及這些土層的互層。但土壓式盾構(gòu)，易出現(xiàn)砂性土排土困難，掘進(jìn)機(jī)刀頭、刀盤磨損量大，以及在含水砂層透水系數(shù)大、孔隙水壓高時土艙頂部容易產(chǎn)生空隙，出現(xiàn)渣土噴涌等問題。

泥水平衡盾構(gòu)通過向刀盤密封艙內(nèi)加入泥水漿來平衡開挖面的水、土壓力。泥水式盾構(gòu)機(jī)適用的地層范圍較寬，從軟弱砂質(zhì)土層到砂礫層都可以使用，泥水式盾構(gòu)由于采用管道輸送，工作面全密封，安全性高，在軟弱互層地段也適用。泥水式盾構(gòu)特別適用于砂礫、砂、亞黏土、黏土層或其互層的土層，有涌水工作面不穩(wěn)定的土層，上部有河川、湖沼、海洋等水壓高、水量大的地層。但在黏粒含量較高的硬黏土中施工時，容易出現(xiàn)黏土附著槽口及排泥管道上的情況，造成槽口及排泥管道堵塞，而出現(xiàn)掘進(jìn)故障;另外，大塊石及其他不明障礙物也容易堵管。從經(jīng)濟(jì)上考慮，泥水式盾構(gòu)要比同直徑的土壓平衡盾構(gòu)造價高，且泥水平衡盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)相比，出土效率較低。另外，由于泥水式盾構(gòu)的泥漿處理設(shè)備設(shè)在地面，要占用較大的場地空間，泥水分量系統(tǒng)對周邊環(huán)境影響較大，使其在城市密集區(qū)的應(yīng)用受到了一定的限制。

4 影響盾構(gòu)選型的不利因素分析

杭州地鐵1號線多數(shù)區(qū)段盾構(gòu)隧道遇到的地層主要是滲透系數(shù)介于10－6～10－7cm/s的淤泥質(zhì)土層，對于這類地層中選擇適宜的盾構(gòu)，國內(nèi)外已有較多的成熟經(jīng)驗可以借鑒。但杭州地鐵還包含一些特殊的不利影響因素，盾構(gòu)隧道能否在這些復(fù)雜條件下順利施工，是地鐵工程盾構(gòu)選型中必須要考慮的問題。

4.1 長距離

由于地鐵1號線將穿越錢塘江，地鐵過江段隧道長度為1 908.7 m，長度較大，在河底隧道施工中途不可能設(shè)置豎井，需要可長距離施工的盾構(gòu)機(jī)型。在選型時必須考慮的主要問題是:盾構(gòu)機(jī)的耐久性、盾構(gòu)機(jī)對土層的適宜范圍、材料、設(shè)備以及排土的輸送配套問題、測量技術(shù)及方向控制技術(shù)等。長距離隧道的掘進(jìn)能否實現(xiàn)，在很大程度上取決于盾構(gòu)機(jī)各部件的耐久性，包括刀頭的壽命、土砂密封的耐久性以及盾尾密封的耐久性等。盾構(gòu)選型中必須考慮刀頭的使用壽命、中途換刀可能性以及機(jī)械檢修和換刀的施工工藝方法［4］。

4.2 高水壓

地鐵1號線沿線地層水系豐富，受錢塘江、京杭運河等河流影響，富含承壓水層，透水性好，且水壓較大。隧道在這種地質(zhì)條件下不易形成有效的土塞效應(yīng)，容易形成突發(fā)性涌水和流砂，導(dǎo)致開挖面坍塌。隧道穿越錢塘江過程中，靜水壓力較大，開挖面易失穩(wěn)，從而導(dǎo)致滲漏水等工程事故。錢塘江江底最大沖刷深度可達(dá)16 m，上覆土層較薄，當(dāng)盾構(gòu)隧道從江中向兩岸由深往淺掘進(jìn)時，盾構(gòu)易上撓、土體隆起，易引起冒頂、江水倒灌等事故。因此，盾構(gòu)選型需要考慮關(guān)鍵部位的密封和盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定性。盾尾密封應(yīng)選擇耐磨材料、增加段數(shù)、改進(jìn)填充劑的注入管理和交換方法，確保盾尾密封止水性;需要冷卻裝置以防止法蘭密封段數(shù)增加引起溫度上升，保證砂土密封的止水性。在砂層中土壓式盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的水封性不易得到滿足，泥水式盾構(gòu)對付高水壓則較容易，但泥水盾構(gòu)在開挖面上可能會出現(xiàn)水壓割裂地層的問題，高壓水會沿割裂面涌人隧道，引發(fā)工程災(zāi)難。

4.3 含有害氣體土層

杭州地鐵1號線在江南及江北的部分區(qū)段分布有埋深為15～35 m的含有害氣體土層，氣體主要成分是甲烷(CH4)，壓力一般為0.1～0.4 MPa。目前，國內(nèi)外還沒有在含有害氣體土層中進(jìn)行盾構(gòu)施工的直接經(jīng)驗可借鑒。盾構(gòu)在含有害氣體中掘進(jìn)時，遇到的主要問題是含氣土層為非飽和土，含水量低，摩擦阻力較大。另外，含氣土層中的氣壓較大，如果有害氣體進(jìn)入隧道，因有害氣體密度小，往往匯聚在隧道頂部形成層狀，加之有害氣體無色無味，容易被人忽略，有害氣體含量達(dá)到1%就可以遇火燃燒，達(dá)到5%可能遇火爆炸。所以，要求隧道內(nèi)部通風(fēng)設(shè)施必須滿足保證安全的要求，且要保持良好的工作狀態(tài)，減小有害氣體濃度。另外，也對隧道的防火提出了更高的要求，盾構(gòu)的氣體密封性要求較防水密封性更高，不但要求盾構(gòu)機(jī)保證密封，而且要求排土處理系統(tǒng)也應(yīng)具有防止氣體外泄的功能。

5 杭州地鐵的盾構(gòu)選型

從工程設(shè)計條件和土層滲透性來分析，結(jié)合現(xiàn)有盾構(gòu)施工積累的經(jīng)驗，土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)均可適應(yīng)本工程的施工。單從地質(zhì)情況來看，泥水平衡盾構(gòu)在處理有害氣體、承壓水層及砂性土層施工方面較土壓平衡盾構(gòu)具有優(yōu)越性。但從沿線周邊環(huán)境、施工工期和經(jīng)濟(jì)因素等方面考慮，土壓平衡盾構(gòu)則要好于泥水平衡盾構(gòu)。

盾構(gòu)選型除考慮上述因素外，還需結(jié)合我國的國情、現(xiàn)有施工技術(shù)水平、招標(biāo)要求以及企業(yè)承受能力等。鑒于我國目前用于城市市區(qū)和人口稠密地區(qū)的地鐵隧道施工大多采用土壓平衡盾構(gòu)，承包商已積累較豐富的成熟施工經(jīng)驗，且土壓平衡盾構(gòu)造價節(jié)省，不增加二次工程費用，環(huán)境污染小，對外部環(huán)境要求較少，在兩種類型均能滿足本工程施工需要的前提下，優(yōu)先考慮土壓平衡盾構(gòu)。但必須加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)的功能，增加技術(shù)要求和配置，使其能夠克服前述不利影響因素，滿足工程需要，這也是在確定盾構(gòu)機(jī)類型之后，對盾構(gòu)選型的進(jìn)一步深化。在盾構(gòu)機(jī)選型設(shè)計上主要重視螺旋機(jī)出渣防噴、土層的適宜性、刀盤和刀具的耐久性、盾構(gòu)盾尾密封、地下有害氣體的預(yù)防和處治等，對其進(jìn)行針對性的設(shè)計和配置。

5.1 螺旋機(jī)出渣防噴控制

土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的主要功能是運送密封艙中切削下來的土，當(dāng)螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿形成螺旋狀連續(xù)體的切削土?xí)r，可起到止水效果，保證土艙壓力平衡。杭州地鐵1號線需穿越多種類型土層，沿線富含承壓水，盾構(gòu)機(jī)宜選用中心軸式螺旋機(jī)，大直徑的葉片可提高出土效率和實現(xiàn)大顆粒出土。配置液壓比例控制系統(tǒng)，螺旋機(jī)的殼體上設(shè)泥水加注口，用于改善土體流動性和噴涌時加泥，增強(qiáng)螺旋機(jī)的土塞密封作用。為預(yù)防在江底砂性土層和圓礫層中掘進(jìn)時出現(xiàn)噴涌問題，需配備緊急開關(guān)裝置，以便緊急狀態(tài)時能及時關(guān)閉閘門。螺旋機(jī)上部預(yù)留應(yīng)急注漿孔，并可外接保壓泵渣設(shè)備，預(yù)防出渣噴涌和土壓失衡。

5.2 土層適宜性的改進(jìn)

土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)于顆粒不大、滲透系數(shù)小的地層，理想的土層包括黏土、淤泥、砂土以及礫石等，并且含有20%左右的水分［5］。在黏土層中掘進(jìn)時，易形成“泥餅”，土體可能在艙內(nèi)周邊黏附、壓密、固結(jié)或黏結(jié)到盤上與切削刀一起旋轉(zhuǎn)，造成排土困難和增大刀盤推力與扭矩，需注入泥漿或泡沫劑進(jìn)行改良。在砂性地層中掘進(jìn)時，砂土塑性流動性差，需往開挖艙內(nèi)加注膨潤土或泡沫并機(jī)械攪拌，使砂土泥化，力求塑性流動化且不透水;對于砂礫石層，在艙內(nèi)添加高濃度、高黏性的制漿材料，以保證礫石土層的塑性流動化和不透水性。盾構(gòu)機(jī)上需配置土體加泥加水系統(tǒng)，并增設(shè)攪拌裝置，有效控制添加材料的加入位置和加入量，提高了系統(tǒng)的檢測能力和系統(tǒng)工作的可靠性。

5.3 刀盤和刀具配置

盾構(gòu)機(jī)的刀盤和刀具應(yīng)根據(jù)地層特性，除能夠滿足掘進(jìn)速度要求外，還應(yīng)綜合考慮開挖面穩(wěn)定及排土等因素，選取合適形式、開口率和重量。合適的刀盤結(jié)構(gòu)將有效地起到維持開挖面穩(wěn)定和渣土快速的進(jìn)入。刀盤盤面板上和土艙應(yīng)設(shè)加泥孔，用于加注高濃度泥漿，進(jìn)行土體改良以及降低土體對刀盤的摩擦力。刀盤中心設(shè)置攪拌棒預(yù)防泥餅的形成?？紤]到地鐵隧道需克服長距離掘進(jìn)的困難，盾構(gòu)機(jī)的刀盤和刀具均應(yīng)采用耐磨材料，進(jìn)行專項耐磨設(shè)計，并設(shè)置磨損檢測裝置，方便掌握和了解刀盤和刀具的磨損情況。刀盤的主軸承是盾構(gòu)機(jī)使用壽命的關(guān)鍵部件，同時承受推力、徑向負(fù)荷和傾覆力矩，需加大強(qiáng)度和剛度，以提高主軸承的壽命［6］。

5.4 盾尾密封

盾尾密封是確保盾構(gòu)殼體的內(nèi)表面和管片的外表面之間的密封，防止地下水、外層土和支承液體或灰漿的侵入。盾尾密封是集彈簧鋼、鋼絲刷和不銹鋼金屬網(wǎng)于一體的結(jié)構(gòu)，彈簧鋼和鋼絲刷需進(jìn)行防銹處理。盾尾密封至少采用3道鋼絲刷密封，在各盾尾密封之間注入潤滑脂來提高止水性能。盾尾應(yīng)設(shè)計一道膨脹應(yīng)急密封，當(dāng)鋼絲刷密封正常時該密封彎曲在盾尾的溝槽里不起密封作用;當(dāng)鋼絲刷密封失效時通過注水或充氣使該密封膨脹，將管片外側(cè)與盾尾內(nèi)側(cè)之間的間隙完全密封，以防止涌水從盾尾漏入隧洞，并可在隧洞內(nèi)安全地更換前2～3道鋼絲刷。

5.5 地下有害氣體預(yù)警和處治

針對地鐵工程所遇的地下有害氣體地層，工程中提出了“排”、“疏”為主，“堵”“防”相配合的防治措施。隧道掘進(jìn)前期打設(shè)預(yù)排氣井，對地下有害氣體進(jìn)行預(yù)先有控排放，此種措施能夠有效地減小和避免有害氣體對地鐵工程的影響。但由于工程詳勘不可能排查出地鐵沿線所有的含有害氣體地層，并且即便進(jìn)行有害氣體預(yù)先排放，也不能將地層中所含有害氣體排凈，土層中會殘留部分以氣泡或溶解形式存在的有害氣體，地鐵盾構(gòu)施工中將無法回避。因此，盾構(gòu)機(jī)必須配備有害氣體監(jiān)測與檢測儀器，及時發(fā)現(xiàn)有害氣體并進(jìn)行預(yù)警與防控，防止災(zāi)難事故發(fā)生。在盾殼頂部靠近盾尾處、螺旋機(jī)出土口和后備臺車車架上部靠近工作面處等部位均應(yīng)設(shè)置有害氣體監(jiān)測設(shè)備，最好能夠與PLC自動控制系統(tǒng)連接，進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)控。當(dāng)任一處檢測點的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到限值時，盾構(gòu)立刻發(fā)出報警，馬上停止施工作業(yè)進(jìn)行處理。同時，考慮有害氣體濃度呈梯形擴(kuò)散，對盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的電器等盡量作防爆處理，預(yù)防不良?xì)怏w擴(kuò)散剎那間濃度超限，產(chǎn)生爆炸危險。配備必要的通風(fēng)設(shè)備，持續(xù)并增強(qiáng)工作面的通風(fēng)，確保進(jìn)入盾構(gòu)工作區(qū)域內(nèi)的有害氣體能夠快速降到安全指標(biāo)以下。在盾構(gòu)機(jī)前端安裝超前物探設(shè)備，可以對盾構(gòu)掘進(jìn)方向上是否存在高壓有害氣體層進(jìn)行提前發(fā)現(xiàn)，及時掌握有害氣體的埋深、壓力、儲量等信息，提出預(yù)報，根據(jù)有害氣體所在位置調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度，以便提早采取有效的防護(hù)措施。增強(qiáng)同步注漿系統(tǒng)，同步置換和封閉管外空隙中有害氣體，改善管片結(jié)構(gòu)防水和抗?jié)B性能，穩(wěn)固管外土體，促進(jìn)隧道管片結(jié)構(gòu)及早穩(wěn)定。

6 結(jié)論

盾構(gòu)機(jī)作為盾構(gòu)法施工的大型專用機(jī)械設(shè)備，不同于一般的施工機(jī)械，其選型需要考慮的因素較多。既涉及到地鐵沿線的水文和地層條件，又涉及到隧道設(shè)計條件和盾構(gòu)機(jī)本身的部件配置，同時還要考慮盾構(gòu)對地層條件的適應(yīng)性，對周圍環(huán)境的影響，以及工期和造價。盾構(gòu)選型參考國內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實例及相關(guān)的盾構(gòu)技術(shù)規(guī)范，按照安全性、可靠性、適用性第一、技術(shù)先進(jìn)性第二、經(jīng)濟(jì)性第三的原則進(jìn)行，保證盾構(gòu)施工的安全、可靠，選擇最佳的盾構(gòu)施工方法和最適宜的盾構(gòu)。

由于盾構(gòu)機(jī)的造價很高，其選型還必須兼顧我國的國情、現(xiàn)有施工技術(shù)水平以及企業(yè)的承受能力等因素。盾構(gòu)選型的正確與否，無論是對于盾構(gòu)施工的技術(shù)水平，還是對于盾構(gòu)施工的成本和效益均起著至關(guān)重要的作用。在杭州地區(qū)第一次修建地鐵就遇到如此復(fù)雜地層情況，盾構(gòu)隧道的施工，無論對業(yè)主、設(shè)計、施工單位，還是對監(jiān)理單位來說，都是極大的挑戰(zhàn)和考驗。本著上述原則，慎重對待盾構(gòu)選型問題，協(xié)同合作，集思廣益，完善盾構(gòu)設(shè)計，加強(qiáng)盾構(gòu)施工措施管理，一定能使杭州地鐵工程順利完成。

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［2］張雙亞，陳饋.北京鐵路地下直徑線盾構(gòu)選型［J］.鐵道工程學(xué)報，2007(3):70-73.

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