广州地铁修建中的盾构选型
摘 要 广州是目前我国应用盾构技术修建地铁隧道发展最快的城市,但因其特殊的工程地质条件,给盾构施工带来很多难题。文章分析了广州的总体地质特点,总结了已经完成的盾构施工案例,叙述了地铁修建中盾构选型的发展。
关键词 广州地铁 地质因素 施工案例 盾构选型
1 引 言
广州市是我国目前经济发展最为活跃的城市之一,随着城市的拓展和人口密度的增加,城市交通系统面临空前的压力,因此发展地下轨道交通成为城市建设最为迫切的任务之一。
广州地铁已经建成的线路有地铁一号线和地铁二号线,在建的有地铁三号线和地铁四号线。从地铁二号线开始,盾构机械开始大规模的应用于地铁区间隧道的开挖施工中。盾构机械施工有安全、环保、高速的特点,但也存在很高的风险。本文主要从地质和机械系统两方面探讨广州地铁修建中盾构选型的一些要点,以促进盾构机械在地铁施工中的应用。
2 广州地区地质概述
广州位于珠江三角洲冲积平原的边沿,滨临南海,其中也分布少量的低丘沟壑地貌。广州降水非常丰富,珠江水系的河流密布,地下水位较高。
广州市区表层广泛分布第四纪沉积物,下覆是中生代白垩系红色碎屑岩,北部地区有显露古生代二叠系和石炭系的砂页岩、页岩以及前震旦系变质岩,东北部有燕山晚期侵入的花岗岩等。第四系沉积物主要由陆相和海相沉积的淤泥、沙层、沙砾质粘土层等构成。下覆地层由于风化原因,其残积层的厚度和深度差异较大,中度风化～ 微风化岩石的抗压强度为10～150 MPa 。广州地区地质构造较为简单, 比较大的褶皱有珠江向斜、广州背斜和沙河向斜,规模较大的断裂有七条,基岩裂隙比较发育。
3 盾构选型中的地质因素
广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细沙层,又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩,以及介于上述两类岩土之间具不同风化程度的软塑～ 硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。因此选择用于广州地铁施工的盾构时,要求它必须有与上述地质条件相匹配的性能。
广州地铁施工用盾构选型需考虑的地质因素:
(1) 第四系松软土层
广州地区第四系覆盖层较厚,其中冲洪积的淤泥、淤泥质粘沙土、中细沙层等是特别松软的地层, 主要分布于市区西部的黄沙、荔湾一带及珠江河道支叉两岸。由于它们饱水、稳定性差、无自稳能力, 开挖时易坍塌、涌水、涌沙,地面沉降明显。因此,要求通过此类土层的盾构必须具有良好的密水性能,具有生产和保持足够泥水压力和土压平衡压力的功能。
第四系冲洪积沙质粘土和红色碎屑残积层及全风化带多呈流塑至硬塑状,透水性弱,稳定性差,适宜采用土压平衡盾构施工,但应注意通过粘粒成分高的土层时盾构刀盘要有防止刀盘面被粘结的功能。
(2) 白垩系泥岩、砂质泥岩、砂岩等地层
这是广州地铁沿线碰到的主要岩层,随着风化程度的不同,其岩石强度和稳定性变化较大,但整体稳定性属中等。适宜选用复合型土压平衡盾构施工。但施工中应注意地层的上下软硬不均及纵向软硬相间的问题。中～微风化钙质和铁质胶结的砂岩、砂砾岩的岩石强度较高(最高达60 MPa 左右), 是盾构刀盘、刀具选择时必须加以考虑的因素。
(3) 中生代燕山期花岗岩及震旦系混合岩
广州地铁区间隧道部分地段围岩为花岗类岩体和混合岩岩体。此类岩体的以下特点是盾构选型时必须考虑的因素: ① 中等风化及微风化岩,岩石抗压强度达到140 MPa 以上; ② 岩石中石英含量较高, 对刀盘和刀具的磨损性强; ③ 全风化及部分强风化带整体破碎,遇水和扰动后易液化、流坍,而其中存在的球状风化“孤石”却十分坚硬、耐磨。
(4) 断层破碎带
广州地铁区间隧道经常碰到规模不等的断层破碎带,它多为富水且稳定性差,少量为铁、钙质或硅质胶结的角砾岩,十分坚硬,这些都会给盾构施工造成困难。要求盾构具有良好的密水性能,同时为了对断层带属性和影响范围作出预报,要求盾构应配备地质超前钻探的机具或装备这些设备的预留装置。
(5) 穿越江河地段
广州地处珠江三角洲的河流密布区边缘,地铁隧道下穿江河时有发生,遇到此情况时,应根据江河河床段工程地质、水文地质条件选择合理的施工方法。如果下穿隧道围岩为软弱、透水性强的岩土层或透水断层破碎带时,最好选用泥水盾构;如果下穿隧道围岩为透水性弱或不透水的粘性土或基岩时, 可根据不透水(或弱透水) 层距隧道顶部的厚度选用土压平衡盾构或泥水盾构。无论选择何种类型的盾构,防止江河水涌入隧道、确保围岩稳定是关键。
4 广州地质对盾构性能的特殊要求
(1) 机械的主要部分应有充分的可靠度
特别是刀盘结构体、主轴承等应保证在一个区间施工完成之前不出现大的问题,避免在施工过程中进行维修。
(2) 驱动系统应有较高的工作弹性
驱动系统应适应复杂多变的地层,特别是在同一开挖面存在软硬不同的地层时,刀盘的转速应均匀,有足够的脱困扭矩。从已经成功施工的工程应用来看,采用液压驱动是比较好的选择。
(3) 刀盘有较强的适应性
刀盘应配备有充足的刀具,且刀具可以更换,以分别对付软硬不同的围岩。
(4) 刀盘有较高的开口率
较高的开口率可以防止刀盘在粘性较高的地层中掘进时中心部位结成泥饼,地铁二号线穿越珠江的海珠广场～ 市二宫区间施工时,刀盘中心部位的泥饼就成为施工的最大障碍之一。
(5) 配备碴土改良设备
碴土改良设备能向土仓和开挖面注入土质改良剂,既可以降低刀盘和螺旋输送机的转动扭矩、降低机械负荷,又可以防止产生泥饼,在渗透性大的地层还可以减少地下水的流失。
(6) 配备人仓加压系统及碎岩系统
为顺利通过软硬不均和球形风化孤石等地段, 应配备人仓加压系统,并应配备碎岩系统。
(7) 主机有超前钻孔预留口
盾构主机上设置超前钻机一方面可以超前探测地质状况,另一方面在无法从地表进行地层加固时可以从隧道内加固地层。
(8) 可靠盾构铰接部分
盾构的铰接部分应有充分的可靠性,且应配备铰接紧急密封。从几个工程实例看,铰接位置的漏水漏砂曾经造成数起地层下陷事故。
表1 列出了不同地质要求的盾构配置状况。
5 广州地区盾构施工的典型实例
(1) 一号线黄沙～ 公园前区间
该区间的南段黄沙～ 中山七路主要地质为第四系沉积层,并穿越珠江;北段中山七路～ 公园前主要为白垩系红砂岩地层。区间施工采用两台泥水加压盾构,设计总推力33 000 kN , 额定扭矩2 500 kNm , 最大扭矩3 700 kNm , 开口率25 % ; 配备滚刀12 把,仿形刀2 把,刮刀138 把,预割刀72 把,中心刀8 把; 主机采用铰接结构。工程穿越的特征地层为淤泥层、富水沙层、红砂岩土层。工程施工承包商为日本青木,施工过程基本顺利,但一直受到刀盘泥饼问题的困扰;由于刀具配置问题,盾构在中风化的岩层中掘进速度非常缓慢,只有正常速度的四分之一。施工中曾出现地层泥土流失过多造成房屋倒塌的事故。
这个工程的重要意义在于第一次在广州地铁施工中采用盾构,并发挥了盾构在安全和效率上的优势。其中取得的经验教训为以后盾构在广州地铁中的推广应用积累了经验。
表1 不同地质要求的盾构配置状况
(2) 二号线越秀～ 三元里区间
该区间主要为白垩系红砂岩地层,其间穿越走马岗断裂。区间隧道施工采用两台土压平衡式盾构。盾构设计总推力33 000 kN , 盾构刀盘部分重55 t , 几乎是一号线盾构刀盘重量的两倍,刀盘开口率28 % ; 配备可更换齿刀的双刃滚刀13 把,仿形刀1 把,小齿刀64 把,刮刀8 把,中心刀6 把;刀盘驱动采用全液压设计,额定扭矩4 500 kNm , 最大扭矩5 300 kNm , 大大超过了一号线盾构的水平。
该盾构的其他先进之处还有:大直径(D900) 的螺旋输送机;全液压驱动的高速管片安装机,6 个自由度;符合欧洲安全标准的加压仓,设计工作压力3 ×105 Pa ;VM T SL S -T 激光自动导向系统;可靠的铰接密封系统,三道亚紧密封加一道紧急密封;高速同步注浆系统;碴土改良系统以及先进的SIMENSI 中央控制系统等。工程施工比较顺利,在全风化的地层中盾构达到了设计的掘进速度,由于配备了良好的碴土改良系统,施工人员最担心的刀盘结成泥饼的情况非常轻微;在微风化的较硬岩层中,盾构掘进也到达了30 mm/ min 的平均速度。该工程创造了广州地铁施工的数个第一:日最高掘进速度第一(30 m) ;月最高掘进速度第一(405 m) 等;月平均掘进速度第一(230 m) 。最终隧道提前两个月贯通,工程取得成功。
