广州地铁复合地层盾构技术

1前言广州地铁复合地层盾构技术原作者：许少辉竺维彬袁敏正

1997年10月，广州地铁一号线采用的3台盾构机在广州复合地层中成功修

建了8.9km地铁隧道，结束了当时能否在广州市区复合地层中使用盾构法修建地铁隧道的争论，使盾构法在广州的地位得以确立，并为1999年以后广州地铁二

号线、三号线、四号线大幅度采用盾构技术修建地铁隧道奠定了基础。至今，在广州使用盾构法已修建地铁隧道约80km（见表1）。在此过程中大量技术难题的

处理着实为在复合地层的盾构施工积累了宝贵的经验。

2广州地区复合地层的概念与特点

广州地区复合地层最重要的特点是工程范围内的岩性变化频繁，物理力学特性差异大，基岩风化界面起伏大，断层破碎带分布密集，含水量差异明显。具体表现为：同一里程隧道横断面表现为上下或左右软硬不均，在隧道纵剖面上表现为软硬相间，其中隧道断面地层的复合特性，对盾构施工的影响尤为明显。盾构隧道埋深一般在l0～30m，隧道断面及上覆的地层从地表至下依次为：上部：第四纪软土层，主要由杂填土、流塑～软塑淤泥层和富含水砂层组成。

中部：第四纪残积层，该层是沉积岩、岩浆岩、变质岩等三大母岩地层风化后残积形成，可塑、硬塑～半固结状态粘土和砂质、砾质粘性土。

下部：大部分地区是由不同风化程度的白垩系砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量泥灰岩组成；少部分是由不同风化程度花岗岩或花岗片麻岩及混合花岗岩组

成。

2.1根据施工实践，对盾构机掘进有不利影响的典型工程地质和水文地质

2.1.1残积土的粘土以及泥岩类岩石经研磨后形成的粉粒状矿物质，在受压、受热、受湿环境条件下，会在刀盘表面或土仓内形成泥饼。

2.1.2上软下硬或上硬下软的不均匀地层难以全天候进行动态平衡控制，易导致顶部坍塌。

2.1.3软硬地层突变及花岗岩地区的球状风化体，会使刀

盘变形和刀具崩裂（见图1）。

2.1.4富水断裂带和岩石破碎带等地层会导致螺旋输送

机出土口涌水涌砂，造成施工困难；

2.1.5过江河或砂层、淤泥层，易失水和扰动引发大的沉

降；

2.1.6土压平衡状态施工遇到石英含量的地层时，刀具磨损严重。

3盾构机对复合地层适应性的因素研究

就目前盾构技术的发展水平，企图制造出完全适应类似广州地区复合地层掘进的盾构机的想法是不现实的，所以，广州地铁多年的探索实践和总结，归纳出以下若干问题很值得在今后盾构机的设计和制造方面加以重视和研究，以提高盾构机对复合地层的适应性。

3.1设计寿命

盾构机设计寿命的提高对复合地层中盾构机的掘进施工影响较大，区别于单一均质地层，在复合地层中的最大不同点是，盾构机本身在设计上就必须考虑到对付千差万别地层变化。设计寿命作为一个反映盾构机综合性能的重要指标，其寿命的长短将直接关系到其应付各种地质条件的可行性和安全性。例如，在广州地铁使用引进的盾构机当中，部分按主轴承4000h、掘进3km使用寿命设计的盾构机所表现的对付不同性质地层的掘进能力明显不如那些按主轴承10000h、掘进10km使用寿命设计的盾构机。为了保证10km的使用寿命，盾构厂家主要在钢结构的强度和主轴承密封系统进行了明显的优化。

3.1.1主轴承等密封系统的优化：目前使用的维尔特盾构机主轴承密封和铰接密封是非常独特和高度可靠的，主轴承密封系统通过油脂连续流动保护密封性能，

密封系统由5道专门为隧道开挖应用而

设计的迷宫密封和唇型密封组成（见图

2）。

3.1.2刀盘等钢结构强度的优化：通过增

加刀盘厚度（450mm），刀盘总重量（由

原来的32t到48t再到目前57t），刀盘的周边面板焊接有格栅状的和Hardox耐磨

材料，充分保证刀盘在岩层掘进时的刚度和耐磨性能。盾构每把刀具能承受25t

的压力，使刀盘刀具标准破岩强度可达到200MPa以上。

3.2主要技术参数

盾构机的推力和扭矩取多大合适，一直是研究的重点。对于同一个项目，不

同的制造商或承包商给出的盾构机主要参数，如刀盘转速和相应的扭矩相差甚远，这表明：不同的制造商对同一地区的地质条件的理解和认识明显不同。事实上，依据于地质特征的盾构机参数计算模式的局限性是显然的，目前还无法用一

个或几个数学模型来准确模拟开挖介质，即千变万化的广州地质特征。广州的盾

构施工实践已经把类似地质条件、同直径（约6m）隧道对盾构机主要技术参数，如最大推力、额定扭矩等，提出了明确的要求。

3.2.1总推力：盾构机掘进所需推力的大小一方面受限于掘进速度的要求，另一

方面受限于隧道管片的承受力，33000～35000kN的设计推力可以满足要求。

3.2.2刀盘扭矩：从额定扭矩为3500kNm、4360kNm、5800kNm等不同盾构机施

工中的不同表现来看，4500kNm的折衷选择是合理又经济的；广州的盾构掘进

表明，设计时就考虑最大扭矩（脱困扭矩），将更有利于应付难以预计的实际情况。

3.2.3刀盘转速：至于刀盘的转速，已经应用盾构机刀盘转速从0～1rpm、0～3rpm、0～6rpm不等，并由“有极

调速”优化为“无极调速”。

3.3刀盘开口和刀具的配置

选择刀具配置，应充分

研究刀具的均衡性原理各种

刀具的破岩机理（见图3），

除考虑各种刀具的轨迹覆盖整个刀盘面外，刀具的组合形式、刀具的高度及高度差等性能或指标也很重要。

3.3.1刀具的型式和超前量：刀具配备型式必须统筹兼顾全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层，还要考虑随着不同开挖面性状，灵活地变化刀具组合，有利于防止泥饼的形成和破除。（例

如，某区间盾构机滚刀高出盘面175mm，刮刀高出盘

面140mm，二者高差35mm的设计，对一度困扰广州

地铁盾构施工的难题——泥饼的形成，起到良好的抑

制作用（见图4））。同时，进行相同位置不同刀具的互

换性研究，以便掘进过程中便捷地拆装更换刀具。

为了提高推进速度，减小刀具的磨损或破坏，施工中强化对工作面地质条件的研究和预测，根据不同的地层，及时更换与地层相适应的刀具，已经成为复合地层盾构施工的重要手段。

3.3.2刀盘的开口率在加强刀盘结构强度和刚度的同时，地铁二、三、四号线刀盘的开口率较一号线提高了5％～15％。尤其是对中心部位开口率进行改进和提高，对防止结泥饼起了明显的作用。

3.4螺旋输送机的功能优化

3.4.1结构型式的改变：在广州曾经使用过两种结构型式的螺旋输送机。其一是中空的带式螺旋，这种螺旋结构便于出土，但在防止喷涌方面效果不好；其二是中心轴螺旋，这种螺旋结构在实际应用中对开挖面的稳定和防止出土口喷涌等方面更有效，更适合于掘进富水断层或穿越河涌。

3.4.2叶轮的外缘耐磨性能的提高：螺旋输送机表面的耐磨性能的提高十分重要。例如在某区间，以土塞段为分界线，土塞段前部的螺旋带外焊接40mm厚的HARDOX-500耐磨钢板，土塞段以后的螺旋带外焊接20mm厚的HARDOX-500 耐磨钢板，对螺旋输送机起到了良好的保护作用。

3.4.3功能的加强：螺旋输送器直径从Ф750增加到中Φ900，扭矩由60-90kN·m，增加220kN·m，、以满足快速掘进的要求。

3.5渣土改良设备

在类似广州地层盾构施工过程中必须进行渣土改良，这一点已经逐渐成为施