西安地铁施工盾构选型分析

1 盾构类型的选择
盾构选型主要依据工程地质及水文地质、区 间隧道设计及施工条件、施工规范及相关标准， 结合工程的特点和难点对盾构类型、驱动方式、 功能要求、主要参数、辅设配置等进行研究，从 安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性等方 面综合考虑。
西安市轨道交通二号线试验段工程张家堡 站 －尤家庄站地处渭河二级阶地，地形平坦开阔， 拟采用盾构法施工。盾构区间左线长 １ ４５０．７５ｍ， 右线长 １ ４５０．６ｍ；隧道埋深 １３．６～２１．６ｍ。
盾构区间穿越的地层主要为黄土、古壤土、 砂性土，盾构在地下水位以下施工，且新黄土和 砂性土渗透系数较大，因此不宜使用敞开的手掘 式盾构或半机械式盾构，宜使用密闭型的土压平 衡盾构或泥水加压平衡盾构。
1.1 盾构类型与颗粒级配的关系 盾构类型与颗粒级配的关系详见图 １。图中
右边区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构 适用的颗粒级配范围；左边区域为砾石粗砂区， 为泥水盾构适用的颗粒级配范围；中间区域为细 砂区域，两种盾构都能适用。本工程穿越地层主 要为黄土、古壤土、砂性土，细颗粒含量多，碴 土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个 部位，在土仓中可以建立压力平衡开挖面土体， 较适宜采用土压平衡盾构。
地层中可能存在文物，在试验段施工中采用 盾构法的关键是应事先探明文物情况，在盾构设 计时充分考虑能监测地下文物，以便采取相应的 施工措施对地下文物进行有效保护。
采用机械式文物探查装置或地质探测雷达， 在盾构开挖期间能超前探测盾构前方及周围可能 存在的文物或不良地质等。 3.5 同步注浆技术
采用盾尾单液同步注浆系统分四路进行注 浆，及时均匀填充盾尾间隙，防止地面沉降。注 浆压力、流量能在注浆控制面板和操作室面板上 实时显示。同步注浆系统可实现自动和手动调节 两种控制方式。注浆量由可与盾构掘进速度自动 进行同步调整注浆量的机构来控制。为防止注浆 管路堵塞，设置了注浆管路清洗装置，注浆后可 以直接对注浆管路进行清洗。即使万一注浆管路 发生堵塞，还设置了供维修的检查口。
螺旋输送机的螺旋叶片和外护筒的内表面焊 有耐磨层，耐磨板可以更换，并设计检修口，可 方便地对外护筒、螺旋叶片进行维修。同时在螺 旋输送机外壳上装有 ２ 个添加剂注入口和 １ 个排 土闸门，螺旋输送机通过液压马达可按照顺时针 或逆时针方向旋转。顺时针方向用于排土，逆时 针方向用于堵塞时的清理。螺旋输送机的转速是 可变的。螺旋输送机出土量可根据土仓的土压力 自动调节，也可进行手动操作。当出现停电时， 通过盾构控制室内的手动阀可以紧急关闭螺旋输 送机的排土门。在土仓隔板上安装有螺旋输送机 的安全门，用于将螺旋输送机和开挖土仓隔离。 在螺旋输送机的排土闸门处留有安装保压泵的法 兰接口。这种泵专为碴土输送而研制，在即将到 达富含水层之前，将皮带机移走，在螺旋输送机 出碴口安装保压泵，直接将土排至碴车内运出， 见图 ３。 3.3 碴土的改良技术
用户篇
盾 构 工 程
西安地铁施工盾构选型分析
陈 馈
（中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 ４７１００９）
［摘 要］针对西安市轨道交通二号线的地质特征，即黄土的高粘性、湿陷性及砂性土的高磨耗性、高透水 性，提出了相应的盾构选型结论及盾构的设计特点。
［关键词］轨道交通；盾构；土压平衡；辐条式刀盘 ［中图分类号］Ｕ４５５．３＋９ ［文献标识码］Ｂ ［文章编号］１００１－１３６６（２００６）０９－００３４－０３
辐条式刀
盘（图 ２）仅有
几根辐条，土、
砂流动顺畅，有
利于防止粘土
附着，不易粘结
和堵塞；由于没
有面板的阻挡， 碴土从开挖面
图 2 辐条式刀盘
进入土仓时没有土压力的衰减，开挖面土压 ＝ 测
量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效
地控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。在
黄土、古壤土、砂性土等地层施工时，宜选择辐
建筑机械化 ２００６（０９） ３５
用户篇
盾 构 工 程
联接，能双向旋转。 在辐条式刀盘上配置先行刀、切刀、周边刮
刀、中心鱼尾刀，所有刀具采用超硬的硬质合金 材料制成。高耐磨刀具可以确保区间隧道连续掘 进而不需要换刀。切刀配备有磨损检测系统，可 在操作室控制面板上显示磨损数据，圆形辐条有 利于开挖面上的碴土向土仓流动，从而最大限度 地降低刀具和刀盘的磨损。在两根辐条上配备有 仿形刀，用于盾构在曲线段施工以及进行盾构姿 态的纠偏。 3.2 适用于砂性土地层的施工
试验段的部分地段穿越富水砂层地段，砂性 地层的高磨损性和高透水性，需进行盾构的耐磨 设计和采取措施防止喷涌。
由于砂性地层石英含量大，盾构与碴土接触 的部件应具有高耐磨性，对刀盘、刀具、螺旋机 等进行耐磨设计。在辐条式刀盘上，配备高耐磨 的重型碳化钨合金钢先行刀和切刀，刀盘的外周 配置耐磨刮刀，在不同区域的切刀上配置刀具磨 损检测装置。
（编辑 羌荣生）
［收稿日期］２００６－０６－２３ ［作者简介］陈 馈（１９６３－），男，湖南新化人，高级工程师，国
家一级建造师，盾构研发项目部副经理，现从事国家“８６３”计划 全断面隧道掘进机的研究工作，洛阳市道北陵园东路 ３ 号．
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动力，传动效率比液压传动高，一般在 ９５％，热
平衡性能好，噪声低，经综合评价，宜采用变频
驱动。
3 地质适应性设计
3.1 适用于黄土地层的施工 盾构穿越的主要地层为黄土、古壤土、砂性
土，且大部分为黄土层地段，黄土的粘着性、湿 陷性对盾构的适用性要求高。
针对黄土地层所具有的高粘着性、湿陷性特 点，刀盘及刀具的设计有防泥饼的针对性措施， 能防止粘土在刀盘中心及土仓壁粘结；采用辐条 式刀盘和圆柱断面辐条来减轻开挖土体搅拌时的 摩擦阻力，使开挖土碴流动顺畅，能有效地防止 刀盘堵塞；采用辐条式刀盘能进行有效的土压管 理，能防止因黄土的湿陷性而出现地面沉降。辐 条式刀盘由中心轮毂、外周环和 ６ 根辐条构成， 材质为 Ｓ２５Ｃ，刀盘与驱动部分用中间支承方式
条式刀盘。
2.2 刀盘驱动方式的选择
驱动方式有三种，一是变频电机驱动，二是
液压驱动，三是定速电机驱动。鉴于定速电机驱
动刀盘转速不能调节，一般不采用。
液压驱动通过电机→液压泵→液压马达进行
动力传送，其传动效率约在 ６５％～７０％，且液压
驱动不仅效率低，而且噪声大、功耗大、发热大，
使隧道内温度高。变频驱动由变频电机直接传送
2 刀盘及驱动的选择
2.1 刀盘结构形式的选择 刀盘有面板式和辐条式两种，泥水盾构一般
采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可 采用面板式或辐条式。
面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进 入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的 影响，开挖面土压≠测量土压，因而土压管理困 难；由于受面板开口率的影响，碴土进入土仓不 顺畅、易粘结和堵塞，且刀具负荷大，寿命短。 在粘土层施工时，则由于刀盘支承将土仓分隔成 两个区域，中心区域内的土体流动较差，当土体 逐渐增多并最终形成泥饼时，会完全丧失流动 性，造成出土不畅、阻力增大、开挖面压力控制 不稳定，对控制地面沉降不利。
从地质条件来看，本工程可使用土压平衡盾 构和泥水平衡盾构。但泥水盾构对粘土的分离较 困难，施工成本高，因此本工程最适宜采用土压 平衡盾构施工。 1.3 选型结论
与土压平衡盾构相比，泥水盾构的造价要高 出 ２０％～３０％；且泥水盾构需要长距离的送排泥 泵，需在地面设置泥水分离站，导致能耗大幅度 增加。同时粘性土分离困难，分离成本大，泥水 盾构在施工中需要有一套完备的泥水处理系统与 之配套，施工场地占地大，且易导致对环境的污 染。经综合对比分析，选用土压平衡盾构最适合 西安的地质，能确保安全、优质、高效、经济地 完成区间隧道工程施工。
土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴 土，为维持土仓内土压力的稳定和碴土的排出，
图 3 在富水地层防喷涌的保压泵
在刀盘、土仓壁及螺旋输送机等部位设有添加剂 注入管路和注入口，用以对碴土进行改良。添加 剂注入系统能自动调节注入量，并可手动控制流 量。在刀盘中心部位和辐条的两个位置设有防止 管路及注入口堵塞的装置，并且通过液压油可以 方便地对所有的添加剂管路及注入口进行清洗。 在粘性黄土段掘进时，一般加入减粘剂；在砂性 土掘进时，一般注入膨润土或泡沫。 3.4 文物探测技术
Analysis on selection of metro construction shield machine in XiÕan
ＣＨＥＮ Ｋｕｉ
盾构是集机、电、液、控于一体的地下隧道 工程机械，具有安全、快速、自动化程度高、对 环境影响小、实现工厂化作业的优点，在城市隧 道施工中被大量采用。盾构作为盾构法施工的大 型专用机械设备，其选型正确与否，无论是对于 盾构施工的技术水平，还是对于盾构施工的成本 和效益，均起着举足轻重的关键作用。因此，应 高度重视盾构的选型工作。
图 1 盾构类型与颗粒级配的关系
1.2 盾构类型与地层类别的关系 土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质粘土、
淤泥质粉土、粉砂层等粘稠土壤的施工，在粘性 土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓
３４ ２００６（０９） ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ 机输出，在螺旋机内形成压力递降，保 持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。
泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力 进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆） 作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水 室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通 过该泥膜保持水压力，以平衡作用于开挖面的土 压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地 面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水 进行质量调整，再输送到开挖面。