福州轨道交通2号线施工与盾构机选型设计

福州轨道交通2号线施工与盾构机选型设计
文章介绍了福州轨道交通2号线的工程概况，分析了沿线地质条件和施工难点，提出了盾构机选型设计方案，对盾构机穿越闽江、乌龙江和可能存在的孤石等问题提出了相应的施工建议。

标签：盾构机；福州轨道交通；地铁施工；盾构机选型
1 工程项目概况
按照国家发改委批准的《福州市城市快速轨道交通建设规划》（2009～2016），福州市将在2016年前先后建设1号线、2号线，总长55.3km，在中心城区形成1、2号线“十”字形主骨架，有效地支持了城市“东扩南进”的发展战略。

2号线路工程全长约29.574km，均为地下敷设，沿城市东西向发展副轴布置，共设车站22座，西起闽侯县苏洋村，东至晋安区鼓山镇，途径上街大学城片区、金山工业区、金山居住区、闽江北岸商务中心区、鼓楼成熟建成区及晋安区东部鼓山片区，连接中心城以及被闽江、乌龙江分割的金山地区、闽侯地区，与城市“东扩、沿江”的发展方向相吻合。

福州市轨道交通2号线工程示意图，如图1所示。

2 盾构施工难点
2号线路工程地质条件普遍复杂，基本位于冲淤积平原地貌，全线淤泥等软土发育，过乌龙江和闽江以及众多内河，砂层分布普遍，饱和砂土有液化现象，沿线多为商业和居民密集区，周边环境敏感；管线迁改及交通疏解困难。

2.1 穿越闽江、乌龙江等多处河流及内河
福州地铁2号线隧洞要穿越近400m宽的闽江河床，闽江地质情况复杂。

闽江水之下的地质主要以一些砂层为主。

河沙的主要成分就是石英，在盾构机掘进过程中，刀具与石英摩擦时磨损大。

闽江段，盾构穿越地层有17中等风化花岗岩、32中砂、52细砂、82中砂、83淤泥质土夹薄层粉砂、少量砂夹淤泥。

在残积土或者岩层当中，通过气压或者常压的方式可以到土仓里换刀具，但若过江砂层里换刀的话，工作难度相当大，风险高。

（1）容易导致刀盘前方及其上部的软弱失稳、塌方。

（2）避免江中停机换刀。

（3）容易导致盾尾漏浆。

（4）注意切口水压，平衡开挖面的水土压力，维持开挖面的稳定。

2.2 施工下穿多处建（构）筑物
线路沿线下穿沙堤桥、林洲路桥、轮船港、五里亭立交、晋安河桥、浦东河桥、凤坂河桥、磨洋河桥等多处桥梁，市区建筑物众多，需要下穿大量多层房屋建筑，并需托换桥桩基础。

上洋～鼓山区间和出入段线四线下穿温福高铁和三环高架桥，需要认真研究具体的保护措施和应急方案，保证铁路运输安全。

2.3 穿越繁华商业区
2号线沿线经过大学城、金山片区、闽江北岸商务中心区、鼓楼成熟建成区，市区道路狭窄，车站大多位于城市主干道或交通密集的重要道路下方，比如国宾大道、金祥路、荷塘路、福马路等区域性干道，需要保证施工期间的交通顺畅和居民出行需求。

国宾大道沿线有埋深较深的污水管，车站附属结构局部有冲突需采取保护措施，南门兜站附近有110kV高压电缆，其它管线迁改工作量大，需认真研究管线迁改方案，确保站位的可实施性。

施工期间尽量减少对周边企业、居民的生产、生活用电、用气、用水的影响。

3 盾构机选型设计
3.1 盾构机选型
工程区间隧道穿越范围内的土层隧道掘进范围内涉及的岩土层主要为淤泥类和砂类地层，局部个别工点有粘性土及风化岩地层；软土地层大范围分布，隧道范围内比例有78.8%。

根据盾构推进的长度、施工场地条件、建设工期、设备利用经济性等因素综合考虑，2号线工程一共有21段盾构区间（含下院出入段线），考虑用20台盾构施工，平均单台盾构掘进长度约2.1km。

2号线主要采用土压平衡（复合式，EPB）盾构机，过乌龙江和闽江段区间以及穿越重要的地面建构筑物段采用泥水平衡盾构，局部需要磨桩穿越的区间采用复合盾构。

3.2 主要技术参数
3.2.1 EPB盾构机总体设计范围及主要尺寸
盾构外径：φ6480mm；盾体长度：约9475mm
总长度包括后配套：约76m；总重量包括后配套：约450t
最小曲线半径：250m
3.2.2 其他技术参数
最大掘进速率：8cm/min
平均掘进速率：3.5cm/min；管片宽度：1200mm
管片重量：约48kN
刀盘驱动：变频电机驱动，（装备动力：90kW×10）
刀盘转速：0.3～3.05rpm；刀盘扭矩最大：7320kN-m
盾构机推进系统
总推力：41，600kN（单位面积推力：1，281kN/m2）；推进油缸数量：1，300kN×32根
最大推进速度：8.0cm/min
铰接装置：总推力31，800kN；铰接油缸数量：2，650kN×12根
铰接操作：全方向（上下、左右、倾斜方向）
螺旋出渣机驱动
驱动形式：液压驱动方式（装备动力：110kW）
排土量：320m3/h（最大排出粒径：φ300mm×600mm）
直径：φ850mm（带轴式螺旋机）
转速：0.6～16rpm
驱动扭矩：常用最大：154kN.m；脱困时最大：202kN.m
管片拼装装置
形式：环形齿轮
操作方式：无线遥控操作
转动速度：高速：1.5r/min；低速：0.2r/min
盾构机核心零部件如刀盘轴承、刀盘驱动系统减速机、重要的传感器（比如土压力传感器，浆液压力和流量传感器）、密封件（盾尾密封、铰接密封、主轴承密封）等选用国际上先进的成熟产品。

为了满足福州轨道交通2号线的施工要求，盾构机刀盘驱动功率大（900kW），螺旋输送机直径大（φ850mm），可以破碎和排出较大的石块（300mm×600mm）。

4 特殊地质条件下的施工对策
4.1 对沿线建、构筑物影响的控制措施
工程沿线分布有较多建（构）筑物，还需多次穿越高铁、桥梁桩基础、建筑物基础、河流及堤岸基础，道路两侧及各交叉路口存在埋藏较深的各类非开挖管线等，因此在盾构施工时可采取如下措施：
（1）随时调整盾构施工参数，确保土舱（泥水舱）压力稳定，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的塌落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于桩基上的横向力。

（2）采用同步注浆，减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此而产生的对桩基的负摩阻力。

（3）施工中采用信息化施工，加强监测，包括对建（构）筑物的变形、沉降的监测，如发生较大变形，在隧道内管片上全断面设置注浆管，在加强同步注浆的同时根据监测数据及时进行壁后注浆以及二次补压浆，保证施工期间建筑物的安全。

（4）在淤泥、软土地段施工时，要注意盾构机的姿态控制，防止盾构机扣头。

4.2 盾构机破碎孤石
（1）由于孤石的影响，盾构施工过程中可能出现的主要问题有：刀具磨损严重、刀座变形、更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏、刀盘堵塞、盾构负载加大；被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至导致盾构转向，偏离隧道轴线等。

（2）孤石能否被盾构机成功破碎，需满足两个条件：一是盾构提供足够的切削力；二是在孤石被刀具破碎过程中，周边土体不能产生破坏，即孤石不能移动。

我们在盾构机选型设计时充分考虑了这些因素。

4.3 孤石预处理方法
根据孤石破碎情况的预测，对不能够通过盾构机破除的孤石可采取预处理措施：
（1）对孤石周边风化土层进行地面或洞内预加固，以提供盾构机破岩和人工破岩的条件。

（2）洞内静态爆破或火药爆破孤石。

（3）地面钻孔爆破或冲孔破除孤石。

（4）压气作业条件下人工破除孤石，破除时可采用岩石分裂机等设备。

4.4 盾构机穿越闽江（乌龙江）的对策
盾构过江虽然以快速通过为原则，但并非盲目地加快速度掘进。

泥水盾构除取决于自身的掘进能力（总推力与扭矩）外，还与背填注浆能力以及环流系统的能力有关，如若背填注浆能力跟不上盾构掘进的速度，则管片的背填注浆量不足，如若环流系统的能力跟不上盾构掘进的速度，则刀盘切削下来的碴土进入泥水仓后，无法及时地通过泥浆管路运送到地面，将造成泥水仓堵塞和管路堵塞，泥水仓压力产生瞬间高压，对开挖面土体产生扰动，容易引起开挖面地坍塌。

因此，掘进速度必须在确保注浆质量和保持环流系统畅通的前提下逐渐加快。

在过江段，以确保开挖面稳定为原则，提倡盾构机均速前进，保持环流系统畅通。

本工程过江段的掘进速度一般控制在20～25mm/min左右为宜。

参考文献
[1]福州市轨道交通2号线工程[R].岩土工程勘察报告，2014.
[2]尹旅超，朱振宏，李玉珍，等译.日本隧道盾构新技术[M].武汉：华中理工大学出版社，1999.
[3]竺维彬，鞠世键.复合地层中的盾构施工技术[M].中国科学技术出版社，2006.。