成都地层是世界罕见的富水砂卵石含大漂石地层，以地下水位高、卵石含量多及硬度大、漂石含量高且局部密集成群著称，盾构施工难度大、风险高。

为了研究盾构法施工在富水砂卵石地层中的适应性问题，成都地铁1号线一期工程4个盾构合同段分别采用1台泥水平衡盾构和7台土压平衡盾构施工。不同类型盾构的使用，为后续地铁工程的施工积累了丰富的经验。

1）泥水平衡盾构的适应性

①泥水平衡盾构采用面板式刀盘，控制进入泥水舱的卵石粒径，对开挖面起到一定的支撑作用，具备良好的稳定地层能力；泥水平衡盾构提高了刀盘、刀具的耐磨损性能，具备长距离掘进的能力。

②在砂卵石地层中，由于卵石是移动的，无法为刀具破岩提供足够的反力，卵石从剥离开挖面到被破碎费时较多，加剧了刀具的磨损，进而造成刀盘和刀座的磨损。在施工过程中，施工单位多次进行了刀座的修复（图2-12）。

图2-12　修复刀盘刀座

③地层渗透系数是盾构适应性分析的一个重要因素。当地层的渗透系数＜10-7 m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层渗透系数为10-7～10-4 m/s时，可以选用土压平衡盾构或者泥水平衡盾构；当地层渗透系数＞10-4 m/s时，应该选用泥水平衡盾构。泥水平衡盾构需要设置泥水管理和处理设备，占用施工场地大，影响交通，且对周围环境污染严重。同时，泥水平衡盾构在砂卵石地层中掘进较困难，尤其是很难处理大粒径砂卵石，容易导致刀盘被卡、掌子面坍塌；而土压平衡盾构可以较好地处理大粒径的砂卵石，可以降低发生故障的概率，避免坍塌。隧道沿线穿越成都市较繁华地带，地面交通设施与建筑物较多，交通繁忙，难以布设庞大泥水处理设施。

由于碎石机在砂卵石地层中的使用强度远远超过其他地层，施工中碎石机的润滑系统、密封系统以及钢结构等多次受到不同程度的损坏。

2）土压平衡盾构的适应性

土压平衡盾构不受出渣限制，掘进速度快，维护方便，使用成本较低。从成都地铁1号线一期工程使用效果看，使用土压平衡盾构施工主要存在以下问题：

①刀盘均为面板式结构，开口率在25%～28%。由于刀盘采用中心支撑方式，刀盘中心部位无开口，在泥岩中掘进时易形成泥饼，造成中心刀具磨损严重。刀盘开口率相对较小，不利于卵石顺利进舱，造成卵石需多次破碎，增大了对刀盘面板的磨损，另外，刀盘轮缘磨损比较严重。

②刀具主要采用单刃滚刀破岩，由于卵石随着刀盘的转动而移动，卵石破碎比较困难，加剧了刀具的磨损和异常损坏。

③螺旋输送机采用双螺旋设计，可以有效避免富水地层掘进时的喷涌现象。由于隧道埋深浅，水压较低，大多数标段只保留了1号螺旋输送机，未再安装2号螺旋输送机。另外，1号螺旋机仅前端1/3段焊接了耐磨块，造成螺旋叶片磨损严重，施工中多次进行了螺旋机叶片的修复。

3）掘进效果对比

泥水平衡盾构自2007年1月21日始发，2009年2月3日贯通，累计掘进1 883 m，单月最高掘进196.5 m，月平均掘进仅80 m，施工面临着很大的困难。(www.daowen.com)

土压平衡盾构2007年9月8日始发，经历桐梓林站、倪家桥站两次过站，提前半年实现了左线隧道贯通，于2008年9月3日到达省体育馆站，这是成都地铁1号线首条贯通的盾构隧道。土压平衡盾构累计掘进2 327 m，最高日掘进24 m、周掘进118.5 m、月掘进357 m，平均月进度237 m，大大高于150 m/mon的设计要求。

从地表沉降监测数据分析，泥水平衡盾构地表沉降控制效果比土压平衡盾构好，在通过重要建（构）筑物时安全可靠性较高。

经济指标比较：泥水平衡盾构功率高于土压平衡盾构，还需配置专门的泥水处理设备，要求有足够大的场地面积，施工投入大。本项目泥水平衡盾构每米掘进成本比土压盾构约高38%。

4）设备性能对比

①刀盘设计：两台盾构均采用面板式刀盘，对开挖面起到了良好的支撑作用，开口率为28%～30%。刀盘总体使用效果较好，耐磨性需要进一步提高。

②刀具选型及磨耗：泥水平衡盾构配置6把双刃中心滚刀、13把双刃正滚刀、64把小齿刀、16把刮刀，土压平衡盾构配置4把双刃中心滚刀、32把单刃滚刀、28把宽齿刀、8把刮刀。泥水平衡盾构利用泥浆携渣、护壁，更有利于保护刀具，但实际上泥水平衡盾构刀具消耗远大于土压平衡盾构，主要原因是排渣效率低，卵石不能顺利进入泥水舱，在刀盘前方反复破碎，增加了刀具的磨损破坏。

③刀盘驱动扭矩：泥水盾构刀盘驱动扭矩为3 050 kN·m，脱困扭矩为3 500 kN·m。由于砂卵石地层渗透性强，泥浆极易冒出地面，开挖面坍塌的卵石堵满泥水舱，由于刀盘脱困扭矩明显不足，刀盘被卡难以转动，只能加固地层后人工清舱，大大降低了掘进效率。土压平衡盾构刀盘扭矩为6 000 kN·m，脱困扭矩达到7 150 kN·m，施工中未发生刀盘被卡现象。

④排渣效率：从统计数据看，泥水平衡盾构每环掘进时间只有40～60 min，由于砂卵石地层排渣效率低，每环出渣时间一般耗时2.5～3.5 h，甚至为5～7 h。施工中不断调整泥浆配比，并增加了排渣泵，但是效果一直不甚理想。土压平衡盾构采用螺旋机出渣，最大出土量达285 m3/h，每环掘进时间为40～60 min，掘进效率较高。

5）盾构选型建议

经过实践对比，土压平衡盾构较适应富水砂卵石地层的施工，盾构选型建议如下：

①卵石以排为主，破碎为辅。刀盘采用中间支撑方式、辐条加小面板式结构，刀盘开口率在35%左右，同时加大刀盘中心部位的开口率。采用直径为900 mm轴式螺旋输送机，节距为630 mm，螺旋带高度为340 mm，可以直接排放大部分的卵石。预留二级螺旋机接口，分段设置检查窗口，以便及时检查修复磨损的螺旋机叶片。

②卵石不破碎，直接排放。采用辐条式刀盘，开口率在65%左右，采用带式螺旋机排渣。日本在这方面成功经验较多，但成都地铁地下水位较高，带式螺旋机不易形成土塞效应，实际效果还有待验证。

③刀盘、螺旋机的耐磨性能必须在1号线的基础上大幅提高。

从成都地铁1号的施工实践对比得知，土压平衡盾构相较于泥水平衡盾构更加适应于成都的富水砂卵石地层的施工。但是通过分析，土压平衡盾构也存在诸多不适应现象，且会造成各种施工问题，这些施工问题对盾构设计提出了新的要求。