一、三号线概况

三号线共计34个盾构区间，总掘进里程74.94 km，分为6个标段，其中3201标2个盾构区间，3202标6个盾构区间，3203标4个盾构区间，3204标8个盾构区间，3205标8个盾构区间，3206标5个盾构区间。共计划投入66台盾构机，其中50台土压盾构机，10台泥水盾构机以及6台泥水-土压双模式盾构机。

三号线工程大体上呈南北走向，北部和中部线路以软弱地层为主，主要以淤泥、粉细砂、中粗砂层为主，伴有粉质黏土、强风化粉砂岩或泥质粉砂岩，偶见中分化带和极少微风化带侵入。南部存在礌岗断裂带。因断裂带成长和发育原因，区间隧道存在基岩侵入，部分区域石灰岩岩溶发育。白垩系（K）、古近系（E）沉积碎屑岩，局部区域（镇安—南海广场区间部分区段）揭露石炭系（C）石灰岩，长期剥蚀和风化堆积作用形成厚层风化岩和残积岩。孔隙比较大，受亲水矿物影响，具遇水易软化的特性，施工时若被水淹（浸），其承载力降低较明显。

佛山地区地下水丰富，承压地下水，古河道地下水汇集。风化岩透水性与基岩裂隙发育程度及其开放性有关，场地碎屑状或块状强风化岩裂隙发育，部分中等风化岩裂隙较发运，岩基裂隙赋存脉状分布的地下水。

二、盾构机的工程适应性原则

1.盾构机选型原则

盾构机的性能及其适应性是盾构施工成败的关键，必须选择能够最好与地质条件相匹配的盾构设备。盾构选型主要依据相关岩土工程勘察报告，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，根据联合体成员多年盾构施工经验总结，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则对盾构机进行选型。盾构机选型需满足以下几点要求：

（1）满足本项目复杂地质条件的要求，对有害气体、全断面硬岩、孤石、软硬不均地层分界面难以确定等不可预知事件有针对性措施，遭遇流沙和管涌时有应对措施，能确保施工安全。

（2）适应工程环境，确保工程安全，可针对不同区段、不同地质进行隧道施工，应尽可能选用同类盾构，实现盾构的灵活配置。

（3）盾构机配置应满足工期要求，推进速度快，一次无检修推进距离能够大于2 km。

（4）满足环境保护的要求，应尽量减少施工对周围土体的影响，掘进过程中能确保沿线建筑及市政管线的安全。

（5）施工占地少，特别是地面设施占地少，且能适应市区道路狭窄、建筑物密集、拆迁难度大等现实条件。

（6）必须满足盾构换刀的要求，同时换刀过程中必须确保人员的安全。

2.盾构选型的确定

土压平衡盾构机工作原理：将开挖的渣土进行泥土化处理，通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持工作面的稳定。与泥水盾构机不同的是，土压平衡盾构机切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土。土压平衡盾构机适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。

土压平衡盾构机分为两种，一种是土压式盾构机，另一种是加泥式土压平衡盾构。

土压式盾构机工作原理：将刀盘开挖的土砂充满土仓，由盾构机千斤顶推进加压，使土压作用于开挖工作面使其保持稳定。这种盾构机适用于仅需要切刀开挖且含砂量小的塑性流动性强的软黏土地层。

加泥式土压平衡盾构装备有各种压力送料装置、改良挖掘地质的性状等特点，通过添加膨润土、发泡剂等对渣土进行改良，以促进开挖渣土流动性。这种盾构机适用地层范围广，使用很多。针对本项目中的全断面灰岩地层，土压平衡盾构机比较适用。

泥水盾构的主要特点：泥水盾构适用于冲积形成的沙砾、砂、粉砂、黏土层、软固结的互层以及含水率高开挖面不稳定的地层。针对本项目中上软下硬的地层，泥水盾构比较适合。

土压/泥水双模盾构机的主要特点：双模盾构机主要针对在同一盾构区间地质情况差异较大，存在上软下硬、基岩凸起等地层变化复杂的地质条件。既能在软土地层中掘进，又在岩层以及上软下硬地层具备一定破岩能力，可以适用复杂地质条件。当土体自稳性较强时，可采用土压平衡模式，以降低施工成本，提高工效；当土体自稳性较差时，可采用泥水模式，以有效地控制地表沉降，确保隧道施工的质量、安全。泥水/土压双模式盾构机结合了土压和泥水盾构的设计理念与功能，融合泥水、土压两种模式，最广泛地适应复杂多变的复合地层，能最大程度地控制工程风险的同时实现优质高效掘进。

地层渗透性和水头压力的影响：根据盾构施工经验，如图16.1所示，当地层渗透系数小于10-7 cm/s时，宜选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7 cm/s和10-4 cm/s之间时，既可选用土压平衡盾构也可选用泥水平衡盾构。

图16.1　地层渗透系数与盾构选型关系示意图

地层颗粒级配的影响：颗粒级配和盾构机选型关系如图16.2所示。不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡盾构更适用于细颗粒地层，切削的渣土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。

图16.2　颗粒级配与盾构选型关系图

当地下水头压力大于0.3 MPa时，宜选用泥水平衡盾构。当采用土压平衡盾构时，应增加螺旋输送机长度，或采用二级螺旋输送机，或增加保压泵。

盾构设施系统配置应对掘进系统、主驱动系统、推进系统、出渣系统、渣土改良系统、泥水处理系统、管片吊运及拼装系统、同步注浆系统、润滑及密封系统、动力系统、数据采集及控制系统、导向系统等主要系统提出技术要求。

掘进系统应该满足结构强度、刚度和耐磨的要求，刀具配置能够适应地层变化，必要时能够预留检修、维护的空间和作业平台，根据实际需求配置刀盘及刀具磨损检测装置。

主驱动系统的型式应根据工程、水文地质条件和环境选择，驱动的最大推力和装配扭矩应根据地质条件、施工要求和驱动型式等确定。

推进系统应满足盾构推进、调向及管片安装要求。

出渣系统应能满足盾构顺利出渣的要求。

渣土改良系统的喷口应在刀盘前部、土舱隔板、螺旋输送机等处设置，满足改善渣土的流塑性和止水的要求。

管片吊运及拼装系统起吊运输抓举能力应与管片重量相匹配，管片拼装机应具有一定的灵活性和可靠性，管片拼装机应具有一定自由度。

同步注浆系统应综合考虑，根据注浆材料、注浆方式、注浆脂等选用确保注浆材料能够填充至盾尾空隙处，并容易维护管理的设备，注浆系统应配备二次注浆设备。

润滑及密封系统应能够满足主驱动、螺旋输送机、盾尾等关键部位的密封、润滑要求。

动力系统应能够为盾构掘进、出渣、管片运输及拼装、注浆、润滑及密封、控制系统、测量导向系统、通风及照明系统等提供相应的动力。

电气设备应具有良好的防水、防湿、防尘和防振性能，电气防护等级要求应不低于IP55，并设置在便于操作、检修和保养的地方。

盾构主要技术参数应包括开挖直径、盾体参数、盾构掘进系统参数、推进系统参数、主驱动参数、出渣能力、泥水环流系统参数、盾构润滑及密封系统参数、同步注浆系统参数、管片吊运及拼装系统参数、压缩空气系统参数、工业供水及冷却系统参数等。

盾构开挖直径应考虑刀盘外圈防磨板在磨损后仍能保证正确的开挖直径。

盾体长度应根据围岩条件、隧道线路、盾构型式、铰接装置，管片宽度、封顶块的插入方式等因素综合确定。盾构直径应根据衬砌环外直径、管片安装富余量、盾构结构形式、盾尾壳体厚度及修正蛇行时的最小余量确定。

刀盘型式应按适应地质条件、保证开挖面稳定、发挥其功能的原则设计；刀盘支承方式应根据盾构直径、地质条件、出渣方式等选定；刀盘直径应根据衬砌环外直径等确定；刀盘型式、开口率及尺寸应根据地质条件、开挖面稳定性及挖掘、出渣效率来确定；刀具的配置应根据地质条件、切削效果、出土状况与掘进速度选定；刀盘转速应根据地质条件、施工要求确定。

盾构推进设备应按盾构型式、开挖直径、工程地质和水文地质条件等选定参数，推力应满足克服各种推进阻力的要求；推进系统功率应考虑最大推力、最大推进速度与推进系统的效率。

主驱动扭矩应根据地质情况、盾构型式、刀盘结构、开挖直径来确定，应满足克服盾构正面土体抗剪力、渣土搅拌阻力、摩擦阻力、切削刀头轴向载荷、径向载荷引起的扭矩等；主驱动的转速范围应满足盾构正常掘进需求；主驱动功率应考虑刀盘额定扭矩、刀盘转速、主驱动系统的效率；主轴承密封最大承压能力应与最大水土工作压力相匹配。

土压式盾构的出渣系统参数确定时应考虑保持土仓内压力与开挖面土、水压力的平衡。螺旋输送机的出渣能力应与刀盘掘进速度相匹配，具备防喷涌的能力。

泥水式盾构送排泥装置应根据地质情况、推进速度、开挖面稳定性和渣土输送能力进行设计。(www.daowen.com)

盾构润滑及密封系统油泵压力、功率、流撮等参数应满足盾构各系统润滑及密封需求。

盾构的同步注浆能力应考虑每环管片的理论注浆量、每推进一环的最短时间、理论注浆能力、地层注入率和注浆泵效率。

管片吊运及拼装系统的起吊能力应与管片重量相匹配，管片拼装机各个自由度上的行程应满足管片准确、快速拼装需求。

三、三号线盾构机的适应性分析

三号线工程盾构区间实际投入盾构机66台次，其中土压平衡盾构机50台次，泥水-土压双模式盾构机6台次，泥水平衡盾构机10台次，其中土压平衡盾构机有4台次为双螺旋出渣方式盾构机。

结合佛山二号线和广州地铁七号线西延顺德段的工程实践经验，采用土压盾构需考虑管片上浮等质量问题。盾构机中心应该偏后，防止盾构机在静止状态下出现栽头情况。在三号线工程中，曾有3206-2标等区间出现盾构机栽头后难以纠偏的情况。

部分基岩突起段，施工单位在盾构机刀盘边缘区域配置大合金齿镶嵌滚刀，以增加滚刀破岩能力和抗冲击能力，保证盾构开挖直径。

三号线工程北段存在红层地层，刀盘结泥饼风险较大，施工单位在盾构机选型时，重点考虑刀盘中心开口率和刀盘中心部分渣土改良问题。新盾构采用6路或以上的刀盘面板单管单泵渣土改良喷口设计，旧盾构机多数考虑中心渣土改良系统的泡沫喷口和膨润土喷口单独设置的设计。实际施工中部分标段仍出现刀盘结泥饼相对严重，被动进仓清理泥饼问题。例如3206-1标罗村站—佛山西站区间是典型的红层地层，使用的辽宁三三S29400、S29500土压平衡盾构机，便出现上述难题。针对此问题，施工单位在使用分散剂浸泡刀盘效果不佳的情况下，进仓清理刀盘泥饼。

施工中，在隧道切口环上部存在3 m以上隔水层的有利条件下，可考虑采用气压辅助平衡方式进行土压盾构掘进施工。土压平衡盾构机采用气压辅助平衡方式施工，盾构设备配置上需考虑有效的压缩空气供给，如加大盾构设备上空压机的配置功率。另外，需重点考虑用于往开挖仓内加气的泡沫系统单向阀可靠性，防止开挖仓内液态物质反流堵塞刀盘中心部位泡沫系统的单向阀，使刀盘中心部位渣土改良管路失效，进而引起中心部位泥饼风险增大的情况。同时，开挖仓腰线部位土压传感器的灵敏性和可靠性需要保证，便于盾构司机判断土仓的气渣分界面。

三号线泥水盾构在上砂下泥岩地层中掘进中适应性不强，可通过线路调整避免这种地层，同时需增加刀盘和土仓里的冲刷系统，采石箱的进口和出口需考虑用开口的过渡桥连接。

四、旧盾构机的装备可靠性原则

盾构机的装备可靠性是指旧盾构机各系统在维修改造过程中，恢复的可靠性程度。在后续工程中提高盾构机完好率。

结合三号线工程的地质和水文条件，装备的可靠性重点考察：刀盘切削系统、刀盘主驱动系统、盾构机三大密封系统、管片背部填充系统等几方面。

刀盘、主驱动和三大密封系统，属于在隧道施工掘进过程中难以修复或需投入较大代价进行修复，且在掘进过程中对隧道安全和质量存在较大影响，需作为重点考察对象。

（1）刀盘钢结构的无损探伤审查评定原则：国家认证认可监督管理委员会授权机构 （CNAS或CMA）颁发的专业单位对刀盘面板主焊缝、牛腿焊缝进行超声波100%无损探伤检测。

（2）重新组装的盾构机要用新的高强螺栓，旧的螺栓需进行探伤或疲劳检测。

（3）主驱动密封系统的审查评定原则：主驱动密封系统分为单唇型NBR密封和多指型聚氨酯密封两种主驱动密封方式。

按照过往经验，对于单唇型NBR密封，盾构机若满足掘进里程累计达到3 km，或主轴承工作时间达到3 000 h中任一条的，须拆检盾构机主驱动系统的内外密封并测试检查合格；盾构机满足掘进里程累计达到5 km，或主轴承工作时间达到5 000 h中任一条的，须拆检盾构机主驱动系统并更换内外密封并测试检查合格。主驱动内外密封腔和齿轮腔气密性检测应按原厂家设计图纸要求进行，如原厂家未明确进行说明则可按标准为0.4 MPa，保压30 min，压降不超过10%的原则进行。

对于多指型聚氨酯密封，盾构机掘进4 km以内，需每个区间检查密封使用情况；掘进累计里程4 km以上且小于7 km，需更换密封；掘进在7 km以上，更换密封与密封环。多指型聚氨酯密封的气密性检测方式多采用压缩空气检测，日本系列盾构机（包括国内采用日本引进技术设计的盾构机）也采用油脂检测，其检测标准为在密封后侧加压0.1 MPa，保压30 min，压降不超过10%。

（4）盾构机铰接密封和盾尾刷审查原则：被动铰接密封需在每个新工程施工前予以更换；主动铰接密封原则上在铰接位置需设计有应急注入口，在紧急情况下可注入聚氨酯等类似介质组织铰接位置的泄露。每个工程前，主动铰接密封需进行检查，视情况予以更换。

盾尾刷的设置数量需根据地层水文地质条件设计，三号线工程大部分盾构机采用三道盾尾刷设计。盾尾刷的止水和耐磨存在矛盾取舍问题，如施工距离超过2 km，宜考虑最后一道盾尾刷采用钢板束型式，其他盾尾刷采用钢丝刷型式。每工程均需全部更换盾尾刷，且对盾尾的圆度进行测量，保证盾尾圆度在误差允许范围内。

管片背填充系统审查原则：盾构机在配备盾尾同步注浆的基础上，应配备双液二次注浆系统，并且二次注浆系统的布置应尽量靠近盾构主机。配置双液二次注浆系统的台车应预留尽量大的地方堆放二次注浆的材料。

五、三号线盾构机的可靠性分析

共出具25个预评审报告，共评审34台盾构机，预评审情况如表16.1。

表16.1　预评审情况表

续表

续表

旧盾构机预评审中存在的主要问题：

（1）刀盘超声波无损探伤检测报告缺失较多，刀盘无损探伤检测大多使用磁粉检测。

（2）旧盾构机在上一工程到达前50至100环掘进状态下的油样检测报告缺失较多，部分油品检测报告中没有铁谱、光谱、理化指标分析。

（3）人仓气密性检测评估报告缺失较多。

（4）主驱动检测评估报告缺失较多，主驱动检测未按标准执行。

（5）主机电机检测评估报告缺失较多。

（6）部分旧盾构机履历表真实性存在质疑。

从审查流程方案来看，普遍存在可靠性审查时间节点偏后的问题，部分可靠性检查项目须在工地完成盾构机井下组装后进行，其实施情况和效果由监理单位跟踪，存在盾构机安装调试时间拉长的风险。

大部分盾构机通过适应性和可靠性的专项审查和审查后整改，在区间应用和使用完好率方面能达到工程要求。

然而仍有部分标段盾构机存在问题，例如3205标段盾构机出现刀盘螺栓断裂，泥水盾构结泥饼风险且掌子面上部存在易塌落地层，导致施工进度缓慢。

3204标段盾构机采用土压-泥水双模式盾构，较原计划采用泥水盾构的掘进效率加快。说明双模式盾构应用范围较单模式盾构广。并联式泥水-土压双模式盾构可在较快时间完成模式转换，在渗透性高、风险性大的掘进区段采用泥水模式掘进，能有效控制沉降。而在其他区间地层组段中采用土压掘进，减少了泥水盾构的泥饼风险，提高掘进效率。3204标段还全国首创性地通过盾尾处冷冻管片的方式对盾尾刷进行更换。

六、小 结

目前佛山、广州、深圳三地地铁建设单位均对盾构机提出包括土仓可视化、人舱可视化、渣土计量、盾尾间隙自动测量等强制准入化要求，从技术角度来说，这些强制准入的系统，部分仍存在技术完善性和精度、可靠性等不足的特点，但从管理方面和推进中国整个盾构行业发展方面，确实做出了大胆的尝试。建议准入条件落实至未来新线，通过粤港澳大湾区三大主要城市在轨道交通方面的推动，使这些技术得以成熟和应用，推动盾构无人驾驶的产业革新，强化安全管控措施。

加强对新造和再制造盾构机适应性审查工作，重点监督租赁盾构机的可靠性评价。随着国内盾构机保有量扩大，盾构机租赁和再制造的案例提升，盾构机的适应性和可靠性评估越显重要。充分地评估、审查和论证，方能保证工程的质量、安全和工期需求。