盾构选型

㈠土压平衡盾构
土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉 土、粉砂层等黏稠土壤的施工，在黏性土层中掘进时，由 刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出，在螺 旋输送机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面 土层处于稳定。盾构向前推进的同时，螺旋输送机排土， 使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。 排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以 控制。 当含沙量超过某一限度时，泥土的流塑性明显变差， 土仓内土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送需向 土体内注入水、泡沫、泥浆等材料，以改善土体流塑性。 在砂性土层中施工时，由于砂性土流动性差，砂土摩擦性 大、渗透系数高、地下水丰富等原因，图仓内压力不易稳 定，须进行渣土改良。
根据以上的原理，土压平衡盾构主要分为两种：一种 是适用于含水量和粒度组成比较适中，开挖面土砂可直接 流入土仓及螺旋输送机内，从而维持开挖面稳定的土压式 盾构；另一种是对应于沙砾含量较多而不具有流动性的土 质，需通过水、泡沫、泥浆等添加材料使泥土压力可以很 好的传递到开挖面的加泥式土压平衡盾构。 土压平衡盾构根据土压力的状况进行开挖和推进，通过 检查土仓压力不但可以控制开挖面的稳定性，还可以减少 对周围地基的影响。土压平衡盾构一般不需要实施辅助方 法。
4）盾构选型时必须考虑的特殊因素
在实际实施盾构选型时，还需解决理论的合理性与实际 的可能性之间的矛盾。必须考虑环保、地质和安全因素。 ①环保因素 对泥水盾构而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序， 可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过汽车等 工具运输弃渣，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒 仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形 成了使用泥水盾构的一大困难。 要将弃土泥浆处理成可以作为固体物料运输的程度也是 可以实现的，但是做到这点会出现以下问题：
盾构选型时，应根据以上原则，对盾构的形式和主要 技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全和可靠， 选择最佳的盾构施工方法和最适宜的盾构。盾构选型是盾 构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施 工质量、施工工艺及施工成本，为保证工程的顺利完成， 对盾构的选型工作应非常慎重。
（二）盾构选型的依据
盾构选型时主要遵循一下原则： ①应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施 工安全的要求； ②安全适应性、技术先进性与经济性相统一，在安全可靠的 情况下，考虑技术先进性与经济合理性； ③满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件； ④满足安全、质量、工期、造价及环保要求； ⑤后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进 速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和 易于维护保养的特点； ⑥盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。
（二）盾构选型的主要方法
1）根据底层的渗透系数进行选型 地层渗透系数对于盾构的选型是 一个很重要的因素。通常当地层的 渗透系数小于 107 m/s时，可以选 用土压平衡盾构；当地层的渗透系 数在107 ~ 104 m/s之间时，即可以 选用土压平衡盾构也可以选用泥水 式盾构；当地层的渗水系数大于104 m/s时，宜选用泥水盾构。根据地 层渗透系数与盾构类型的关系，若 地层以各种级配富水的沙层、沙砾 层为主时，宜选用泥水盾构；其他 地层宜选用土压平衡盾构，如右图 所示。
③安全因素
从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，当隧 道断面较大时，使用泥水盾构要比使用土压平衡盾构的效 果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物与构 筑物下及上软下硬的地层中施工时。
四、盾构形式的选择
在选择盾构形式时，最重要的是要以保 持开挖面稳定为基点进行选择。为了选择 合适的盾构形式，除对土质条件、地下水 进行调查以外，还要对用地环境、竖井周 围环境、安全性、经济性进行充分考虑。 下面就对各种不同的盾构形式分别进行 分析说明。
三、盾构选型的主要步骤与方法
㈠盾构选型的主要步骤
①在对工程地质、水文地质、周围环境、工期要求、经济性 等充分研究的基础上选定盾构的类型；对敞开式、闭胸式 盾构进行比选。 ②在确定选用闭胸式盾构后，根据地层的渗透系数、颗粒级 配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等 因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。 ③根据详细的地址勘探资料，对地质各主要功能部件进行选 择和设计（如刀盘驱动形式、刀盘结构形式、开口率等）， 并根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。盾构的主要 技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径、 刀盘开口率、刀盘转速等。 ④根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套设 备
盾构选型时的主要依据如下： ●工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布，单轴抗 压强度，含水率，砾石直径，液限和塑限，N值，粘聚力c， 内摩擦角φ，土粒子相对密度，孔隙率和孔隙比，地层反 力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数， 地下水位（最高、最低、平均），地下水的流速、流向， 河床变迁情况等； ●隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数； ●周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深 及分布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况、 施工场地条件，气候条件，水电供应情况等； ●隧道施工工程筹划及节点工期要求； ●宜用的辅助工法； ●技术经济比较。
（一）盾构的分类 盾构的类型是指与特定的盾构施工环境，特别是与特 定的基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构的 种类。 软土盾构 根据施工环境 硬岩掘进机 复合盾构 软土盾构是指用于未固结成岩的软土、某些半固结成 岩及全风化和强风化围岩条件下的一类盾构。软土盾构的 主要特点是刀盘仅安装切削软土用的切刀和刮刀，无需滚 刀。 硬岩掘进机，即通常所说的TBM，主要用于山岭隧道。 复合盾构是指既适用于软土，又适用于硬岩的一类盾 构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层施工。复合盾 构的主要特点是刀盘既安装有用于软土切削的切刀和刮刀， 又安装有破碎硬岩的滚刀，或安装有破碎砂卵石和漂石的 撕裂刀。
㈡泥水盾构
泥水盾构通过施加略高于开挖面水土压力的泥浆压力 来维持开挖面的稳定。除泥浆压力外，合理的选择泥浆的 状态也可增加开挖面的稳定性。泥水盾构比较适合于河底、 江底等高水压条件下的隧道施工。 泥水盾构使用送排泥泵通过管道从地面直接向开挖面 进行送排泥，开挖面完全封闭，具有高安全性和良好的施 工环境，既不对围岩产生过大的压力也不会收到围岩压力 的反压，对周围地基影响较小，一般不需辅助施工。特别 是在开挖面较大时，抗拒地表沉降方面优于土压平衡盾构。 泥水盾构适用于冲积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层 以及含水率高开挖面不稳定的地层，洪积形成的砂砾、砂、 粉砂、黏土层以及含水率很高固结松散易于发生涌水破坏 的地层。但是，对于难以维持开挖面稳定性的高透水地层、 砾石地层，有时也要考虑采用辅助工法。
☆处理设备贵，增加工程投资； ☆用来安装这些处理设备需要的场地较大； ☆处理时间较长。
②工程地质因素
盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质和 工程地质特性的多变方面，在一个盾构施工段中，会出现 某部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，某些又适合选 用泥水盾构。盾构选型时要综合考虑并对不同选择进行风 险分析后择其优者。
二、盾构选型的原则与依据
（一）盾构选型的原则 盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、 快速建成的关键工作之一，盾构选型应从安全适应性、技 术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构形式要 能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件， 同时还要综合考虑一下因素： 1）可以合理使用的辅助施工法，如降水法、气压法、 冻结法和注浆法等； 2）满足本工程隧道施工长度和线形的要求； 3）后配套设备、始发设施等能与盾构的开挖能力配 套； 4）盾构的工作环境。
（三）盾构的操作模式 盾构的操作模式是指在一定型的基础上，根据特定的盾 构施工环境，盾构所采用的最有效的“出渣进料”操作方 式。操作模式是盾构在施工过程中采用的一种操作方式。 如复合式土压平衡盾构的操作模式可分为敞开式、半敞开 式（气压式）、闭胸式（土压平衡模式）三种。 （四）盾构的形式 盾构的形式涉及盾构的型和操作模式。 不论是适用于单一软土地层的软土盾构，还是适用于复 杂地层的复合盾构，都包含有土压平衡盾构和泥水盾构两 种机型。 盾构的型是指盾构的类型与机型，是在施工前决定的； 而操作模式则是在施工过程中根据具体的施工环境由操作 人员实时决策的。
㈢其他盾构
除土压平衡盾构和泥水盾构外，还有手掘式盾构、半 机械式盾构、机械式盾构以及挤压式盾构等类型。这些类 型由于含有各种不同的缺陷，如半机械式盾构仅适用于开 挖面可以自稳的围岩条件，对于软弱的冲积层是不适合 的 ，目前均已基本被淘汰。
五、刀盘结构形式和驱动方式的选择
⑴刀盘的主要功能
◆开挖功能。刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对 掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土通过刀盘的开口进 入土仓。 ◆稳定功能。支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能。 ◆搅拌功能。对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的渣土进行 搅拌，使渣土具有一定的塑性，然后通过螺旋搅拌机将渣 土排出；对于泥水盾构，通过到盘的旋转搅拌作用，将切 削下来的渣土与膨润土泥浆充分混合，优化了泥水压力的 控制，改善了泥浆的均匀性，然后通过排泥管道将开挖渣 土以流体的形式泵送到设在地面上的泥水分离站。
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一、概述 二、盾构选型的原则与依据 三、盾构选型的主要步骤与方法 四、盾构形式的选择 五、刀盘结构形式和驱动方式的选择 六、主要技术参数的计算
• 盾构法是建造地下隧道最先进的施工方法之一，自从1825 年布鲁诺尔在英国泰晤士河下首次使用手掘敞开式矩形盾 构技术开挖出第一条隧道以来，经历了180多年的应用与 发展，目前，盾构法已能适用于任何水文地质条件下的施 工，包括松软、坚硬、有地下水和无地下水等地下暗挖隧 道工程。 • 盾构是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地 下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的。不同于其 他设备，盾构的核心技术不仅是设备本身的机电工业设计， 还在于设备如何适用于各类工程地质。盾构施工的成功率， 主要取决于盾构的选型，决定于盾构是否适应现场的施工 环境，盾构的选型正确与否直接决定着盾构施工的成败。