盾构选型

盾构选型

盾构选型包括盾构机选型与衬砌选型两个方面。

1.盾构的种类与选型

盾构机是一种用钢板作成圆筒形结构的活动支撑,是通过软弱、含水地层,特别在海底、河底、城市内修建隧道的一种施工机械。在盾构的支护下,可安全地进行掘进和衬砌。盾构施工法是使用盾构机在地下掘进,边防止开挖面土砂崩塌边在机内安全地进行开挖作业和衬砌作业从而构筑成隧道的施工方法。因此,盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。一般地,按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为敞式、半开敞式及密封式三种。密封式又可分为泥水加压式盾构和土压平衡式盾构。

泥水加压式盾构,是在切削刀盘后方设隔墙将盾构封闭起来,压力泥水送入此隔墙与掌子面之间的所谓泥水室,用泥水压力形成承压面,以抵抗地层水压,防止开挖面的塌方。用切削刀盘进行开挖,切削下来的砂土经搅拌机搅拌成泥浆,由泥浆泵经排泥管道抽出,输送到地面泥水处理场。一面切削,一面用千斤顶向前推进盾体,至一个衬砌管片宽度时,用盾尾拼装机进行管片安装。泥水加压盾构有盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态及刀具磨耗等确点,还需要较大的泥水处理场地。泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高,含水砂层,粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质,使用效果较好。泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。根据日本的实践,在砂层中进行大断面、长距离推进

的盾构机,大多采用泥水加压式盾构机。实践证明,掘进断面越大,用泥水加压式盾构机的效果越好。泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外,还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。

土压平衡盾构是在切削刀架及螺旋输送机内部充填的土砂所产生的压力与开挖面的土压保持平衡。施工中一边掘进,一边控制推进千斤顶推力、推进速度、刀盘和螺旋输送机回转扭矩、速度以及闸门千斤顶的开口度,使之不断与开挖面的土压保持平衡。有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。根据土层的稠度,有时不需要水或只需要加很少量的水。通过搅拌装置在开挖室内的搅拌,即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。

盾构机的种类很多,施工时盾构机的选择是否合适,直接影响到工程的经济性、安全性以及可靠性等。影响盾构机选择的因素主要有土质条件(土的强度、软硬程度、土的颗粒级配、石英的含量、是否含有砂砾和大卵石等)、地下水的含量、隧道长度和线形、后续设备与盾构机的配套能力、工作环境以及有无辅助工法等。盾构机的合理选择要保证开挖面的稳定性,要具有良好的掘进性能,要结合衬砌的类型防止渗漏和坍塌,而且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。另外,以盾构机选型为核心的整个系统的经济性也是不可忽视的。图1表示了以盾构选型为核心的各因素的影响关系及其相互作用。

图1.盾构选型各因素的影响及其相互作用关系图

2.盾构施工法的衬砌形式与选型

盾构施工法的衬砌形式很多,除了传统的铸铁管片、钢筋混凝土管片、钢管片外,还有挤压混凝土衬砌(ECL)、现浇混凝土衬砌、喷射混凝土衬砌、喷射钢纤维混凝土衬砌、楔形衬砌块等。钢筋混凝土管片有一定的强度,加工制作比较容易,耐腐蚀,造价低,因而使用比较广泛,但比较笨重,运输安装过程中边缘易碰损。在日本,球墨铸铁管片的应用仅次于钢筋混凝土管片。它的强度高、延性好,质量轻、搬运方便,安装速度快、精度高防水性能好,一般不需作二次衬砌,可减少隧道的开挖量,但管片造价高,目前只用于地下水多、土质恶劣的部位。挤压混凝土衬砌(ECL)是利用盾构机进行开挖,在盾构尾部浇注混

凝土,使其形成衬砌。这种施工方法是在施工过程中使用加压的现浇混凝土进行填充,使之与地层紧密结合,省去了填充注浆,减少了地表沉降。加压可使混凝土密实,提高了混凝土的强度和自防水性能。该法使用范围广,衬砌质量高,且能降低施工费用,缩短工期。在这方面应研究流动性好、强度高的钢纤维混凝土。在此基础上开发PC-ECL 工法,即使用预制混凝土内框的掘削、作衬砌同时施工的工法。该工法的优点是合成衬砌强度高、止水性好,洞内无组装钢筋工序、工期短。现浇混凝土衬砌是在环形模板(壳)与围岩之间填注混凝土,待混凝土达到所需强度后,推进油缸可以以结硬混凝土为支座向前推进盾构。但此法要求围岩的稳定性比较好。喷射混凝土衬砌是在盾构推进后及时喷射混凝土支护。在城市地铁潜埋暗挖施工法中为了保护开挖面的稳定和减少地表沉降,要求隧道开挖后“强支护、紧封闭”。可以将此思想与盾构施工相结合,开发短型盾构机,使之长度与直径之比(L/D)应≤1.0,这样从盾构机的运输、安装、到位以及推进过程的调整与转向都比较灵活。

盾构施工法的衬砌形式很多,选择时应考虑盾构机的类型、隧道的断面的形状、地层条件、土层的自稳能力、土体与衬砌的相互作用、隧道埋深等。还与隧道的用途有关,比如引水隧洞,内部存在水压力,要考虑衬砌对内外向的弯矩均有足够的刚度。

另外,无论采用哪种形式的混凝土衬砌,都不应该忽视混凝土的强度和质量。目前高性能混凝土在建筑和桥梁上已经得到应用,今后应组织力量开展在隧道与地下工程中应用高性能混凝土的研究、提高

混凝土的耐久性。

图2(结合图1)表示了一些因素对衬砌选择的影响关系。

图2.盾构隧道衬砌选择