浅谈盾构机设备选型及使用效果

浅谈盾构机设备选型及使用效果

作者：胡瑞

来源：《装饰装修天地》2016年第08期

摘要：盾构施工技术具有高效、安全、优质等优点，在隧道与地下工程的掘进中应用越来越广泛。盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，在选型过程中既要考虑地层条件，还需要堪虑到盾构机本身的设计、各部件的配置以及盾构对地层条件的适应性。本文详细介绍了盾构的种类与组成、盾构选型的原则以及一些实际的使用情况。

关键词：盾构施工技术；盾构机；选型；使用效果

引言

随着我国在土木工程领域的不断发展，现已经进入了地下空间的开发和利用的时代。随着地下工程安全、快速开挖的需要和科学技术水平的提高，盾构机技术在我国得到了快速的发展。盾构机是盾构施工中的主要施工机械，主要用于开挖地下通道工程的大型高科技施工设备，具有开挖快、优质、安全、有利于保护环境和劳动强度低等优点。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它是使用盾构机在地下掘进，并能有效防止软基开挖面崩塌和保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖控制和衬砌作业。本文对盾构机在使用时的选型及使用效果进行简要论述。

一、盾构机工作原理和主要构造

盾构机的基本工作原理是一个圆形、矩形或其它异型的钢组件沿隧道设计轴线进行全断面切削、出渣、衬砌等作业，使隧道一次成型，施工高效、优质、安全。

二、盾构的选型

1.盾构的组成与种类

盾构施工法由盾构机挖掘、稳定开挖面和衬砌三大要素组成。盾构机的构造主要由开挖机构、护盾、推进机构、排土机构、衬砌机构及辅助机构等部分组成。开挖机构主要由刀盘及其支承装置组成；常归护盾一般由切口环、支撑环和盾尾三部分组成；排土机构主要有螺旋输送机（或泥浆泵、泥浆管路）、皮带输送机组成；推进机构主要由泵、液压千斤顶等组成；衬砌机构主要是管片拼装机；辅助机构包括壁后注浆装置、辅助加水（或加泥、泡沫、聚合物）、导向测量及控制装置等。

盾构机按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和密封式；按开挖方式可分为手掘式、挤压式和机械式（刀盘旋转切削）；按开挖面稳定和密封方式可分为泥水式和土压式。不同形式的盾构设备对应不同的施工工法，各有特点，在施工时如果选错了盾构机型和工

法，不但会影响施工进度，而且还会发生开挖面坍塌、地层沉降和塌陷、涌水等危险。盾构选型既包括整机类型的确定问题，又包括各部件的配置问题，还包括与辅助工法相配合使用的问题。

1.1泥水加压式盾构是在刀盘后方设隔板将盾构封闭起来，压力泥水送入气垫舱与掌子面之间的泥水室，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。用刀盘进行开挖，切削下来的砂土或岩石经破碎机进行破碎，并与泥水搅拌混合成泥浆，由泥浆泵经排泥管道抽出，输送到地面泥浆处理场。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，用盾尾内的拼装机进行管片安装。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、粘土以及冲积层和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、控制开挖面稳定、减少刀具磨损、对周围土体影响小、适应长距离推进、施工机械化程度高等优点。泥水加压盾构存在难以确认开挖面状态和需要面积较大的泥水处理场地等缺点。

1.2土压平衡盾构是在土仓及螺旋输送机内部充填渣土，所产生的压力与开挖面的土压、水压保持平衡，以保证地面建筑物的稳定。施工中一边掘进，一边控制推进千斤顶推力、推进速度、调节刀盘和螺旋输送机回转扭矩、速度以及出渣闸门的开口度，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较适合使用土压平衡式盾构机的土层。通过注入泡沫或膨润土等添加剂，并通过搅拌装置进行有效搅拌，即使十分粘着的土层也能变成塑性好的渣土。

1.3敞开式TBM主要适应于硬岩，掘进机支撑板撑紧洞壁以承受刀盘掘进时传来的反作用、反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，一组盘形滚刀切入岩石，在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起，岩碴靠自重经溜渣槽落入皮带机出碴，这样连续掘进成洞。在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力。

2.盾构选型的原则

盾构机的种类很多，施工时对盾构机进行合理的选择，可以保证工程的经济性、安全性以及可靠性。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，土的颗粒级别、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。盾构机的合理选择既要保证开挖面的稳定性、减小对地层的扰动和地面变形，又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。盾构选型时一般应注意以下问题：

2.1以开挖面稳定为核心，盾构选型应在充分把握地层条件的基础上进行，同时应考虑对周围环境的影响。比如地层变形的许可程度、有无地下构筑物等；

2.2应考虑土的塑性、渗透系数等，这对开挖面稳定非常重要。塑性直接影响土的顺畅排出，地层透水性太高，地下水则可能通过开挖腔室和螺旋输送机内的废渣流入隧道；

2.3应考虑土层的粒径分布，一般都采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层。总的来说，粒径大时宜采用泥水盾构，粒径小时宜采用土压盾构；

2.4应考虑地下水的含量及水压，这往往要与土的塑性及透水性结合考虑，高水压、高渗透性的情况是非常不利的。这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型；

2.5应视地层中有无砂砾和大卵石，这直接影响到土的渗透性、刀盘刀具的损耗、刀盘开挖时对地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎方式及其排出；

2.6隧道的线形和转弯半径也是应考虑的因素，盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。一般情况下，长度与直径之比（L/D）应不大于1.0；

2.7盾构选型时，必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。必要时同时配置切削刀和滚刀，形成盾构和TBM 的混合刀盘；

2.8刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关，采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力，从而减轻主轴承的负荷。

三、盾构机发展方向及应用

1.土压平衡盾构的系列化。土压平衡盾构机是一种先进的适用于各种软土地层掘进机。结合各城市的不同工程地质水文条件，设计制造各种型号的土压平衡盾构，可以根据需求快速响应将会是今后一段时期的主要目标。

2.异型断面盾构机的研究。矩形、马蹄形、椭圆形等盾构是适应不同用途隧道而开发研究的。异型盾构的技术难点在于刀盘的构造，目前国外采用较多的是偏心多轴式刀盘。结合不同的隧道工程断面要求，开发偏心多轴式土压盾构，可减少工程成本、充分利用隧道断面。

3.双圆盾构。我国的地铁隧道采用单圆双线施工，采用双圆盾构进行施工将解决后续隧道和先行隧道的干扰问题。

四、结束语

盾构机在隧道施工中具有诸多优点，为了能更好地发挥这些优势，隧道施工方法以及盾构机及其配置的合理选择就显得尤为重要。

参考文献：