盾构机的设计选型依据

盾构机的选型

盾构法以其具有较高的可靠性及对周边环境适应性强的特点而在国内外地铁建设中得到了广泛应用，盾构法涉及多门学科，专业性强，尤其是其施工过程完全是工厂化的流水作业，机械化、自动化程度高，其施工效率较其他方法非常明显的优势。在国内地铁工程中，我国上海市六十年代开始盾构法的试验研究工作，并随着城市建设的发展，特别是近几年来科学技术的进步，新技术、新工艺、新材料、新设备的发展广泛应用，盾构法施工技术也取得较大的发展，至今已使用过近五十余台盾构。配套施工技术也相应在逐步完善，工程规模和应用范围也相应扩大。

地铁施工条件复杂，涉及城市建筑、管线水网、交通环境、污染控制严格，盾构施工在城市地铁施工中越来越显出其无可比拟的优越性，但是城市施工的首先要保证的前提条件是，由施工造成的地面隆起和沉降不能超出限制标准，否则将破坏地面和其它建筑物，造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡的严重后果。这是城市施工和山岭隧道施工的根本区别，同时也是盾构施工首先需要解决的技术和组织问题。在围岩状况不佳的地质条件下，采用土压平衡和泥水式盾构开挖能起到保证安全的作用。

盾构施工，首先需要决定盾构机的类型，盾构的形式取决于地质条件。按结构模式盾构机分为泥水式盾构、敞开式、土压平衡式盾构、硬岩盾构四类。

敞开式盾构用于整个地层稳定，透水率低，涌水能够不采取其它辅助措施则能被控制的区段。

硬岩盾构用于硬度较大，且能够自稳、涌水不大的岩石地层开挖。

土压平衡盾构和泥水式盾构都是利用控制推进的速度和出料的速度来使推进所产生的压力同掌子面的压力相平衡，从而达到维持掌子面稳定，继而维持地面沉降和隆起在控制范围内的作用。这两类盾构的最大区别是泥水式盾构需要有昂贵的泥浆制备和分离设备，将泥浆通过管路注入到盾构机混合仓内，与开挖下来的碴土进行混合，通过泥浆泵将混合后的碴土抽出到地面以后进行分离处理，泥浆再循环利用。而土压平衡盾构则不需要进行分离处理，只是在涌水较大，但透水率不超过一定数值，掌子面不稳的地段才需要使用土压平衡开挖模式， 也不需要专门的分离设备进行碴土分离。

盾构设计选型的主要依据取决于如下几个因素：碴土的粘合系数，渗透系数。

盾构选型设计的一个重要依据，是碴土的渗透系数，按照盾构设计的理论，碴土的渗透

系数在10-7m/s以上，需要采用泥水式盾构才能够保证开挖时对水的控制，维持地层水的稳定，保证施工时对地面建筑影响最小，而在此数值以下，采用土压平衡式盾构才是可靠的。

按照广州越三期间的地质的情况，本标段构造裂隙和节理相对不发育，80%的地段埋置于岩层中，岩体大部分较完整，富水性较小，透水性较弱，可以选取具有敞开式开挖功能和土压平衡开挖的盾构机；但同时本标段有20%的洞体处在断裂带和土石混合层中，广从断裂带和走马岗断裂带富水性较好，施工时有可能发生突水现象，地层属冲击层和洪积砂层，为灰白、灰黄色中、粗砂，饱和、松散～中密，属强透水层，透水率在10-4m/s到10-6m/s之间，按照这个理论，必须要选取泥水式盾构才能满足这段地层开挖安全的要求，也即在同一标段中要满足上述两个方面的要求，盾构机的选型既要满足隧道主要地质状况的要求，同时也要能够顺利通过这种不稳定的强透水层。

按照德国海瑞克公司的经验和试验表明，通过添加材料的辅助工法可以改善碴土的性状，扩展土压平衡盾构的适应范围，透水率为10-4m/s的碴土同样可以使用土压平衡盾构进行开挖，而不至于使泥浆从出料口喷涌而出、大量损失地层水。从而解决这种复杂地层的盾构施工设备选型问题，既满足大部分整体性好的岩体的开挖，又能安全通过富水且透水率高的砂层。所以在本标段中选用土压平衡施盾构进行开挖，使用添加辅助材料的办法来进行处理。

添加材料有如下几种：膨润土、泡沫、水、阻水材料。

添加材料有如下作用：

1、可以减小刀盘切削的扭矩值，降低盾构施工能耗。

2、可以减小渣土对盾构机刀盘和其它金属材料的黏着性。

3、可以减小碴土的透水率。

在这些材料当中，泡沫具有其它材料不具备的很多优点:

1、密度低，同时不占碴土的体积，便于制备和运输。

2、比其它材料与碴土易于混合

3、化学制剂的含量低，有利于环境保护

4、不需要专门的分离设备来对泡沫进行分离，暴露在空气中后很快消失。

5、可以大幅度的降低刀盘、螺旋输送机等设备的磨损。

适合于土压平衡盾构开挖的碴土必须具有如下特性：

良好的塑性、低的透水率、良好的流动性。

对于开挖泡沫添加起着决定性的作用。泡沫添加的依据，根据岩土的分类计算泡沫的添

加量，添加泡沫有5大好处；出于对环境、安全的需要，欧洲在5年前已禁止使用膨润土。

盾构机设计需要考虑的5大因素：渗透系数、粘结系数、瓦斯防爆、地面沉降、开挖土质对人体和环境的影响。

通过我们对马德里现场几个工地的参观，我们发现，在三种不同的地质条件下，工地现场都采用了加注泡沫的办法，前两个工地属粗砂层和砂质岩，加注泡沫之后防水性能和碴土的流动性是比较好的，但我们没有拿到有关数据，只能是一些感性的认识。第三个工地因为碴土粘度太大，所以在加注泡沫的同时，也在加注水，防止刀盘粘结，形成泥饼。

地质情况千差万别，盾构机的选型和设计也是非常复杂的，这只是一个盾构机选型设计方案的个例，如有不当之处，欢迎指教商榷。