不同地层条件下的盾构与TBM选型(王梦恕).

1不同地层条件下的盾构与TBM选型中国工程院院士王梦恕北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing2目前可选用的盾构与TBM型式盾构设计和施工应重视的几个新动向不同地层应选择不同类型的盾构不同地层应选择不同的刀盘结构公路隧道盾构的直径确定TBM的考虑隧道支护型式选择主要介绍内容3一、目前可选用的盾构与TBM型式1．盾构技术的发展盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；（2）以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；（4）以大直径、大推力、大扭矩、多样化为特色的第四代盾构。42．盾构类型全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构半开敞式盾构：挤压式盾构闭胸式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构3．TBM类型开敞式TBM—软硬地层均可护盾式TBM（半护盾式）—灵敏系数1.0，调向困难；不能及时支护、易塌方5Brunel盾构伦敦Blackwall盾构隧道原始盾构6网格式盾构插刀盾构开敞式盾构7辐条式盾构面板式盾构闭胸式盾构8复合式盾构9荷兰Φ14.87泥水盾构易北河盾构Φ14.5m大直径盾构10开敞式TBM护盾式TBM114.TBM掘进两个创新点开敞式TBM具有两大特点1.灵敏度高、长度/直径≤1，易精确调方向可在±30mm内。2.能够及时对不良地层进行及时支护，时空效应好，不易塌方。3.该机型又被工程实践所证实。4.结论：开敞式TBM既适用于硬岩，也很适用于软岩地层，已在大伙房供水工地87公里长推广应用。5.评为国家科技进步二等奖（2005年）。12双护盾、单护盾TBM具有两大缺点1.灵敏度低，很难精确快速调整到位。2.由于后盾较长，不易及时支护，易塌方，如台湾平林隧道。3.造价高，是开敞式TBM的1.3倍。4.结论：由于两大缺点，建议取消这种类型的TBM。13二、盾构设计和施工应重视的几个新动向盾构分为有刀盘和无刀盘两大类一、无刀盘盾构无刀盘盾构称为开敞式简易盾构，人可以站在平台上进行地层开挖1.开敞网格式用于地层自稳较差，但降排水后还能自稳。将工作面用网格结构支撑，盾构刃脚插入地层0.5m左右，起超前支护作用。141516172.开敞正台格栅一般分为3个台阶,人可直立工作。5.插刀式盾构，单臂掘进机开挖，地层较好，无水处采用。3.CD开敞格栅式4.双CD开敞格栅式181920(二)、无刀盘开敞式后部衬砌支护形式1.管片式2.压缩混凝土式：边推进边压缩混凝土(三)、无刀盘开敞式适用范围1.水少之地，地层较能自稳。2.降水后砂卵石地层，如成都地铁、沈阳部分区段地铁，降水后的黄土地层，如西安地铁。3.性价比好，易国产化，造价比有刀盘便宜一半以上。21二、有刀盘盾构有刀盘盾构是指靠土压、泥水压、局部气压稳定工作面的盾构。(一)有刀盘盾构分类1．士压平衡式盾构。2．泥水平衡式盾构。3．泥水加局部气压平衡式盾构22(二)刀盘类型和设计刀盘是盾构设计的关键技术，对隧道不同地层应及时设计和调整刀盘的开口率和布刀方式。1.盘形刀盘：指硬岩地层，开口率仅在30％左右。靠刀盘压紧地层进行稳定，土压力、泥水压力仅部分稳定工作面。2.辐条式刀盘：由于盾构所穿地层松软，扭矩较大、推力小、土压、泥水压易平衡工作面，应予推广。对刀盘刀具的磨耗也小。3.无水、少水之地不利于刀盘的寿命，应改为无刀盘盾构。4.适应范围：在流沙、富水及不稳定的地层中应用，但不能包打天下。因性价比差，不易国产化，但必须走向国产化，可在南方地铁及不稳定地层中应用。江河水底隧道应用。23三、不同地层应选择不同类型的盾构1.少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构北京地铁刀具磨损严重少水或无水地层，地层具有较好的自稳性，降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒对刀盘刀具磨损也很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。242.土压平衡盾构不是全能的，应同时考虑选用泥水盾构与土压盾构泥水盾构土压盾构25（1）土压平衡盾构的考虑不稳定的粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机。在含水的黄土地层，有时不需要水或只需要加很少量的水，通过搅拌形成塑性好的泥浆将刀盘全部糊死。该地层不适合土压平衡盾构，应采用降水配合开敞式网格盾构。（2）泥水加压盾构的考虑(a)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。(b)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。26(c)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。(d)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。(e)泥水加压盾构存在盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态等缺点，还需要较大的泥水处理场地。27四、不同地层应选择不同的刀盘类型（1）开口面板式刀盘（2）辐条式刀盘28刀盘形式比较项目面板式幅条式备注开挖面水土压控制一般存在三个压力：P1：开挖面～面板之间；P2：面板开口进出口之间；P3：面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制。砂、土适应性（粒径＜15cm）由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞。仅有几根幅条，同时幅条后均设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞。北京西三环向东四环内地层粒径大致如此。砂卵石适应性（粒径＞15cm）适应性强，必要时可加滚刀。不能加滚刀，刀头形式及数量较少。刀盘扭矩刀盘扭矩阻力大，需增加设备能力，造价高。刀盘扭矩阻力小，设备造价低隧道内刀头更换安全性由于有面板，在隧道内更换刀头时安全可靠。在隧道内更换刀头时安全性差，加固土体费用高。由于是城市隧道，每段长度有限，可避免隧道内更换刀头。刀盘特性比较29五、水底公路隧道盾构直径的确定（1）双向4车道Φ11.4m左右的盾构安全风险最小国内外成功的水底公路隧道盾构直径多在Φ11.4m左右，实践证明，制造、施工及运营风险较小；较经济（1.2亿元/台）。（2）双向6车道Φ15m左右的盾构风险较大盾构制造成本很高，价格昂贵（3～3.5亿元/台）；盾构掘进压力平衡不易控制，施工风险大；管理、运营风险较大；埋深加大，纵坡不利；空间浪费，约80m2左右。30六、TBM的选择考虑（1）开敞式TBM适应软硬地层开敞式TBM转向控制灵活、对地层能及时支护。开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护，在磨沟岭砂页岩含水软弱地层中实现了日掘进快支护41.3m和月掘进快支护574m快速施工水平，平均进尺232m/月。在TBM上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，而且在确定刀间距、推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上，能适应软岩、硬岩的切削特性。（2）半护盾、全护盾不适应软岩地层护盾式TBM转向不灵活、控制较为困难软弱破碎地层不能及时支护31七、支护型式的考虑1.管片衬砌广泛应用于软土地层盾构隧道的支护管片接头部位是防水薄弱环节，应研究接头型式及防水材料管片形状及分块型式管片厚度及钢筋配置与地层压力的关系32管片衬砌管片332.喷混凝土衬砌应用于开敞式TBM隧道，能及时支护，很好地适应软弱破碎围岩，在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了成功应用。喷锚支护情况343.压缩混凝土衬砌压缩混凝土衬砌（ECL——ExtrudedConcreteLining），就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。ECL工法的具有以下特点：ECL工法的筑造的衬砌质量高；ECL极大地抑制了地层沉降，无须降低地下水；采用全机械化施工，节省人员、安全性高，作业环境好；ECL工法采用一次衬砌，材料用量少；不需要同步注浆；施工阶段工序少，衬砌与拼装同步进行，加快了施工进度，缩短了工期35压缩混凝土衬砌60年代初在北京进行了1:5的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验，成功后，制造了Φ7.34m的压缩混凝土的网格式盾构，并进行了180m的掘进试验。36二次模筑薄管片4、薄管片+二次模筑=复合衬砌结构。该型式耐久性好，强度高，适于铁路隧道或重要通道。37盾构在北京地铁、广州地铁、深圳地铁、成都地铁、西安地铁、北京铁路地下直径线的教训：1、无水地段、降水不产生、少产生沉降的砂卵石地层不应采用土压平衡盾构，应改用无刀盘开敞式网格盾构。刀具、刀盘磨耗严重、大石头出不来，严重影响进度。2、盾构线路设在软土和弱风化岩交界面处，形成上软下硬，施工相当困难，选线标高应改，隧道最忌选在交界面标高，深圳最突出。383、泥水平衡盾构在稳定工作面方面优于土压平衡盾构，气垫式泥水平衡盾构最好。土压平衡盾构泥土不可能在全断面形成压力，造成下沉量增大。如右图所示：4、土压平衡盾构刀盘应采用幅条式；泥水平衡盾构可采用面板式，TBM必须采用面板式。5、管片衬砌寿命年限只有30~40年，不是永久衬砌，应增设二次模筑混凝土衬砌，增大盾构直径。396、小直径盾构的开发应配合采用压缩混凝土衬砌，这也是共同沟的发展方向。7、大直径盾构不是方向，将导致人为增加风险，长距离掘进（＞2km）条件下，深埋盾构施工是发展方向（如琼州海峡隧道）。8、TBM掘进机不是盾构，两者原理、构造相差很大。开敞式TBM可以通过各种围岩，而双护盾（单护盾）TBM有很多局限性，不能采用，建议今后不予生产，卡死现象很多，（如台湾雪山隧道、中国引大济秦遂洞、入黄入晋工程、昆明掌鸣河隧洞等），且造价很高，铁路隧道论证后已取消应用。409、科学发展观反映在工程建设中的四大错误：1、不合理工期；2、不合理造价；3、不合理合同；4、不合理施工方案。（如：双向六车道盾构法施工的方案是错误的。）41