地铁盾构的选型和使用

1地铁盾构的选型及现场管理和使用一、概述1、概念盾构是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有主机和辅助设备，既能支承地层的压力，又能在地层中整体掘进，进行土体开挖，碴土排运和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械。盾构是相对复杂的集机、电、液、传感、信息技术于一体的隧道施工专用工程机械，主要用于地铁、铁路、公路、市政、水电等工程。盾构的工作原理就是一个钢结构组件依靠外壳支承，沿隧道轴线一边对土壤进行切削一边向前推进，在盾壳的保护下完成掘进、排碴、衬砌工作，最终贯通隧道。盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌和壁后注浆三大要素组成。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”的一种非标设备。盾构不同于常规设备，其核心技术不仅仅是设备本身的机电工业设计，还在于设备通过不同的设计如何满足工程地质施工的需求。因此，盾构的选型正确与否决定着盾构施工的成败。22、盾构的类型盾构的类型是指与特定的施工环境、基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构种类。一般掘进机的类型分为软土盾构、硬岩掘进机（TBM）、复合盾构三种。软土盾构的特点是仅安装切削软土用的切刀和括刀，无需开岩的滚刀。TBM主要用于山岭隧道。复合盾构是指既适用于软土，又适应于硬岩的一类盾构，主要用于复杂地层的施工。地铁盾构就是一种复合盾构。主要特点是刀盘既安装用于软土切削的切刀和括刀，又安装破碎岩石的滚刀，或安装破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。复合盾构分为土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构。3、盾构的组成地铁施工可供选择的复合盾构机机型只有两种，即土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机。一台盾构按外观结构形式分为刀盘部分、前盾、中盾、尾盾、后配套部分和辅助设备（管片和砂浆运输设备、泥水站等）。土压平衡盾构由以下十一部分组成：⑴、刀盘（分为面板式、辐条式、复合式三种），⑵刀盘驱动（分为电机和液压两种），⑶刀盘支承（主轴承），⑷膨润土添加系统和泡沫系统，⑸螺旋输送机，⑹皮带输送机，⑺同步注浆系统，⑻盾尾密封系统，⑼管片安装机，⑽数据采集系统，⑾导向系3统。泥水平衡盾构由以下十部分组成：⑴、刀盘（分为面板式、辐条式、复合式三种），⑵刀盘驱动（分为电机和液压两种），⑶刀盘支承（主轴承），⑷泥水处理站，⑸环流系统，⑹同步注浆系统，⑺盾尾密封系统，⑻管片安装机，⑼数据采集系统，⑽导向系统。4、地铁结构设计基本参数管片内径：5400mm/5500mm管片外径：6000mm/6200mm环宽：1200mm、1500mm管片厚度：300mm、350mm分块情况：6块二、盾构的选型1、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（也称可靠性）、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，同时还要综合考虑以下因素：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。不同形式的盾构所适应的地质范围不同，盾构选型总的4原则是安全性适应性第一，以确保盾构法施工的安全可靠；在安全可靠的情况下再考虑技术的先进性，即技术先进性第二位；然后再考虑盾构的价格，即经济性第三位。盾构施工时，施工沿线的地质条件可能变化较大，在选型时一般选择适合于施工区大多数围岩的机型。盾构选型时主要遵循下列原则：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、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性。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。根据以上原则，对盾构的形式及主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构。盾构选型是盾构施工的关键环节，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，对盾构的选型工作非常慎重。2、盾构选型的依据盾构选型应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及5周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。选型时的主要依据如下内容：①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，液限及塑限，N值，黏聚力c、内磨擦角，土粒子相对密度，孔隙率及孔隙比，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），地下水位的流速、流向，河床变迁情况等。②隧道长度、隧道平纵断面形状和尺寸等设计参数。③周围环境条件：地上及地下建筑物分布，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。④隧道施工工程筹划及节点工期要求。⑤宜用的辅助工法。⑥技术经济比较。3、盾构选型主要步骤①在对工程地质、水文地质条件、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根据详细的地质勘探资料，对盾构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，6刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸，沉浸墙的结构设计与泥浆门的形式，破碎机的布置与形式，送泥管的直径等），并根据地质条件等确定盾构的主要参数。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，刀盘扭矩，刀盘驱动功率，推力，掘进速度，螺旋输送机功率、直径、长度、送排泥管直径，送排泥泵功率、扬程等。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施工设备。4、盾构选型的主要方法4.1根据地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10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7-10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/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砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构。4.2根据地层的颗粒级配进行选型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人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。一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的的总量达到40％以上时，通常宜选用土压平衡盾构，相反的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。4.3根据地下水压进行选型7当水压大于0.3Mpa时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土压下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3Mpa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度或采用一级螺旋输送机，或采用保压泵。4.4盾构选型时必须考虑的特殊因素盾构选型时，在实际实施时，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、船等工具运输弃渣，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。降低污染保护环境是选择泥水盾构面临的十分重要的课题，需要解决的是如何防止将这些泥浆弃置江河湖海等水体中造成范围更大，更严重的污染。要将弃土泥浆彻底处理可以作为固体物料运输的程度也是可以做到的，国内外都有许多成功的事例，但做到这点并不容易，因为：①处理设备费，增加了工程投资。②用来安装这些处理设备需要的场地较大。8③处理时间较长。2）工程地质因素盾构施工工程地质的复杂性主要反映在基础地质（主要是围岩岩性）和工程地质特性的多变方面。在一个盾构施工段或一个盾构合同标段中，某些部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，但某些部分又很适合选用泥水盾构。盾构选型时应综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。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、在密集的建筑物或构筑物下及上软下硬的地层中施工时。在这些特殊的施工环境中，施工过程的安全性是盾构选型时的一项极其重要的选择，如北京铁路地下直径线最终选择了泥水盾构。5、盾构模式的选择在选择盾构模式时，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模式，除对土质、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。近几年来，由竖井或渣土处理而影响盾构形式选择的实例不断增加。另外，在一些实例中，施工经验也会成为盾构选型的重要因素。因此，在选型时，要邀请具有制造同类盾9构经验的国内外知名盾构制度商进行技术交流；可邀请国内盾构隧道设计、科研、施工方面专家进行选型论证和研究，并参照类似工程和盾构选型及施工情况。5.1土压平衡盾构土压盾构主要适用于粉质黏土、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。当含砂量超过某一限度时，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，需向土仓内注水、泡沫、泥浆等添加材料，以改善土体流塑性。在砂性土层施工时，由于砂性土流动性差，砂土磨擦力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓内压力不易稳定，须进行渣土改良。根据以上叙述，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，开挖面土砂可直接注入土仓及螺旋输送机内，从而维持开挖稳定的土压式盾构；另一种是对应于砂粒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地传递到开10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的稳定性，还可以减少对周围地基影响。土压平衡盾构一般不需要实施辅助工法。加泥式土压平衡盾构可以适用于冲积砂砾、砂、粉土、黏土等固结度比较低的软弱地层，洪积地层以及软硬不匀地层；在土质方面的适用性最为广泛。但在高水压下（大于0.3Mpa），仅用螺旋输送机排土难以保持开挖面的稳定性，还需安装保压泵或进行切削土的改良。5.2泥水盾构泥水盾构通过施加高于开挖水土压力的泥浆压力开挖的稳定。除泥浆压力外，合理地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、海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受到围岩压力的反压，对周围地基影响较小，一般不需辅助施工。特别是在开挖断面较大时，控制地表沉降方面优于土压平衡盾构。根据控制开挖面泥浆压力方式的不同，泥水盾构有两种：一种是日本体系的直接控制型；另一种是德国体系的间接控制型（即