盾构选型及砂卵石地层施工

一、一、盾构选型盾构选型管片管片盾构盾构开开挖挖面面初期开放型手掘式盾构初期开放型手掘式盾构定义：定义：用盾构机一边防止用盾构机一边防止土砂的坍塌，一边土砂的坍塌，一边进行挖掘，推进，进行挖掘，推进，并在盾尾进行衬砌并在盾尾进行衬砌作业从而修建隧道作业从而修建隧道的方法的方法 新干新干线TUNNEL开敞式开敞式闭胸式SHIELD闭胸式SHIELDSHIELD O.D.：東京湾横断道路東京湾横断道路TUNNEL闭胸式SHIELDSHIELD O.D.：年年圆圆泥水式泥水式盾构盾构（）地下鉄车站部区间同時施工闭胸式SHIELD手掘式半机械式机械式全敞开式半敞开式挤压式泥水式土压式闭胸式盾构土压平衡式加泥式土压平衡式盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。开式、半敞开式及闭胸式三种。国国内内外外根根据据各各种种使使用用条条件件的的不不同同，使使用用的的盾盾构构也也不不同同，特特别别是是面面板板及及刀刀具具的的形形式式多多种种多多样样。目目目目前前前前，应应应应用用用用最最最最广广广广的是泥水盾构和土压平衡盾构。的是泥水盾构和土压平衡盾构。的是泥水盾构和土压平衡盾构。的是泥水盾构和土压平衡盾构。手掘式盾构手掘式盾构 半机械式盾构半机械式盾构 网格式盾构网格式盾构 土压平衡盾构原理图土压平衡盾构原理图泥水平衡盾构原理泥水平衡盾构原理泥水平衡盾构原理泥水平衡盾构原理地地 层层刀盘刀盘进泥管进泥管排泥管排泥管泥浆泥浆压缩空气压缩空气连通管连通管压缩空气压缩空气泥模形成区泥模形成区盾构选型的基本原则盾构选型的基本原则开挖面稳定地层的适应性地下水处理沉降施工适宜性安全性辅助工法环境及公害 一般原则地质条件手掘式盾构半机械掘削式盾构机械掘削盾构网格式盾构泥水式盾构土压式盾构土压盾构泥土盾构分类土质N值含水率(%)辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法辅助工法无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类无有种类冲积性粘土腐植土淤泥、粘土砂质淤泥粘土砂质淤泥粘土00205510300100-3008050AAAAA-A-A-A-A洪积性粘土垆姆粘土砂质垆姆粘土砂质垆姆粘土1020152520505020-软岩风化页岩、泥岩503040 ABABABABABABABABABAB-AAAAAAA-注（1）手掘式盾构、半机械掘削式盾构、机械掘削式盾构、网格式盾构，原则上采用气压工法。无：不使用辅助工法：原则上适合条件 A：化学注浆工法 有：使用辅助工法：使用时须加讨论 B：降水法：原则上不适合的条件-：特殊情况下也可以使用（2）主要表示希望选定的工法，但是也包括部分土质不适合的不得不采用的情形。序号序号项目项目变频电动机驱动变频电动机驱动（A A）一般电动机驱动一般电动机驱动（B B）液压驱动（液压驱动（C C）说说 明明1 1驱动部外形尺寸驱动部外形尺寸中中大大小小一般情况下一般情况下A:B:C=(1.5A:B:C=(1.52):2.5:1.02):2.5:1.02 2后续设备后续设备少少少少较多较多C C需要液压泵、大油箱、冷却装置等，故后续设备较多需要液压泵、大油箱、冷却装置等，故后续设备较多3 3效率（）效率（）0.950.950.90.90.650.65电机驱动效率电机驱动效率高于液压驱动高于液压驱动4 4起动电流起动电流小小小小小小A:A:利用变频起动电流小利用变频起动电流小B:B:采用切断磁粉离合器起动，电流小采用切断磁粉离合器起动，电流小C:C:由于无负荷起动电流小由于无负荷起动电流小5 5起动扭矩起动扭矩大大较小较小大大A:A:起动扭矩可达额定扭矩的起动扭矩可达额定扭矩的120120B:B:约小约小2020C:C:起动扭矩可达额定扭矩的起动扭矩可达额定扭矩的1201206 6起动冲击起动冲击小小大大中中A:A:由于变频软起动，冲击小由于变频软起动，冲击小B:B:离合器离合，冲击大离合器离合，冲击大C:C:控制液压泵排气、可以低转速、缓慢起动，故冲击较控制液压泵排气、可以低转速、缓慢起动，故冲击较小小7 7转速控制转速控制（微调性）（微调性）好好差差好好A:A:由于变频，可控制转速和进行微调由于变频，可控制转速和进行微调B:B:由于采用离合器，不能实现无级调速由于采用离合器，不能实现无级调速C:C:控制液压泵排量，可控制转速和进行微调控制液压泵排量，可控制转速和进行微调8 8噪音噪音小小小小大大C:C:液压系统的噪音一般大于电动机系统液压系统的噪音一般大于电动机系统9 9盾构内盾构内温度温度低低较低较低较高较高C:C:液压系统功耗大，故温度较高液压系统功耗大，故温度较高1010维护保养维护保养易易易易较困难较困难B:B:维护保养工作较少维护保养工作较少C:C:液压系统的维护和保养一般较复杂，要求较高。液压系统的维护和保养一般较复杂，要求较高。盾构刀盘驱动方式比较表盾构刀盘驱动方式比较表注：A驱动传递过程：变频电机减速器驱动刀盘B驱动传递过程：电机离合器（磁耦）减速器驱动刀盘C驱动传递过程：液压马达减速器驱动刀盘 盾构类型与渗透性的关系盾构类型与渗透性的关系 地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的影响因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的透水系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和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。盾构类型与颗粒级配的关系一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中蓝色区域为淤泥粘土区，为土压平衡盾构适应范围，绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，黄色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。盾构类型与颗粒级配的关系图盾构类型与颗粒级配的关系图粒粒粒粒径径径径比比比比例例例例盾构类型与水压的关系当水压大于当水压大于0.3MPa0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。时，适宜采用泥水盾构。如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形如采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于当水压大于0.3MPa0.3MPa时，如因地质原因需采时，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用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机。长度，或采用二级螺旋输送机。二、我国典型地区盾构选型二、我国典型地区盾构选型我国盾构应用较多或较早的地区是上海、广州及北京地区，可以说这三个地区分别代表了我国三大区域的土层特征，盾构特征。上海是软土区域，广州（深圳）是软弱不均区域北京是砂卵石地层为特点。上海地铁盾构选型上海地铁盾构选型1.盾构机选型依据及一般程序盾构机选型依据及一般程序上海属于软土地层，盾构机选型依据按其重要性排列如下：上海属于软土地层，盾构机选型依据按其重要性排列如下：土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）开挖面稳定（自立性能）开挖面稳定（自立性能）隧道埋深、地下水位隧道埋深、地下水位 设计隧道的断面设计隧道的断面 环境条件、沿线场地（附近管线和建构筑物及其结构特性）环境条件、沿线场地（附近管线和建构筑物及其结构特性）衬砌类型衬砌类型 工期工期 造价造价 宜用的辅助工法宜用的辅助工法 设计路线、线形、坡度设计路线、线形、坡度 电气等其它设备条件电气等其它设备条件 实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质情况，还要考虑到盾构的实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质情况，还要考虑到盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征。同时，还要逐个研究以下盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征。同时，还要逐个研究以下几个项目：几个项目：(1)开挖面有无障碍物；开挖面有无障碍物；(2)气压施工时开挖面能否自立稳定；气压施工时开挖面能否自立稳定；(3)气压施工并用其它辅助施工法后开挖面能否稳定；气压施工并用其它辅助施工法后开挖面能否稳定；(4)挤压推进、切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定；挤压推进、切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定；(5)开挖面在加入水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定；开挖面在加入水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定；(6)经济性。经济性。2.根据地质条件选择盾构机类型根据地质条件选择盾构机类型砂质土类自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工。若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构。砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。因在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高，反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。针对地下水条件，若其压力值较高（大于0.1MPa），就应优先考虑使用密封型的盾构，以保证工程的安全，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构的话，须增加一个鳄式碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。3盾构机选型的其它条件盾构机选型的其它条件除了地质条件以外的盾构机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、基地条件等。工期制约条件工期制约条件因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。造价制约因素造价制约因素一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是敞口式盾构机个象密闭式盾构机那样有复杂的后配套系统，在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，宜优先选用敞口式盾构机。环境因素的制约环境因素的制约敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的掘进机。基地条件的制约基地条件的制约泥水平衡式的掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，若需使用泥水平衡盾构开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。设计线路、平面竖向曲线形状的制约设计线路、平面竖向曲线形状的制约若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为6m的盾构，其长度也有何67m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施上中转弯的灵活性。4辅助工法的使用辅助工法的使用掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注浆法等。前三种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主浆法等。前三种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主要是用于保证隧道开挖而的稳定，注浆法还能减少盾构机开挖过程中要是用于保证隧道开挖而的稳定，注浆法还能减少盾构机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆引起的地表沉降。一般密闭式掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，若采用手掘进、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助若采用手掘进、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，在这一辅助工法下，施工人员易施工，以高气压保证开挖面的稳定，在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构机在砂