盾构选型研究

1、4.1盾构机的选型研究4.1.1 盾构机的选型原则盾构选型是盾构隧道能否优质、安全、快速建成的关键工作之一，选型时主要遵照以下原则：（1）选择的盾构机型和功能必须满足工期和安全要求，确保城市中各类密集建筑物的稳定、安全，使隧道建设与社会和谐共存。（2）选用的盾构要求其性能与本标段内的工程地质、水文地质条件及防冻要求相适应。（3）选用的盾构应具有良好的可靠性，并提供类似地质、施工条件下同类型盾构的施工实例及其适用效果。（4）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。（5）依据哈大客运专线长春隧道施工设计图及工期要求，根据土压平衡盾构与泥水平衡盾构的适应性比较选定。4.1.2盾构隧道线路条件（1）

2、长春隧道由暗挖段、始发井、盾构法掘进隧道和到达吊出井组成，最大开挖直径14770mm，总长4600m的直线隧道。（2）管片外径14.31m、管片内径13.11m，线路最大纵坡2%，见工程示意图4.1-1。 图4.1-1哈大客运专线长春隧道工程示意图（3）隧道围岩为级，围岩较差，粉质黏土松软，泥岩成岩作用差，二者具弱膨胀性，遇水易崩解，围岩易塌落，对洞口暗挖施工影响大。隧道通过细砂、粗砂含水层时（DIK690+850DIK691+420），涌水量相对较大，洞身开挖有可能发生局部涌水、或流砂现象。（4）主要工程问题及其盾构适应性设计。1）有利切割加固地层、洞身底部风化岩和长距离掘进的刀盘、刀具耐磨

3、设计；2）工作面泥浆压力的精确调节与控制是盾构功能设计重点；3）刀盘上设有多点刀具磨损检查工具；4）常压下换刀和气压下换刀的快速作业配置；5）有利于盾构大件运输、组装的的分块设计；6）大直径盾的始发和到达条件（始发托架、反力架及洞口密封装置等）设计。（5）隧道采用标准环钢筋混凝土管片衬砌，左、右转弯环管片的楔形量为40mm。管环外径14.31m，内径13.11m，管片宽度2m，由7+2+1块管片组成，错缝拼装。每块管片所对应圆心角约40度，重量约14.5t。4.1.3土压平衡与泥水平衡盾构的比较根据本隧道特点，选择适应于该隧道地质条件的土压平衡盾构和泥水加压式盾构进行综合比选，见表4.1-1。

4、 约 土压平衡盾构和泥水加压式盾构比较 表4.1-1比较项目混合式泥水加压平衡式盾构土压平衡盾构地层适应性适合淤泥质粘土、粉土、粉细砂等各类软土地层需要通过渣土改良技术（注入泡沫、膨润土及泡沫聚合物）适应不同地层刀盘所需扭矩能耗能耗小能耗较大刀盘磨损率较小较大开挖面稳定能力好较好施工场地需泥浆处理场，施工场地较大不需泥浆处理场，施工场地较小地面沉降控制压力控制精度高，对地面沉降控制精度高，更适用于大直径的盾构掘进机压力控制精度相对较低，对地面沉降控制精度相对较低，更适用于中小直径的盾构掘进机泥土输送方式泥水管道输送，可连续输送，输送速度快而均匀；占用隧道空间小，更便于隧道内的结构和路面同步施工

5、。螺旋机出土，土箱运输，可能间断不连续，施工速度较慢；占用隧道空间较大，不便于隧道内的结构和路面的同步施工。对周围环境影响泥浆处理设备噪音、振动及碴土运输对环境产生影响较大碴土运输对环境产生一定影响施工存在问题水土不易分离，泥浆处理困难地表沉降控制与施工人员的施工经验关系密切，需经验丰富的盾构操作手。设备费用及经济性施工成本大施工成本较小国内外应用情况国内外曾大量应用，应用经验成熟国内应用趋势增多，工程经验稍少。1、在控制开挖工作面稳定性、地表沉降方面、施工安全方面及保证施工进度方面优于土压平衡盾构。2、从国内外已建成的实例看，大直径泥水加压平衡盾构施工经验成熟，目前在中国应用的大直径盾构隧道

6、均采用泥水加压平衡盾构。它在控制开挖面稳定、减少地表沉降方面较为有利外，在适应长距离推进，减少刀头磨损方面显示出较高的优越性。 4.1.4 泥水盾构的基本构成1、泥水盾构基本构成框图如图4.1-2。掘进刀盘是稳定掘削面的重要因素，利用泥水稳定掘削面及刀盘面板挡土。图4.1-2盾构基本构成图2、盾构将制备泥浆由送泥泵并通过一套管路送入开挖仓与掘削下的渣土搅拌混合后，再由排泥泵及一套管路排入地面泥浆处理系统，进行三次渣浆分离和泥浆重复利用处理。如此往复循环：一次处理的功能是把渣浆泵送到振动筛，再利用湿式离心机等设备将0.074mm以上的大量渣土分离出来，渣土含水量控制在30%以下，以利清渣运输。余

7、下泥浆经配制后，送入盾构掘进面再次利用。二次处理由凝聚沉淀和脱水设备构成，处理含颗粒为0.074mm以下的泥浆，达到排放标准的即可排放，否则需进行三次处理；三次处理主要对水进行PH值调整和降浊处理并达到水的环保排放标准。4.1.5 泥水盾构泥浆平衡压力控制效果。1、传统泥水盾构开挖仓的泥浆压力、泥浆制备质量和掘削渣量管理（判断掘削面稳定）是泥水盾构掘进的控制重点，是稳定掘削面的核心。2、传统泥水盾构开挖仓的泥浆压力变化较大(+/-1.0bar)，容易使隧道开挖面不稳定及塌陷。见下图4.1-3。图4.1-3 传统泥水盾构开挖仓的泥浆压力变化4.1.6 混合式泥水盾构气垫调节原理1、泥浆通过气垫对

8、隧道开挖面施加压力实现支撑作用，支持压的力分布图见4.1-4。该压力的控制由压缩空气控制单元控制。施工工程师须把各掘进面的水平压力值及说明交给盾构操作者执行。2、气垫调节仓内的气垫产生支持压力传至泥浆后，泥浆的液位高度可调。由于掘削面水、土压力呈梯型，一般将液位高度稳定在机器轴线位置。3、承压产生的支持压力传输到开挖仓，压力波动由气压调节组件控制见气压调节作用图4.1-5，由于气垫作用和空气调压组件反应灵敏，使泥浆的压力波动小。隧道开挖面支持压力的分布1泥浆Pl空气压力2泥浆液位Pso顶部悬浮液压力3压缩空气气垫Psu底部悬浮液压力4压力挡板g悬浮液密度5分隔仓板D盾构直径6支撑区域hl承压仓

9、高度7处于外界压力下的区域图4.1-4 混合式泥水盾构支撑压力分布图4.1-5气压调节作用图4、在盾构机开挖仓内设置分隔钢板将仓分成两个室，其中设有一个气垫（压）室，目的是达到精确调节泥浆压力变化，精确率可达+/-0.05bar，平衡压力的变化很小，有利开挖面的稳定，见混合式盾构泥浆压力变化图4.1-6。图4.1-6混合式盾构泥浆压力变化图5、空气压力能够在超过0.5Mpa的高工作压力范围内自由调节，补偿泥浆液位压力的差值。6、调节器无需电力，调节器安装了两个独立的单元来防止可能出现的干扰，并用于维保停机阶段和断电情况下（高压电缆延伸时）。可利用储存的气压暂时提供开挖仓中支持压力，等待电力恢复

10、。4.1.7 开挖仓与气垫调压仓设计要求1、开挖仓充满了通过气垫调压仓，提供给开挖面“压力平衡”的泥浆。2、开挖仓的下部设分隔仓门，门打开并与气垫仓连通，调节气垫仓中气压而调节开挖仓中泥浆支持压力。3、关闭下部的分隔仓门，能在常压下安全进入隔栅区域，进行维护和保养或清除障碍物。4、隔板上部安装有双人闸，为需要带气压进入开挖仓工作时使用。5、为了排挤淤泥，底部设有挤压清淤设备，淤泥经过挤压变成条状后，吸入排浆管排出。 6、冲洗系统减少了开挖仓内碴土粘结或大量碴土沉积的情况, 并降低扭矩要求和刀具的二次磨损。4.1.8 采用面板闭式刀盘对本工程的适应性1、刀盘中心部分开口率达30%。较大的开口率易

11、于碴土进入开挖仓。 2、刀盘外缘区域有耐磨保护并安装有2把超挖刀（滚刀），易于在地层混凝土加固段进行隧道开挖。3、采用重型刀盘设计、双向旋转、可安装较多数量的刮刀（200多把）；中心设高压水冲刷喷嘴，减少堵塞和结块；采用特殊几何形状的碴土溜槽设计，利于碴土流入开挖仓，减少刀具更换频率。图4.1-7 盾构机刀盘图4、刀盘将采用合格的16MnR材料制作，连接刀盘和主驱动的传力架（幅臂）为铸钢类型，以保证刀盘的刚度。 5、钢结构的高耐磨板焊接在刀盘的正面和外缘，见图4.1-8刀盘上耐磨板图。耐磨条也焊接在刀盘外缘上。中心部分堆焊耐磨材料。个别刮刀和铲刀安装有磨损监测系统。图4.1-8 刀盘上耐磨板（

12、白色）外观图6、为了更进一步的保护刀盘，设计了向刀盘后部倾斜的溜槽开口，以利渣土流动，减少磨损和疲劳。7、刀具全部为背装式。其中刮刀宽度220mm，采用间距搭接、高质量硬质合金刀片、刀具顶部也堆焊有耐磨材料和耐磨保护等措施。边缘铲刀及时清除边缘渣土，不仅保证开挖直径磨损少，而且使刀盘外缘与渣石的间接磨损也少。8、采用低扭矩17英寸双刃滚刀2把，由专门的高质量钢材制成以增加滚刀整体的耐磨性和刀盘保径要求。9、边缘铲刀在混合土质中具有如下作用：一是清除边缘部分的开挖碴土（沉淀）；二是保证开挖直径的精度；三是防止刀盘外缘的间接磨损。10、为了更进一步的保护，在刀盘上设计了溜槽以帮助渣土的流动，这样可

13、以有效地减少磨损和疲劳。溜槽的设计大体上是逐步向刀盘后部倾斜以减轻渣土附着在槽上的倾向。4.1.9刀盘变频电驱动系统1、为节约动并具较好的脱困能力，刀盘驱动以变频电机为动力，双向旋转。2、主轴承寿命10,000h主轴承自身是一个三轴轴承支撑旋转体，直径约8.5m，最大重量210t左右。3、变频电驱动主要由以下部件组成：14个电机，每个功率为250kW，电机和变频器之间的连接线；14个变频器，带有功率扼流圈和电机出口过滤器；14个驱动的每个驱动链都同步运转；在操纵额定扭矩过程中，可在很短时间内上升到大约150%；刀盘驱动的电机设计为异步电机，它安装在焊接保护箱内，并配有定子水冷却系统。4.1.1

14、0 对泥浆的理化指标要求泥浆的最佳特性对掘削面稳定和流体输送顺畅起到重要作用，同时，也极大程度上取决于掘削地层的土质条件。根据以往类似工程施工经验，该工程泥浆的特性参数选择范围是：可渗比n=10-15、相对密度为1.05-1.20、漏斗粘度为22-25s、界面高度<3mm（24h静置后）、PH浓度为7-10。泥水输送中漏斗粘度上限为40s，相对密度上限值为1.35。4.1.11 泥浆制备和与渣浆处理1、混合式盾构机技术是基于泥浆支撑系统。泥浆系统把切削下来的碴土从开挖仓运输到地面上的分离机，可参见图4.1-2。在分离机处，将固体粗颗粒（大于0.074mm以上）砂砾从泥浆里分离出来。回收的

15、80%泥浆到调整槽调配后再重复使用。2、泥浆循环管路的在机器上的直径为500mm，在隧洞里的管径为500mm，按盾构最大掘进速度45mm/min，计算泥浆最大需要量。3、经计算最大泥浆需求量为2582 m3/h，实际设计制浆能力2500m3/h，满足条件。渣浆分离能力按大于2500+2x171（1循环掘削的量）=2842m3/h设计，考虑渣浆分离设备检修备用因素，确定生产能力为3500 m3/h。4.1.12 泥浆循环系统图4.1-9泥浆和渣浆循环系统总示意图采用恒定的碴浆流量和开挖仓的冲刷循环两种方式降低堵塞和材料的沉积。泥浆与渣浆循环系统总示意图见4.1-9。循环系统有6种不同的工作模式，

16、这6种模式为：掘进模式；旁通模式；隔离模式； 反循环模式；长时的停机模式和隔离闸门关闭模式。详情在5.4.7中叙述。4.2.13 监测装置1、流量测量装置安装在后配套上的供应和排出管，随时监测泥浆流量并在控制室显示出来，以帮助工程师和盾构机操作员。排泥浆管路上的流量计 ND5 00供应泥浆管路上的流量计 ND 5002、开挖仓里利用液位开关进行液位监视。最低液位控制点位于隔离仓板开口的上方。最高液位控制点在通道门边的下方。3、最低液位控制点可以启动球阀关闭泥浆吸入口。下一个液位控制点则关闭泥浆泵。最高液位控制点启动球阀关闭供应管。下一个较低的液位控制点则停止供应泵。4、支撑压力监控。操作员应该

17、获取盾构机前面的水土压力。这些信息可以帮助支撑压力设定而控制工作面的稳定。5、支撑压力传感器是专门为泥浆工作条件开发的。测量气垫调压仓的压力，同时也测量开挖仓的压力。1个传感器在气垫调压仓1个传感器在开挖仓4.2.14 该工程重难点问题及盾构的适应性 1、长春隧道的重难点问题如下：（1）浅覆盖条件下的泥水盾构掘进面稳定控制；（2）大直径、大跨度和大能力隧道掘进的地表沉降监测、信息反馈和控制问题；（3）盾构始发和到达端端头加固方式的选择及其安全破除；（4）要求泥浆制备和处理系统的能力强（3500m3/h）、场地宽和具备冬季施工的防冻设施；（5）长隧掘进中对刀具耐磨和对系统可靠性要求高，刀具磨损检

18、查、换刀地点选择、地层加固和刀具更换等问题。2、盾构功能的适应性根据长春隧道的工程地质条件、水文地质条件和上述重难点问题，选用的混合式泥水盾构对该工程的适应性见下表。盾构功能部件适应性分析表 表4.2-2序号工程重难点关键部件功能要求盾构功能部件的适应性1盾构掘进段有小于1倍洞径的浅覆盖段，浅覆盖条件下的泥水盾构掘进面稳定控制气垫调压仓及气压调节装置；隔板、闸门、保压泥浆箱；送浆渣土回路计量；浆液运行回路不同工作状态和浆液防冻、抗冻措施，同步注浆等气垫调压仓和气压调节装置精确调压；隔板上闸门关闭后，清除障碍时，采用保压泥浆箱精确调压；送浆计量与渣土计量实现掘进时精确保压；浆液运行回路不同状态，

19、可满足盾构各种掘进状态下的精确压力控制要求。同步注浆有利控制沉降。2大直径、大跨度和大能力隧道掘进的地表沉降监测、信息反馈和控制问题气垫精确调压系统；泥浆制备和排渣循环系统；同步注浆、二次注浆填充系统和PLC控制系统等功能的应用，实现对地表沉降监测和控制。泥水盾构上专门为盾构施工中控制地表沉降设计了气垫精确调压系统；泥浆制备和排渣循环系统；同步注浆填充系统和PLC控制系统等以适应控制地表沉降要求。3盾构始发和到达端端头加固方式的选择及其安全破除刀具和刀盘的耐磨设计，可顺利地掘进地层加固段；盾构适应可靠的洞口密封装置；盾构通过始发和到达段加固地层时，由于刀盘、刀具增设了耐磨保护，刀盘边缘增设滚刀

20、，使刀盘耐磨和保径寿命增加；4长隧掘进中对刀盘、刀具耐磨和对系统可靠性要求高，刀具磨损检查、换刀地点选择、地层加固和刀具更换等问题闭式刀盘开口率30%、刀盘采用16MnR材料、耐磨保护、边缘设双刃滚刀、设较多数量刮刀、刀具磨损量探测装置、双向旋转及恒功率驱动、中心设高压冲洗、特殊形状溜槽设计、双排错台耐磨刮刀、主轴承寿命10000h等。刀盘材料选用、刀盘外缘、中心及刀具的各种耐磨设计，增加了刀盘及刀具的耐用度；开口率大及渣土溜槽特殊形状、中心高压冲洗、有利渣土流动，减小磨蚀；增加刮刀数量、采用双排错台耐磨刮刀及刀具磨损量探测装置，可随时掌握刀具磨损状况，减少换刀次数，从而保护刀盘及刀具，确保长

21、隧施工正常进行；恒功率驱动对工程的适应性强，轴承寿命高，确保掘进6km不更换。5在气压下的换刀作业人闸室精确调压，作业人员多，加快换刀速度；盾体上部设有1个双舱式人行闸，容纳人数5+2人+1副1.8m担架。适用于在气压条件下的换刀、检查和救援作业；按欧洲标准EN12110和安全操规程换刀精确调压确保换刀作业安定；应急发电提供空压机停电后的安全气源。6要求泥浆制备和处理系统的能力强（3500-4000m3/h）、场地宽和具备冬季施工的防冻设施盾构自身的防冻设计，主要为润滑剂、液压油及密封件材料的选择。采用大直径（500mm）耐磨管道连续送排泥浆，其中设有6种模式下连续循环，增加地面防冻措施，满足

22、冬季施工作业要求。7土仓中的挤压排淤装置开挖区设双仓即开挖仓和气垫调压仓，渣仓底部设挤压排淤装置；分隔仓闸门可关闭和打开，便于常压清除障碍。为确保排渣通畅，渣浆进入吸浆口前，经挤压成条状后，容易吸入管道；分隔仓闸门关闭，保证人员在常压下清障； 8盾构受阻在困难地段盾构中盾上布置有32个地质超前钻机预留通孔，隔板上也设预留孔，选购一台扭矩达5000Nm的旋转钻机，安装在管片拼装机上，利用该钻机向刀正面上部和正面钻注浆孔。当盾受阻在困难地段，可利用中盾上和隔板上的预留孔及旋转钻机，向盾体斜上方（12°）和刀盘正前方钻超前注浆孔，加固地层后，再利用上述各种措施进行处理；向地层注入双液快凝浆

23、（水泥浆+水玻璃浆），凝结时间10s以下；注浆压力和流量可调，确保各孔的浆液扩散半径达1m左右。4.2.15 盾构各部主要尺寸、技术性能表盾构各部主要尺寸、技术性能表 表4.2-3描述规格/数量备注技术数据项目基本数据管片外径14,310mm 管片内径13,110mm管片宽度2,000mm管片组成9 + key隧道坡度Max. - /+ 2%隧道长度Approx. 4,140m盾体区前体直径14,740mm不含硬化层TBM水平方向最小转弯半径750m前体和后体的结构组成分块拼装式设计工作压力4,5 bar压力舱壁1No.隔墙（气垫舱壁）1No.气垫舱式设计气压调节装置2No.前舱门1No.液压

24、驱动搅拌器1No.挤压式排淤机1No.盾尾盾尾形式固定式，焊接结构盾尾密封系统3排3排钢丝刷密封脂管线18 x 3No.注浆管路6 + 6No.(spare lines备用管)嵌入式安装于盾尾内部人闸数量2No.直径1,800mm形式两个舱人数5 + 2No.可容纳规格为1.8米的单价操作压力4,5 bar试验压力6 bar刀盘直径14,770mm全新刀具结构8个主臂8个辅臂形式软土型适合于土层的刀具一套齿刀一套刮刀2把超挖刀刀具宽度220毫米磨损量测量刀具6把齿刀测量旋转接头1No.膨润土冲刷、液压介质旋转方向左、右中心冲刷2No.DN150刀盘驱动主驱动形式中心固定轴承主轴承类型3排滚子轴

25、承密封系统设计压力6bar电动马达14个马达 250kW最大扭矩36,600kNm总功率3,500kW转速0-1.5rpm变频驱动旋转方向左、右推进油缸数量18组油缸行程行程3000毫米工作压力50 350bar最大推力185,000kN最大推进速度45mm/min拼装机形式中心回转式液压驱动抓举系统真空吸盘式自由度6旋转角度+/- 200°比例控制后配套设备隧道内管线排泥管1No.泥浆供应管1No.工业水管2No.压缩空气管线2No.高压电缆2No.10kV后配套台车钢结构形式运行在辅助轨道上管片吊运系统管片进给车1No.1环存储量管片起重运输系统（1）1No.管片起重运输系统（2）1No.箱涵安装系统箱涵片起重机1No.注浆系统浆液类型惰性浆液注浆泵3No.注浆能力3 x 20m&#