盾构机选型方案

2.1.7.2.6盾构选型研究（1）选型原则及依据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类型。盾构选型是盾构法施工的关键环节，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，盾构的选型工作应非常慎重。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：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，黏聚力、内摩擦角，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），地下水的流速、流向情况等。2）隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数。3）周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，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，技术经济比较。（2）常用盾构机类型常用盾构机的类型有两种：一种是常规式盾构机，包含泥水平衡式盾构机和土压平衡式盾构机，另一种为（硬岩掘进机），此外，还有一种复合式盾构机，通过组合两种掘进方式满足不同地层的掘进要求。每种机械各有不同特点和适用范围，能适应复杂多变的地质条件。1）泥水平衡式盾构泥水加压式盾构的工作原理是：盾构机将按照一定要求配制的膨润土或粘土浆液，通过泥浆泵、输浆管以一定的压力从洞外送到开挖工作面，泥浆压力稍高于开挖面土压和水压，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于工作面上的土压力和水压力，使工作面保持稳定；与此同时，刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体，通过泥浆管送至地面的泥渣分离场；经分离后的废渣运出工地，分离后的工作泥浆重复循环利用，必要时补充新的泥浆。泥水平衡盾构主要针对无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可以适用于各种软弱地层的施工。图2.1.6.8-1泥水平衡盾构井机表2.1.6.8-1部分泥水平衡盾构工程案例统计表序号隧道名称地质情况盾构直径盾构机类型日本东京湾隧道软弱的冲积，洪积黏性土层泥水荷兰“绿心”隧道地层主要为砂土泥水气平衡上海延安东路南线隧道地层主要为淤泥质粉质黏土泥水上海浦东一崇明岛长江隧道为粉性土或夹较多薄层粉砂，渗透性强，灰色淤泥质软土泥水表表2.1.6.8-2部分土压平衡盾构工程案例统计表序号隧道名称地质情况盾构直径盾构机类型武汉长江隧道盾构隧道先后穿越淤泥质粘土，粉细沙，中粗砂，卵石气垫式泥水台山核电站取水隧洞花岗岩、粘土、粗砾砂、粉质粘土、粉砂混粉质粘土泥水广深港狮子洋隧道微风化砂岩、砂砾岩、淤泥质粉质黏土泥水厦门地铁号线过海隧道花岗岩、泥质砂岩、粉砂岩、等软弱不均匀地层泥水上海大连路隧道粉质黏土泥水式上海虹梅南路隧道工程粉土，粘土，砂气垫式泥水平衡（2）土压平衡式盾构土压平衡盾构机的工作原理是：将开挖的土体进行泥土化处理，工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持平衡。与泥水盾构机不同的是，切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土，土压平衡盾构机适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。土.压8土.压8平-衡2盾构机图土压盾构机分为两种，一种是土压式，另一种是泥土加压式。土压盾构机工作原理是：将刀盘开挖的土砂充满土仓，由盾构机千斤顶推进加压，使土压作用于工作面，以稳定工作面。这种盾构机适用于仅需要切刀开挖且含砂量小的塑性流动性软弱土。泥土加压式盾构机装备有注入添加剂的机构，通过强力搅拌添加剂和渣土，对渣土进行改良，以促进开挖渣土的流动性；添加剂的种类有膨润土、发泡剂等。此种盾构机适用地层范围广，使用较多。序号隧道名称地质情况盾构直径类型广州地铁四号线南延段标盾构区间淤泥层、淤泥质土层、粉质黏土层、强风化混合花岗岩层、中风化混合花岗岩、孤石土压丹麦斯多贝尔特大海峡隧道冰碛和泥灰岩土压马德里地下道路隧道泥灰岩质粘土和石膏土压广东珠三角城际铁路花岗岩、砂岩土压长株潭城际铁路页岩，砂岩土压意大利高速路隧道黏土岩、膨胀土、中等或高破碎的砂岩、坚硬磨蚀性高的蛇绿岩等土压）（全断面岩石掘进机）又叫全断面岩石掘进机，适用于硬岩地层的长距离掘进，相对于传统的泥水或土压盾构机，在相同的条件下，其掘进速度约为常规盾构的〜倍，最佳日进尺甚至可达0具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。的破岩方式有两种，一种是挤压式破岩，主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体，滚刀类型为圆盘型、楔齿形和球齿型；另一种是切削式，主要利用岩石抗弯、抗剪强度低（仅为抗压强度的5-1）0的%特点，靠铣削（即剪切）与弯断破碎岩体。在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件。主要分为敞开式及护盾式，护盾式又分为单护盾和双护盾。双护盾是在整机外围设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构，以利于掘进松软破碎或复杂岩层的全断面岩石掘进机。双护盾在遇到软岩时软岩又不能承受支撑板的压应力，由盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进；遇到硬岩时，与敞开式的工作原理一样，靠支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。表表2.1.6.8-3部分复合式盾构机工程案例统计表图2.1.6.8-3TBM4）复合式盾构机复合式盾构机主要针对在同一隧道中，由于地质情况差异很大，地层变化复杂，需要不同类型的盾构机转换，以达到适应不同地层的目的。复合式盾构机一般分为土压泥水、泥水、土压三种模式。图2.1.6.8-4复合式盾构机其工作原理是，根据掘进区域地层来选择合适的掘进方式，以满足盾构机在不同地层的掘进速度。使其既能在土层中掘进，又能在岩层中开挖。双模式盾构机主要应用于岩石占较大成分的隧道，近年来，双模式盾构机的已经开始使用，国内的广州、深圳等地也有案例，但是相对于其它盾构形式，双模盾构尚处于使用的初期阶段，技术尚不完全成熟，在长距离复杂地层中应当进行详细论证后，方可采用。双模式隧道掘进机具有以下特点：适用范围广，能够适应多种不同地质的开挖作业；设备使用率高，成本虽较单模式掘进机要高，但相比台设备要低很多；节省施工成本，减少设备损耗，提高成洞质量；模式转换工作量大，周期较长。序号隧道名称地质情况盾构直径盾构机类型德国易北河第四隧道地层主要为硬黏土和砾石泥水土压南京长江隧道地层主要为高压缩性，低强度，渗透性一般的淤泥质粉质黏土夹粉砂土和渗透性较好的粉细沙泥水土压南京纬三路过江通道软土、一般粘性土、砂土、卵砾石、基^1泥水土压佛莞城际新狮子洋隧道软弱土层、软硬不均、全断面硬岩和破碎带泥水土压瑞典隧道富含裂隙的高磨耗性岩石构造（主要是片岩和角闪岩）复合式（泥水）白云机场隧道中粗砂、粉质黏土、含砾粉质黏土、砾砂地层的混合层泥水土压日本隧道花岗岩泥水（3）本工程穿越地层分析横琴杧洲隧道盾构机主要穿越地层有淤泥层、黏土层、碎石质粉质粘土层、全风化砂岩层等。（4）盾构机选型比选根据以上分析和本项目土质条件、开挖面稳定情况、隧道埋深、地下水位、环境条件、沿线场地、造价等各方面因素，参考国内类似工程对比分析，只适用于硬地层的掘进，对于双模式掘进的方式，则适用于地质条件更加复杂的复合地层。因此本工程对泥水平衡式盾构与土压平衡式盾构进行详细比选，如下表所示。表2.1.6.8-6泥水平衡盾构与土压平衡盾构性能比选表编号比较项泥水平衡式盾构土压平衡式盾构适应地层要求隧道主要穿越地层渗透系数大，且穿越马骝洲水道，为了施工安全宜采用泥水平衡盾构机隧道主要穿越地层渗透系数大，且穿越马骝洲水道，不宜采用土压平衡式盾构机。控制沉降利用泥浆系统提供全断面的压力支撑，易于平衡掌子面，地表沉降较小对大堤的影响较小。可以利用塑性土及添加材料提供全断面的压力平衡，可控制沉降，效果相对泥水盾构井略有不足。控制地下水无地下水损失无地下水损失设备需求需要泥水分离和运输设备，同时考虑地层粘粒含量较高，需要增加防止泥饼的设施需要渣土改良设备

编号比较项泥水平衡式盾构土压平衡式盾构盾构机掘进速度受地面泥水处理系统影响较大受碴土运输能力影响较大环境影响需要地面进行分离处理后才可弃掉，对周边环境影响较大可以直接运出弃掉，对环境基本无影响施工场地需要较施工场地较大，施工能耗高，成本较高需要施工场地较小，施工成本相对较低刀具更换较难相对较易开挖面稳定管理用泥水压进行挡土，用量测一起进行设定值管理；通过气垫调节技术可以精确地控制开挖面的支撑压力；停机时，在气垫调节作用卜，可以稳定地控制开挖面的压力；在混合地质条件下和高的土壤透水系数的条件下，都可以很好地控制开挖面的支撑压力用密闭仓内土压力进行挡土，用土压力和排土量进行管理；土质情况好时，可以达到好的开挖面支撑压力调节水平；长时间停机时，土仓中的泡沫和土壤产生分离现象，导致土仓中的气泡增多；在混合地质条件下和高的土壤透水系数的条件下，开挖面压力调节困难设备费用及经济性设备费用高，土方开挖费用低，但泥水处理费