《轨道交通工程盾构施工技术》 课件 项目3 盾构选型

轨道交通工程盾构施工技术项目3盾构选型目录

CONTENTS2

盾构选型1

盾构选型的原则、依据和方法任务3.1盾构选型的原则、依据和方法3.1.1 盾构选型的原则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。3.1.1 盾构选型的原则盾构选型时主要遵循下列原则：应对工程地质、水文地质有较强的适应性，要满足施工安全的要求。在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性。满足安全、质量、工期、造价及环保要求。满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件。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。盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。3.1.2 盾构选型的依据选型时的主要依据如下：工程地质、水文地质条件隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状、尺寸等设计参数周围环境条件隧道施工工程筹划及节点工期要求宜用的辅助工法技术经济比较3.1.3 盾构选型的主要步骤（1）在对于工程地质、水文地质条件等充分研究上选定盾构的类型，对敞开式、闭胸式盾构进行比选。（2）根据渗透系数、颗粒级配等对土压平衡盾构和泥水平衡盾构比选。（3）根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。（4）根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的后配套施工设备。3.1.4 盾构选型的主要方法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。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，宜选用泥水平衡盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构，如图。地层渗透性与盾构选型的关系3.1.4 盾构选型的主要方法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入土舱后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土舱压力稳定，使开挖面土层处于稳定。根据地下水压进行选型当水压大于

0.3

MPa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二级螺旋输送机，或采用保压泵。盾构类型与颗粒级配的关系3.1.5 盾构选型时必须考虑的特殊因素环保因素降低污染保护环境是选择泥水平衡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并不容易的原因：①

处理设备贵，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。③

处理时间较长。工程地质因素盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质和工程地质特性的多变方面。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。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，使用泥水平衡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（构）筑物下及上软下硬的地层中施工时。3.1.5 盾构选型时必须考虑的特殊因素任务3.2盾构选型土压平衡盾构的适用范围土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质粉土、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入黏土、淤泥土舱后由螺旋输送机输出，在螺旋输送机内形成压力梯降，保持土舱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。3.2.1 盾构形式的选择泥水平衡盾构的适用范围泥水平衡盾构通过施加略高于开挖面水土压力的泥浆压力来维持开挖的稳定。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。泥水平衡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。泥水平衡盾构适用于冲积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层、弱固结的互层以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层以及含水率很高固结松散易于发生涌水破坏的地层。对于难以维持开挖面稳定性的高透水地层、砾石地层，有时也要考虑采用辅助工法。3.2.1 盾构形式的选择刀盘结构形式有面板式、辐条式和复合式3种。泥水平衡盾构一般都采用面板式刀盘；土压平衡盾构则根据土质条件不同可采用面板式或辐条式。对于土压平衡盾：构采用面板式刀盘时由于泥土流经刀盘面板的开口进入土舱，盾构掘进时土舱内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降且压力降的大小受面板开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。面板式刀盘的优点：是通过刀盘的开口限制进入土舱的卵石粒径。面板式刀盘的缺点：是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，土压管理困难。3.2.2 刀盘结构形式的选择3.2.3 刀具选择盾构刀具合理选型和配置，往往能在施工中起到事半功倍的效果。盾构刀盘合理配置有先行刀与切削刀，将更有效增加刀具使用寿命。盾构刀盘上先行刀和切削刀高低分层配置的工作原理：在刀具切削土层时，先行刀首先在土层被切削面上切出沟槽，然后由切削刀切下土质。①

软土地层中土的强度不足，偏松散，局部有剥落的情况，其抗压强度普遍在10

MPa以内，因此较为适宜的是切（刮）削刀。②

具硬岩地层，较为可行是普通盘形滚刀。③

复合地层，所含的地质类型较多，集多类地质于一体，因此需采取多类刀具相适配的综合型方案3.2.4 盾构主机选择项目主要影响因素一般取值范围掘进速度施工工期0～80

mm/min推力和推进系统地质情况0～4000

t铰接形式设计线型（曲线半径）主动铰接/被动铰接密封系统地下水含量根据实际情况设计密封盾构主机的主要参数包括主驱动、推力、扭矩、铰接形式、密封形式等。参数主要与设计线型、水文地质情况、周边建（构）筑物情况有着密切的联系，具体情况见表。表城市轨道交通盾构主要参数及主要决定因素主驱动选择盾构主驱动主要包括驱动动力、减速机、齿轮副、主轴承、密封和润滑、主驱动箱等。驱动路径为驱动动力→减速机→小齿轮→主轴承→驱动盘→刀盘，具有传递扭矩大、结构复杂紧凑、控制精度高等特点。液压马达驱动和变频电机驱动是现有主驱动的主要驱动动力。目前盾构厂商对主轴承的密封均采用骨架式唇形密封圈，常用的唇形密封圈有单唇形密封圈、带压紧环的唇形密封圈及多唇密封圈。多唇密封圈有更好的韧性，更能有效地适应变形。对旋转轴的磨损相对较小，但价格较高。3.2.4 盾构主机选择推进系统选择推进系统是盾构的关键系统，它主要承担着盾构的推进任务，同时能够实现盾构的转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏及同步运动等功能。推进液压系统主要包括推进泵、控制阀组、推进缸和管路附件等。盾构在前进过程中主要克服土压对刀盘作用力、周围土体对盾体的摩擦力、管片与尾盾之间的摩擦力、切口环贯入地层的贯入阻力、转向阻力和后配套牵引力等。盾构推进油缸一般采用圆周均布，上下左右布置，可以保证管片受力平衡、封顶块方便安装。3.2.4 盾构主机选择铰接形式选择盾构盾体有主动铰接与被动铰接两种连接方式，主动和被动铰接构造方式如图。3.2.4 盾构主机选择盾构主动铰接构造示意盾构被动铰接构造示意3.2.4 盾构主机选择主动铰接的推进千斤顶安装在盾尾法兰上，其推力作用在盾尾上，再通过铰接千斤顶将作用力传递到中盾前部，凭着铰接千斤顶的主动伸缩来调整盾体前、后部分弯折角度，达到使盾构转弯的目的。被动铰接的推进千斤顶安装在中盾法兰上，其推力直接作用在中盾上，由中盾通过铰接千斤顶拖动尾盾。主动型铰接装置和被动型铰接装置各有其特点，在进行选择时，应从隧道的曲线半径、管片宽度，盾构制造商的经验，操作者的习惯等方面进行综合考虑。3.2.4 盾构主机选择排土系统选择土压平衡盾构排土系统主要包括螺旋输送机和皮带传送机，针对性设计主要考虑两种设备的型号规格及相互匹配性。渣土改良系统选择渣土改良是土压平衡盾构的重要功能，通过向土舱内渣土注入泡沫、膨润土或水等聚合物添加剂，增加渣土的流动性，降低渣土的透水性，达到堵水、减磨、降扭及保压的效果，对平衡、维持开挖面的稳定有重要作用。渣土改良系统主要包括泡沫、膨润土注入泵及配套管路，主要由开挖面的地质情况决定。3.2.4 盾构主机选择注浆系统选择注浆系统主要包括同步注浆系统和二次注浆系统，同步注浆主要用于填补管片和开挖地层之间的空隙，对控制开挖地层稳定和地表沉降有着重要作用。同步注浆和二次注浆系统应充分考虑区间水文地质情况和沉降要求，保证注浆效果，注浆速度满足掘进速度要求，注浆压力适应地层情况。特殊设计有时，针对特殊的设计线型或地质特点，必须采取特殊的针对性设计。如瓦斯区间，必须对盾构进行通风、防爆改造、瓦斯监控等进行设计。盾构及后配套拖车上设备以外的设备称为施工辅助设备。施工辅助设备因围岩条件、施工环境及施工方法的不同而不同。通风设备应符合以下要求：一次通风宜采用压入式通风，风管采用软管，管径根据隧道断面、长度、出渣方式确定。根据计算风量和风压，结合通风方式及通风设备的布置，宜采用轴流式通风机。长距离通风时，为满足风压的要求，宜采用相同型号的风机等距离间隔串联方式，普通隧道施工区域的风速不宜低于

0.3

m/s，瓦斯隧道施工区域风速不低于0.5

m/s。3.2.5 施工辅助设备的选择3.2.6 盾构选型实例中微风化板岩是盾构法隧道施工的一种常见地层，这种地层相对稳定，地下水较少，岩层的硬度相对较高。下面以某盾构区间为例说明长距离硬岩掘进的盾构选型及针对性设计。1.盾构区间概况【例】某盾构区间左线全长1860.924m，右线全长1850.6m。线间距为13.0～15.0m，线路平面最小曲线半径为550m，最大纵坡为28.00‰。隧道埋深为12.00～22.0m。管片设计参数如下：管片内径5.4m，管片厚度300mm，管片外径6.0m，管片宽度1.5m，分块数为6块。管片衬砌环为楔形通用环，楔形量为45

mm，衬砌环由1个封顶块、2个邻接块和3个标准块组成。3.2.6 盾构选型实例（1）区间地质情况。本工程区间主要地层均为强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩，另有少量杂填土、粉质黏土，区间范围内无地下水。本工程区间地质情况分布如图所示。盾构区间地质情况分布3.2.6 盾构选型实例（2）区间建（构）筑物情况。区间建（构）筑物情况见。表 区间沿线建（构）筑物情况建筑物名称基础形式与隧道关系某砖混结构小区楼房桩基础最小水平距离2.4

m某立交桥桩基2.2m桩基础，桩长21.02

m最小水平距离2.7

m某大桥桩基直径2.2

m桩基础，桩长15m最小水平距离8.4

m雨水箱涵钢筋混凝土结构，

截面尺寸为7.2

m×3.7

m

，

壁厚0.6

m调线后箱涵底部与隧道顶部间距为1.84m过水箱涵钢筋混凝土结构，截面尺寸为5

m×2.5

m，壁厚0.5

m竖向净距为0.965

m人行过街地下通道钢筋混凝土结构，截面尺寸为6

m×3.7

m，壁厚0.5

m竖向净距为9.0

m3.2.6 盾构选型实例盾构选型根据工程实际情况，计划采用复合式土压平衡盾构，并根据工程特点进行针对性设计。针对本工程长距离全断面硬岩的特点，盾构设备做以下针对性设计：（1）刀盘设计。选择刀盘的开口率为35%左右的辐板式刀盘。为了防止刀盘过度磨损，应在刀盘周边及外缘布置保护性刀具，并在刀盘表面及外缘周围设置耐磨层。3.2.6 盾构选型实例（2）刀具设计。盾构在岩层掘进时，配置正面滚刀23把，滚刀安装高度17

mm。设置了8把滚刀、16把边缘刮刀。刀盘在软土区、硬岩区、上软下硬区刀具的布置如图所示。正滚刀高度175

mm，数量23把，中心滚刀为8把双联滚刀。刀盘配置示意3.2.6 盾构选型实例（3）盾体设计。盾尾厚度根据其尺寸及所受的地层压力而定，在满足管片后部注浆及盾构转弯半径的前提下，选取盾尾间隙为35mm，选取盾壳钢板厚度为50mm，盾尾加强钢环的厚度为30

mm，则盾尾厚度=盾壳厚度+钢板厚度=80mm；则盾构尾部的外径为D=6

000+2×（35+80）=6

230（mm）。为了减小盾构在复合地层中推进时的阻力，将盾构设计成前部稍大，后部稍小。中盾与尾盾的连接采用被动铰接设计，中盾和盾尾之间设计有两道密封，