不同地质条件下的盾构选型

让世界更畅通盾构机设备选型中交天和机械设备制造有限公司目录目录一．引言二．选型的主要内容三．选型的基本原则四．选型的依据五．选型的步骤六．选型的主要方法七．刀盘结构型式选择八．刀盘刀具选择九．刀盘驱动部简单介绍自从1825年布鲁诺尔在英国泰晤士河下首次使用盾构技术开挖隧道以来，盾构技术经历了近200年发展历程。当前,盾构法能够适用于任何水文地质条件下的施工，无论是松软的，坚硬的，有地下水的，无地下水的，地下暗挖隧道工程都可用盾构法。盾构法创始人法国工程师布鲁诺尔一引言布鲁诺尔发明的世界上第一台盾构仅掘进458m长的隧道就历时18年(1825～1843)，施工中经历了5次特大洪水，牺牲了6条生命。一引言1828年1月12日泰晤士河底隧道施工时发生涌水目前，盾构法隧道施工技术在世界许多国家不断得到发展，但在推广与应用上也出现了一些施工事故。据统计，80%以上事故是因盾构的选型失误所引起，不仅影响了整个工程的工期，还造成了极大的经济损失和不必要的人员伤亡。一引言广州地铁一号线经过风化岩石地层，由于盾构机械的不适应性，在此地层段掘进速度低、刀具磨耗严重、地表沉降大、出现泥饼现象等等，甚至还导致三栋3～4层楼房坍塌。一引言广州地铁二号线由于盾构刀具配置不合理，刀具凸出刀盘面板层次不协调，装备扭矩不足，导致刀盘经常形成泥饼，盾构掘进速度缓慢。一引言广州地铁三号线施工时,遇上软下硬地层，掘进异常困难，导致地表房屋大量损坏，最大开裂缝宽达12cm。一引言房屋开裂防洪堤坍塌地表下沉广州地铁四号线小新区间左线施工时，由于刀盘与地层适应性不好，盾构在江底施工时，刀盘刀具磨损严重，最后不得已采用在右线相同位置开挖横通道，到左线刀盘部位进行刀盘面板修复。500m的过江段施工，带压换刀12次，月均进度仅72.3m。一引言刀盘磨损严重开挖横通道刀盘修复深圳铁一号线施工中三次遇到地质突变，一次为上软下硬地质，两次为孤石侵入隧道。导致刀盘面板14处被磨穿；滚刀严重的弦磨和损坏；所有切刀刮刀损坏。一引言盾构施工与工程地质、水文地质、地形地貌、地面建筑、地下管线与构筑物、隧道结构、线路线型等因素息息相关，盾构机应该依据这些具体条件来“量身定做”。盾构施工能否成功，关键取决于盾构的选型，取决于盾构能否适应现场的施工环境。一引言1、选型需要解决的问题二选型的主要内容盾构机选型必须解决以下三个技术问题：（1）支护：用什么支护形式来支护正面土体，确保在盾构机推进中，保持开挖面的稳定。（稳得住）（2）开挖：用什么刀具开挖正面土体。（掘得进）（3）排土：开挖下来的土渣，用什么排土方式迅速排出，使土舱内渣土排出速度与开挖速度相符。（排得出）2、选型的主要内容二选型的主要内容（1）机型选择：软土式还是复合式、泥水式还是土压式、闭胸式还是敞开式；（2）主要部件选择：刀盘、刀具、螺旋输送机等；（3）主要参数计算：刀盘直径、开口率、转速、扭矩、功率，推力，掘进速度，铰接，螺旋输送机功率等；（4）后配套设备选择。3、掘进机的相关分类二选型的主要内容隧道掘进机的大类–软土隧道掘进机——盾构机–岩石隧道掘进机——TBM硬岩掘进机盾构机的“类型”分为泥水盾构机和土压盾构机。二选型的主要内容泥水盾构机复合式盾构机TBM软土式盾构机软土式土压平衡盾构机二选型的主要内容适用地质条件：未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩地质。刀盘特点：仅安装软土刀具(鱼尾刀、切刀、刮刀)，无需滚刀。复合式土压平衡盾构机二选型的主要内容适用地质条件：既适用于软土、又适用于软硬不均、全断面硬岩的复杂地层。刀盘特点：既安装有软土刀具，如切刀和刮刀，又可安装硬岩用滚刀，且滚刀与切削刀可相互更换。3、盾构机的掘进模式二选型的主要内容盾构机的“模式”是指掘进操作方式。土压平衡盾构的“模式”可分为土压平衡模式、半敞开式、敞开式三种。泥水盾构的“模式”可分为泥水平衡模式(也称直接控制模式)和气垫模式(也称气泡舱模式)两种。二选型的主要内容敞开式模式土压平衡模式半敞开式-加气辅助模式土压平衡模式二选型的主要内容（1）适应的工况a、洞身处于自稳定性差的地层；b、当地层可能有较大涌水时；C、断裂、构造破碎带、断层及溶洞等不良地质地段；d、过重要建筑物。（2）土仓压力的控制方法a、通过螺旋输送机来控制排土量的模式；b、通过推进速度来控制进土量的模式。半敞开模式二选型的主要内容（1）适应的工况a、当洞身处于软硬不均地段。b、具有一定自稳能力和地下水的压力不太高（小于1.5bar）的地层，其防止地下水渗入的效果取决于压缩空气的压力。（2）半敞开式模式的实现a、稳定正面的部分压力由压缩空气来实现，气压控制标准值为静水压力值与松散土柱压力值之和；b、利用气压和泥阻止涌水和坍塌。敞开模式二选型的主要内容（1）适应的工况a、能够自稳、地下水少的地层。（2）敞开式模式的实现a、盾构机切削下来的碴土进入土仓内，即刻被螺旋输送机排出。b、土仓内仅有极少量碴土，基本处于清空状态，掘进中刀盘和螺旋输送机扭矩较小。；b、停机时人员可以随时进入土仓。泥水平衡模式盾构机二选型的主要内容泥水盾构具有二种模式:即泥水平衡模式和气垫平衡模式。泥水平衡模式二选型的主要内容泥水平衡模式其原理是通过刀盘来切削掌子面的围岩，位于地面的送泥泵将浆液送入开挖仓，排泥泵将刀盘切削下来并经搅拌的泥浆泵送至地面的泥水处理系统进行分离，通过控制送排泥量来使开挖仓维持一定的压力，这个压力即可平衡掌子面的水压和土压，保证掌子面的稳定。气垫平衡模式二选型的主要内容气垫平衡模式机理：开挖仓内的泥水压力通过气压调节方式进行控制。三盾构选型的原则1.安全适应性2.技术先进性3.经济合理性四盾构选型的依据1、盾构盾构选型的依据：（1）工程地质、水文地质条件颗粒级配，抗压强度，含水率，渗透系数，地下水位,砾石直径，压密特性，孔隙水压等；（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；（6）技术经济比较。五盾构选型的主要步骤2、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）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：如刀盘驱动型式，刀盘结构型式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸等；五盾构选型的主要步骤（4）主要技术参数计算，主要包括刀盘直径、开口率、转速、扭矩、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；（5）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。六盾构选型的主要方法3、根据地层的渗透系数进行选型（1）渗透系数是土渗透性强弱的定量指标，定义为单位水力梯度下的单位流量，表示水通过土体空隙的难易程度，量纲为距离/时间，常用m/s，即水每秒钟透过土体空隙的距离。（2）渗透系数越大，土体透水性越强，即土中空隙越大，土体越松散；反之则土体越密实。通常，渗透系数越大，地层含水量亦越大，即为富水地层。六盾构选型的主要方法k＜10-7m/s——土压式10-7m/s＜k＜10-4m/s——土压、泥水式k＞10-4m/s——泥水式六盾构选型的主要方法常见土的渗透系数参考表六盾构选型的主要方法根据地层渗透系数与盾构的关系，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。六盾构选型的主要方法4、根据地层的颗粒级配进行选型颗粒级配指组成土体的各种粒径颗粒所占的数量，有连续级配与间断级配之分。一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力，以平衡开挖面的土体，此时，选择土压平衡盾构比较适宜。相反，砂卵石等粗颗粒含量多的地层，土渣无法均布于土仓中，不宜建立土压平衡模式，此时以泥水平衡盾构较为适宜。六盾构选型的主要方法大体上当岩土粉粒和粘粒的总量达到40％以上时，通常会选用土压平衡盾构机，相反的情况选择泥水盾构。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。土压盾构泥水盾构六盾构选型的主要方法5、根据水压进行选型当水压较大时，若采用土压平衡盾构，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，引起地表沉降甚至塌陷。六盾构选型的主要方法水压＞0.3Mpa——泥水式或增大螺旋输送机长度或采用二级螺旋输送机水压＜0.3Mpa—土压式盾构选型依据-地质、水文渗透系数渗透系数渗透系数k＜10-7m/s——土压式10-7m/s＜k＜10-4m/s——土压、泥水式k＞10-4m/s——泥水式粘土、粉土含量＞40%——土压式粘土、粉土含量＜40%——泥水式水压＜0.3MPa——土压式水压＞0.3MPa——泥水式六盾构选型的主要方法六盾构选型的主要方法6、根据隧道断面与环境因素选型隧道断面环境因素大型、超大断面——泥水式盾构中小型断面——土压式盾构泥水式盾构——环保性能较差土压式盾构——环境适用性强六盾构选型的主要方法7、按盾构机横截面的形状分类超小型盾构Ф1m小型盾构Ф3.5m≥φ≥1m中型盾构Ф6m≥φ≥3.5m大型盾构Ф14m≥φ≥6m超大型盾构Ф18m≥φ≥14m特大型盾构Ф18m六盾构选型的主要方法各类盾构适用情况土压式盾构：粉土、粘土、淤泥质粉土层，对于沙砾含量较多而不具有流动性的土质，需添加泡沫、泥浆等添加材料；泥水式盾构：河底、海底等高水压的中、粗砂、砾石、卵石地层，含水量高的各种不稳定地层、易发生涌水的地层，有时需配合采用辅助工法。确保安全！！1、刀盘的主要功能七刀盘结构型式选择a)开挖土体并将土送入土仓；b)稳定、支撑掌子面；c)搅拌土体，改善碴土的流塑性便于排出。要求：提高开挖速度，确保开挖面稳定。设计要素：刀盘的结构形式、刀盘支承方式、刀盘开口率、刀具的布置等。2、刀盘的结构形式七刀盘结构型式选择刀盘的结构形式主要有面板式和辐条式两种。面板式刀盘辐条式刀盘采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓，盾构掘进时土仓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。七刀盘结构型式选择七刀盘结构型式选择可更换式先行刀8连中心先行刀磨损检测刀刮刀注入口保护刀导向刀保护刀七刀盘结构型式选择刀盘外周耐磨板刀具磨损检测刀盘磨损检测刀盘注入口保护刀面板式刀盘的特点七刀盘结构型式选择优点：一是以面板支撑掌子面，确保掌子面的稳定，二是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径；缺点：由于受刀盘面板的影响，开挖面土压≠测量土压，因而土压管理困难；由于受面板开口率的影响，碴土进入土仓不顺畅、易粘结、堵塞、结泥饼；且刀具负荷大，刀盘扭矩大，刀盘及刀具易磨损。辐条式刀盘的特点七刀盘结构型式选择优点：辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止粘土附着，不易粘结和堵塞；由于没有面板的阻挡，碴土从开挖面进入土仓时没有土压力的衰减，开挖面土压=测量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效地控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。缺点：不利于保证开挖面的稳定；不便于安装滚刀。辐条式刀盘也能安装滚刀，对挖掘地质针对性设计。考虑在淤泥质粘土、粘土、粉质粘土地层中掘进时，防止刀盘中心及面板上结泥饼，以降低刀盘扭矩，刀盘开口率较大，中心部基本为敞开式，并且区间有卵石层，考虑刀具的耐磨性，所以在外周布置了8把单刃滚刀。右图为北京地铁14号线07标设计的刀盘。七刀盘结构型式选择辐条式刀盘上的滚刀一般设计成与先行刀可互换式，可根据地质的需要