沈阳地铁4标盾构选型

第十二章盾构机1.选型依据1.1盾构选型依据和选型原则本标段的盾构选型主要依据沈阳地铁一号线（洪湖北街站～重工街站盾构区间）盾构工程招标文件和岩土工程勘察报告，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行盾构机的选型。1.1.1标段区间盾构施工技术条件洪湖北街站－重工街站盾构隧道长度1442.246平面最小曲线半径600m(二次性曲线700m)最大纵坡20‰左右线间距13m隧道结构底最大埋深21．039m（覆土厚度15.039ｍ）最小平均埋深14.847m（覆土厚度8.847ｍ）隧道（管片）内径5400mm管片外径6000mm管片宽度1200mm计划进度7环／天根据本施工组织计划，满足业主提供的工期安排，计划本工程隧道纯掘进合计365日历天，平均每天掘进7.90m。1.1.2本标段工程地质条件1.1.2.1本标段岩性特点勘察表明，场地地表为市政路面及人工填土，勘察深度内的地层为第四系全新统人工堆积层、第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层、第四系全新统浑河新扇冲洪积地层、第四系上更新统浑河老扇冲洪积层、第四系中更新统冲洪积层。本标段掘进地层主要为（④-1）粉质粘土、（④-4）中粗砂、（⑤-1）粉质粘土，局部为（④-3）粉细砂、（⑤-4）中粗砂。其中砂性土透水性强，容易出现涌水和流砂现象，从而引起开挖面失稳和地面下沉。特别是突发性的涌水和流砂，随着地层空洞的扩大会引起地面大范围的突然塌陷。在穿越（④-4）、（⑤-4）层局部含有砾卵石的中粗砂、砾砂层时，容易出现由于被切削头带动而扰动地层造成的超挖和地层下沉。在穿越（④-1）粘性土地层时，应注意因粘着造成盾构设备或管路堵塞。同时由于开挖面存在两种软硬地层而由此造成的盾构在线路方向上的偏离。（④-4）中粗砂层，含砾、卵石，最大粒径达100mm。1.1.2.2本标段水文地质条件根据地下水的赋存条件、水理性质、水力性质和含水层结构特征的不同将整个区段地下水由上至下分为：第一层水赋存于第四系全新统冲积粉、细砂、中、粗砂层中，属第四系松散岩类孔隙潜水；第二层水赋存于第四系全新统粉、细砂、中、粗砂层中，属第四系松散岩类孔隙承压水，含水层厚一般2.00～6.00ｍ，最厚8.30ｍ，隧道主要穿越第二层含水层，承压水头7.23ｍ～10.15ｍ，第二层含水层综合渗透系数为166.11ｍ/d，渗透性强，含水量丰富；第三层水赋存于第四系上更新统及中更新统粉、细砂、中、粗砂、砾砂层中，属第四系松散岩类孔隙承压水。各层水之间存在着水力联系，第二层与第三层水联系更为密切。地下水的补给来源主要为侧向迳流及大气降水，以人工开采为主要排泄方式，蒸发次之。1.1.2.3本标段线路的地面及周边情况本标段位于沈阳市于洪区～铁西区。线路沿沈大路及建设西路走行，出洪湖北街站后偏左走行进入绿化带，沿线左侧为居民区，最近处距沈大路8号7层住宅楼约1.5米，之后线路在DK4＋700米处穿越沈山铁路，在DK5＋532.8米处穿越重工街，在DK5＋689米处距建设西路43号居民楼约4.0米。本区段隧道施工中，较困难的地段是穿越沈山铁路和重工立交桥段（DK5＋470～＋620）。因隧道在立交桥2个桥墩之间穿过，隧道结构外缘距桥墩最小距离为3.590ｍ，隧道结构底板埋深达16.278ｍ，拱顶覆土厚度为10.078ｍ左右，无须截桩。1.1.2.4本标段地面沉降量控制及掘进方向控制误差要求施工地面的变形沉降量控制在30mm以内,隆起量控制在10mm以内,推进时轴线方向误差不超过±50mm。1.2本工程特点、难点对盾构机的设计要求1.2.1工程重、难点：1.2.1.1隧道穿越很大比例的砂卵石土地层本标段将穿越很大比例的粉质粘土、粉细砂、中粗砂等砂卵石土地层，部分有砾砂、砂卵石层。在地下水的影响下均会产生坍塌，在此地层中采用盾构法施工时主要考虑通过对掌子面施加一定的压力，从而保持掌子面的稳定，进行渣土改良防止形成泥饼，宜采用密闭型盾构。从刀具的配置上分析，泥水平衡盾构和土压平衡盾构由于其工作环境的要求不同，在刀具的配备上多采用先行撕裂刀、刮刀等刀具，也可以采用软、硬岩都适合的复合型盾构刀盘布置。根据上面考虑到的地质因素，在本工程中采用的盾构应该具备这样一些特点：密闭型盾构，但又能够在不同的工作模式下方便的转换；能够在粉质粘土地层条件下顺利的施工，又预留掘削卵砾石层的功能，还可以方便的更换刀具。从盾构的出渣方式上考虑，一般土压平衡盾构采用螺旋输送机和编组列车的方式出渣，而泥水盾构采用管道泵送的方式出渣。本标段大部分地段为砂卵石土层地段，含有一定量的粉质粘土、粉细砂、中粗砂。所以从技术的角度看，选用土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构，都可以满足施工要求。1.2.1.2部分地段隧道通过部分有砾砂、砂卵石层等砂类地层区间隧道将穿过砂性土层，此类地层自稳能力差，在隧道掘进时容易引起地面的沉降。而采用土压平衡盾构和泥水平衡盾构均能在施工中对掌子面形成有效地支撑作用，从而达到稳定掌子面的目的。1.2.1.3隧道部分地段粉质粘土地段，易粘结刀盘形成泥饼本标段洞身部分通过粉土地层，在该地层掘进时存在渣土粘结刀盘而形成泥饼和堵塞进渣口的可能。土压平衡盾构可以通过合理的刀盘设计和渣土改良措施来避免，并且即使形成泥饼也可以通过冲洗方式快速处理，而泥水盾构的处理则比较困难。1.2.1.4穿越沈山铁路、重工立交桥段和居民楼附近：要求盾构在通过此地段时要求不仅能顺利的掘进，而且必须具有较强的平衡水土压力的能力，保证地表变形保持在正常范围内。1.2.2工程重、难点对盾构机设计的要求根据本标段的工程条件、工程地质条件以及盾构施工法的特点，盾构机选型主要取决于盾构经过的地层的地质情况，同时，所选盾构机必须具有与工期相适应的掘进速度，而且能够满足隧道施工的要求。根据本区间地质特点，对盾构机有如下要求：1.2.2.1基本功能要求要求盾构具有开挖系统、出渣系统、渣土改良系统、管片安装系统、注浆系统、动力系统、控制系统、测量导向系统等基本功能。1.2.2.2对砂卵石地层的适应性要求盾构在砂卵石地层中施工时应重点考虑以下功能：具备土压平衡掘进功能；足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力；合理的刀盘及刀具设计，刀盘开口率足够，开口位置合理；完善的渣土改良系统，包括加泥系统、泡沫系统、聚合物系统等；易于更换刀具；盾构本体在压力状态下的防水密封性能；具有防喷涌功能，应设置紧急关闭土仓的装置；人舱设计；管片壁后同步注浆系统；连续开挖时盾构刀盘、刀具、螺旋输送机耐磨损；盾体的防扭转；盾体有足够的强度防止发生变形；在盾构机通过粉质粘土地段时，渣土易粘结刀盘形成泥饼，盾构的刀盘布局及其它辅助措施必须能够有效防止刀盘中心泥饼形成。盾构机有良好的防水性能；在地质复杂区段中，有必要的手段能够对前方地层进行超前探测，以便及时采取相应的施工技术措施；1.2.2.3特殊地段的通过能力能够使用综合施工技术手段通过本标段中的明渠、暗渠以及建筑物等特殊地段。1.2.2.4精确的方向控制该区间盾构施工里程较长，要求盾构的导向系统具有很高的精度，以保证线路方向的正确性。盾构方向的控制包括两个方面：一是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。二是盾构本身能进行纠偏、转向。1.2.2.5环境保护盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，无大的噪声、震动等；再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染。1.2.2.6掘进速度满足计划工期要求盾构的掘进速度满足计划工期的要求是指盾构的最高掘进速度能够达到60mm/min，最高日进度达到12m/天（10环/天），最高月进度达到300m/月。1.2.2.7设备可靠性、技术先进性与经济性统一盾构的可靠性是工程施工的重要保障，盾构的关键部件必须在施工过程中万无一失，做到百分之百的可靠。盾构机的可靠性表现在整体设计的可靠性，即地质的适应性；设备本身的性能、质量、使用寿命等的可靠性。但盾构机设计同时也应该考虑到对先进技术的应用及经济因素的考虑。盾构选型及设计按照“可靠性、技术先进性、经济性综合兼顾”的原则进行。1.3针对本工程不同类型盾构机的适用性对比分析1.3.1综合分析盾构的主要类型有泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构等。土压平衡盾构和泥水盾构在稳定开挖面、地质条件、抵抗水压、控制地表沉降、渣土处理、施工场地、工程成本等方面都有较大差异，均有其独特的适应性，根据本工程特点，下表是对这两种盾构进行的综合比较分析。泥水平衡盾构和土压平衡盾构对比表比较项目土压平衡盾构泥水平衡盾构简要说明评价简要说明评价稳定开挖面保持切削土舱压力支持开挖面土体稳定优有压泥水使开挖面地层保持稳定优地质条件适应性在砂性土等透水性地层中要有特殊的措施良适应性较强优抵抗水压靠土舱压力及泥土的不透水性能抵抗水压良靠泥水在开挖面形成的泥膜和泥水压力抵抗水压优控制地表沉降保持土舱压力、控制推进速度、维持切削量与螺旋输送机出土量等控制优控制泥浆质量、压力及推进速度、保持进、排泥量的动态平衡优渣土处理直接外运简单进行泥水分离处理及外运复杂施工场地占用施工场地较小优要有较大的泥水处理场地差设备费用低高工程成本减少了泥水处理设备，只需配置添加剂注入设备即可，设备及运行费用低低增加了泥水制作、输送及泥水分离设备，设备及运转费用高高1.3.2地层适应性分析不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡盾构最适应于细颗粒地层，切削的渣土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。而泥水平衡盾构最适应于较粗颗粒地层，在砂土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出，泥水压力作用于工作面。盾构类型与地层的适应性见下表。盾构类型与地层的适应性项目土压平衡盾构泥水平衡盾构粉质粘土层中密粉土层中密粉细砂密实粉细砂中密中粗砂密实中粗砂可塑粉质粘土层卵石层泥质粉砂岩夹砂岩、页岩能适应粘土、砂土、砂砾，卵石土、岩石等各种地质。需要向开挖仓中注添加剂，改善渣土的性能，使其成为具有良好塑流性、低的摩擦系数及止水性的渣土。对于泥质粉砂岩夹砂岩、页岩开挖破碎可能会有大颗粒渣土，需要考虑螺旋输送机通过粒径能力能适应粉质粘土、粉细砂、中粗砂、卵石层，岩层等各种地质。需向开挖仓中注入泥浆，适合开挖面难以稳定、滞水砂层、砂砾层、含水量高的地层及隧道上方有水体的场合。对于泥质粉砂岩夹砂岩、页岩开挖破碎可能会有大颗粒渣土，排泥管路需要考虑破碎设施。1.3.3水压及渗透性适应性分析地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。根据欧美和日本的施工经验，两种盾构能够适应的地层渗水系数范围如下图所示。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。本工程在隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数为6.54×10-4m/s－4.24×10-7m/s之间，地层的透水系数处土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构适用范围的交叉区域（10-4m/s－10-7m/s），从下图中可以看出，采用泥水加压平衡盾构和土压平衡盾构均能适应本工程的施工需要。盾构类型与水压、渗透性的适应性见表。盾构类型特点对比见下表。盾构类型与水压、渗透性的适应性项目土压平衡盾构泥水平衡盾构渗透性由于K1×10-4m/s，开挖仓中添加剂被稀释，水、砂、砂砾相互混合后，土渣不易形成具有良好塑性及止水性渣土，易发生喷涌。在掘进时需要对各种掘进参数进行管理，特别是泥水质量、压力及进排泥浆的流量管理。水压由于采用螺旋输送机排土，在富含水、透水性大的粉细砂及中粗砂层中，需要向开挖面及土仓中添加泡沫或泥浆材料或聚合物，才能使开挖土形成具有良好塑流性及止水性的土体。对于土仓压力大于3bar的地层，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，从而有可能在螺旋输送机排土闸门处发生水、土砂喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。通过对泥水压力及流量的正确管理，完全能保持