盾構(gòu)的種類及選型

1、第四章 盾構(gòu)的種類及選型4.1 盾構(gòu)機(jī)的種類盾構(gòu)的分類方法較多，可按盾構(gòu)切削斷面的形狀；盾構(gòu)自身構(gòu)造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘土體的方式；掘削面的擋土形式；穩(wěn)定掘削面的加壓方式；施工方法；適用土質(zhì)的狀況等多種方式分類。見表4.1。1. 按挖掘土體的方式分類按挖掘土體的方式，盾構(gòu)可分手掘式盾構(gòu)、半機(jī)械式盾構(gòu)及機(jī)械式盾構(gòu)三種。手掘式盾構(gòu)：即掘削和出土均靠人工操作進(jìn)行的方式。半機(jī)械盾構(gòu)：即大部分掘削和出土作業(yè)由機(jī)械裝置完成，但另一部分仍靠人工完成。機(jī)械式盾構(gòu)：即掘削和出土等作業(yè)均由機(jī)械裝備完成。2. 按掘削面的擋土形式分類按掘削面的擋土形式，盾構(gòu)可分為開放式、部分開放式、封閉式三種。開放式：即掘

2、削面敞開，并可直接看到掘削面的掘削方式。部分開放式：即掘削面不完全敞開，而是部分敞開的掘削方式。封閉式：即掘削面封閉不能直接看到掘削面，而是靠各種裝置間接地掌握掘削面的方式。3. 按加壓穩(wěn)定掘削面的形式分類按加壓穩(wěn)定掘削面的形式，盾構(gòu)可分為壓氣式、泥水加壓式，削土加壓式，加水式，加泥式，泥漿式六種。壓氣式：即向掘削面施加壓縮空氣，用該氣壓穩(wěn)定掘削面。泥水加壓式：即用外加泥水向掘削面加壓穩(wěn)定掘削面。削土加壓式（也稱土壓平衡式）：即用掘削下來的土體的土壓穩(wěn)定掘削面。加水式：即向掘削面注入高壓水，通過該水壓穩(wěn)定掘削面。泥漿式：即向掘削面注入高濃度泥漿（1.4g/cm3）靠泥漿壓力穩(wěn)定掘削面。加泥式：

3、即向掘削面注入潤滑性泥土，使之與掘削下來的砂卵混合，由該混合泥土對掘削面加壓穩(wěn)定掘削面。4. 組合分類法這種分類方式是把2、3兩種分類方式組合起來命名分類的方法（見表4.2）。這種分類法目前使用較為普遍，是隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范盾構(gòu)篇中推薦的分類法。這種方式的實(shí)質(zhì)是看盾構(gòu)機(jī)中是否存在分隔掘削面和作業(yè)艙的隔板。全開放式盾構(gòu)不設(shè)隔板，其特點(diǎn)是掘削面敞開。掘削土體的形式可為手掘式、半機(jī)械式、機(jī)械式三種。這種盾構(gòu)適于掘削面可以自立的地層中適用。掘削面缺乏自立性時，可用壓氣等輔助工法防止掘削面坍落穩(wěn)定掘削面。部分開放式盾構(gòu)，即隔板上開有取出掘削土砂出口的盾構(gòu)，即網(wǎng)格式盾構(gòu)也稱擠壓式盾構(gòu)。1.挖掘方式分類2.擋土方

4、式分類3.穩(wěn)定掘削面的加壓方式分類4.組合命名分類手掘式半機(jī)械式機(jī)械式開放式部分開放式封閉式壓氣式泥水加壓式削土加壓式加水加壓式泥漿加壓式加泥加壓式盾構(gòu)全開放式網(wǎng)格式封閉式手掘式半機(jī)械式機(jī)械式部分開放式泥水式土壓式泥水面板泥水輻條土壓式掘削土面板掘削土輻條泥土式泥土式泥漿式掘削土添加材面板掘削土添加材輻條掘削土泥漿面板掘削土泥漿輻條5.斷面形狀分類6.尺寸大小分類7.施工方法分類8.適用土質(zhì)分類圓形非圓形半圓形單圓形雙圓搭接形三圓搭接形矩形馬蹄形橢圓形超小型盾構(gòu)小型盾構(gòu)中型盾構(gòu)大型盾構(gòu)特大型盾構(gòu)超特大型盾構(gòu)二次襯砌法盾構(gòu)工法一次襯砌法盾構(gòu)工法（ECL工法）軟土盾構(gòu)硬土層、巖層盾構(gòu)復(fù)合盾構(gòu)表4.

5、1盾構(gòu)分類表封閉式盾構(gòu)是一種設(shè)置封閉隔板的機(jī)械式盾構(gòu)。掘削土砂是從位于掘削面和隔板之間的土艙內(nèi)取出的，利用外加泥水壓或者泥土壓與掘削面上的土壓平衡來維持掘削面的穩(wěn)定，所以封閉式有泥水平衡式和土壓平衡式兩種。進(jìn)而土壓平衡式又可分為真正的土壓平衡式和加泥平衡式；加泥平衡式又分為加泥和加泥漿兩種平衡方式。 表4.2 盾構(gòu)組合命名分類法盾構(gòu)盾構(gòu)前方構(gòu)造形 式掘削面穩(wěn)定機(jī)構(gòu)封閉型土壓式土壓掘削土+面板掘削土+幅條泥土掘削土+添加材+面板掘削土+添加材+幅條泥水式泥水+面板泥水+幅條開放型部分開放開型網(wǎng)格式隔板全面開放型手掘式前檐擋土裝置半機(jī)械式前檐擋土裝置機(jī)械式面板幅條5. 按盾構(gòu)切削斷面形狀分類按盾構(gòu)

6、切削斷面形狀，盾構(gòu)可分為圓形、非圓形兩大類。圓形又可分為單圓形、半圓形、雙圓搭接形、三圓搭接形。非圓形又分為馬蹄形、矩形（長方形、正方形、凹、凸矩形）、橢圓形（縱向橢圓形、橫向橢圓形）。6. 按盾構(gòu)機(jī)的尺寸大小分類按盾構(gòu)機(jī)的尺寸大小，盾構(gòu)機(jī)可分為超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。超小型盾構(gòu)系指D（直徑）1m的盾構(gòu)，小型盾構(gòu)系指1mD3.5m的盾構(gòu)，中型盾構(gòu)系指3.5mD6m的盾構(gòu)，大型盾構(gòu)系指6mD14m的盾構(gòu)，特大型盾構(gòu)系指14mD17m的盾構(gòu)，超特大型盾構(gòu)系指D17m的盾構(gòu)7. 按施工方法分類按施工方法分類盾構(gòu)可分為二次襯砌盾構(gòu)，一次襯砌盾構(gòu)（ ECL工法）。二次襯砌盾構(gòu)工法：即

7、盾構(gòu)推進(jìn)后先拼裝管片，然后再作內(nèi)襯（二次襯砌）也就是通常的方法。一次襯砌盾構(gòu)工法：即盾構(gòu)推進(jìn)的同時現(xiàn)場澆注混凝土襯砌（略去拼裝管片的工序）工法也稱ECL工法。8. 按適用土分類按適用土質(zhì)，盾構(gòu)可分為軟土盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)及復(fù)合盾構(gòu)。軟土盾構(gòu)：即切削軟土的盾構(gòu)，硬巖盾構(gòu)：即掘削硬巖的盾構(gòu)，復(fù)合盾構(gòu)：既可切削軟土，又能掘削硬巖的盾構(gòu)，4.2 全敞式盾構(gòu)機(jī)前面業(yè)已指出，全敞式盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是掘削面呈敞露狀態(tài)，故挖掘狀態(tài)是干狀態(tài)，所以出土效率高。這種形式的盾構(gòu)可據(jù)其機(jī)械化程度的差異，進(jìn)而分成人工式、半機(jī)械式、機(jī)械式三種。全敞開式盾構(gòu)機(jī)適用于掘削面自穩(wěn)性好的地層（如洪積層壓砂、砂礫、固結(jié)粉砂及粘土）。對自穩(wěn)性

8、差的沖積地層（如沖積層中的砂層、粉砂層及粘土層）而言，應(yīng)輔以壓氣、降水、注漿加固等措施，以便確保掘削面的穩(wěn)定。這里就這種盾構(gòu)的三種形式（人工式、半機(jī)械式、機(jī)械式）分別作一簡單介紹。4.2.1 人工式盾構(gòu)機(jī)人工掘削盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造如圖4.1所示。因為手工掘削盾構(gòu)機(jī)的前面是敞開的，所以盾構(gòu)機(jī)的頂部裝有防止掘削面頂端坍落的活動前檐和使其伸縮的千斤頂。掘削面上每隔23m設(shè)一道工作平臺，即分割間隔為23m。另外，在支承環(huán)柱上安裝有正面支承千斤頂。掘削從上往下，掘削時按順序調(diào)換正面支承千斤頂，掘削下來的土砂從下部通過皮帶傳輸機(jī)輸給出土臺車。掘削工具多為鶴嘴鋤、風(fēng)鎬、鐵鍬等。圖4.1 手掘式盾構(gòu)機(jī)該盾構(gòu)機(jī)對于途

9、中存在障礙物、斷面形狀特殊及短距離等情形均較適合。與封閉式盾構(gòu)相比，價格便宜2040%。圖4.2示出是掘進(jìn)距離70m，有障礙物的人工式盾構(gòu)工程的施工示意圖。圖4.2 手掘式盾構(gòu)工法實(shí)例示意圖 半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)半機(jī)械式盾構(gòu)是在敞開式人工式盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上安裝掘土機(jī)械和出土裝置，以替代人工作業(yè)。掘土裝置有鏟斗、掘削頭及兩者兼?zhèn)涞热N形式，詳見圖4.3。具體裝備形式如下：（1）鏟斗、掘削頭等裝置設(shè)在掘削面的下部。（2）鏟斗裝在掘削面的上半部，掘削頭裝在下半部。（3）掘削頭裝在掘削面的中心。（4）鏟斗裝在掘削面的中心。選擇哪種形式可據(jù)土質(zhì)狀況、掘削面的自立程度、保證操作人員安全等條件選擇。圖4.3掘削鏟斗

10、裝入裝置構(gòu)成形式圖圖4.4半機(jī)械盾構(gòu)構(gòu)造圖圖4.4示出的是鏟斗式半機(jī)械盾構(gòu)的構(gòu)造圖。半機(jī)械式盾構(gòu)由鏟斗、鏟斗千斤頂、臂架、臂千斤頂、主機(jī)架等部件組成。掘土作業(yè)由鏟斗千斤頂（2只）和機(jī)架千斤頂控制，鏟斗可作上下、左右及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。掘削時操作人員可直接觀察掘削狀況。盾構(gòu)的頂部與人工式盾構(gòu)相同，裝有活動前檐和正面支承千斤頂?shù)炔考?機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)機(jī)械式盾構(gòu)的構(gòu)造如圖4.5所示。盾構(gòu)機(jī)的前端裝有旋轉(zhuǎn)刀盤，故掘削能力大增。掘削下來的土砂由裝在掘削刀盤上的旋轉(zhuǎn)鏟斗，經(jīng)過斜槽送到螺旋輸送機(jī)。由于掘削和排土連續(xù)進(jìn)行，故工期縮短，作業(yè)人員減少。圖4.5機(jī)械式盾構(gòu)的構(gòu)造4.3 擠壓盾構(gòu)1工作原理當(dāng)敞開式盾構(gòu)在地質(zhì)條件

11、很差的N 5的沖積粉砂土、粘土層中掘進(jìn)時，由于土體的流塑性大的原因，往往發(fā)生土體從掘削面流入盾構(gòu)內(nèi)艙的現(xiàn)象，即引起掘削面坍塌，導(dǎo)致掘削無法正常進(jìn)行。這種場合下可在盾構(gòu)（機(jī)內(nèi)）靠近掘削面的地方設(shè)置一道隔板（該隔板上設(shè)有多個大?。娣e）可調(diào)的土砂排放口）把掘削面封閉起來。這種封閉后的盾構(gòu)從正面看上去隔板上存在著許多網(wǎng)格（見照片4.1）,故此得名網(wǎng)格盾構(gòu)。照片4.1 網(wǎng)格式盾構(gòu)機(jī)實(shí)物照片網(wǎng)格盾構(gòu)的工作原理如下：當(dāng)盾構(gòu)的推進(jìn)千斤頂發(fā)力把盾構(gòu)切口環(huán)擠入前方地層時，由于掘削面上的土體受到擠壓，故發(fā)生塑性流動，由土砂排放口被擠出。故網(wǎng)格盾構(gòu)也稱擠壓盾構(gòu)。為便于盾構(gòu)推進(jìn)，提高正面支承的效果，在盾構(gòu)的正面設(shè)置土

12、體導(dǎo)向板和控制土砂排放口開度（即開放面積與總面積的比）的閘門，該閘門由千斤頂控制。在推進(jìn)速度一定的條件下，調(diào)節(jié)閘門的開度，即可維持掘削面的穩(wěn)定。土砂排放口的開度大小取決于土質(zhì)和掘進(jìn)速度。開度過大，出土量過多，導(dǎo)致周圍地層沉降；相反，開度過小，出土量太少，導(dǎo)致盾構(gòu)擠入地層的阻力增大，使地層發(fā)生隆起。所以根據(jù)土質(zhì)條件正確地確定開度，控制土量是擠壓盾構(gòu)成功的關(guān)鍵。2適用地層擠壓盾構(gòu)適用于流塑性高N300100-3008050AAAAA-A-A-A-A洪積性粘土壚姆粘土砂質(zhì)壚姆粘土砂質(zhì)壚姆粘土1020152520505020-軟巖風(fēng)化頁巖、泥巖503040ABABABABABABABABABAB-AA

13、AAAAA-注（1）手掘式盾構(gòu)、半機(jī)械掘削式盾構(gòu)、機(jī)械掘削式盾構(gòu)、網(wǎng)格式盾構(gòu)，原則上采用氣壓工法。 無：不使用輔助工法 ：原則上適合條件 A：化學(xué)注漿工法 有：使用輔助工法 ：使用時須加討論 B：降水法 ：原則上不適合的條件 -：特殊情況下也可以使用 （2）主要表示希望選定的工法，但是也包括部分土質(zhì)不適合的不得不采用的情形。詳盡地掌握好各種盾構(gòu)工法的特征是確定盾構(gòu)工法的關(guān)鍵。其中，選擇適合土質(zhì)條件的確保工作面穩(wěn)定的盾構(gòu)機(jī)種及合理輔助工法最重要，表4.3示出了盾構(gòu)機(jī)種與適用土質(zhì)、輔助工法的關(guān)系。此外，盾構(gòu)的外徑、覆蓋土厚度、線形（曲線施工時的曲率半徑等）、掘進(jìn)距離、工期、豎井用地、路線附近的重要

14、構(gòu)造物、障礙物等地域環(huán)境條件的考慮也至關(guān)重要。當(dāng)然還應(yīng)考慮安全性和成本，通常要求按上述綜合考慮選定合適的盾構(gòu)。這里對表4.3中示出的各種盾構(gòu)的適用土質(zhì)條件簡介如下：（1）手掘式盾構(gòu)；手掘式盾構(gòu)由于頭部敞開的緣故，對于硬軟間雜的開挖面以及礫石、卵石等地基比較適用，一般采用壓氣施工保持開挖面的穩(wěn)定性。但是這一盾構(gòu)型式是以開挖面能夠長時間自立穩(wěn)定為基本條件。在開挖面不夠穩(wěn)定時需通過化學(xué)注漿進(jìn)行地基加固，在地下水位較高會由涌水而影響開挖面穩(wěn)定性時需采取降水等輔助措施。一般來說，洪積形成的砂礫、砂、固結(jié)粉砂、粘土層易于自立穩(wěn)定，最適于這種型式的使用。沖積形成的松散砂、粉砂、粘土層由于開挖面不能夠自立穩(wěn)定

15、，所以需要采用輔助措施。這種型式的盾構(gòu)是盾構(gòu)的原型，雖然直到70年代末期一直得到廣泛的使用，但最近由于不依靠輔助施工的閉胸式盾構(gòu)的增加使其使用例已變得極少。（2）半機(jī)械式盾構(gòu)；一般來說半機(jī)械式盾構(gòu)適用于開挖面可以自立穩(wěn)定的圍巖條件。適合的土質(zhì)主要是洪積形成的砂礫、砂、固結(jié)粉土及粘土，對于軟弱的沖積層是不適用的。在使用壓氣施工、地下水降低施工、化學(xué)加固等輔助施工方面與手掘式盾構(gòu)相同。（3）機(jī)械式盾構(gòu)：機(jī)械式盾構(gòu)在頭部安裝有可連續(xù)開挖土砂的旋轉(zhuǎn)刀盤。刀盤可分為面板型和輪輻型。面板型是通過面板來維持開挖面穩(wěn)定、并通過開口率解決塊石、卵石的排出問題；輪輻型一般用于開挖面易于穩(wěn)定的小斷面盾構(gòu)，針對塊石、

16、卵石而使用。機(jī)械式盾構(gòu)與手掘式盾構(gòu)、半機(jī)械式盾構(gòu)相同，主要用于開挖面可以自立穩(wěn)定的洪積地層中。對于開挖面不易自立穩(wěn)定的沖積地層應(yīng)結(jié)合壓氣施工、地下水降低施工、化學(xué)加固施工等輔助措施而使用。（4）擠壓式盾構(gòu)：擠壓式盾構(gòu)最適合于沖積形成的粉質(zhì)砂土層。由于是從開口部取出土砂，所以不能用于硬質(zhì)地層。另外，砂粒含量如太大的話會出現(xiàn)土砂的壓縮而造成堵塞；相反如果地基的液性指數(shù)太高的話則很難控制土砂的流入，會出現(xiàn)過量取土的現(xiàn)象。為了獲取合適的推進(jìn)力，必須通過研究土質(zhì)條件、開挖面開口比來決定。由于能夠適用的地基非常有限，加之所引起的地基變形比較大，所以近幾年已沒有應(yīng)用的實(shí)例。（5）泥水加壓式盾構(gòu)：一般比較適合

17、于在河底、海底等高水壓力條件下隧道的施工。泥水加壓式盾構(gòu)適用于沖積形成砂礫、砂、粉砂、粘土層、弱固結(jié)的互層地基以及含水率高開挖面不穩(wěn)定的地層；洪積形成的砂礫、砂、粉砂、粘土層以及含水很高固結(jié)松散易于發(fā)生涌水破壞的地層，是一種適用于多種土質(zhì)條件的盾構(gòu)型式。但是對于難以維持開挖面穩(wěn)定性的高透水性地基、礫石地基，有時也要考慮采用輔助施工方法。（6）土壓平衡式盾構(gòu)：土壓平衡式盾構(gòu)適用于含水量和粒度組成比較適中的粉土、粘土、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粘土、夾砂粉粘土等土砂可以直接從掘削面流入土艙及螺旋排土器的土質(zhì)。但對含砂粒量過多的不具備流動性的土質(zhì)，不宜選用。（7）泥土壓式盾構(gòu)：是一種適應(yīng)含砂量過高而不具備流動性

18、，通過添加水、泥水及添加料使泥土壓力可以較好地作用到掘削面上，且可使掘削土砂的流動性增加，通過排土器順利排出的盾構(gòu)。泥土壓式盾構(gòu)適用于沖積砂礫、砂、粉土、粘土等固結(jié)度比較低的軟弱地基；洪積地基以及軟硬相間的互層等地基，在土質(zhì)方面的適用性是最廣泛的。但是，在高水壓地基中，僅用螺旋排土器難以保持開挖面的穩(wěn)定性，還需采用安裝保持壓力的過濾器、連接壓送泵、改良切削土等方法。2.盾構(gòu)工法的選定程序側(cè)重于土質(zhì)條件的選擇盾構(gòu)工法的程序如圖4.7所示。3.實(shí)例這里給出一些被實(shí)際工程證實(shí)過的成功的選擇盾構(gòu)工法的實(shí)例。這些實(shí)例對類似的工程設(shè)計均有一定借鑒價值。有的實(shí)例設(shè)計中甚至可以直接套用。（1）掘削地層是工作面自立性好的粘土層，或者間隙水壓0.1MPa以下的砂、砂礫層，上部覆蓋層是不透氣的粘土層，且厚度一般不低于10m的情形下，可選用開放式壓氣盾構(gòu)，為了提高工作效率宜選用半機(jī)械掘削盾構(gòu)機(jī)。（2）掘削地層具自立性，上部存在連續(xù)的粘土層，地下水位較低，這種情形可選用壓氣的手掘式盾構(gòu)。若地層中存在直徑較大的漂礫（最大直徑800mm）時，可不裝反鏟設(shè)備。（3）某供水隧道工程的掘進(jìn)地層是高水壓的砂礫層（礫徑300mm以下）和洪積粘土層的互交層，工區(qū)內(nèi)存在鐵路、河流及鄰近構(gòu)造物，但有可確保泥水處理設(shè)備的場地，故選用泥水式盾構(gòu)