《軌道交通工程盾構施工技術》 課件 項目3 盾構選型

軌道交通工程盾構施工技術項目3盾構選型目錄

CONTENTS2

盾構選型1

盾構選型的原則、依據(jù)和方法任務3.1盾構選型的原則、依據(jù)和方法3.1.1 盾構選型的原則盾構選型應從安全適應性（也稱可靠性）、技術先進性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，所選擇的盾構形式要能盡量減少輔助施工法，并確保開挖面穩(wěn)定和適應圍巖條件，同時還要綜合考慮以下因素：（1）可以合理使用的輔助施工法如降水法、氣壓法、凍結法和注漿法等。（2）滿足工程隧道施工長度和線形的要求。（3）后配套設備、始發(fā)設施等能與盾構的開挖能力配套。（4）盾構的工作環(huán)境。3.1.1 盾構選型的原則盾構選型時主要遵循下列原則：應對工程地質、水文地質有較強的適應性，要滿足施工安全的要求。在安全可靠的情況下，考慮技術先進性和經(jīng)濟合理性。滿足安全、質量、工期、造價及環(huán)保要求。滿足隧道外徑、長度、埋深、施工場地、周圍環(huán)境等條件。后配套設備的能力與主機配套，滿足生產(chǎn)能力與主機掘進速度相匹配。盾構制造商的知名度、業(yè)績、信譽和技術服務。3.1.2 盾構選型的依據(jù)選型時的主要依據(jù)如下：工程地質、水文地質條件隧道長度、隧道平縱斷面及橫斷面形狀、尺寸等設計參數(shù)周圍環(huán)境條件隧道施工工程籌劃及節(jié)點工期要求宜用的輔助工法技術經(jīng)濟比較3.1.3 盾構選型的主要步驟（1）在對于工程地質、水文地質條件等充分研究上選定盾構的類型，對敞開式、閉胸式盾構進行比選。（2）根據(jù)滲透系數(shù)、顆粒級配等對土壓平衡盾構和泥水平衡盾構比選。（3）根據(jù)地質條件等確定盾構的主要技術參數(shù)。（4）根據(jù)地質條件選擇與盾構掘進速度相匹配的后配套施工設備。3.1.4 盾構選型的主要方法根據(jù)地層的滲透系數(shù)進行選型地層滲透系數(shù)對于盾構的選型是一個很重要的因素。根據(jù)地層滲透系數(shù)與盾構類型的關系，若地層以各種級配富水的砂層、砂礫層為主時，宜選用泥水平衡盾構；其他地層宜選用土壓平衡盾構，如圖。地層滲透性與盾構選型的關系3.1.4 盾構選型的主要方法根據(jù)地層的顆粒級配進行選型土壓平衡盾構主要適用于粉土、粉質黏土等黏稠土壤的施工，在黏性土層中掘進時，由刀盤切削下來的土體進入土艙后由螺旋機輸出，在螺旋機內形成壓力梯降，保持土艙壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。根據(jù)地下水壓進行選型當水壓大于

0.3

MPa時，如因地質原因需采用土壓平衡盾構，則需增大螺旋輸送機的長度或采用二級螺旋輸送機，或采用保壓泵。盾構類型與顆粒級配的關系3.1.5 盾構選型時必須考慮的特殊因素環(huán)保因素降低污染保護環(huán)境是選擇泥水平衡盾構面臨的十分重要的課題，需要解決的是，如何防止將這些泥漿棄置江河湖海等水體中造成范圍更大、更嚴重的污染。要將棄土泥漿徹底處理可以作為固體物料運輸?shù)某潭炔⒉蝗菀椎脑颍孩?/p>

處理設備貴，增加了工程投資。②

用來安裝這些處理設備需要的場地較大。③

處理時間較長。工程地質因素盾構施工段工程地質的復雜性主要反映在基礎地質和工程地質特性的多變方面。盾構選型時應綜合考慮并對不同選擇進行風險分析后擇其優(yōu)者。安全因素從保持工作面的穩(wěn)定、控制地面沉降的角度來看，當隧道斷面較大時，使用泥水平衡盾構要比使用土壓平衡盾構的效果好一些，特別是在河湖等水體下、在密集的建（構）筑物下及上軟下硬的地層中施工時。3.1.5 盾構選型時必須考慮的特殊因素任務3.2盾構選型土壓平衡盾構的適用范圍土壓平衡盾構主要適用于粉土、粉質粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工，在黏性土層中掘進時，由刀盤切削下來的土體進入黏土、淤泥土艙后由螺旋輸送機輸出，在螺旋輸送機內形成壓力梯降，保持土艙壓力穩(wěn)定使開挖面土層處于穩(wěn)定。盾構向前推進的同時，螺旋輸送機排土，使排土量等于開挖量，即可使開挖面的地層始終保持穩(wěn)定。排土量通過調節(jié)螺旋輸送機的轉速和出土閘門的開度予以控制。3.2.1 盾構形式的選擇泥水平衡盾構的適用范圍泥水平衡盾構通過施加略高于開挖面水土壓力的泥漿壓力來維持開挖的穩(wěn)定。除泥漿壓力外，合理地選擇泥漿的狀態(tài)也可增加開挖面的穩(wěn)定性。泥水平衡盾構比較適合于河底、江底、海底等高水壓條件下的隧道施工。泥水平衡盾構適用于沖積形成的砂礫、砂、粉砂、黏土層、弱固結的互層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、黏土層以及含水率很高固結松散易于發(fā)生涌水破壞的地層。對于難以維持開挖面穩(wěn)定性的高透水地層、礫石地層，有時也要考慮采用輔助工法。3.2.1 盾構形式的選擇刀盤結構形式有面板式、輻條式和復合式3種。泥水平衡盾構一般都采用面板式刀盤；土壓平衡盾構則根據(jù)土質條件不同可采用面板式或輻條式。對于土壓平衡盾：構采用面板式刀盤時由于泥土流經(jīng)刀盤面板的開口進入土艙，盾構掘進時土艙內的土壓力與開挖面的土壓力之間產(chǎn)生壓力降且壓力降的大小受面板開口的影響不易確定，從而使得開挖面的土壓力不易控制。面板式刀盤的優(yōu)點：是通過刀盤的開口限制進入土艙的卵石粒徑。面板式刀盤的缺點：是由于受刀盤面板的影響，開挖面土壓不等于測量土壓，土壓管理困難。3.2.2 刀盤結構形式的選擇3.2.3 刀具選擇盾構刀具合理選型和配置，往往能在施工中起到事半功倍的效果。盾構刀盤合理配置有先行刀與切削刀，將更有效增加刀具使用壽命。盾構刀盤上先行刀和切削刀高低分層配置的工作原理：在刀具切削土層時，先行刀首先在土層被切削面上切出溝槽，然后由切削刀切下土質。①

軟土地層中土的強度不足，偏松散，局部有剝落的情況，其抗壓強度普遍在10

MPa以內，因此較為適宜的是切（刮）削刀。②

具硬巖地層，較為可行是普通盤形滾刀。③

復合地層，所含的地質類型較多，集多類地質于一體，因此需采取多類刀具相適配的綜合型方案3.2.4 盾構主機選擇項目主要影響因素一般取值范圍掘進速度施工工期0～80

mm/min推力和推進系統(tǒng)地質情況0～4000

t鉸接形式設計線型（曲線半徑）主動鉸接/被動鉸接密封系統(tǒng)地下水含量根據(jù)實際情況設計密封盾構主機的主要參數(shù)包括主驅動、推力、扭矩、鉸接形式、密封形式等。參數(shù)主要與設計線型、水文地質情況、周邊建（構）筑物情況有著密切的聯(lián)系，具體情況見表。表城市軌道交通盾構主要參數(shù)及主要決定因素主驅動選擇盾構主驅動主要包括驅動動力、減速機、齒輪副、主軸承、密封和潤滑、主驅動箱等。驅動路徑為驅動動力→減速機→小齒輪→主軸承→驅動盤→刀盤，具有傳遞扭矩大、結構復雜緊湊、控制精度高等特點。液壓馬達驅動和變頻電機驅動是現(xiàn)有主驅動的主要驅動動力。目前盾構廠商對主軸承的密封均采用骨架式唇形密封圈，常用的唇形密封圈有單唇形密封圈、帶壓緊環(huán)的唇形密封圈及多唇密封圈。多唇密封圈有更好的韌性，更能有效地適應變形。對旋轉軸的磨損相對較小，但價格較高。3.2.4 盾構主機選擇推進系統(tǒng)選擇推進系統(tǒng)是盾構的關鍵系統(tǒng)，它主要承擔著盾構的推進任務，同時能夠實現(xiàn)盾構的轉彎、曲線行進、姿態(tài)控制、糾偏及同步運動等功能。推進液壓系統(tǒng)主要包括推進泵、控制閥組、推進缸和管路附件等。盾構在前進過程中主要克服土壓對刀盤作用力、周圍土體對盾體的摩擦力、管片與尾盾之間的摩擦力、切口環(huán)貫入地層的貫入阻力、轉向阻力和后配套牽引力等。盾構推進油缸一般采用圓周均布，上下左右布置，可以保證管片受力平衡、封頂塊方便安裝。3.2.4 盾構主機選擇鉸接形式選擇盾構盾體有主動鉸接與被動鉸接兩種連接方式，主動和被動鉸接構造方式如圖。3.2.4 盾構主機選擇盾構主動鉸接構造示意盾構被動鉸接構造示意3.2.4 盾構主機選擇主動鉸接的推進千斤頂安裝在盾尾法蘭上，其推力作用在盾尾上，再通過鉸接千斤頂將作用力傳遞到中盾前部，憑著鉸接千斤頂?shù)闹鲃由炜s來調整盾體前、后部分彎折角度，達到使盾構轉彎的目的。被動鉸接的推進千斤頂安裝在中盾法蘭上，其推力直接作用在中盾上，由中盾通過鉸接千斤頂拖動尾盾。主動型鉸接裝置和被動型鉸接裝置各有其特點，在進行選擇時，應從隧道的曲線半徑、管片寬度，盾構制造商的經(jīng)驗，操作者的習慣等方面進行綜合考慮。3.2.4 盾構主機選擇排土系統(tǒng)選擇土壓平衡盾構排土系統(tǒng)主要包括螺旋輸送機和皮帶傳送機，針對性設計主要考慮兩種設備的型號規(guī)格及相互匹配性。渣土改良系統(tǒng)選擇渣土改良是土壓平衡盾構的重要功能，通過向土艙內渣土注入泡沫、膨潤土或水等聚合物添加劑，增加渣土的流動性，降低渣土的透水性，達到堵水、減磨、降扭及保壓的效果，對平衡、維持開挖面的穩(wěn)定有重要作用。渣土改良系統(tǒng)主要包括泡沫、膨潤土注入泵及配套管路，主要由開挖面的地質情況決定。3.2.4 盾構主機選擇注漿系統(tǒng)選擇注漿系統(tǒng)主要包括同步注漿系統(tǒng)和二次注漿系統(tǒng)，同步注漿主要用于填補管片和開挖地層之間的空隙，對控制開挖地層穩(wěn)定和地表沉降有著重要作用。同步注漿和二次注漿系統(tǒng)應充分考慮區(qū)間水文地質情況和沉降要求，保證注漿效果，注漿速度滿足掘進速度要求，注漿壓力適應地層情況。特殊設計有時，針對特殊的設計線型或地質特點，必須采取特殊的針對性設計。如瓦斯區(qū)間，必須對盾構進行通風、防爆改造、瓦斯監(jiān)控等進行設計。盾構及后配套拖車上設備以外的設備稱為施工輔助設備。施工輔助設備因圍巖條件、施工環(huán)境及施工方法的不同而不同。通風設備應符合以下要求：一次通風宜采用壓入式通風，風管采用軟管，管徑根據(jù)隧道斷面、長度、出渣方式確定。根據(jù)計算風量和風壓，結合通風方式及通風設備的布置，宜采用軸流式通風機。長距離通風時，為滿足風壓的要求，宜采用相同型號的風機等距離間隔串聯(lián)方式，普通隧道施工區(qū)域的風速不宜低于

0.3

m/s，瓦斯隧道施工區(qū)域風速不低于0.5

m/s。3.2.5 施工輔助設備的選擇3.2.6 盾構選型實例中微風化板巖是盾構法隧道施工的一種常見地層，這種地層相對穩(wěn)定，地下水較少，巖層的硬度相對較高。下面以某盾構區(qū)間為例說明長距離硬巖掘進的盾構選型及針對性設計。1.盾構區(qū)間概況【例】某盾構區(qū)間左線全長1860.924m，右線全長1850.6m。線間距為13.0～15.0m，線路平面最小曲線半徑為550m，最大縱坡為28.00‰。隧道埋深為12.00～22.0m。管片設計參數(shù)如下：管片內徑5.4m，管片厚度300mm，管片外徑6.0m，管片寬度1.5m，分塊數(shù)為6塊。管片襯砌環(huán)為楔形通用環(huán)，楔形量為45

mm，襯砌環(huán)由1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標準塊組成。3.2.6 盾構選型實例（1）區(qū)間地質情況。本工程區(qū)間主要地層均為強風化板巖、中風化板巖、微風化板巖，另有少量雜填土、粉質黏土，區(qū)間范圍內無地下水。本工程區(qū)間地質情況分布如圖所示。盾構區(qū)間地質情況分布3.2.6 盾構選型實例（2）區(qū)間建（構）筑物情況。區(qū)間建（構）筑物情況見。表 區(qū)間沿線建（構）筑物情況建筑物名稱基礎形式與隧道關系某磚混結構小區(qū)樓房樁基礎最小水平距離2.4

m某立交橋樁基2.2m樁基礎，樁長21.02

m最小水平距離2.7

m某大橋樁基直徑2.2

m樁基礎，樁長15m最小水平距離8.4

m雨水箱涵鋼筋混凝土結構，

截面尺寸為7.2

m×3.7

m

，

壁厚0.6

m調線后箱涵底部與隧道頂部間距為1.84m過水箱涵鋼筋混凝土結構，截面尺寸為5

m×2.5

m，壁厚0.5

m豎向凈距為0.965

m人行過街地下通道鋼筋混凝土結構，截面尺寸為6

m×3.7

m，壁厚0.5

m豎向凈距為9.0

m3.2.6 盾構選型實例盾構選型根據(jù)工程實際情況，計劃采用復合式土壓平衡盾構，并根據(jù)工程特點進行針對性設計。針對本工程長距離全斷面硬巖的特點，盾構設備做以下針對性設計：（1）刀盤設計。選擇刀盤的開口率為35%左右的輻板式刀盤。為了防止刀盤過度磨損，應在刀盤周邊及外緣布置保護性刀具，并在刀盤表面及外緣周圍設置耐磨層。3.2.6 盾構選型實例（2）刀具設計。盾構在巖層掘進時，配置正面滾刀23把，滾刀安裝高度17

mm。設置了8把滾刀、16把邊緣刮刀。刀盤在軟土區(qū)、硬巖區(qū)、上軟下硬區(qū)刀具的布置如圖所示。正滾刀高度175

mm，數(shù)量23把，中心滾刀為8把雙聯(lián)滾刀。刀盤配置示意3.2.6 盾構選型實例（3）盾體設計。盾尾厚度根據(jù)其尺寸及所受的地層壓力而定，在滿足管片后部注漿及盾構轉彎半徑的前提下，選取盾尾間隙為35mm，選取盾殼鋼板厚度為50mm，盾尾加強鋼環(huán)的厚度為30

mm，則盾尾厚度=盾殼厚度+鋼板厚度=80mm；則盾構尾部的外徑為D=6

000+2×（35+80）=6

230（mm）。為了減小盾構在復合地層中推進時的阻力，將盾構設計成前部稍大，后部稍小。中盾與尾盾的連接采用被動鉸接設計，中盾和盾尾之間設計有兩道密封，