盾構(gòu)分類(lèi)及選型

1、第二章 盾構(gòu)分類(lèi)及選型隧道建設(shè)與盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)不可分離，所以盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)對(duì)各種地層的適應(yīng)性非常重要。1823年1843年，世界上第一條人工開(kāi)挖盾構(gòu)隧道是由法國(guó)人Brunnel在倫敦泰晤士河下建成的，由于隧道掘進(jìn)機(jī)與地層條件的不適應(yīng)，長(zhǎng)366m的隧道耗時(shí)達(dá)20年左右，隧道施工過(guò)程中遭遇了多次涌水，并付出了6個(gè)隧道工人生命的代價(jià)。 1991年6月29日貫通的長(zhǎng)達(dá)49km（單條）英法海底隧道，耗時(shí)僅僅兩年半，在如此短時(shí)內(nèi)取得如此的成績(jī)與隧道盾構(gòu)正確選型密不可分。英法海峽隧道法國(guó)側(cè)隧道工程是在含水的白色白堊地層里施工，然后進(jìn)入完全不滲透的蘭色白堊地層里施工，然后進(jìn)入完全不滲透的蘭色白堊地層，選擇了土壓平衡盾

2、構(gòu)；而英國(guó)側(cè)則根據(jù)地層的變化采用了通用型盾構(gòu)。前者掘進(jìn)速率達(dá)1071m/mon，后者更是達(dá)到1487m/mon，說(shuō)明該隧道的盾構(gòu)選型是合適的。 1989開(kāi)始動(dòng)工建設(shè)的東京灣海底公路隧道全長(zhǎng)15.1km，其中盾構(gòu)隧道長(zhǎng)9.1km，穿越的地層為軟弱的沖積、洪積性土層，另外，該盾構(gòu)隧道的一個(gè)最大特點(diǎn)是盾構(gòu)必須能夠承受 0.6MPa的水壓，故采用8臺(tái)直徑14.14m的泥水式土壓平衡盾構(gòu)施工，東京灣隧道的成功建設(shè)也表明該類(lèi)盾構(gòu)的選擇是合適的。第一節(jié) 盾構(gòu)的構(gòu)造一、盾構(gòu)外形和材料 1盾構(gòu)的外形 作為一種保護(hù)人體的空間，隧道的形狀因其使用要求不同、而造成盾構(gòu)外形不同是理所當(dāng)然的。隧道掘進(jìn)，無(wú)論盾構(gòu)的形狀如何

3、，總是向軸線方向發(fā)展而成，所以，盾構(gòu)的外形就是指盾構(gòu)的斷面形狀。從采用過(guò)的盾構(gòu)來(lái)看，其外形有圓形、雙圓、三圓、矩形、馬蹄形、半圓形或與隧道斷面相似的特殊形狀等。例如：將人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空間；將水利隧道筑成馬蹄形，使流體的力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)；將穿山隧道筑成半圓形，可以使底邊直接與公路連接等等。但是，絕大多數(shù)盾構(gòu)還是采用傳統(tǒng)的圓形。 2制造盾構(gòu)的材料 盾構(gòu)在地下穿越，要承受水平載荷、垂直載荷和水壓力，如果地面有構(gòu)筑物，要承受這些附加載荷，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，還要克服正面阻力，所以，盾構(gòu)整體要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度。盾構(gòu)主要用鋼板成型制成。鋼板間連接可采用焊接和鉚接兩種方法，大型盾構(gòu)考慮

4、到水平運(yùn)輸和垂直吊裝的困難，可制成分體式，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行就位拼裝，部件的連接一般采用定位銷(xiāo)定位，高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，最后焊接成型的方法。盾構(gòu)殼體可有單層厚板或多層薄板制作而成。 二、盾構(gòu)的基本構(gòu)造 盾構(gòu)種類(lèi)繁多，從盾構(gòu)在施工中的功能而言，其基本構(gòu)造主要分為盾構(gòu)殼體、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)三大部分。圖2-1-1 盾構(gòu)基本構(gòu)造示意圖 1盾構(gòu)殼體 所有盾構(gòu)的形式，其本體從工作面開(kāi)始均可分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三部分，借以外殼鋼板聯(lián)成整體。 （1）切口環(huán) 切口環(huán)部分是開(kāi)挖和擋土部分，它位于盾構(gòu)的最前端，施工時(shí)最先切入地層并掩護(hù)開(kāi)挖作業(yè)，部分盾構(gòu)切口環(huán)前端設(shè)有刃口以減少切入掘進(jìn)時(shí)對(duì)地層的擾動(dòng)。切口環(huán)保持著工作面的穩(wěn)

5、定，并作為把開(kāi)挖下來(lái)的土砂向后方運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，因此，采用機(jī)械化開(kāi)挖、土壓式、泥水加壓式盾構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖下來(lái)土砂的狀態(tài)，確定切口環(huán)的形狀、尺寸。 切口環(huán)的長(zhǎng)度主要取決于盾構(gòu)正面支承、開(kāi)挖的方法，就手掘式盾構(gòu)而言，考慮到正面施工人員挖土機(jī)具工作要有回旋的余地等。大部分手掘式盾構(gòu)切口環(huán)的頂部比底部長(zhǎng)，猶如帽檐，有的還設(shè)有千斤頂控制的活動(dòng)前沿，以增加掩護(hù)長(zhǎng)度；對(duì)于機(jī)械化盾構(gòu)切口環(huán)內(nèi)按不同的需要安裝各種不同的機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備是用于正面土體的支護(hù)及開(kāi)挖，而各類(lèi)機(jī)械是由盾構(gòu)種類(lèi)而定的。主要內(nèi)容如下： 泥水盾構(gòu)，安置有切削刀盤(pán)、攪拌器和吸泥口； 土壓平衡盾構(gòu)，安置有切削刀盤(pán)、攪拌器和螺旋輸送機(jī)； 網(wǎng)格式盾構(gòu)

6、，安置有網(wǎng)格、提土轉(zhuǎn)盤(pán)和運(yùn)土機(jī)械的進(jìn)口； 棚式盾構(gòu)，安置有多層活絡(luò)平臺(tái)、儲(chǔ)土箕斗； 水力機(jī)械盾構(gòu)，安置有水槍、吸口和攪拌器。 在局部氣壓、泥水加壓、土壓平衡等盾構(gòu)中，因切口內(nèi)壓力高于隧道內(nèi)常壓，所以在切口環(huán)處還需布設(shè)密封隔板及人行艙的進(jìn)出閘門(mén)。 （2）支承環(huán) 支承環(huán)是盾構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，是承受作用于盾構(gòu)上全部載荷的骨架。它緊接于切口環(huán)，位于盾構(gòu)中部，通常是一個(gè)剛性很好的圓形結(jié)構(gòu)。地層壓力、所有千斤頂?shù)姆醋饔昧?，以及切口入土正面阻力、襯砌拼裝時(shí)的施工載荷均由支承環(huán)來(lái)承受。 在支承環(huán)外沿布置有盾構(gòu)千斤頂，中間布置拼裝機(jī)及部分液壓設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、操縱控制臺(tái)。當(dāng)切口環(huán)壓力高于常壓時(shí)、在支承環(huán)內(nèi)要布置人行加

7、、減壓艙。 支承環(huán)的長(zhǎng)度應(yīng)不小于固定盾構(gòu)千斤頂所需的長(zhǎng)度，對(duì)于有刀盤(pán)的盾構(gòu)還要考慮安裝切削刀盤(pán)的軸承裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和排土裝置的空間。 （3）盾尾 盾尾一般由盾構(gòu)外殼鋼板延伸構(gòu)成，主要用于掩護(hù)隧道管片襯砌的安裝工作。盾尾末端設(shè)有密封裝置，以防止水、土及壓注材料從盾尾與襯砌之間進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)。盾尾密封裝置損壞、失效時(shí)，在施工中途必須進(jìn)行修理更換，所以盾尾長(zhǎng)度要滿足上述各項(xiàng)工作的進(jìn)行。 盾尾厚度從整體結(jié)構(gòu)上考慮應(yīng)盡量薄，這樣可以減小地層與襯砌間形成的建筑空隙就小，從而壓漿工作量也少，對(duì)地層擾動(dòng)范圍也小有利于施工，但盾尾也需承擔(dān)土壓力，在遇到糾偏及隧道曲線施工時(shí)，還有一些難以估計(jì)的載荷出現(xiàn)。所以盾尾是一個(gè)

8、受力復(fù)雜的圓筒形薄殼體，其厚度應(yīng)綜合上述因素來(lái)確定。 盾尾密封裝置要能適應(yīng)盾尾與襯砌間的空隙，由于在施工中糾偏的頻率很高，因此，就要求密封材料要富有彈性，結(jié)構(gòu)形式要耐磨，防撕裂，其最終目的是要能夠止水。止水的形式有許多，目前較為理想且常用的是采用多道、可更換的盾尾密封裝置，如圖2-2-2，盾尾的道數(shù)根據(jù)隧道埋深、水位高低來(lái)定，一般取23道。圖2-1-2 盾尾密封示意圖1盾殼； 2彈簧鋼板； 3鋼絲束； 4密封油脂； 5壓板； 6螺栓 由于鋼絲束內(nèi)充滿了油脂，鋼絲又為優(yōu)質(zhì)彈簧鋼絲，使其成為一個(gè)既有塑性又有彈性的整體，油脂保護(hù)鋼絲免于生銹損壞。油脂加注采用專(zhuān)用的盾尾油脂泵，這種盾尾密封裝置使用后效

9、果較佳，一次推進(jìn)可達(dá)500m左右，這主要看土質(zhì)情況如何，相對(duì)而言，在砂性土中掘進(jìn)，盾尾損壞較快，而在粘性土中掘進(jìn)則壽命較長(zhǎng)。 盾尾的長(zhǎng)度必須根據(jù)管片寬度和形狀及盾尾的道數(shù)來(lái)確定，對(duì)于機(jī)械化開(kāi)挖式、土壓式、泥水加壓式盾構(gòu)，還要根據(jù)盾尾密封的結(jié)構(gòu)來(lái)確定，最少必須保證襯砌組裝工作的進(jìn)行，但必須考慮在襯砌組裝后因管片破損而需更換管片；修理盾構(gòu)千斤頂和在曲線段進(jìn)行施工等因素，故必需給予一些余裕量。 2推進(jìn)機(jī)構(gòu) 盾構(gòu)掘進(jìn)的前進(jìn)動(dòng)力是靠液壓系統(tǒng)帶動(dòng)若干個(gè)千斤頂工作所組成的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，它是盾構(gòu)重要的基本構(gòu)造之一。 （1） 盾構(gòu)千斤頂?shù)倪x擇和配置盾構(gòu)千斤頂?shù)倪x擇和配置應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)的靈活性、管片的構(gòu)造、拼裝襯砌的作業(yè)

10、條件等來(lái)決定。選定盾構(gòu)千斤頂必須注意以下事項(xiàng)： 采用高液壓系統(tǒng)，使千斤頂機(jī)構(gòu)緊湊。目前使用的液壓系統(tǒng)壓力值為3040MPa； 千斤頂要盡可能地輕，且經(jīng)久耐用，易于維修保養(yǎng)和掉換； 千斤頂要均勻地配置在靠近盾構(gòu)外殼處，使管片受力均勻； 千斤頂應(yīng)與盾構(gòu)軸線平行。 （2）千斤頂數(shù)量 千斤頂?shù)臄?shù)量根據(jù)盾構(gòu)直徑、千斤頂推力、管片的結(jié)構(gòu)、隧道軸線的情況綜合考慮。一般情況下，中小型盾構(gòu)每只千斤頂?shù)耐屏?001500KN，在大型盾構(gòu)中每只千斤頂?shù)耐屏Χ酁?0004000KN。 （3）千斤頂?shù)男谐?盾構(gòu)千斤頂?shù)男谐虘?yīng)考慮到盾尾管片的拼裝及曲線施工等因素，通常取管片寬度加上100mm200mm的余裕量。 另外，

11、成環(huán)管片總有一塊封頂塊存在，若采用縱向全插入封頂成環(huán)時(shí)，在相應(yīng)的封頂塊位置應(yīng)布置數(shù)只雙節(jié)千斤頂，其行程大致是其它千斤頂?shù)囊槐?，以滿足拼裝成環(huán)所需。 （4）千斤頂?shù)乃俣?盾構(gòu)千斤頂?shù)乃俣缺仨毟鶕?jù)地質(zhì)條件和盾構(gòu)形式來(lái)定,一般取50mm/min左右，且可無(wú)級(jí)調(diào)速。為了提高工作效率，千斤頂?shù)幕乜s速度要求越快越好。 （5） 千斤頂塊 盾構(gòu)千斤頂活塞的前端必須安裝頂塊，頂塊必須采用球面接頭，以便將推力均勻、分布在管片的環(huán)面。其次，根據(jù)管片材質(zhì)的不同，還必須在頂塊與管片的接觸面上安裝橡膠或柔性材料的墊板，對(duì)管片環(huán)面起到保護(hù)作用。 3管片拼裝機(jī) 管片拼裝機(jī)俗稱(chēng)舉重臂，是盾構(gòu)的主要設(shè)備之一，常以液壓為動(dòng)力。為了

12、能將管片按照所需要的位置，安全、迅速地進(jìn)行拼裝，拼裝機(jī)在鉗捏住管片后，還必須具備沿徑向伸縮、前后平移和360o(左右疊加)旋轉(zhuǎn)等功能。 拼裝機(jī)的形式有環(huán)形、中空軸形、齒輪齒條形等，一般常用的是環(huán)型拼裝機(jī)（如圖2-1-3）。這種拼裝機(jī)安裝在支承環(huán)后部，或者盾構(gòu)千斤頂撐板附近的盾尾部，它如同一個(gè)可自由伸縮的支架，安裝在具有支承滾輪的、能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的中空?qǐng)A環(huán)上的機(jī)械手。該形式中間空間大，便于安裝出土設(shè)備。 圖2-1-3 拼裝機(jī)（環(huán)型） 圖2-1-4 拼裝后成環(huán)隧道 目前，歐洲國(guó)家制作盾構(gòu)時(shí)，常采用真空吸盤(pán)裝置，具有管片夾持簡(jiǎn)便、拼裝平穩(wěn)及碎裂現(xiàn)象少等優(yōu)點(diǎn)。在超大型盾構(gòu)制作中，較多應(yīng)用此類(lèi)拼裝機(jī)。 4真圓

13、保持器 盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)管片就從盾尾部脫出，管片受到自重和土壓的作用會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)該變形量很大時(shí)，即成環(huán)和拼裝環(huán)拼裝時(shí)就會(huì)產(chǎn)生高低不平，給安裝縱向螺栓帶來(lái)困難，為了避免管片產(chǎn)生高低不平的現(xiàn)象，就有必要讓管片保持真圓，該裝置就是真圓保持器。真圓保持器支柱上裝有上、下可伸縮的千斤頂，上下裝有圓弧形的支架，它在動(dòng)力車(chē)架挑出的梁上是可以滑動(dòng)的。當(dāng)一環(huán)管片拼裝成環(huán)后，就讓真圓保持器移到該管片環(huán)內(nèi)，支柱的千斤頂使支架圓弧面密貼管片后，盾構(gòu)就可進(jìn)行下一環(huán)的推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)后由于它的作用，圓環(huán)不易產(chǎn)生變形而保持著真圓狀態(tài)。 三、盾構(gòu)的基本參數(shù)選定 1盾構(gòu)直徑 盾構(gòu)直徑必須根據(jù)管片外徑、盾尾空隙和盾尾鋼板厚度進(jìn)行確

14、定，而盾尾空隙應(yīng)根據(jù)管片的形狀尺寸、隧道的平面形狀、糾偏、盾尾密封結(jié)構(gòu)的安裝等進(jìn)行確定。 盾構(gòu)直徑是指盾殼的外徑，而與刀盤(pán)、同步注漿用配管等突出部分無(wú)關(guān)。 所謂盾尾空隙，是指盾殼鋼板內(nèi)表面與管片的外表面的空隙。 根據(jù)隧道限界和結(jié)構(gòu)尺寸要求，在確定襯砌外徑之后，可按施工要求或經(jīng)驗(yàn)確定盾構(gòu)直徑。下面根據(jù)圖2-2-3,介紹二種計(jì)算方法。 （1） D=d+2(x+) （式1） 式中： D 盾構(gòu)直徑(mm) d 隧道外徑(mm) x 盾尾空隙(mm) 盾尾鋼板厚度(mm)。圖2-1-5 盾構(gòu)直徑計(jì)算圖 為了滿足盾構(gòu)曲線段施工或推進(jìn)施工時(shí)糾偏所需要間隙，盾尾空隙可由下式計(jì)算： XML/d (式2) 式中：

15、 M 盾尾和管片的搭接長(zhǎng)度(mm) L 盾尾內(nèi)襯砌環(huán)頂端能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的最大水平距離 (mm) 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，盾尾空隙一般取2040mm。 （2） D=d內(nèi)2(+ x + T + T+ e ) (式3) 式中： d內(nèi) 隧道內(nèi)徑(mm) T 隧道襯砌厚度(mm) T 隧道內(nèi)襯厚度(mm) e 最小余裕量(mm) D、x 意義同前 上面二式中均有一個(gè)盾尾鋼板厚度，此值應(yīng)通過(guò)函數(shù)關(guān)系式求得，可是計(jì)算工作較為復(fù)雜，所以通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或類(lèi)比法相近選取。 =0.02+0.01(D - 4) (式4) 式中D為盾構(gòu)外徑，單位為m。 當(dāng)D 6m ) (L/D) =0.75 盾構(gòu)總長(zhǎng)度由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分組

16、成，它不包括盾構(gòu)內(nèi)設(shè)備超出盾尾的部分，如后方平臺(tái)、螺旋輸送機(jī)等。 盾構(gòu)長(zhǎng)度計(jì)算公式： L=Lw+ Lc+ Lt (式5) （1）切口環(huán)長(zhǎng)度Lw 機(jī)械化盾構(gòu)僅考慮能容納開(kāi)挖機(jī)具即可 ； 在手掘式盾構(gòu)中要考慮到人工開(kāi)挖的方便，Lw 可以較長(zhǎng)些，所以正面土體穩(wěn)定時(shí)Lw最大值為： Lw =D . tg 或 Lw 2m (式6) 式中： 開(kāi)挖面坡度與水平面的夾角一般取45 在棚式盾構(gòu)中，其分層是按人的高度分隔： N=D/H (式7) 式中： N 層數(shù)(計(jì)算后數(shù)值歸整) H 人的高度(m) 由于分了層的H值比D小得多，所以這時(shí)的切口環(huán)長(zhǎng)度為： Lw =H . ctg (式8) 注意：式中H值應(yīng)取層高的最大

17、值Hmax 。 有些盾構(gòu)根據(jù)需要將另設(shè)前檐，其長(zhǎng)度大約300500mm左右，具體取多少要按盾構(gòu)直徑大小適當(dāng)選取。 （2）支承環(huán)長(zhǎng)度Lc 該部分長(zhǎng)度取決于盾構(gòu)千斤頂、切削刀盤(pán)的軸承和驅(qū)動(dòng)裝置、排土裝置等空間，而盾構(gòu)千斤頂?shù)拈L(zhǎng)度又與預(yù)制襯砌的寬度有關(guān)。 Lc = Wc +c (式9) 式中：Wc 最寬襯砌寬度，包括楔形環(huán)、加寬環(huán) c 余裕量，一般取200300mm，主要考慮到盾構(gòu)千斤頂?shù)男蘩硪蛩?如果支承環(huán)長(zhǎng)度不能滿足刀盤(pán)的軸承或驅(qū)動(dòng)裝置的安裝，支承環(huán)長(zhǎng)度還要考慮這些結(jié)構(gòu)的寬度。 （3）盾尾長(zhǎng)度Lt 盾尾長(zhǎng)度取決于管片的形狀和寬度： Lt =K. Wc + Ls + C (式10) 式中 ： K

18、常數(shù)，一般取1.52.5 , 這與是否需調(diào)換損壞的襯砌及盾尾密封裝置有關(guān)； Wc 襯砌環(huán)寬度(m)； Ls 千斤頂頂塊厚度(m)； C 施工余裕量，一般取80200mm，選取時(shí)應(yīng)考慮拼裝襯砌時(shí)環(huán)面清洗工作，以及穿拼裝螺栓、特別是首尾相接的縱向螺栓等工作的方便。 3盾構(gòu)的推力 盾構(gòu)向前行進(jìn)是靠安裝在支承環(huán)周?chē)那Ы镯旐斄?，各千斤頂合力就是盾?gòu)的總推力，在計(jì)算推力時(shí)，一定要考慮周全，要將工程的施工全過(guò)程中對(duì)盾構(gòu)可能產(chǎn)生的阻力都要計(jì)算在內(nèi)。 盾構(gòu)的總推進(jìn)力必須大于各種推進(jìn)阻力的總和，否則盾構(gòu)無(wú)法向前推進(jìn)。盾構(gòu)的各種推力和計(jì)算公式如下： （1） F1盾構(gòu)外壁周邊與土體之間的摩擦力或粘結(jié)阻力； 砂性土

19、F11 (DLPw+W) (KN) (式11) 粘性土F1CDL (KN) (式12) （2） F2推進(jìn)中切口插入土壤的貫入阻力； F2.t.Kp.Pm (KN) (式13) （3） F3工作面正面阻力； F3Pf.D2/4 (KN) (式14) 盾構(gòu)在人工開(kāi)挖、半機(jī)械化開(kāi)挖時(shí)為工作面支護(hù)阻力。 盾構(gòu)采用機(jī)械化開(kāi)挖時(shí)，為作用在切削刀盤(pán)上的推進(jìn)阻力。 （4）F4管片與盾尾之間的摩擦力； F42.G2 (KN) (式15) （5）F5變向阻力(曲線施工/糾偏等因素的阻力); F5R.S (KN) (式16) （6） F6后方臺(tái)車(chē)的牽引阻力； F63.G1 (KN) (式17) 其中： 1 鋼與土的

20、摩擦系數(shù) 2 鋼與鋼或混凝土的摩擦系數(shù) 3 車(chē)輪與鋼軌之間的摩擦系數(shù) D 盾構(gòu)直徑 (m) 盾構(gòu)長(zhǎng)度 (m) W 盾構(gòu)重量 (KN) G1 后方臺(tái)車(chē)重量 (KN) G2 管片(成環(huán))重量 (KN) Pm 作用在盾構(gòu)上的平均土壓 (KPa) Pf 工作面正面壓力(KPa) c 粘聚力 (KPa) Kp 被動(dòng)土壓力系數(shù) R 地層抗力(承載力、被動(dòng)土壓力等) (KPa) L 工作面周邊長(zhǎng)度 (m) T 刃腳貫入深度 (m) 抵抗板在推進(jìn)方向的投影面積 (m2) 總推力 FF1F2F3F4F5F6 （式18） 盾構(gòu)總推力也可由以上F1F2F3F4 的總和再乘以2來(lái)求出。事實(shí)上，在施工中、盾構(gòu)總推力一般

21、按經(jīng)驗(yàn)公式求得： FjPj D/4 (式19) 式中 Fj盾構(gòu)的總推力 (KN) pj開(kāi)挖面單位截面積的推力 (KN) 人工開(kāi)挖、半機(jī)械化開(kāi)挖盾構(gòu)、機(jī)械化開(kāi)挖盾構(gòu)： Pj7001100KPa 封閉式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)、泥水加壓式盾構(gòu)： Pj10001300KPa第二節(jié) 盾構(gòu)分類(lèi)由于盾構(gòu)法施工隧道得到廣泛應(yīng)用，從60年代以來(lái)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展極快，為適應(yīng)各種不同的土質(zhì)，所以形成盾構(gòu)的種類(lèi)繁多。盾構(gòu)選型是根據(jù)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，與施工環(huán)境的要求，合理地選擇盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，對(duì)保證施工質(zhì)量，保護(hù)地面與建（構(gòu)）筑物和加快施工進(jìn)度是至關(guān)重要的。盾構(gòu)的種類(lèi)按其構(gòu)造特點(diǎn)和開(kāi)挖方法，可歸納為以下四類(lèi)：盾構(gòu)掘進(jìn)

22、機(jī)類(lèi)型及功能 表1盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型及功能 表2第三節(jié) 盾構(gòu)選型一般來(lái)說(shuō)，用盾構(gòu)施工的地層都是復(fù)雜多變的，因此對(duì)于復(fù)雜的地層要選定較為經(jīng)濟(jì)的盾構(gòu)是當(dāng)前的一個(gè)難題。 實(shí)際上，在選定盾構(gòu)時(shí)，不僅要考慮到地質(zhì)情況，還要考慮到盾構(gòu)的外徑、隧道的長(zhǎng)度、工程的施工程序、勞動(dòng)力情況等，而且還要綜合研究工程施工環(huán)境、基地面積、施工引起對(duì)環(huán)境的影響程度等。選擇盾構(gòu)的種類(lèi)一般要求掌握不同盾構(gòu)的特征。同時(shí)，還要逐個(gè)研究以下幾個(gè)項(xiàng)目： (1) 開(kāi)挖面有無(wú)障礙物； (2) 氣壓施工時(shí)開(kāi)挖面能否自立穩(wěn)定； (3) 氣壓施工并用其它輔助施工法后開(kāi)挖面能否穩(wěn)定； (4) 擠壓推進(jìn)、切削土加壓推進(jìn)中，開(kāi)挖面能否自立穩(wěn)定； (5)

23、開(kāi)挖面在加入水壓、泥壓、泥水壓作用下，能否自立穩(wěn)定； (6) 經(jīng)濟(jì)性。 盾構(gòu)選型時(shí)通常需要判別盾構(gòu)工作面是否穩(wěn)定，布諾姆氏試驗(yàn)法是一種較為實(shí)用的判別方法。 1盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)及一般程序 盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)按其重要性排列如下： 土質(zhì)條件、巖性（抗壓、抗拉、粒徑、成層等各參數(shù)） 開(kāi)挖面穩(wěn)定（自立性能） 隧道埋深、地下水位 設(shè)計(jì)隧道的斷面 環(huán)境條件、沿線場(chǎng)地（附近管線和建構(gòu)筑物及其結(jié)構(gòu)特性） 襯砌類(lèi)型 工期 造價(jià) 宜用的輔助工法 設(shè)計(jì)路線、線形、坡度 電氣等其它設(shè)備條件 2盾構(gòu)機(jī)選型的一般程序 綜合盾構(gòu)機(jī)的特性與選型的依據(jù)，盾構(gòu)機(jī)選型的一般程序可用下面的流程圖來(lái)描述。從該流程圖可以看出，盾構(gòu)機(jī)選型石先要看

24、該盾構(gòu)機(jī)是否有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定，其次才考慮環(huán)境、工期、造價(jià)等限制因素，同時(shí)還必須將宜用的輔助工法也必須加以考慮。只有這樣才能選擇出一種較為合適的盾構(gòu)機(jī)。 3根據(jù)地質(zhì)條件選擇盾構(gòu)機(jī)類(lèi)型 砂質(zhì)土類(lèi)自立性能較差的地層，應(yīng)盡量使用密閉型的盾構(gòu)施工。若為地下水較豐富且透水性較好的砂質(zhì)土，則應(yīng)優(yōu)先考慮使用泥水平衡盾構(gòu)；對(duì)粘性土，則可首先考慮土壓平衡盾構(gòu)。砂礫和軟巖等強(qiáng)度較高的地層自立性能較好，應(yīng)考慮半機(jī)械式或敞口機(jī)械式盾構(gòu)施工。因在相同條件下，盾構(gòu)復(fù)雜，操作困難，造價(jià)高，反之，盾構(gòu)簡(jiǎn)單，制造使用方便，造價(jià)低。 針對(duì)地下水條件，若其壓力值較高（大于0.1MPa），就應(yīng)優(yōu)先考慮使用密封型的盾構(gòu)，以保證工程的安

25、全，條件許可也可采用降水或氣壓等輔助方法。 對(duì)于礫徑較小的地層，可以考慮各種盾構(gòu)的使用。若礫徑較大，除自立性能較好的地層可考慮采用手掘式或半機(jī)械式盾構(gòu)外，般應(yīng)使用土壓平衡盾構(gòu)，若需采用泥水平衡盾構(gòu)的話，須增加一個(gè)鱷式碎石機(jī)，在輸出泥漿前，先將大石塊粉碎。 4盾構(gòu)機(jī)選型的其它條件 除了地質(zhì)條件以外的盾構(gòu)機(jī)選型的制約條件還很多，如工期、造價(jià)、環(huán)境因素、基地條件等。 5工期制約條件 因?yàn)槭志蚴脚c半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)使用人工較多，機(jī)械化程度低，所以施工進(jìn)度慢。其余各類(lèi)型盾構(gòu)機(jī)因?yàn)槎际菣C(jī)械化掘進(jìn)和運(yùn)輸，平均掘進(jìn)速度比前者快。 6造價(jià)制約因素 一般敞口式盾構(gòu)機(jī)的造價(jià)比密閉式盾構(gòu)機(jī)低，主要原因是敞口式盾構(gòu)機(jī)個(gè)象密

26、閉式盾構(gòu)機(jī)那樣有復(fù)雜的后配套系統(tǒng)，在地質(zhì)條件允許的情況下，從降低造價(jià)考慮，宜優(yōu)先選用敞口式盾構(gòu)機(jī)。 7環(huán)境因素的制約 敞口型的盾構(gòu)機(jī)引起的地表沉降大于網(wǎng)格式盾構(gòu)，更大于密閉式的掘進(jìn)機(jī)。 8基地條件的制約 泥水平衡式的掘進(jìn)機(jī)必須配套大型的泥漿處理和循環(huán)系統(tǒng)，若需使用泥水平衡盾構(gòu)開(kāi)挖隧道，就必須具備較大的地面空間。 9設(shè)計(jì)線路、平面豎向曲線形狀的制約若隧道轉(zhuǎn)彎曲率半徑太小，就需考慮使用中間鉸接的盾構(gòu)。例如直徑為6m的盾構(gòu)，其長(zhǎng)度也有何67m，如將其分為前后鉸接的兩段，顯然增加了施上中轉(zhuǎn)彎的靈活性。 10輔助工法的使用 掘進(jìn)機(jī)施工隧道的輔助工法一般有：壓氣法、降水法、凍結(jié)法、注漿法等。前三種屬于物理

27、方法，注漿法屬于化學(xué)方法。這些方法也主要是用于保證隧道開(kāi)挖而的穩(wěn)定，注漿法還能減少盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中引起的地表沉降。一般密閉式掘進(jìn)機(jī)使用最多的是注漿法。盾尾注漿用以填補(bǔ)建筑間隙，以減少地面沉降。在地層自立性能差的情況下，若采用手掘進(jìn)、半機(jī)械式或網(wǎng)格式掘進(jìn)機(jī)施工，就需采用壓氣法輔助施工，以高氣壓保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，在這一輔助工法下，施工人員易患?xì)鈮郝殬I(yè)病。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在砂質(zhì)土或砂礫層中施工時(shí)，可考慮使用降水的方法改變地層的物理力學(xué)指標(biāo)，增加其自立性能，確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定。凍結(jié)法的施工成本較高，一般情況下不采用，但在長(zhǎng)隧道的盾構(gòu)對(duì)接中使用。2002年10月，上海隧道工程股份有限公司針對(duì)中國(guó)隧道盾構(gòu)發(fā)展的現(xiàn)狀

28、，開(kāi)展了“我國(guó)主要區(qū)域性土層盾構(gòu)選及適應(yīng)性研究”的課題論證，提出了盾構(gòu)選型的一些研究方法，如盾構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)所需的土力學(xué)參數(shù)的研究方法見(jiàn)表1；隧道掘進(jìn)工程中的各種關(guān)鍵因素的相互關(guān)聯(lián)見(jiàn)表2；采用ESQ方法對(duì)隧道施工各關(guān)鍵因素進(jìn)行量化見(jiàn)表3；隧道掘進(jìn)機(jī)施工各關(guān)鍵因素的量化值之和見(jiàn)表4；量化的隧道掘進(jìn)機(jī)選型見(jiàn)表5；量化的出土運(yùn)輸方法選用見(jiàn)表6；量化的隧道掘進(jìn)機(jī)附加功能選擇見(jiàn)表7。盾構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)所需的土力學(xué)參數(shù)的研究方法 表1序號(hào)研究項(xiàng)目研究方法土力學(xué)1區(qū)域結(jié)構(gòu)性能X射線照片攝影光電照片微觀分析整體的土力學(xué)研究及圖示詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示2中央結(jié)構(gòu)及土層特性3巖石、土的類(lèi)型詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示、鉆探4巖石

29、、土的結(jié)構(gòu)（構(gòu)造、分層、巖層斷裂）詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示、鉆探5超載和土層厚度詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示、鉆探6風(fēng)化程度及深度詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示地質(zhì)學(xué)方法鉆探7地質(zhì)結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性（缺陷、分層區(qū)、裂隙、主要連接）詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示地質(zhì)學(xué)方法鉆探8特殊結(jié)構(gòu)（鹽、堿、石膏、有機(jī)物等）詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示、鉆探9石灰?guī)r區(qū)：空洞位置、石灰?guī)r化程度、起源和時(shí)間、空洞程度和石灰?guī)r溶液詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示地質(zhì)學(xué)方法鉆探微觀地質(zhì)研究巖土工程10常規(guī)巖土工程條件X射線照片攝影光電照片微觀分析整體的土力學(xué)研究及圖示詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示11活性或潛在的活性因素詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)12水文

30、條件X射線照片攝影光電照片微觀分析整體的水文學(xué)研究及圖示詳細(xì)的水文學(xué)研究及圖示13地下水特性（沼澤區(qū)域、源頭位置、關(guān)于地下水特性應(yīng)注意的問(wèn)題）詳細(xì)的土力學(xué)研究及圖示詳細(xì)的水文地質(zhì)學(xué)研究及圖示14地下水的層位及地下水位（包括潛在的地下水位）詳細(xì)的水文地質(zhì)學(xué)研究及圖示鉆探15土和巖石的滲透特性詳細(xì)的水文地質(zhì)學(xué)研究及圖示地?zé)嵝?yīng)16供水條件整體地質(zhì)學(xué)研究17通風(fēng)條件（氣體散發(fā)）整體地質(zhì)學(xué)研究和圖示詳細(xì)地質(zhì)學(xué)研究和圖示鉆探防震18地震整體的地質(zhì)學(xué)研究隧道掘進(jìn)工程中的各種關(guān)鍵因素的相互關(guān)聯(lián) 表2資金資金不足會(huì)影響工期資金足則環(huán)境保護(hù)措施得力資金不足會(huì)限制隧道尺寸資金足則掘進(jìn)機(jī)先進(jìn)資金足則施工方法先進(jìn)資金

31、足有利優(yōu)秀人參與影響勞動(dòng)態(tài)度工期緊則資金大時(shí)間時(shí)間足則環(huán)境保護(hù)措施得力地層復(fù)雜則資金多地層復(fù)雜則工期長(zhǎng)水文地質(zhì)條件地下水位高加大環(huán)境保護(hù)難度土體軟弱加大環(huán)境保護(hù)難度粉砂地層加大環(huán)境保護(hù)難度地層條件影響隧道受力條件粘土適合土壓平衡盾構(gòu)砂土適合泥水平衡盾構(gòu)礫石地層適合反鏟盾構(gòu)巖層適合雙護(hù)盾盾構(gòu)軟弱地層要求同步注漿堅(jiān)硬地層可以壁后注漿地層條件影響加固方法地層均勻有利人員控制環(huán)境保護(hù)嚴(yán)則資金多環(huán)境保護(hù)嚴(yán)則工期長(zhǎng)減少對(duì)地層擾動(dòng)環(huán)境會(huì)影響隧道線路和尺寸會(huì)影響掘進(jìn)機(jī)選型會(huì)影響輔助技術(shù)措施環(huán)境保護(hù)嚴(yán)對(duì)人力要求高尺寸大則資金多尺寸大則工期長(zhǎng)大隧道對(duì)地層擾動(dòng)較大尺寸越大對(duì)環(huán)境影響越大隧道尺寸影響掘進(jìn)機(jī)部件尺寸會(huì)影

32、響掘進(jìn)機(jī)選型大直徑允許路面同步施工長(zhǎng)隧道會(huì)影響施工 方法隧道尺寸小不利人員進(jìn)入掘進(jìn)機(jī)選型不當(dāng)導(dǎo)致資金浪費(fèi)雙護(hù)盾最快反鏟盾構(gòu)最慢泥水平衡盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)最小土壓平衡盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)很小反鏟盾構(gòu)對(duì)地層擾動(dòng)較大網(wǎng)格盾構(gòu)對(duì)保護(hù)環(huán)境不利反鏟盾構(gòu)不適合大直徑隧道掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型泥水平衡和網(wǎng)格盾構(gòu)要求泵送土碴土壓平衡和反鏟盾構(gòu)要求土箱或皮帶機(jī)出土先進(jìn)盾構(gòu)要求科技人員多施工方法不當(dāng)導(dǎo)致資金浪費(fèi)技術(shù)適當(dāng)應(yīng)用有利工期掘進(jìn)機(jī)均勻快速掘進(jìn)有利于減少對(duì)地層擾動(dòng)泵送出渣對(duì)環(huán)境影響大土箱運(yùn)輸不適合小直徑隧道技術(shù)適當(dāng)應(yīng)用有利提高盾構(gòu)效率施工方法不同方法要求不同人員優(yōu)秀人才要求較高工資人員素質(zhì)差使資金浪費(fèi)經(jīng)驗(yàn)和態(tài)度會(huì)影響工期缺乏經(jīng)驗(yàn)對(duì)地層擾動(dòng)大勞動(dòng)態(tài)度不好對(duì)地層擾動(dòng)大缺乏經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境保護(hù)不利勞動(dòng)態(tài)度不好對(duì)環(huán)境保護(hù)不利缺乏人力會(huì)影響盾構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)和態(tài)度會(huì)影響施工方法人力量化的隧道施工各關(guān)鍵因素的相互關(guān)聯(lián)矩陣表 表3資金00333342時(shí)間01000042水文地質(zhì)條件42442424環(huán)境23224411隧道尺寸33144421掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型42442233施工方法22242024人力隧道掘進(jìn)機(jī)施工各關(guān)鍵因素的量化值之和 表4因素CECE資金162238時(shí)間31821水文地質(zhì)條件221537環(huán)境181432隧道尺寸171128掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型211839施工方法202040人力161329平均