盾构机选型标准

1、盾构机选型依据地铁 区间， 线路总长： 隧道埋深913米。隧道洞身大部分处于残积层中，局部地段穿越花岗岩、辉绿岩全、强风化带或断层破碎带，结构松散，易软化、变形，产生坍塌。花岗岩层面起伏大，存在差异风化现象。地下水按赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，砂层中具承压性。主要补给来源为大气降水。地下水埋深5.28.4米。盾构隧道内径：5400mm，管片厚度：300mm，隧道外径：6000mm。标准管片宽度：1200mm，分块数：6块。本盾构隧道区间采用两台盾构机。盾构机由 站西端下井始发，推进至站东站起吊出井。隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比较、地面施工场地大小等因素是盾构选型的基本依据。根据国内外盾构施工经验与实例，我们认为，盾构机的选型必须满足以下几个要求：必须确保开挖空间的安全和稳定支护；保证隧道土体开挖顺利；保证永久隧道衬砌的安装质量；保证隧道开挖碴土的清除；确保盾构机械的作业可靠性和作业效率；保证地面沉降量在要求范围内；满足施工场地及环保要求。2、不同开挖模式的工作原理2.1 盾构机的型式与工作特点目前世界上流行的盾构机按开挖模式主要可以分为两大类：敞开式与密闭式。敞开式指盾构机的开挖面与机内的工作室间无隔板或隔板的某处设置可调节开口面积的出土口。开挖面基本依靠开挖土体的自立保持稳定。敞开式适用于地层条件简单、自立性好且无地下水的地层。密闭式盾构机是在盾构机的开挖面与机内的工作室间设置隔板，刀盘旋转将开挖下来的碴土送入开挖面和隔板间的刀盘腔内，由泥水压力或土压或气压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密闭式盾构机适用于地层变化复杂、自立条件较差、地下水较丰富的地层，因为采用密闭式掘进可以有效地保证开挖面的自立与稳定，保证施工安全。密闭式盾构机主要分为泥水平衡式、土压平衡式两类，代表了不同的出土方式和不同工作面土体平衡方式的特点，但适用地质与范围有一定的区别。泥水平衡式盾构机是在盾构机的前部设置隔板，装备刀盘面板、输送泥浆的送排泥管和推进盾构机的盾构千斤顶。在地面上还配有分离排出泥浆的泥浆处理设备。开挖面的稳定是将泥浆送入泥浆室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的碴土以泥浆形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥浆处理设备设在地面，需占用较大的施工场地。另外泥水式盾构机及其配套系统价格较高。土压平衡式盾构机是在盾构机的前部设置隔板，隔板与刀盘之间形成一个用于土压平衡、碴土搅拌、碴土排出的碴土仓。装配有各种刀具的刀盘不断旋转切削土体，切削下来的碴土通过刀盘进料槽进入碴土仓。碴土仓内和排土用的螺旋输送机内充满开挖碴土，依靠盾构机千斤顶的推力给土仓内的开挖土砂加压，使碴土仓的土压作用于刀盘开挖面以使其稳定。土压式盾构机占用场地较小，价格较低。土压平衡式盾构机又可分为纯土压平衡式与加泥型土压平衡式。纯土压平衡式盾构机单纯依靠开挖下来的碴土压力稳定开挖面。这种盾构机较适用于开挖含砂量小的塑性流动性软粘土。加泥型土压平衡盾构机装备有注入添加材料促进开挖砂土塑性流动的机构。对于含砂量、含水量较大的土层，盾构机的加泥装置可以根据土质，选用泡沫、膨润土、高吸水树脂等添加材料，将其注入开挖面和泥土仓。通过搅拌机构将添加材料与开挖下来的碴土强力搅拌，将开挖碴土变成具有可塑性、流动性、防渗性的泥土，这种泥土充满土仓和螺旋输送机内。当土仓内压力小于开挖面压力时，开挖面碴土继续进入土仓，土仓内土压升高；当土仓内压力与开挖面压力相平衡时，碴土停止流动，开挖面即稳定下来。在某些地质条件下，加泥型土压平衡盾构还可以在半土压平衡/压气模式下工作，通过向开挖面与隔板间压注压缩空气来对没有碴土的空间提供支撑力，以防止盾构上方土体产生塌方；当土壤稳定性较好，盾构施工不需要带压出土时，土压平衡盾构还可以在土仓无压力条件下工作，此时，不需要对开挖土料进行改良；当线路中存在高水压、大水量地层时，盾构机的出土系统还可改为由柱塞泵输送开挖下来的碴土，以避免螺旋输送机的喷涌和开挖面上方的坍方。这种盾构机适用土质范围广泛，占地面积较小，价格适中。2.2 土压平衡盾构的基本工作原理盾构机的掘进液压马达驱动切削刀盘旋转，同时开启盾构液压油缸（千斤顶），将盾构向前推进。切削下来的碴土进入泥土仓。随着油缸的向前推进、刀盘的持续旋转，碴土充满泥土仓。根据地质情况决定是否注入添加材料来改善碴土流动性。然后开动螺旋输送机，将切削下来的碴土排送至运输皮带上，通过输送皮带将碴土输送至运土轨道车上，通过竖井由龙门吊将土箱吊至地面弃土。土压平衡当泥土仓与螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的碴土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当这个阻力足以抵抗土层的土压力和地下水的水压力时，开挖面就能保持相对稳定而不致坍塌。这时只要保持从泥土仓中输送出去的碴土量与切削下来的流入泥土仓中的碴土量相平衡，开挖工作就能顺利进行。排土量与排土速度的控制，关系到开挖面的稳定。土压平衡盾构就是通过土压管理来保持土压力或碴土量的相对平衡与稳定来进行工作的。碴土仓土压力调节方法开挖面土压力与土仓内压力的相对平衡用三种方式来调节，一是推进油缸速度不变，改变螺旋输送机转速和排土闸门的开口度；二是改变推进油缸速度，螺旋输送机转速和排土闸门的开口度不变；三是两个同时适当调整。通过第一种方法，即通过控制螺旋输送机排土闸门的开口度和螺旋输送机的旋转速度来控制土压平衡比较简便，是有效控制土压最主要的方法。3、盾构机选用3.1具体选型本标段地质结构复杂，必须选用密闭式盾构机，即在泥水平衡盾构与土压平衡盾构之间选择。由于泥水平衡盾构机结构复杂、造价较高、泥水处理成本高、废弃泥浆中粘土等细颗粒不易分离容易造成环境污染等原因，如果土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机均能安全快速完成隧道掘进，一般会选用土压平衡盾构机。3.1.1从地质情况分析本标段隧道洞身大部分处于砾质粘土与砂质粘土中，局部地段穿越花岗岩、辉绿岩全、强风化带或断层破碎带，可能会遇到单轴极限抗压强度为 Mpa的花岗岩。隧道洞身地层含水量较小，且地表无大的水系。以上地质情况完全符合复合式土压平衡盾构机的使用条件。3.1.2从实际施工分析土压平衡盾构机在掘进通过上述地层时，可能发生的事故为：喷涌，坍方与刀盘粘结泥饼。喷涌产生于高水压、高渗透性地层，表现为开挖面高压水从螺旋输送机出土闸门口喷出，导致盾构机开挖面压力不稳，土仓内碴土无法顺利排出。坍方产生于土压平衡盾构机在上下硬度差别较大的地层中推进时，隧道地层下方岩体由于切削速度小，盾构机推进缓慢，而开挖面上方砂土随刀盘旋转大量进入土仓，导致开挖面上方土体坍塌，地面发生较大沉降；也会由于盾构机在砂层中发生喷涌时，隧道上方砂土随高压水大量由螺旋输送机排出，从而导致开挖面上方土体坍塌。刀盘粘结泥饼表现为大量粘土在开挖面土压及土仓压力作用下，以刀盘中心刀为圆心，粘结在刀盘的内外表面，导致刀盘空转，刀具无法切割土体，开挖面碴土难以进入土仓排出，盾构机推进速度变慢。纵观整条线路，大部分地层洞顶部位砂层较少，对于个别洞顶含砂层地段，我们可以向开挖面注入泡沫及膨润土以改良土质，并严格控制每环出土量，因此可以避免发生由于地层软硬不均导致的坍方。对于含粘土较多地段，盾构机由于刀盘内部设置了碴土搅拌棒，另外通过加注泡沫及其它润滑添加剂以减小碴土间粘性，从而可以避免产生泥饼现象。盾构穿越地层中基本不存在大水量、高水压地段，对于部分含水量可能较多地段，我们可以通过添加辅助材料减小碴土中所含水份，因此不会发生喷涌。3.1.3选型结论复合式加泥型土压平衡盾构机主要具有以下几个特点：盾体与密封隔板组成了封闭式结构，保证了开挖空间的安全；刀盘、前盾体与密封隔板组成了碴土仓，碴土仓内泥土保持一定压力以支撑开挖面，避免开挖面坍塌；盾构机刀盘为复合式结构，配备多种刀具，软土刀具与硬岩刀具可以方便互换，在盾构机后配套系统强大功率配合下，在软土或硬岩中均可快速掘进，以保证本标段隧道土体顺利开挖。隧道衬砌采取拼装预制混凝土管片的方式，盾构机设有管片拼装机来精确拼装管片，这种方式保证了永久隧道衬砌的安装质量。盾构机配备了螺旋输送机及皮带输送机，用于碴土仓内开挖碴土的输出，同时盾构机配备了碴土改良剂添加装置，可以向土仓及开挖面内加注各种添加剂，以改良土质，保证隧道开挖碴土的清除。结构比泥水平衡盾构相对简单，盾构机械本身及施工均易于管理，制造、管理成本相对较低，机械可靠性与作业效率较高；盾