盾构机选型方案

1、2.1.7.2.6盾构选型研究（1）选型原则及依据盾构选型时主要遵循下列原则：1）应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求。2）安全适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑 技术先进性和经济合理性。3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件。4）满足安全、质量、工期、造价及环保要求。5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配， 同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。6）盾构制造商的知名度、业绩和技术服务。根据以上原则，对盾构的形式及主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法 施工的安全、可靠，选择最佳的盾

2、构施工方法和选择最适宜的盾构类型。盾构选 型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工 艺及施工成本，为保证工程的顺利完成，盾构的选型工作应非常慎重。盾构选型应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧 道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物 等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时， 参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对 盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。选型时的主要依据如下：1）工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布，

3、单轴抗压强度，含水 率，砾石直径，液限及塑限，黏聚力、内摩擦角，土粒子相对密度，孔隙率及孔 隙比，地层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最高、最低、平均），地下水的流速、流向情况等。2）隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数。3）周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线 河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应 情况等。4）隧道施工工程筹划及节点工期要求。5）宜用的辅助工法，技术经济比较。（2）常用盾构机类型常用盾构机的类型有两种：一种是常规式盾构机，包含泥水平衡式盾构机和 土压平衡式盾构机，另一种为T

4、BM （硬岩掘进机），此外，还有一种复合式盾构 机，通过组合两种掘进方式满足不同地层的掘进要求。每种机械各有不同特点和 适用范围，能适应复杂多变的地质条件。1）泥水平衡式盾构泥水加压式盾构的工作原理是：盾构机将按照一定要求配制的膨润土或粘土 浆液，通过泥浆泵、输浆管以一定的压力从洞外送到开挖工作面，泥浆压力稍高 于开挖面土压和水压，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压 力，以对抗作用于工作面上的土压力和水压力，使工作面保持稳定；与此同时， 刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体，通过泥浆管送至地面的泥渣分离 场；经分离后的废渣运出工地，分离后的工作泥浆重复循环利用，必要时补充新

5、 的泥浆。泥水平衡盾构主要针对无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软 的地层，也可以适用于各种软弱地层的施工。图2.1.6.8-1泥水平衡盾构井机表2.1.6.8-1部分泥水平衡盾构工程案例统计表序 号隧道名称地质情况盾构直径盾构机类型1日本东京湾隧道软弱的冲积，洪积黏性土层15泥水2荷兰“绿心”隧道地层主要为砂土14.8泥水气平衡3上海延安东路南线隧 道地层主要为淤泥质粉质黏土11泥水4上海浦东一崇明岛长江隧道为粉性土或夹较多薄层粉砂，渗 透性强，灰色淤泥质软土15.4泥水序 号隧道名称地质情况盾构直径盾构机类型5武汉长江隧道盾构隧道先后穿越淤泥质粘土， 粉细沙，中粗砂，卵石11气垫

6、式泥水6台山核电站取水隧洞花岗岩、粘土、粗砾砂、粉质粘 土、粉砂混粉质粘土8.7泥水7广深港狮子洋隧道微风化砂岩、砂砾岩、淤泥质粉 质黏土10.8泥水8厦门地铁2号线过海隧 道花岗岩、泥质砂岩、粉砂岩、等 软弱不均匀地层6.7泥水9上海大连路隧道粉质黏土11泥水式10上海虹梅南路隧道工 程粉土，粘土，砂14.9气垫式泥水 平衡(2) 土压平衡式盾构土压平衡盾构机的工作原理是：将开挖的土体进行泥土化处理，工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持平衡。与泥水 盾构机不同的是，切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土，土压平衡盾构机适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。图

7、2.1.6.8-2 土压平衡盾构机土压盾构机分为两种，一种是土压式，另一种是泥土加压式。土压盾构机工作原理是：将刀盘开挖的土砂充满土仓，由盾构机千斤顶推进 加压，使土压作用于工作面，以稳定工作面。这种盾构机适用于仅需要切刀开挖 且含砂量小的塑性流动性软弱土。泥土加压式盾构机装备有注入添加剂的机构，通过强力搅拌添加剂和渣土， 对渣土进行改良，以促进开挖渣土的流动性;添加剂的种类有膨润土、发泡剂等。 此种盾构机适用地层范围广，使用较多。序 号隧道名称地质情况盾构直 径类型1广州地铁四号线南延 段5标盾构区间淤泥层、淤泥质土层、粉质黏土层、 强风化混合花岗岩层、中风化混合 花岗岩、孤石11.3土压2

8、丹麦斯多贝尔特大海 峡隧道冰碛和泥灰岩11.6土压3马德里M30地下道路隧 道泥灰岩质粘土和石膏15.2土压4广东珠三角城际铁路花岗石、砂石8.8土压5长株潭城际铁路页岩，砂岩9.3土压6意大利A1高速路Sparvo隧道黏土岩、膨胀土、中等或高破碎的 砂岩、坚硬磨蚀性高的蛇绿岩等15.6土压3） TBM （全断面岩石掘进机）TBM又叫全断面岩石掘进机，适用于硬岩地层的长距离掘进，相对于传统的 泥水或土压盾构机，在相同的条件下，其掘进速度约为常规盾构的410倍，最 佳日进尺甚至可达150m ；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳 动力保护等优点。TBM的破岩方式有两种，一种是挤压式破岩

9、，主要是通过水平推进油缸使刀 盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩 体，滚刀类型为圆盘型、楔齿形和球齿型；另一种是切削式，主要利用岩石抗弯、 抗剪强度低（仅为抗压强度的5-10%）的特点，靠铣削（即剪切）与弯断破碎岩 体。在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而 是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件。TBM主要分为敞开式TBM及护盾式TBM，护盾式TBM又分为单护盾TBM和双 护盾TBM。双护盾TBM是在整机外围设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构， 以利于掘进松软破碎或复杂岩层的全断面岩石掘进机。双护盾TBM在遇到

10、软岩时 软岩又不能承受支撑板的压应力，由盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块 上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进;遇到硬岩时，与敞开式TBM的工作原理一样， 靠支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。图2168-3TBM4）复合式盾构机复合式盾构机主要针对在同一隧道中，由于地质情况差异很大，地层变化复 杂，需要不同类型的盾构机转换，以达到适应不同地层的目的。复合式盾构机一 般分为土压+泥水、泥水+TBM、土压+TBM三种模式。图2.1.6.8-4复合式盾构机其工作原理是，根据掘进区域地层来选择合适的掘进方式，以满足盾构机在 不同地层的掘进速度。使其既能在土层中掘进，又能在岩层中开挖。双模

11、式盾构 机主要应用于岩石占较大成分的隧道，近年来，双模式盾构机的已经开始使用， 国内的广州、深圳等地也有案例，但是相对于其它盾构形式，双模盾构尚处于使 用的初期阶段，技术尚不完全成熟，在长距离复杂地层中应当进行详细论证后， 方可采用。双模式隧道掘进机具有以下特点：适用范围广，能够适应多种不同地质的开挖作业；设备使用率高，成本虽较单模式掘进机要高，但相比2台设备要低很多；节省施工成本，减少设备损耗，提高成洞质量；模式转换工作量大，周期较长。序 号隧道名称地质情况盾构 直径盾构机类型1德国易北河第四隧 道地层主要为硬黏土和砾石14.2泥水+土压2南京长江隧道地层主要为高压缩性，低强度，渗透性一 般

12、的淤泥质粉质黏土夹粉砂土和渗透性 较好的粉细沙14.5泥水+土压3南京纬三路过江通 道软土、一般粘性土、砂土、卵砾石、基岩14.5泥水+土压4佛莞城际新狮子洋 隧道软弱土层、软硬不均、全断面硬岩和破碎 带13.1泥水+土压5瑞典 Hallandsas 隧 道富含裂隙的高磨耗性岩石构造（主要是片 岩和角闪岩）10.1复合式（泥 水+TBM）6白云机场隧道中粗砂、粉质黏土、含砾粉质黏土、砾砂地层的混合层9.13泥水+土压7日本 Hiroshima 隧 道花岗岩13.6泥水+TBM（3）本工程穿越地层分析横琴杧洲隧道盾构机主要穿越地层有淤泥层、黏土层、碎石质粉质粘土层、 全风化砂岩层等。（4）盾构机

13、选型比选根据以上分析和本项目土质条件、开挖面稳定情况、隧道埋深、地下水位、 环境条件、沿线场地、造价等各方面因素，参考国内类似工程对比分析，TBM只 适用于硬地层的掘进，对于双模式掘进的方式，则适用于地质条件更加复杂的复 合地层。因此本工程对泥水平衡式盾构与土压平衡式盾构进行详细比选，如下表 所示。表2.1.6.8-6泥水平衡盾构与土压平衡盾构性能比选表编号比较项泥水平衡式盾构土压平衡式盾构1适应地层要求隧道主要穿越地层渗透系数大，且穿越 马骝洲水道，为了施工安全宜采用泥水 平衡盾构机隧道主要穿越地层渗透系数大，且穿 越马骝洲水道，不宜采用土压平衡式 盾构机。2控制沉降利用泥浆系统提供全断面的

14、压力支撑， 易于平衡掌子面，地表沉降较小对大堤 的影响较小。可以利用塑性土及添加材料提供全断 面的压力平衡，可控制沉降，效果相 对泥水盾构井略有不足。3控制地下水无地下水损失无地下水损失4设备需求需要泥水分离和运输设备，同时考虑地 层粘粒含量较高，需要增加防止泥饼的 设施需要渣土改良设备编号比较项泥水平衡式盾构土压平衡式盾构6盾构机掘进速度受地面泥水处理系统影响较大受碴土运输能力影响较大7环境影响需要地面进行分离处理后才可弃掉，对 周边环境影响较大可以直接运出弃掉，对环境基本无影 响8施工场地需要较施工场地较大，施工能耗高，成本较高需要施工场地较小，施工成本相对较 低9刀具更换较难相对较易10开挖面稳定管理用泥水压进行挡土，用量测一起进行设 定值管理；通过气垫调节技术可以精确 地控制开挖面的支撑压力；停机时，在 气垫调节作用下，可以稳定地控制开挖 面的压力；在混合地质条件下和高的土 壤透水系数的条件下，都可以很好地控 制开挖面的支撑压力用密闭仓内土压力进行挡土，用土压 力和排土量进行管理；土质情况好时， 可以达到好的开挖面支撑压力调节水 平；长时间停机时，土仓中的泡沫和 土壤产生分离现象，导致土仓中的气 泡增多；在混合地质条件下和高的土 壤透水系数的条件下，开挖面压力调 节困难11设备费用及经济性设备费用高，土方开挖费用低，但泥水