盾构选型及参数计算方法

1.1、序言

盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有十分明显的技术和经济优势 。

采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。

1.2盾构机选型主要原则

1.2.1盾构的选型依据

盾构选型主要应考虑以下几个因素：

1）工程地质、水文条件及施工场地大小。

2）业主招标文件中的要求。

3）管片设计尺寸与分块角度。

4）盾构的先进性、适应性与经济性。

5）盾构机厂家的信誉与业绩。

6）盾构机能否按期到达现场。

1.2.2 盾构的型式

1）敞开式型盾构

敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触，对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。这种盾构适用于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌 。有人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构。

2）部分敞开式型盾构

部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员可以直接观察开挖面土层工况，开挖土体通过网格孔或挤压胸板闸门进入盾构。根据以往大量工程经验，通常都将挤压胸板和网格切削装置组合在一起安装在盾构上，形成网格挤压盾构。这种盾构适用于不能自立、流动性在的松软粘性土层、尤其是对隧道沿线地面变形无严格 要求的工程。当盾构采用网格开挖时，应将安装在网格后面的挤压胸板部分或大部分拆除，利用网格孔对土层的摩擦力或粘结力对开挖面土层进行支护，当盾构向前推进时（一般是盾构穿越江湖、海底或沼泽地区），应将挤压胸板装上，盾构向前推进时，可将土体全部排挤在外面，不进入盾构；另外也可根据具体情况和盾构推力在大小和方向控制要求，选择和操纵挤压闸门控制一定的进土量，以使盾构顺利掘进。

有时在网格装置和挤压板后面加装一道隔舱板形成一道泥土舱，然后向泥土舱注水并与弃土搅拌形成泥浆，再通过管道将弃土泥浆排往地面，可进一步提高施工效率，改善隧道内施工环境。

3）封闭型盾构

封闭型是在盾构切口环和支承环之间增设一道密封隔舱板，在开挖面的土层和密封隔舱板之间形成密封泥土舱，盾构施工时，通过对密封泥土舱中的压力进行控制，使其与开挖面土层水、土压力保持平衡，从而使开挖面土层保持稳定。施工人员不能直接观察开挖面土层工况，而是通过各种检测传感装置进行显示自动控制。封闭型盾构主要有泥水加压式和土压平衡式两大类型。

（1）泥水加压盾构

在盾构内设一道密封隔舱板，在隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆支护开挖面土层，利用泥浆压力平衡开挖面土层水、土压力，并在土的表面形成一层不透水的泥膜，同时泥浆中的细微粘粒在极短时间内渗入土层，有利于增强土层自立能力。由刀盘开挖下的泥土经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后，形成浓稠泥浆，用管道排送到地面处理场，再通过分离处理排除土碴，余下浆液经浓度、比重调整后又重新送入盾构循环使用。

泥水加压盾构适用于土层范围很广，从软弱粘土、砂土到砂砾都可适用。对一些特定条件下的工程，如大量含水砂砾，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，尤其是超大直径和对地表变形要求高的工程都能显示其优越性。另外对有些场地较宽、有丰富水源和较好排放条件或泥浆仅需作简单沉淀处理排放的工程，这种方法可较大地降低施工成本。

泥水加压盾构刀盘，多使用面板式结构，进土槽口宽度应按土质而定，一般槽口宽应小于排泥管口径，以免大块石堵塞管道，刀盘开口率一般在8%～10%左右。

采用泥水加压盾构施工，不需辅以其它（气压、降水）工艺来稳定开挖面土层，其施工质量好、效率高、安全可靠。然而它需要一套技术较复杂的泥水分离处理设备，投资较高，占地面积大，尤其是在城市施工困难较大。

（2）土压平衡式盾构

在盾构密封泥土舱内利用开挖下的泥土直接支护开挖面土层，既具有泥土加压盾构的优点，又消除了复杂的泥水分离处理设施，受到工程界的普遍重视。土压平衡式盾构可根据不同的地质条件采取不同的技术措施，设计成不同的类型，能适应从松软粘性土到砂砾土层范围各种土层内各种土层施工。

a）普通型的土压平衡式盾构

普通型的土压平衡式盾构适用于松软粘性土，由刀盘切削下的泥土进入泥土舱，再通过螺旋输送机向后排出。由于经过刀盘切削和扰动，会增加泥土的塑流性，在受到刀盘切削和螺旋输送机传送后也会变得更为松软，使泥土舱内的土压力能均匀传递。通过调节螺旋输送机转速或调节盾构推进速度，调节密封泥土舱内的土压力，并使其接近开挖面静止土压，保持开挖面土层的稳定。

普通型土压平衡式盾构一般使用面板式刀盘，进土槽口宽在200～500㎜左右，刀盘开口率约为20%～40%。另外在螺旋输送机排土口装有排土闸门，有利于控制泥土舱内土压和控制排土量。

b）加泥型的土压平式衡盾构

当泥土含砂量超过一定限度时，土和砂的流动性就差，靠刀盘切削扰动，难以使泥土达到足够的塑流状态，有时会压密固结，产生拱效应。当地下水量丰富时，通过螺旋输送机的泥土，就不能起到止水作用，无法进行施工。此时，应在普通型土压平衡式盾构基础上增加特殊泥浆压注系统，即形成加泥型的土压式平衡盾构。对刀盘面板、泥土舱和螺旋输送机注入特殊粘土泥浆材料，再通过刀盘开挖搅拌作用，使之与开挖下来的泥土混合，使其转变为流动性好和不透水性泥土，符合土压平衡式盾构施工要求，符合土压平衡式盾构施工要求。 为了降低刀盘传动功率和减小泥土移动阻力，加泥型土压平衡式盾构刀盘为有幅条的开放式结构，开口面积接近100%，并在刀盘背面安装能伸出来若干能对土砂搅拌的叶片 ，以便对土砂进行强力搅拌，使其变成具有塑流性和不透水性的泥土。另外，　要求注入浓度、粘性更高的泥浆材料才能改变土砂的功能时，往往难以用刀盘搅拌达到目的，这将大大增加刀盘和螺旋输送机的机械负荷，造成盾构施工困难。此时应注入发泡剂代替泥浆材料，因为发泡剂材料比重小、搅拌负荷轻，可使刀盘扭矩降低50%左右。盾构排出土砂中的泡沫会随时时间自然消失 ，有时在泥土中加入消泡剂，可加速泡沫的消失，保持良好的作业环境。

c）加水型土压平衡式盾构

在砂层、砂砾层透水性较大的土层中，还可以采用加水型土压平衡盾构。这种盾构是在普通型土压平衡式盾构基础上，在螺旋输送机的排土口接上一个排土调整箱，在排土调整箱中注入压力水，并使其与开挖面土层地下水压保持平衡。经过螺旋输送机将弃土排入调整箱内与压力水混合后形成泥浆，再通过管道向地面排送。开挖面的土压，仍由密封的泥土舱内土压来平衡。盾构掘进时，刀盘不停地对土层进行开挖和搅拌，使密封的泥土舱内的土砂处于均匀状态，土砂颗粒之间的空隙被水填满，减少了土砂颗粒之间有效应力，增加了流动性，从而能顺畅地通过螺旋输送机送入排土调整箱。在调整箱内通过搅拌混合，向地面处理场排放。

加水型土压平衡盾构的泥水排放系统与泥水加压盾构相似，但注入的主要是清水，无粘粒材料，无需对注入的水进行浓度、比重控制，泥水分离处理设备和工艺也大为简化。这种盾构刀盘一般使用面板式结构，进土槽口尺寸可根据土体中砾石最大尺寸来决定，刀盘开口率一般在20%～60%左右。

d）泥浆型土压平衡式盾构

这种盾构适用于土质松软、透水性、易于崩塌的积水砂砾层覆土较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。这种盾构具有土压平衡盾构和泥水加压盾构的纺织系统双重特征。盾构掘进时，应向盾构内注入高浓度泥浆，通过搅拌，使土砂混合成泥土，并充满泥土舱，支护开挖面。由于从螺旋输送机的排土口装上一个旋转排土器既可保持泥土舱内土压的稳定，又可不断地从压力区无压区内顺利排出。但从排土器排出的泥土呈泥浆状，不能用排送干土方式，排送向地面，同时泥浆浓度较高，无法通过管道排出，从螺旋输送机排出的泥土，是在泥浆槽中经水稀释后再以流体形式通过管道排往地面。

这种泥浆型土压平衡盾构机的泥土舱的泥浆供入系统和排出系统是两个回路，所以从泥浆排出系统操作所造成的压力波动，对泥土舱内支护压力无大影响，使盾构操作控制更为简便。

这种泥浆型土压平衡盾构机通常采用面板结构，进土槽宽度可按土层中最大砾石尺寸决定。刀盘开口率一般在40%～60%左右。由于泥浆型土压平衡盾构多用于巨砾土层，因此排土多采用带式螺旋输送机，可比同样大小中心轴式螺旋输送机排出的石块粒径大一倍左右。

（3）复合型盾构（盾构掘进机）

采用盾构掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用一种类型的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。

所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式刀具，有的还在盾构内安装碎石机，这种硬岩开挖工具与软土隧道盾构机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安装的刀具，应根据不同岩层条件而定。

软土地层：主要采用割刀。安装在刀盘进土槽口两侧。

硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀。

软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀，其开挖方法是刮下块状石块，使其对软塑土层更有效地进行开挖。

上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。

复合型盾构主要有以下三种类型：

a）泥水加压型复合盾构

以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、块石应在盾构内安装碎石机。当盾构地软土层施工时，可按封闭型泥水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工，而碴土排送仍采用水力管道排送。

b）土压平衡型复合盾构

以土压平衡盾构为基础，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土　层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工；而当遇到　硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同刀具就能快速转换成敞开型机械盾构施工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机。

c）敞开型复合盾构

以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只要根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工继续进行。

由于盾构掘进机，适应性较广，主要以它为例。

1.3盾构掘进机的工况的转换

盾构掘进机具有土压平衡状态和非土压平衡状态两种工况，能够适应软、硬两种地层的施工。根据地质情况，能够实现两种工作状态的互换。盾构掘进机从非平衡状态向土压平衡状态下的过渡：根据地质超前预报的信息，在前方遇到围岩不稳定的软土地带、断层带及涌水几率较高的地段时，及时关闭螺旋输送机的闸门，在盾构掘进机的密封隔板与开挖面形成的密封碴舱和螺旋输送机内充满刀盘切削下来的碴土，在盾构掘进机推进油缸的推动作用下，给泥土仓内的碴土施加压力，通过控制出土量，保持泥土仓的土压力与开挖面的土压相平衡，从而起到稳定开挖面地层，防止地表变形的作用，来实现从非土压平衡状态向土压平衡状态的转换。

盾构掘进机从平衡状态向非土压平衡状态下的过渡：在岩石稳定性好的地段，盾构掘进机可以在非土压平衡下进行隧道施工，不需要维持泥土仓的压力来稳定开挖面，可排空碴仓，此时因为碴仓内没有土压力，盾构掘进机有较高的掘进速度并且易于操作。

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