盾构机设计选型依据
盾构机的设计选型依据
盾构机的设计选型依据-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN盾构机的选型盾构法以其具有较高的可靠性及对周边环境适应性强的特点而在国内外地铁建设中得到了广泛应用，盾构法涉及多门学科，专业性强，尤其是其施工过程完全是工厂化的流水作业，机械化、自动化程度高，其施工效率较其他方法非常明显的优势。
在国内地铁工程中，我国上海市六十年代开始盾构法的试验研究工作，并随着城市建设的发展，特别是近几年来科学技术的进步，新技术、新工艺、新材料、新设备的发展广泛应用，盾构法施工技术也取得较大的发展，至今已使用过近五十余台盾构。
配套施工技术也相应在逐步完善，工程规模和应用范围也相应扩大。
地铁施工条件复杂，涉及城市建筑、管线水网、交通环境、污染控制严格，盾构施工在城市地铁施工中越来越显出其无可比拟的优越性，但是城市施工的首先要保证的前提条件是，由施工造成的地面隆起和沉降不能超出限制标准，否则将破坏地面和其它建筑物，造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡的严重后果。
这是城市施工和山岭隧道施工的根本区别，同时也是盾构施工首先需要解决的技术和组织问题。
在围岩状况不佳的地质条件下，采用土压平衡和泥水式盾构开挖能起到保证安全的作用。
盾构施工，首先需要决定盾构机的类型，盾构的形式取决于地质条件。
按结构模式盾构机分为泥水式盾构、敞开式、土压平衡式盾构、硬岩盾构四类。
敞开式盾构用于整个地层稳定，透水率低，涌水能够不采取其它辅助措施则能被控制的区段。
硬岩盾构用于硬度较大，且能够自稳、涌水不大的岩石地层开挖。
土压平衡盾构和泥水式盾构都是利用控制推进的速度和出料的速度来使推进所产生的压力同掌子面的压力相平衡，从而达到维持掌子面稳定，继而维持地面沉降和隆起在控制范围内的作用。
这两类盾构的最大区别是泥水式盾构需要有昂贵的泥浆制备和分离设备，将泥浆通过管路注入到盾构机混合仓内，与开挖下来的碴土进行混合，通过泥浆泵将混合后的碴土抽出到地面以后进行分离处理，泥浆再循环利用。
盾构管片选型技术
不同的隧道工程所使用的管片的超前量是不 同的，超前量的大小在隧道管片设计上是最 重要的设计内容。一般超前量的大小起码要 能够适应隧道最小转弯半径的要求。但如果 超前量设计的过大，施工中很容易造成管片 错台和管片失圆，不但给管片拼装带来很大 困难，更影响隧道的防水和美观。
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盾构机管片选型技术
目录
一、盾构机管片选型原则 二、盾构机管片选型依据 三、盾构机电脑管片选型
一、盾构机管片选型原则
管片拼装时，通过转弯环与标准环的组合来 适应不同的曲线要求。管片拼装时按照以下 以下两个原则： 第一，要适合隧道设计线路； 第二，要适应盾构机的姿态。 这两者相辅相成，通过正确的管片选型和选 择正确的拼装点位，将隧道的实际线路调整 在设计线路的允许公差±50mm内。
管片对圆曲线段隧道的拟合计算步骤如下：
θ=2γ=2arctgδ/D 式中： θ---转弯环的偏转角 δ---转弯环的最大楔形量的一半 D----管片直径 将数据带入得出θ=0.3629 根据圆心角公式： α=180L/πR 式中：L---一段线路中心线的长度 R----曲线半径，取400m θ=α，将之代入，取得L=2.282
根据盾尾间隙进行管片选型
如果盾尾间隙过小，盾壳上的力直接作用在管 片上，则盾构机在掘进过程中盾尾将会与管片 发生摩擦、碰撞。轻则增加盾构机向前掘进的 阻力，降低掘进速度，重则造成管片错台（通 过调整盾构间隙，可以大大减少管片错台量）， 盾构一边间隙过小，另一边相应变大，这时盾 尾尾刷密封效果降低，在注浆压力作用下，水 泥浆很容易渗漏出来，破环盾尾的密封效果。
同时也可以看出如果继续拼装标准环的话， 下部的盾尾间隙将会进一步减小。通常我们 以各组油缸行程的差值的大小来判断是否应 该拼装转弯环，在两个相反的方向上的行程 差值超过40mm时，就应该拼装转弯环进行 纠偏。
盾构机械设备的性能及选型分析
盾构机械设备的性能及选型分析1. 引言盾构机作为现代地下隧道施工的重要设备，在城市建设和基础设施建设中发挥着重要作用。
本文将对盾构机械的性能和选型进行详细分析，以帮助工程设计师和施工方在选择合适的盾构机械设备时做出明智的决策。
2. 盾构机械设备性能分析2.1 掘进能力盾构机械设备的掘进能力是评估其性能的一个重要指标。
掘进能力取决于盾构机的驱动力、推进速度以及其刀盘的结构设计和材料选择。
在选型过程中，需根据隧道的地质条件、长度和直径等因素综合考虑，选择具备充足掘进能力的盾构机。
2.2 安全性能盾构机械设备在施工过程中需要保证施工人员的安全。
因此，选型时应关注盾构机的安全性能表现，如智能监测系统、紧急停车装置、防震减振装置等。
这些装置的应用将最大程度地减少事故发生的可能性，确保施工人员的生命安全。
2.3 自动化程度近年来，随着科技的发展和智能化水平的提高，盾构机械设备的自动化程度越来越高。
自动化程度的提升不仅可以提高施工效率，还可以降低人工操作的风险。
选型时需根据具体工程需求和施工条件，选择自动化程度适宜的盾构机械设备。
2.4 维护保养成本盾构机械设备的维护保养成本包括设备的维修费用、易损件的更换费用以及设备故障停机带来的经济损失等。
选型时应考虑设备维护保养的难易程度、易损件的价格和更换周期等因素，并综合评估维护保养成本的经济性。
3. 盾构机械设备选型分析3.1 地质条件分析地质条件对盾构机械设备的选型至关重要。
需要考虑的地质因素包括地层稳定性、岩性和土壤类型等。
对于不同地质条件，应选择适宜的盾构机械设备，如硬岩盾构机、软土盾构机或土压平衡盾构机等。
3.2 隧道长度和直径隧道长度和直径直接影响到盾构机械设备的选型。
隧道长度较短、直径较小的工程可选择较小、灵活的盾构机械设备，而对于长隧道和大直径隧道的工程，则需要选择大型、高性能的盾构机械设备。
3.3 工期和成本工期和成本是盾构机械设备选型时需要综合考虑的因素。
盾构机选型方案
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，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。
盾构选型的原则
盾构选型一般遵循原则归纳如下：(l)以开挖面稳定为核心，盾构选型应在充分把握地层条件的基础上进行。
(2)应考虑土的塑性流动性、土的渗透系数等，这对开挖面的稳定非常重要。
塑性流动性直接影响土的顺畅排出，若地层透水性太高，地下水则可能通过开挖腔室和螺旋输送机内的废渣流入隧道。
一般认为，10m/d的渗透系数是土压平衡盾构作业的经验上限值。
(3)应考虑地下水的含量及水压，这往往要与土的塑性流动性及透水性结合考虑，高水压、高渗透性的情况是非常不利的。
这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型。
在日本，特别是饱和砂土层中泥水盾构的使用占绝大多数。
(4)应视地层中有无砂砾和大卵石，这直接影响到土的渗透性、切削刀盘的磨耗、切削刀开挖时对地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎方式及其排出方式。
(5)应考虑土层的粒径分布，一般都采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层总的来说，粒径大时宜采用泥水盾构，粒径小时宜采用土压盾构。
(6)隧道的线形和转弯半径也是应考虑的因素，盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。
一般，长度与直径之比(UD)应妻1.0。
当转弯半径过小时可考虑采用铰接式盾构。
(7)盾构选型时，必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。
必要时同时配置切削刀和滚刀，形成盾构和TBM的混合刀盘。
(8)刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关，盾构装备扭矩T=aD3(D为盾构外径，a为扭矩系数，对泥水盾构a=9一15;土压盾构a=8一23)。
显然，采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力，从而减轻主轴承的负荷。
(9)盾构施工对周围环境的影响也是盾构选型时应考虑的因素。
比如地层变形的许可程度、有无地下构筑物等，再比如泥水处理以及废渣的倾倒是否对环境有污染等。
(10)盾构的选型还应考虑对工作环境的影响。
比如，盾构的刀盘驱动是液压驱动还是电动驱动。
液压驱动效率低，噪声大，洞内温度上升快，而电动驱动效率高，洞内环境好(噪声小、温度低)网。
盾构机设备选型及适应性分析
盾构机设备选型及适应性分析发布时间：2023-02-22T05:54:19.984Z 来源：《工程管理前沿》2022年19期作者：罗军[导读] 盾构法施工技术已在城市轨道交通隧道工程广泛应用。
罗军中冶南方武汉工程咨询管理有限公司摘要：盾构法施工技术已在城市轨道交通隧道工程广泛应用。
盾构法的实施关键因素在于盾构机选型成功与否。
本文结合某地铁区间工程，对土压平衡盾构机的选型进行阐述，以为类似条件的工程提供参考。
关键字：盾构机、设备选型、土压平衡一、盾构机选型依据1、承包合同文件对盾构机功能要求：根据本工程的总体布置、工程地质及水文地质条件、沿线建筑设施及地下管线等环境条件、盾构隧道衬砌结构、施工条件及工期等多方面要求，并考虑可能的地质变化情况，对盾构提出如下特殊要求：1)承包商需充分考虑盾构机穿越本工程的地质情况和地下障碍物，盾构机必需有良好的适应性；2)盾构机最大推进速度不低于6cm/min；盾构机最大生产能力须达到300m/月以上；3)盾构机能顺利掘进300米曲线半径的隧道；4)盾构机应按不低于0.6Mpa的静水压设计，保证在此压力下盾体、密封装置等性能可靠并能正常工作；5)盾构机须配备良好的渣土改良系统和刀盘冲刷系统，确保掘进顺利；6)盾构机须配备气体检测报警系统和刀盘(含刀具)磨损检测报警系统；7)盾构机须配备开挖仓压缩空气自动保压系统，以满足可在恶劣地质条件下可进行带压进仓作业；8)应能快速、精确、安全地拼装管片，并能有效防止盾构机推进油缸的顶推使管片端部产生裂纹或破损，推进油缸的行程应与管片封顶块的安装要求相匹配；9)具备防止地层经由螺旋机、铰接处以及盾尾处出现涌水、涌沙等情况的安全装置与处理设施，在出现涌水、涌砂等情况下，盾构机能够正常掘进。
2、《盾构法隧道施工及验收规范》（GB 50446-2017）相关规定：第 4.3.1 条盾构选型与配置应适用、可靠、先进、经济，配置应包括刀盘、推进液压油缸、管片拼装机、螺旋输送机、泥水循环系统、铰接装置、渣土改良系统和注浆系统等。
盾构机类型和选用原则
盾构机类型和选用原则
盾构机是一种用于隧道挖掘的工程机械，根据不同的工程需求和地质条件，盾构机可以分为以下几种类型：
1. 泥水式盾构机：适用于软弱的土层或泥水地层，通过泥水压力平衡掌子面的水土压力。
2. 土压平衡式盾构机：适用于粘性土层或砂土质地层，通过土压力平衡掌子面的水土压力。
3. 硬岩盾构机：适用于坚硬的岩石地层，通过刀具切割岩石实现掘进。
4. 混合式盾构机：适用于地质条件复杂的地层，可以同时使用泥水式和土压平衡式两种方式进行掘进。
在选用盾构机时，需要考虑以下原则：
1. 地质条件：根据隧道穿越的地质条件，选择适合的盾构机类型。
2. 工程规模：根据隧道的长度、直径和曲率等工程规模，选择适当的盾构机尺寸和性能。
3. 施工环境：考虑施工现场的环境条件，如地下水位、周边建筑物等，选择适合的盾构机类型。
4. 工程进度：根据工程进度要求，选择能够满足施工进度的盾构机。
5. 经济效益：综合考虑盾构机的购置成本、运行成本和维护成本等因素，选择经济效益最佳的盾构机。
选用合适的盾构机对于隧道工程的顺利进行和施工质量至关重要，需要根据具体情况进行综合考虑和决策。
盾构机设计选型依据
泥水式
开胸式
复合式盾构
结构模式
土压平衡式
硬岩掘进机
泥水盾构 (单一隔板)
Tunnelvortriebstechni k
泥水盾构 (水量大的情况)
硬岩盾构
Tunnelvortriebstechni k
土压平衡 技术
土压平衡盾构
碴土的渗透性
Cobbles 卵石 Coarse Gravel 粗砂砾 Medium gravel 中细砂砾 Fine gravel 细砂砾 Coarse sand 粗砂
Atterberg Limits
consistency: IC = (wP - w) / (wL - wP)
收缩极限： wS 液态极限： wL pulpy liquid
塑性极限： wP
可塑性范围 固体
semi solid
stiff
soft
Consistency index Water content
11 air
FER 1:12
1 liquid
Foam Generation
900 - 950 litres Air 1000 litres Foam
Liquid 50-100 lit
Foam Generator 30-60% of excavated material 99,3 - 94% 0,5 - 5% 0,2 - 1%
Foam Injection Rate
Depending on the soil porosity n in the working chamber Soil type Sand pure graded Sand gravel wide graded Loam, till Clay hard Clay soft Porosity n 30% - 50% 25% - 35% 25% - 30% 20% - 35% 50% - 70%
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EPB
Use of EPB injection materials
- 10-10 - 10-11 - 10-12
分布曲线粒径
粘土
fine
砂质粘土
midium coarse fine
砂
midium coarse
砂砾
粒径分布曲线: 粘土 淤泥 细砂 砂质粘土 粗砂 砂砾
粒径分布曲线
过滤分析 d > 0,1 mm
Adhesive tendency depending on plasticity and consistency
1,50 1,40 1,30
hard
Consistency Index IC
1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0
C
semihard
100 Clay Sand / S ilt y S and
90 Clay
80
Sand / S ilt y S and 70 370m
- 10
-1
Permeability Factor k (m/s)
- 10-1 - 10-2 - 10-3 - 10-4 - 10-5 - 10-6 - 10-7 - 10-8 10-9
Slurry
中细砂 Medium sand 细砂 Fine sand 含砂粘土 Sandy, silty clay 淤泥 Silt
F in e F in e Silt Med ium -Co ars e Sie ve Size F in e San d Med ium-Co ars e - F in e Gr ave l Med ium - Co ars e-
• Valencia • Madrid • Bangkok • Izmir • Singapore • Buenos Aires • Glatt Stollen • Socatop
Foam Injection Rate
Depending on the soil porosity n in the working chamber Soil type Sand pure graded Sand gravel wide graded Loam, till Clay hard Clay soft Porosity n 30% - 50% 25% - 35% 25% - 30% 20% - 35% 50% - 70%
泥水式
开胸式
复合式盾构
结构模式
土压平衡式
硬岩掘进机
泥水盾构 (单一隔板)
Tunnelvortriebstechni k
泥水盾构 (水量大的情况)
硬岩盾构
Tunnelvortriebstechni k
土压平衡 技术
土压平衡盾构
碴土的渗透性
Cobbles 卵石 Coarse Gravel 粗砂砾 Medium gravel 中细砂砾 Fine gravel 细砂砾 Coarse sand 粗砂
盾构机设计选型及依据
选择盾构机时，必须综合考虑，以获得经济、安 全、可靠的施工方法。盾构机机型是工程成功与否的 重要因素，选择时，必须注意以下几点： ① 适用于本工程围岩的机； ④ 后续设备、始发基地等施工设备能与盾构机的开挖 能力配套； ⑤ 工作环境。 为了减少辅助工法并保证施工安全可靠，选择能保 持开挖面稳定和适应围岩条件的盾构机型非常重要。
porosity
Types of water in the ground: 1 ground water 2 ground water table 3 confined kapillary water 4 free capillary water 5 adhesive water 6 pore angle water 7 air 8 grain with adsorbed water 9 seepage water
1 2 3 4 5
TBM Shield
1. Control station - main control panel 2. Mixing tank 3. Regulating pump 4. Polymer mixing tank 5. Pump 6. Reservoir tank 7. Feed pump 8. Compressor 9. Pneumatic regulating unit 10. Tank 11. Foam injection lance 12. Control station - main control panel 13. Injection pumps
Atterberg Limits
consistency: IC = (wP - w) / (wL - wP)
收缩极限： wS 液态极限： wL pulpy liquid
塑性极限： wP
可塑性范围 固体
semi solid
stiff
soft
Consistency index Water content
Consistency characteristics characteristics suspension squeezes through finger light ductile high ductile friable when rolling dried out, light coloured pulpy soft stiff semi solid solid plastic consistency liquid
Atterberg Limits
塑性指数: IP = (wL - wP)
常见碴土类型的塑性指数 碴土类型 条件 non-plastic low plastic good plastic high plastic depending
举例
Limit of IP
砂 淤泥 粘土 粘土 有机质土壤 膨润土
Index Properties of London Clay
EPB Injection Materials
Advantages of foam: • Low density • Optimum mixing with soil • Low percentage of chemical additives • Separation plants not necessary • Reduction of wear
Mixsh ield Op er atio n (Slurr y Mo de )
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
20 .0 60 ,0
0,001 0,002
0,006
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
6,0
Particle size in m m Geological Profile - Taipei
Foam Injection Rate
Flow rate foam (Q foam ) FIR = Flow rate soil (Q soil )
Qsoil = A face × vTBM Q foam = FIR × Qsoil
Foam Expansion Rate
Flow rate foam (Q foam ) FER = Flow rate liquid (Q liquid )
100% Liquid : Water Foaming agent Polymer
Foam Air Pressure
Depending on the working chamber pressure
Qair = ( FER − 1) × Qliquid × ( Pchamber + 1)
Foam Injection Schematic
EPB Operation
Face pressure controlled by: • • • Shield advance rate Screw conveyor discharge rate Muck pump discharge rate
EPB Face Support
• Separation plant not required • Slurry pumping system not required • Fine particle size materials easily handled
EPB Injection Materials
• Bentonite • Water • Polymers • Foam
EPB Injection Materials
• Reduce internal friction and cutting wheel torque • Reduce soil adhesion to metal of shield / cutting wheel • Reduce soil permeability
water content (W): plastic limit (PL): liquid limit (LL): plastic index (PI):
22% – 32% 20% – 33% 58% – 78% 33% – 49%
Consistency: (LL-W)/PI = 0,94 - 1,33 (stiff to hard)
密度
岩石
沙 粘土
淤泥
渗透性
恒定压力
渗出量
压力递减
渗透性
渗透性 参照 DIN 18130
条件 很低的渗透性 低渗透性 有渗透 高渗透性 非常高的渗透性 K值对照 (after Petermann) at 10°C 粗砂 细砂 超细砂 含砂粘土 粘土 灰质粘土
Atterberg Limits
粘结系数: IC = (wP - w) / (wL - wP)