盾构机的设计选型依据
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。
盾构机选型标准
盾构机选型标准(总5页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--1、盾构机选型依据地铁区间，线路总长：隧道埋深9～13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～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。
盾构选型的原则
盾构选型的原则
盾构选型的原则主要包括以下几点：
1. 管道要求：根据盾构隧道的设计要求和工程环境的条件，选择合适的盾构机型。
包括盾构机的直径范围和适应的地质环境，如软土、硬岩、岩溶地带等。
2. 地质条件：根据隧道地质条件的复杂性和预测精度，选择适应的盾构机型。
较复杂和不可预知的地质条件一般需要选择具有灵活性的盾构机型，能够根据地质环境的变化进行调整。
3. 施工效率：根据工程进度和施工期限，选择具有高效率和高生产率的盾构机型。
例如，对于大型隧道工程和紧迫的工期要求，可以选择大口径、大推力和高性能的盾构机。
4. 经济性：盾构机的选型应考虑施工成本和机械投资之间的平衡。
应选择具有较低工程成本和维护成本的盾构机，同时能够满足工程质量和效益要求。
5. 技术可行性：在选择盾构机型时需要考虑施工技术的成熟度和可靠性。
应选择经过验证并在类似工程中取得成功的盾构机型，以降低施工风险。
6. 环境保护：在盾构选型中需要考虑对环境的影响，选择符合环保要求和节能减排的盾构机，降低施工对周围环境的影响。
总的原则是根据具体项目要求，综合考虑工程地质、施工进度、经济性和环保要求等因素，选择最适合的盾构机型进行施工。
(完整版)盾构机选型
第1章.第2章.第3章.第4章.第5章.第6章.第7章.第8章.第9章.第10章.盾构、配套设备与管模10.1.盾构机选型10.1.1.选型原则盾构机的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。
本合同段盾构区间工程的盾构机选型按照性能可靠、技术先进、经济适用相统一的原则，依据招标文件、颐和园站－圆明园站和圆明园站－成府路站区间岩土工程勘察报告等资料，并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范进行。
10.1.2.选型依据盾构机选型具体依据如下：（1）本合同段盾构工程施工条件隧道长度：3032+2044.286单线延米；线路间距：8～19m；隧道覆土厚度最小：6m，最大：15.4m；平面最小曲线半径：350m；最大坡度：20.801‰；隧道衬砌管片内径：5400mm 外径：6000mm（2）工程施工环境特点本工程施工环境具有如下特点对盾构机施工有一定的影响：本合同段区间隧道沿线地下管线、建（构）筑物密集。
颐和园－圆明园区间线路下穿颐和园、圆明园，与万泉河高架桥相交；圆明园～成府路站区间线路通过成府小学、化工研究院，下穿万泉河。
区间线路与万泉河高架桥相交时，隧道外轮廓与桩基距离最小为5m，下穿圆明园一座池塘时覆土厚度仅6m，万泉河底部区域隧道覆土厚度为9m。
本合同段区间线路主要沿颐和园路、清华西路布置，与中关村北大街相交，所经道路尤其是中关村北大街交通繁忙、车流量大。
（3）区间地质特点本合同段区间隧道穿越地层主要有粉质粘土、粉土层，局部夹有砂层、卵石圆砾等。
具体的地质统计表见表10-1-1和图10-1-1。
10.1.3. 本工程地质特点对盾构机功能的要求针对以上工程地质条件及特点，盾构应具备以下功能： （1）盾构机对地层条件的适应性要求本合同段隧道地层主要由粉质粘土、粉土层、卵石圆砾层组成，局部夹有砂层，所以盾构对软土地层的适应性应是重点考虑的问题。
盾构在软土地段的施工时应重点考虑以下功能：具备土压平衡掘进功能； 足够的推力和刀盘驱动扭矩； 良好的加泥、加泡沫等碴土改良能力； 合理的刀盘及刀具设计； 具有完善的防喷涌功能； 能够有效防止中心泥饼的生成； 较好的人员仓条件；圆明园－成府路站区间颐和园－圆明园站区间图10-1-1 盾构区间隧道洞身主要地质比例图超前地质钻探及管片壁后同步注浆功能。
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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。
而土压平衡盾构则不需要进行分离处理，只是在涌水较大，但透水率不超过一定数值，掌子面不稳的地段才需要使用土压平衡开挖模式，也不需要专门的分离设备进行碴土分离。
盾构设计选型的主要依据取决于如下几个因素：碴土的粘合系数，渗透系数。
盾构选型设计的一个重要依据，是碴土的渗透系数，按照盾构设计的理论，碴土的渗透
系数在10-7m/s以上，需要采用泥水式盾构才能够保证开挖时对水的控制，维持地层水的稳定，保证施工时对地面建筑影响最小，而在此数值以下，采用土压平衡式盾构才是可靠的。
按照广州越三期间的地质的情况，本标段构造裂隙和节理相对不发育，80%的地段埋置于岩层中，岩体大部分较完整，富水性较小，透水性较弱，可以选取具有敞开式开挖功能和土压平衡开挖的盾构机；但同时本标段有20%的洞体处在断裂带和土石混合层中，广从断裂带和走马岗断裂带富水性较好，施工时有可能发生突水现象，地层属冲击层和洪积砂层，为灰白、灰黄色中、粗砂，饱和、松散～中密，属强透水层，透水率在10-4m/s到10-6m/s 之间，按照这个理论，必须要选取泥水式盾构才能满足这段地层开挖安全的要求，也即在同一标段中要满足上述两个方面的要求，盾构机的选型既要满足隧道主要地质状况的要求，同时也要能够顺利通过这种不稳定的强透水层。
按照德国海瑞克公司的经验和试验表明，通过添加材料的辅助工法可以改善碴土的性状，扩展土压平衡盾构的适应范围，透水率为10-4m/s的碴土同样可以使用土压平衡盾构进行开挖，而不至于使泥浆从出料口喷涌而出、大量损失地层水。
从而解决这种复杂地层的盾构施工设备选型问题，既满足大部分整体性好的岩体的开挖，又能安全通过富水且透水率高的砂层。
所以在本标段中选用土压平衡施盾构进行开挖，使用添加辅助材料的办法来进行处理。
添加材料有如下几种：膨润土、泡沫、水、阻水材料。
添加材料有如下作用：
1、可以减小刀盘切削的扭矩值，降低盾构施工能耗。
2、可以减小渣土对盾构机刀盘和其它金属材料的黏着性。
3、可以减小碴土的透水率。
在这些材料当中，泡沫具有其它材料不具备的很多优点:
1、密度低，同时不占碴土的体积，便于制备和运输。
2、比其它材料与碴土易于混合
3、化学制剂的含量低，有利于环境保护
4、不需要专门的分离设备来对泡沫进行分离，暴露在空气中后很快消失。
5、可以大幅度的降低刀盘、螺旋输送机等设备的磨损。
适合于土压平衡盾构开挖的碴土必须具有如下特性：
良好的塑性、低的透水率、良好的流动性。
对于开挖泡沫添加起着决定性的作用。
泡沫添加的依据，根据岩土的分类计算泡沫的添
加量，添加泡沫有5大好处；出于对环境、安全的需要，欧洲在5年前已禁止使用膨润土。
盾构机设计需要考虑的5大因素：渗透系数、粘结系数、瓦斯防爆、地面沉降、开挖土质对人体和环境的影响。
通过我们对马德里现场几个工地的参观，我们发现，在三种不同的地质条件下，工地现场都采用了加注泡沫的办法，前两个工地属粗砂层和砂质岩，加注泡沫之后防水性能和碴土的流动性是比较好的，但我们没有拿到有关数据，只能是一些感性的认识。
第三个工地因为碴土粘度太大，所以在加注泡沫的同时，也在加注水，防止刀盘粘结，形成泥饼。
地质情况千差万别，盾构机的选型和设计也是非常复杂的，这只是一个盾构机选型设计方案的个例，如有不当之处，欢迎指教商榷。