不同地质条件下的盾构选型

二 选型的主要内容
2、选型的主要内容
（1）机型选择：软土式还是复合式、泥水式还是土压式、闭胸式还是 敞开式； （2）主要部件选择：刀盘、刀具、螺旋输送机等； （3）主要参数计算：刀盘直径、开口率、转速、扭矩、功率，推力， 掘进速度，铰接，螺旋输送机功率等； （4）后配套设备选择。
二 选型的主要内容
1828年1月12日泰晤士河 底隧道施工时发生涌水
一 引言
目前，盾构法隧道施工技术在世界许多国家不断得到发展，但在推广 与应用上也出现了一些施工事故。
据统计，80%以上事故是因盾构的选型失误所引起，不仅影响了整个 工程的工期，还造成了极大的经济损失和不必要的人员伤亡。
一 引言
广州地铁一号线 经过风化岩石地层，由于盾构机械 的不适应性，在此地层段掘进速度 低、刀具磨耗严重、地表沉降大、 出现泥饼现象等等，甚至还导致三 栋3～4层楼房坍塌。
盾构机的“模式”是指掘进操作方式。 土压平衡盾构的 “模式”可分为土压平衡模式、半敞开式、敞开式
三种。 泥水盾构的“模式”可分为泥水平衡模式(也称直接控制模式)和气垫
模式(也称气泡舱模式)两种。
二 选型的主要内容
土压平衡模式
敞开式模式 半敞开式-加气辅助模式
二 选型的主要内容
（1）适应的工况
粘土、粉土含量＞ 40% ——土压式 粘土、粉土含量 ＜ 40% ——泥水式
水压＜0.3MPa ——土压式 水压＞0.3MPa ——泥水式
六 盾构选型的主要方法 6、根据隧道断面与环境因素选型
隧道断面
大型、超大断面——泥水式盾构 中小型断面——土压式盾构
环境因素
泥水式盾构——环保性能较差 土压式盾构——环境适用性强
（1）渗透系数是土渗透性强弱的定量指标，定义为单位水力梯度下的单位 流量，表示水通过土体空隙的难易程度，量纲为距离/时间，常用m/s，即 水每秒钟透过土体空隙的距离。 （2）渗透系数越大，土体透水性越强，即土中空隙越大，土体越松散；反 之则土体越密实。通常，渗透系数越大，地层含水量亦越大，即为富水地 层。
五 盾、扭矩、驱动 功率、推力、掘进速度，螺旋输送机功率、直径、长度，送排泥管直径，送 排泥泵功率、扬程等； （5）根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。
六 盾构选型的主要方法
3、根据地层的渗透系数进行选型
缺点：由于受刀盘面板的影响，开挖面土压≠测量土压，因而土 压管理困难；由于受面板开口率的影响，碴土进入土仓不顺畅、 易粘结、堵塞、结泥饼；且刀具负荷大，刀盘扭矩大，刀盘及刀 具易磨损。
七 刀盘结构型式选择 辐条式刀盘的特点
优点：辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止粘土
附着，不易粘结和堵塞；由于没有面板的阻挡，碴土从开挖面进入土仓 时没有土压力的衰减，开挖面土压=测量土压，因而能对土压进行有效 的管理，能有效地控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。
开挖横通道
刀盘磨损严重
刀盘修复
一 引言
深圳铁一号线 施工中三次遇到地质突变，一次为上软下硬 地质，两次为孤石侵入隧道。导致刀盘面板 14处被磨穿；滚刀严重的弦磨和损坏；所有 切刀刮刀损坏。
一 引言
盾构施工与工程地质、水文地质、地形地貌、地面建筑、地下管线与 构筑物、隧道结构、线路线型等因素息息相关，盾构机应该依据这些 具体条件来“量身定做”。
六 盾构选型的主要方法
4、根据地层的颗粒级配进行选型
颗粒级配指组成土体的各种粒径颗粒所占的数量，有连续级配与间断级 配之分。 一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的 每个部位，在土仓中可以建立压力，以平衡开挖面的土体，此时，选择土 压平衡盾构比较适宜。 相反，砂卵石等粗颗粒含量多的地层，土渣无法均布于土仓中，不宜建立 土压平衡模式，此时以泥水平衡盾构较为适宜。
盾构机设备选型
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目录
目录
一．引言 二．选型的主要内容 三．选型的基本原则 四．选型的依据 五．选型的步骤 六．选型的主要方法 七．刀盘结构型式选择 八．刀盘刀具选择 九．刀盘驱动部简单介绍
一 引言
自从1825年布鲁诺尔在英国泰晤士河 下首次使用盾构技术开挖隧道以来， 盾构技术经历了近200年发展历程。
二 选型的主要内容 泥水平衡模式盾构机
泥水盾构具有二种模式:即泥水平衡模式和气垫平衡模式。
二 选型的主要内容
泥水平衡模式
泥水平衡模式其原理是通过刀盘来 切削掌子面的围岩，位于地面的送 泥泵将浆液送入开挖仓，排泥泵将 刀盘切削下来并经搅拌的泥浆泵送 至地面的泥水处理系统进行分离， 通过控制送排泥量来使开挖仓维持 一定的压力，这个压力即可平衡掌 子面的水压和土压，保证掌子面的 稳定。
刀盘特点：仅安装软土刀具(鱼尾刀、切刀、刮刀)，无需滚刀。
二 选型的主要内容
复合式土压平衡盾构机
适用地质条件：既适用于软土、又适用于软硬不均、全断面硬岩的复杂 地层。
刀盘特点：既安装有软土刀具，如切刀和刮刀，又可安装硬岩用滚刀， 且滚刀与切削刀可相互更换。
二 选型的主要内容 3、盾构机的掘进模式
七 刀盘结构型式选择
磨损检测刀 注入口保护刀 可更换式先行刀 保护刀
导向刀 8连中心先行刀
刮刀
七 刀盘结构型式选择
刀盘外周耐磨板
刀
刀
具
盘
磨
磨
损
损
检
检
测
测
刀盘注入口保护刀
七 刀盘结构型式选择 面板式刀盘的特点
优点：一是以面板支撑掌子面，确保掌子面的稳定，二是通过刀 盘的开口限制进入土仓的卵石粒径；
土压平衡模式
a、洞身处于自稳定性差的地层；
b、当地层可能有较大涌水时；
C、断裂、构造破碎带、断层及溶洞等不良地质地段；
d、过重要建筑物。
（2）土仓压力的控制方法
a、通过螺旋输送机来控制排土量的模式；
b、通过推进速度来控制进土量的模式。
二 选型的主要内容
（1）适应的工况
半敞开模式
a、当洞身处于软硬不均地段。
一 引言
广州地铁二号线 由于盾构刀具配置不合理，刀具凸 出刀盘面板层次不协调，装备扭矩 不足，导致刀盘经常形成泥饼，盾 构掘进速度缓慢。
一 引言
广州地铁三号线 施工时,遇上软下硬地层，掘进异 常困难，导致地表房屋大量损坏， 最大开裂缝宽达12cm 。
房屋开裂
防洪堤坍塌
地表下沉
一 引言
广州地铁四号线 小新区间左线施工时，由于刀盘与地层适应性不好，盾构在江底施工时，刀 盘刀具磨损严重，最后不得已采用在右线相同位置开挖横通道，到左线刀盘 部位进行刀盘面板修复。500m的过江段施工，带压换刀12次，月均进度仅 72.3m。
六 盾构选型的主要方法
k＜10-7m/s ——土压式 10-7m/s＜k＜10-4m/s ——土压 、泥水式 k＞10-4m/s ——泥水式
六 盾构选型的主要方法 常见土的渗透系数参考表
六 盾构选型的主要方法
根据地层渗透系数与盾构的关系，若地层以各种级配 富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构，其他 地层宜选用土压平衡盾构。
布置等。
七 刀盘结构型式选择
2、刀盘的结构形式
刀盘的结构形式主要有面板式和辐条式两种。
面板式刀盘
辐条式刀盘
七 刀盘结构型式选择
采用面板式刀盘时，由于泥土 流经刀盘面板的开口进入土仓，盾 构掘进时土仓内的土压力与开挖面 的土压力之间产生压力降，且压力 降的大小受面板开口的影响不易确 定，从而使得开挖面的土压力不易 控制。
六 盾构选型的主要方法
水压＞0.3Mpa——泥水式 或增大螺旋输送机长度或采用二级螺旋输送机
水压＜0.3Mpa—土压式
六 盾构选型的主要方法 盾构选型依据-地质、水文
渗透系数
渗透系数 渗透系数
k＜10-7m/s ——土压式 10-7m/s＜k＜10-4m/s ——土压、 泥水式 k＞10-4m/s ——泥水式
五 盾构选型的主要步骤
2、盾构选型主要步骤
（1）在对工程地质、水文地质条件、周围环境、工期要求、经济性等充分 研究的基础上选定盾构的类型；对敞开式、闭胸式盾构进行比选； （2）根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、 施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选； （3）根据详细的地质勘探资料，对盾构各主要功能部件进行选择和设计： 如刀盘驱动型式，刀盘结构型式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的 形式与尺寸等；
盾构施工能否成功，关键取决于盾构的选型，取决于盾构能否适应现 场的施工环境。
二 选型的主要内容
1、选型需要解决的问题
盾构机选型必须解决以下三个技术问题： （1）支护：用什么支护形式来支护正面土体，确保在盾构机推进中， 保持开挖面的稳定。（稳得住） （2）开挖：用什么刀具开挖正面土体。（掘得进） （3）排土：开挖下来的土渣，用什么排土方式迅速排出，使土舱内渣 土排出速度与开挖速度相符。（排得出）
性，孔隙水压等； （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； （6）技术经济比较。
泥水式盾构：河底、海底等高水压的中、粗砂、砾石、卵石地层， 含水量高的各种不稳定地层、易发生涌水的地层，有时需配合采用 辅助工法。
确保安全！！
七 刀盘结构型式选择
1、刀盘的主要功能
a) 开挖土体并将土送入土仓； b) 稳定、支撑掌子面； c) 搅拌土体，改善碴土的流塑性便于排出。 要求：提高开挖速度，确保开挖面稳定。 设计要素：刀盘的结构形式、刀盘支承方式、刀盘开口率、刀具的