盾构选型
复杂条件下盾构施工技术(1)-选型及砂卵石地层
盾构选型中的地质因素： 广州地铁沿线的工程地质、水文地质条件比较复杂,其中最重要的特点是工程范围内的岩土均一性差,物理力学特性差异大。地铁围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细沙层,又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩,以及介于上述两类岩土之间具不同风化程度的软塑～ 硬塑状粘性土层。软硬相间的红色砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层。因此选择用于广州地铁施工的盾构时,要求它必须有与上述地质条件相匹配的性能。
7
转速控制 （微调性）
好
差
好
A:由于变频，可控制转速和进行微调 B:由于采用离合器，不能实现无级调速 C:控制液压泵排量，可控制转速和进行微调
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噪音
小
小
大
C:液压系统的噪音一般大于电动机系统
9
盾构内 温度
低
较低
较高
C:液压系统功耗大，故温度较高
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维护保养
易
易
较困难
B:维护保养工作较少 C:液压系统的维护和保养一般较复杂，要求较高。
3．盾构机选型的其它条件 除了地质条件以外的盾构机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、基地条件等。 工期制约条件 因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。 造价制约因素 一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是敞口式盾构机个象密闭式盾构机那样有复杂的后配套系统，在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，宜优先选用敞口式盾构机。 环境因素的制约 敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的掘进机。
盾构类型与颗粒级配的关系
一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土仓，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。粗颗粒含量高的碴土塑流性差，实现土压平衡困难。 盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中蓝色区域为淤泥粘土区，为土压平衡盾构适应范围，绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，黄色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。
盾构法施工机械设备选型案例
序号
主要穿越地层
隧道埋深(m)
地下水位（m）
盾构机或TBM类型
1
粉土、黏土、粉细砂、圆砾、卵石等16~2.516.8~21.8
土压平衡盾构机
2
砂质粉土、黏土、粉质黏土
5.39~18.68
2.15~4.67
土压平衡盾构机
3
灰色淤泥质黏土、灰色黏土、暗绿~草色黄色黏土、草黄色砂质粉土、灰色粉细砂
最高水头约10
泥水平衡盾构
4
淤泥、粉质黏土，中砂、粗砂分布较广，局部有全风化花岗岩、弱风化花岗岩
11~21
5.05~7.03
土压平衡盾构机
5
粉细砂、中粗砂、砾砂、粉质黏土、淤泥质土、灰岩微风化地层及土洞、溶洞
7.5~13.8
1.33~5.88
泥水平衡盾构机
6
第四系全新松散土层和侏罗系中统沙溪庙组泥岩，砂岩，砂岩主要为Ⅲ级，砂质泥岩主要为Ⅳ级。
2.当地下水压大于0.3MPa时，宜选用泥水平衡盾构机；如果采用土压平衡盾构机，则螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生渣土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构机，则需采用以下某一措施或若干措施的组合：①增大螺旋输送机的长度；②采用二级螺旋输送机；③采用保压泵；④通过渣土改良来有效提高渣土的抗渗性。
10~56
地下水不发育
敞开式硬岩掘进机
说明：
1.地层渗透系数对于盾构机选型是一个很重要的因素。通常，当地层渗透系数小于10-7m/s时，可以洗用土压平衡盾构机；当地层渗透系数在10-7~10-4“m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构机，也可以选用泥水平衡盾构机；当地层渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水平衡盾构机。根据地层渗透系教与盾构机型的关系，当地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水平衡盾构机；其他地层宜选用土压平衡盾构机。
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。
5 KL 6
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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。
盾构选型与要点
3. 盾构设计的要点
➢ 1.刀盘设计 盾构对地层的适应性,基本取决于刀盘设计是否合理。如何选择安全 、经济的刀盘是摆在设计人员面前的重要课题。 ➢ 2.刀具选择与布置 刀具形式按适合地层条件的原则选择，刀具的高度需要根据地层条件 和旋转距离推算出来的磨损量、掘进速度和切削速度、刀具布置位置 求出的切入深度等决定。 ➢ 3.推进系统与刀盘驱动系统设计优化 盾构总推力根据各种推进阻力的总和及其所需要的富余量决定。充分 了解不同盾构类型阻力组成及计算方法，同时根据实际经验分析。盾 构千斤顶的选型和配置应根据盾构的操作性、管片组装施工的方便性 等确定。
挖砾石地层时,须按排土能力研究输送机类型和尺寸大小，尤其在 透水性好的地层条件下使用无轴螺旋输送机,需要认真研究止水性 等压力保持能力。 • 泥水盾构排渣应系统应具有足够的能力以满足开挖面的稳定控制和 渣土的流体输送,需考虑适合于盾构推进速度、地层条件等确定。
3. 盾构设计的要点
➢ 4.盾尾与盾尾密封 盾尾长度根据隧道覆土厚度、管片宽度、管片拼装方式和形状、盾尾 密封的形状及其层数决定,有时需要考虑施工过程更换盾尾密封等，另 外，考虑到隧道的曲线施工等因索，要有一定的盾尾间隙。对于 长距 离、高水压等条件,应慎重考虑盾尾密封层数与密封刷的可更换性。 ➢ 5.排渣系统 盾构排渣设备应具适合围岩条件，具有将渣土顺利排出的能力。 • 螺旋输送机的形式大致分为有轴螺旋输送机和无轴镙旋输送机。开
在盾构选型时，最为重要的是要以保持开挖面稳定为基本 原则。为了选择合适的盾构类型，除对地层条件、地下水 进行调查以外，还要对用地环境、竖井周围环境，特别是 城市中施工场地条件、安全性、经济性等作充分考虑。
1.影响盾构选型的主要地质因素
根据德国海瑞克的经验，常用的土压与泥水盾构选择应考虑的地 层条件及颗粒尺寸因素如图所示
盾构选型
③安全因素
从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，当隧 道断面较大时，使用泥水盾构要比使用土压平衡盾构的效 果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物与构 筑物下及上软下硬的地层中施工时。
四、盾构形式的选择
在选择盾构形Leabharlann 时，最重要的是要以保 持开挖面稳定为基点进行选择。为了选择 合适的盾构形式，除对土质条件、地下水 进行调查以外，还要对用地环境、竖井周 围环境、安全性、经济性进行充分考虑。 下面就对各种不同的盾构形式分别进行 分析说明。
三、盾构选型的主要步骤与方法
㈠盾构选型的主要步骤
①在对工程地质、水文地质、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在确定选用闭胸式盾构后，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根据详细的地址勘探资料，对地质各主要功能部件进行选 择和设计（如刀盘驱动形式、刀盘结构形式、开口率等）， 并根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。盾构的主要 技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径、 刀盘开口率、刀盘转速等。 ④根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套设 备
10 7
2）根据地层的颗粒级配进行选型
土压平衡盾构主要是用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉 土、粉砂层等粘稠土壤的施工，在粘性土层中掘进时，由 刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机 内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于 稳定。一般来说，细颗粒含量多，渣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 来平衡开挖面的土体。 一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40％以 上时，通常宜选用土压平衡盾构，相反的情况选择泥水盾 构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为准。 盾构类型与颗粒级配的关系详见下图：
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。
盾构选型与配置要求
盾构选型与配置要求一、引言盾构机是一种用于地下隧道施工的机械设备，通过推进和控制盾体实现地下隧道的开挖和衬砌。
盾构机的选型与配置要求是保证工程施工顺利进行的关键。
本文将从盾构机选型与配置背景、盾构机选型要求、盾构机配置要求、技术要求等方面进行分析。
二、盾构机选型与配置背景随着城市化进程的加快和交通网络的不断扩展，地下隧道建设的需求逐渐增加，盾构机作为地下隧道施工主要设备之一，承担着巨大的施工任务。
在盾构机选型与配置时，需要考虑工程的具体需求，包括隧道的长度、直径、土层情况、地质条件等，以及施工周期、施工速度要求等因素。
三、盾构机选型要求1.适应地质条件：盾构机选型时需要根据地质条件选择合适的机型。
地质条件复杂的地区，如软黏土层、水下隧道等，需要采用具有较强适应性的盾构机。
2.考虑工程参数：盾构机选型要考虑隧道的直径、长度、弯曲半径等工程参数，选用合适的机型。
一般情况下，隧道直径较小的可以选择小型盾构机，隧道直径较大的可以选择大型盾构机。
3.考虑施工速度要求：盾构机选型时需要考虑施工周期和施工速度要求。
如果施工周期较紧迫，需要选择具有较高推进速度和装备配置的盾构机。
四、盾构机配置要求1.推进系统：盾构机的推进系统是保证施工进度的关键，需要配置具有较高推进力和推进速度的系统。
推进系统的配置要充分考虑地质条件、隧道直径等因素。
2.壁厚控制系统：盾构机的壁厚控制系统需要精确控制衬砌的厚度，以保证隧道的结构安全。
配置的壁厚控制系统要具备高精度和稳定性。
3.螺旋输送系统：盾构机的螺旋输送系统负责将挖出的土方料送出隧道，需要配置高效稳定的螺旋输送系统，以保证施工的连续性和效率。
五、技术要求1.控制系统：盾构机的控制系统需要具备高精度、高稳定性，并能保持与其他系统的协调工作。
控制系统的配置要根据盾构机的使用特点和需求进行选择。
2.故障诊断系统：盾构机的故障诊断系统可以及时发现和解决机械故障，提高施工的效率和安全性。
盾构机选型的方法和步骤
盾构机选型的方法和步骤盾构机是隧道施工中的重要设备，正确的选型对于工程的顺利实施至关重要。
以下为盾构机选型的方法和步骤：1.确定隧道类型首先需要确定隧道工程的类型。
根据隧道的设计要求，可以分为交通隧道、水利隧道、市政隧道等。
不同类型的隧道对盾构机的需求和性能要求不同。
2.确定隧道尺寸根据隧道的设计要求，需要确定隧道的尺寸。
这包括隧道的直径、长度以及曲率半径等。
盾构机的尺寸必须与隧道尺寸相匹配，以满足施工要求。
3.确定地质条件地质条件是选择盾构机的重要因素之一。
需要对工程场地的地质条件进行详细勘察和分析，包括土质类型、地下水位、岩石强度等。
根据地质条件，选择适合的盾构机和刀具。
4.确定推进速度推进速度是盾构机的重要参数之一。
需要根据隧道施工的要求和盾构机的性能，确定合适的推进速度。
推进速度过快可能导致盾构机控制难度增加，过慢则可能影响施工效率。
5.确定出土方式盾构机在挖掘过程中需要将土石运出隧道。
根据工程需要和场地条件，可以选择不同的出土方式，如机械出土、水力出土等。
选择合适的出土方式有助于提高施工效率和质量。
6.确定控制系统控制系统是盾构机的核心部分之一。
需要根据盾构机的性能和施工要求，选择合适的控制系统。
控制系统应具有稳定性、可靠性和灵活性等特点，能够实现对盾构机的精确控制。
7.确定辅助系统辅助系统是盾构机的重要组成部分，包括注浆系统、通风系统、照明系统等。
需要根据隧道施工的要求和场地条件，选择合适的辅助系统，以提高施工效率和质量。
8.确定刀具和盾构材料最后需要确定盾构机的刀具和材料。
刀具的类型和数量应根据地质条件和隧道尺寸来确定。
同时，盾构机的材料也应根据工程需要和场地条件进行选择，如钢铁、合金等。
综上所述，盾构机的选型需要综合考虑隧道类型、尺寸、地质条件、推进速度、出土方式、控制系统、辅助系统和刀具及盾构材料等多个方面因素。
只有在全面了解并分析这些因素后，才能选择出最适合工程需求的盾构机，从而确保隧道施工的顺利进行和质量要求的达成。
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盾构选型
盾构选型包括盾构机选型与衬砌选型两个方面。
1.盾构的种类与选型
盾构机是一种用钢板作成圆筒形结构的活动支撑,是通过软弱、含水地层,特别在海底、河底、城市内修建隧道的一种施工机械。
在盾构的支护下,可安全地进行掘进和衬砌。
盾构施工法是使用盾构机在地下掘进,边防止开挖面土砂崩塌边在机内安全地进行开挖作业和衬砌作业从而构筑成隧道的施工方法。
因此,盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。
一般地,按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为敞式、半开敞式及密封式三种。
密封式又可分为泥水加压式盾构和土压平衡式盾构。
泥水加压式盾构,是在切削刀盘后方设隔墙将盾构封闭起来,压力泥水送入此隔墙与掌子面之间的所谓泥水室,用泥水压力形成承压面,以抵抗地层水压,防止开挖面的塌方。
用切削刀盘进行开挖,切削下来的砂土经搅拌机搅拌成泥浆,由泥浆泵经排泥管道抽出,输送到地面泥水处理场。
一面切削,一面用千斤顶向前推进盾体,至一个衬砌管片宽度时,用盾尾拼装机进行管片安装。
泥水加压盾构有盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态及刀具磨耗等确点,还需要较大的泥水处理场地。
泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高,含水砂层,粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质,使用效果较好。
泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。
根据日本的实践,在砂层中进行大断面、长距离推进
的盾构机,大多采用泥水加压式盾构机。
实践证明,掘进断面越大,用泥水加压式盾构机的效果越好。
泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外,还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。
土压平衡盾构是在切削刀架及螺旋输送机内部充填的土砂所产生的压力与开挖面的土压保持平衡。
施工中一边掘进,一边控制推进千斤顶推力、推进速度、刀盘和螺旋输送机回转扭矩、速度以及闸门千斤顶的开口度,使之不断与开挖面的土压保持平衡。
有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。
根据土层的稠度,有时不需要水或只需要加很少量的水。
通过搅拌装置在开挖室内的搅拌,即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。
盾构机的种类很多,施工时盾构机的选择是否合适,直接影响到工程的经济性、安全性以及可靠性等。
影响盾构机选择的因素主要有土质条件(土的强度、软硬程度、土的颗粒级配、石英的含量、是否含有砂砾和大卵石等)、地下水的含量、隧道长度和线形、后续设备与盾构机的配套能力、工作环境以及有无辅助工法等。
盾构机的合理选择要保证开挖面的稳定性,要具有良好的掘进性能,要结合衬砌的类型防止渗漏和坍塌,而且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。
另外,以盾构机选型为核心的整个系统的经济性也是不可忽视的。
图1表示了以盾构选型为核心的各因素的影响关系及其相互作用。
图1.盾构选型各因素的影响及其相互作用关系图
2.盾构施工法的衬砌形式与选型
盾构施工法的衬砌形式很多,除了传统的铸铁管片、钢筋混凝土管片、钢管片外,还有挤压混凝土衬砌(ECL)、现浇混凝土衬砌、喷射混凝土衬砌、喷射钢纤维混凝土衬砌、楔形衬砌块等。
钢筋混凝土管片有一定的强度,加工制作比较容易,耐腐蚀,造价低,因而使用比较广泛,但比较笨重,运输安装过程中边缘易碰损。
在日本,球墨铸铁管片的应用仅次于钢筋混凝土管片。
它的强度高、延性好,质量轻、搬运方便,安装速度快、精度高防水性能好,一般不需作二次衬砌,可减少隧道的开挖量,但管片造价高,目前只用于地下水多、土质恶劣的部位。
挤压混凝土衬砌(ECL)是利用盾构机进行开挖,在盾构尾部浇注混
凝土,使其形成衬砌。
这种施工方法是在施工过程中使用加压的现浇混凝土进行填充,使之与地层紧密结合,省去了填充注浆,减少了地表沉降。
加压可使混凝土密实,提高了混凝土的强度和自防水性能。
该法使用范围广,衬砌质量高,且能降低施工费用,缩短工期。
在这方面应研究流动性好、强度高的钢纤维混凝土。
在此基础上开发PC-ECL 工法,即使用预制混凝土内框的掘削、作衬砌同时施工的工法。
该工法的优点是合成衬砌强度高、止水性好,洞内无组装钢筋工序、工期短。
现浇混凝土衬砌是在环形模板(壳)与围岩之间填注混凝土,待混凝土达到所需强度后,推进油缸可以以结硬混凝土为支座向前推进盾构。
但此法要求围岩的稳定性比较好。
喷射混凝土衬砌是在盾构推进后及时喷射混凝土支护。
在城市地铁潜埋暗挖施工法中为了保护开挖面的稳定和减少地表沉降,要求隧道开挖后“强支护、紧封闭”。
可以将此思想与盾构施工相结合,开发短型盾构机,使之长度与直径之比(L/D)应≤1.0,这样从盾构机的运输、安装、到位以及推进过程的调整与转向都比较灵活。
盾构施工法的衬砌形式很多,选择时应考虑盾构机的类型、隧道的断面的形状、地层条件、土层的自稳能力、土体与衬砌的相互作用、隧道埋深等。
还与隧道的用途有关,比如引水隧洞,内部存在水压力,要考虑衬砌对内外向的弯矩均有足够的刚度。
另外,无论采用哪种形式的混凝土衬砌,都不应该忽视混凝土的强度和质量。
目前高性能混凝土在建筑和桥梁上已经得到应用,今后应组织力量开展在隧道与地下工程中应用高性能混凝土的研究、提高
混凝土的耐久性。
图2(结合图1)表示了一些因素对衬砌选择的影响关系。
图2.盾构隧道衬砌选择。