隧道施工盾构的分类盾构机选型

【摘 要】盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具,使用盾构机开挖隧道的方法称为盾构法.盾构法隧道前进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力,千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上,每拼装一环管片,千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度.

【关 键 词】隧道；施工；盾构；分类；盾构机；选型

盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具,使用盾构机开挖隧道的方法称为盾构法.盾构法隧道前进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力,千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上,每拼装一环管片,千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度.

1盾构机分类

1.1手掘式盾构

手掘式盾构构造简单,配套设备较少,因而造价低.其开挖面可以根据地质条件全部敞开,也可以采取正面支撑随开挖随支撑.在某些疏散的砂性地层,还可以按照土的摩擦角将开挖面分为几层,这时,就把盾构称为棚式盾构.

手掘式盾构的主要优点：正面是敞开的,施工人员随时可以观察地层变化情况,及时采取应付措施；当在地层中遇到桩、孤石等地下障碍物时,比较容易处理；可以向需要方向超挖,容易进行盾构纠偏,也便于在隧道的曲线段施工；造价低,结构设备简单,易制造.

它的主要缺点有：在含水地层中,当开挖面出现渗水、流砂时,必须辅以降水、气压或地层加固等措施；工作面若发生塌方和沼气爆炸事故时,易引起危及人身及工程安全的事故；劳动强度大,效率低、进速慢,在大直径盾构中尤为突出.

手掘式盾构尽管有上述不少缺点,但由于简单易行,目前在地质条件较好的工程中仍广泛应用.

1.2挤压式盾构

挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种,前者是将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来,把土层挡在胸板外,这样就比较安全可靠,没有水、砂涌入及土体坍塌的危险,并省去了出土工序；后者是在封闭上局部开孔,当盾构推进时,土体从孔中挤入盾构,装车外运,劳动条件比手掘式盾构大为改善,效率也成倍提高.

挤压式盾构仅适用于软可塑的粘土层,适用范围比较狭窄.全挤压施工由于有较大隆起变形,只能用于空阔的地段或河底、海滩等处,半挤压施工虽然能在城市房屋、街道下进行,但对地层扰动大,地面变形也很难避免,这是挤压式盾构的缺点.网格式盾构是一种介于半挤压和手掘式之间的盾构形式.这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅,称为网格.当盾构停止推进时,网格起到挡土作用,有效地防止了开挖面坍塌.这种盾构对土体的挤压作用比挤压式盾构小些.网格式盾构也只适用于软可塑的粘性土层,地层含水时,尚需辅以降水、气压等措施.

1.3半机械式盾构

半机械式盾构系在手掘式盾构正面装上挖土机械来代替人工开挖.根据地层条件,可以安装反伊挖土机或螺旋切削机.如果土质坚硬,可安装软岩掘进机的切削头子.半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样,其优缺点除可减轻工人劳动强度外,均与手掘式相似.

机械式盾构是手掘式盾构的切口部分,安装与盾构直径同样大小的大刀盘,以实现全断面切削开挖.若地层能够自立或采取辅助措施后能自立,可用开胸机械式盾构.

2盾构机选型

盾构机选型的关键在于针对地质及环境特点,选择经济合理的盾构机断面形状、刀盘刀具硬度、扭矩、工作面支承、开挖和运输设施、盾压的压浆工艺,既能在正常的地质条件下快速方便施工,又能在复杂困难的地段具有应变能力.进行盾构选型之前,必须掌握沿线详细地质和水文资料,弄清设备土层垂直向及水平向分布,以及各类土的工程特点、土层中所含沼气状况.还必须通过室内试验了解土的颗粒级配、含砂量、含粘土、砂土量,土体的含水量、液限、流限、塑限,土体的孔隙比、渗透系数、干湿容重、不排水抗剪强度、内摩擦角、标准贯入度、灵敏度、压缩系数和内聚力等,这些对盾构法隧道的施工设计都是必要的.勘探中还必须了解地层中透水层、隔水层、承压水层分布及层相,査清透流体,土层中水径流、紊流速度.

敞胸式人工、半机械或机械化盾构主要适用于干燥、土体整体性、自主性好、无需支撑的开挖面,不产生坍塌.手工和半机械化盾构劳动强度高,速度慢,一旦出现灾害性地质状况,如地下涌水、沼气、软断层等,处理不当,易产生事故.但此种盾构机造价低,安装使用方便,在地层中建短距离隧道还是可以的,尤其使用敞胸手工或半机械化盾构,对以达到较好的经济效益.网格盾构主要用于软弱可塑的粘土、淤泥质粘土地层、对环境保护不甚严格的郊区和旷野.

泥水加压盾构最初用在冲积粘土和沉积砂土层的地层中开挖隧道,由于泥水对开挖面土体有明显作用,稍后被推广应用于软弱淤泥质土层、砂土层、砾砂层、卵石砾砂层、砾砂及坚硬土层等地层中施工隧道,并明显地表现出对土层的适应性较强,便于自动化操作等优点.实践表明,泥水加压盾构不很适合于疏松的卵石层和坚硬土层,因在松散的卵石层中施工时,泥水压力并不稳定,而在坚硬的粘土层中开挖时,粘土常会在刀盘和进土槽口上粘附,使施工变得麻烦.此外,在粘土含量很高的粘土层中施工时,有泥水分离成本高、代价大的缺点.一般认为,在砂性土为主的沉积层中,以及在不需要作泥水分离的工程中,采用泥水加压盾构较为有利,在某些对地表沉降要求较高的取段,也可优先考虑采用泥水加压盾构.在工程地质条件方面,这类盾构适用的情况为：1、细粒土的含有率在粒径累积曲线10%以上；2、砾石的含有率在粒径累积曲线60%以上.

土压平衡盾构是70年代由日本首先研制和应用的,也是在泥水加压盾构问世后诞生的一类盾构施工新技术,其适用范围大致与泥水加压盾构相同.土压平衡盾构更适合在软弱冲积粘土层中施作隧道或顶管.用于砂土或铄石层掘进时,只需加进适当的粘土或泥桨,也完全能使开挖面稳定.与泥水加压盾构相比,可省去分离泥水和土砂的设备,因而土压平衡盾构的出现是盾构法技术的一大进步.土压平衡盾构尤其适用于施作城市地下隧道,并有地面沉降易于控制,对周围环境影响较小等显著优点.

加泥式土压平衡盾构主要用于软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中的隧道施工,根据工艺特点大致分为泥土加压盾构、沉浆加压盾构、加水式土压平衡盾构、高浓度泥水加压盾构、密闭型机械加泥式盾构等种类.加水式土压平衡盾构主要用于含水砂砾和砂土地层中隧道的开挖.高浓度泥水加压式盾构主要适用于松软、渗透系数大的含水砂土及砂砾等易坍塌的地层,在覆土浅,可引起冒顶或难以控制地表沉降的地层中更需要选用.这类盾构机将泥水注入开挖面,在密封舱内与切削土混合成高浓度泥水,用于平衡开挖面的水土压力.