盾構(gòu)機的設(shè)計選型依據(jù)

1、盾構(gòu)機的選型盾構(gòu)法以其具有較高的可靠性及對周邊環(huán)境適應(yīng)性強的特點而在國內(nèi)外地鐵建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)法涉及多門學(xué)科，專業(yè)性強，尤其是其施工過程完全是工廠化的流水作業(yè)，機械化、自動化程度高，其施工效率較其他方法非常明顯的優(yōu)勢。在國內(nèi)地鐵工程中，我國上海市六十年代開始盾構(gòu)法的試驗研究工作，并隨著城市建設(shè)的發(fā)展，特別是近幾年來科學(xué)技術(shù)的進步，新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的發(fā)展廣泛應(yīng)用，盾構(gòu)法施工技術(shù)也取得較大的發(fā)展，至今已使用過近五十余臺盾構(gòu)。配套施工技術(shù)也相應(yīng)在逐步完善，工程規(guī)模和應(yīng)用范圍也相應(yīng)擴大。地鐵施工條件復(fù)雜，涉及城市建筑、管線水網(wǎng)、交通環(huán)境、污染控制嚴格，盾構(gòu)施工在城市地鐵施工中越

2、來越顯出其無可比擬的優(yōu)越性，但是城市施工的首先要保證的前提條件是，由施工造成的地面隆起和沉降不能超出限制標準，否則將破壞地面和其它建筑物，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡的嚴重后果。這是城市施工和山嶺隧道施工的根本區(qū)別，同時也是盾構(gòu)施工首先需要解決的技術(shù)和組織問題。在圍巖狀況不佳的地質(zhì)條件下，采用土壓平衡和泥水式盾構(gòu)開挖能起到保證安全的作用。盾構(gòu)施工，首先需要決定盾構(gòu)機的類型，盾構(gòu)的形式取決于地質(zhì)條件。按結(jié)構(gòu)模式盾構(gòu)機分為泥水式盾構(gòu)、敞開式、土壓平衡式盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)四類。敞開式盾構(gòu)用于整個地層穩(wěn)定，透水率低，涌水能夠不采取其它輔助措施則能被控制的區(qū)段。硬巖盾構(gòu)用于硬度較大，且能夠自穩(wěn)、涌水不大

3、的巖石地層開挖。土壓平衡盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu)都是利用控制推進的速度和出料的速度來使推進所產(chǎn)生的壓力同掌子面的壓力相平衡，從而達到維持掌子面穩(wěn)定，繼而維持地面沉降和隆起在控制范圍內(nèi)的作用。這兩類盾構(gòu)的最大區(qū)別是泥水式盾構(gòu)需要有昂貴的泥漿制備和分離設(shè)備，將泥漿通過管路注入到盾構(gòu)機混合倉內(nèi)，與開挖下來的碴土進行混合，通過泥漿泵將混合后的碴土抽出到地面以后進行分離處理，泥漿再循環(huán)利用。而土壓平衡盾構(gòu)則不需要進行分離處理，只是在涌水較大，但透水率不超過一定數(shù)值，掌子面不穩(wěn)的地段才需要使用土壓平衡開挖模式， 也不需要專門的分離設(shè)備進行碴土分離。盾構(gòu)設(shè)計選型的主要依據(jù)取決于如下幾個因素：碴土的粘合系數(shù)，滲透系數(shù)

4、。盾構(gòu)選型設(shè)計的一個重要依據(jù)，是碴土的滲透系數(shù)，按照盾構(gòu)設(shè)計的理論，碴土的滲透系數(shù)在10-7m/s以上，需要采用泥水式盾構(gòu)才能夠保證開挖時對水的控制，維持地層水的穩(wěn)定，保證施工時對地面建筑影響最小，而在此數(shù)值以下，采用土壓平衡式盾構(gòu)才是可靠的。按照廣州越三期間的地質(zhì)的情況，本標段構(gòu)造裂隙和節(jié)理相對不發(fā)育，80%的地段埋置于巖層中，巖體大部分較完整，富水性較小，透水性較弱，可以選取具有敞開式開挖功能和土壓平衡開挖的盾構(gòu)機；但同時本標段有20%的洞體處在斷裂帶和土石混合層中，廣從斷裂帶和走馬崗斷裂帶富水性較好，施工時有可能發(fā)生突水現(xiàn)象，地層屬沖擊層和洪積砂層，為灰白、灰黃色中、粗砂，飽和、松散中密

5、，屬強透水層，透水率在10-4m/s到10-6m/s之間，按照這個理論，必須要選取泥水式盾構(gòu)才能滿足這段地層開挖安全的要求，也即在同一標段中要滿足上述兩個方面的要求，盾構(gòu)機的選型既要滿足隧道主要地質(zhì)狀況的要求，同時也要能夠順利通過這種不穩(wěn)定的強透水層。按照德國海瑞克公司的經(jīng)驗和試驗表明，通過添加材料的輔助工法可以改善碴土的性狀，擴展土壓平衡盾構(gòu)的適應(yīng)范圍，透水率為10-4m/s的碴土同樣可以使用土壓平衡盾構(gòu)進行開挖，而不至于使泥漿從出料口噴涌而出、大量損失地層水。從而解決這種復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工設(shè)備選型問題，既滿足大部分整體性好的巖體的開挖，又能安全通過富水且透水率高的砂層。所以在本標段中選用土

6、壓平衡施盾構(gòu)進行開挖，使用添加輔助材料的辦法來進行處理。添加材料有如下幾種：膨潤土、泡沫、水、阻水材料。添加材料有如下作用：1、可以減小刀盤切削的扭矩值，降低盾構(gòu)施工能耗。2、可以減小渣土對盾構(gòu)機刀盤和其它金屬材料的黏著性。3、可以減小碴土的透水率。在這些材料當(dāng)中，泡沫具有其它材料不具備的很多優(yōu)點:1、密度低，同時不占碴土的體積，便于制備和運輸。2、比其它材料與碴土易于混合3、化學(xué)制劑的含量低，有利于環(huán)境保護4、不需要專門的分離設(shè)備來對泡沫進行分離，暴露在空氣中后很快消失。5、可以大幅度的降低刀盤、螺旋輸送機等設(shè)備的磨損。適合于土壓平衡盾構(gòu)開挖的碴土必須具有如下特性：良好的塑性、低的透水率、良好的流動性。對于開挖泡沫添加起著決定性的作用。泡沫添加的依據(jù)，根據(jù)巖土的分類計算泡沫的添加量，添加泡沫有5大好處；出于對環(huán)境、安全的需要，歐洲在5年前已禁止使用膨潤土。盾構(gòu)機設(shè)計需要考慮的5大因素：滲透系數(shù)、粘結(jié)系數(shù)、瓦斯防爆、地面沉降、開挖土質(zhì)對人體和環(huán)境的影響。通過我們對馬德里現(xiàn)場幾個工地的參觀，我們發(fā)現(xiàn)，在三種不同的地質(zhì)條件下，工地現(xiàn)場都采用了加注泡沫的辦法，前兩個工地屬粗砂層和砂質(zhì)巖，加注泡沫之后防水性能和碴土的流動性是比較好的，但我們沒有拿到有關(guān)數(shù)據(jù)，只能是一些