盾构机选型的策略与智慧
盾构机选型的策略与智慧
盾构机是城市轨道交通地下隧道的掘进利器,其选型直接关系到工程的安全、质量和成本。本文将为您详细介绍盾构机选型的理论与方法,包括选型原则、步骤和关键考量因素。
7号线三阳路越江隧道盾构机刀盘
选型原则
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,对盾构机的选型工作应非常慎重。
选择盾构机,要遵循“安全可靠、技术先进、经济合理”的总原则:
- 安全可靠:始终将安全放在首位,确保工程的稳定进行。
- 技术先进:在确保安全的基础上,追求技术的创新。
- 经济合理:在满足技术和安全的前提下,实现成本的最优化。
盾构选型的原则是安全可靠性、技术先进性、经济性相结合,其首要原则是安全可靠性第一,即以确保开挖面稳定为中心。在此基础上,必须连同技术先进性和经济性等一并考虑,才能选择出合适的盾构机。如果盾构机选型错误,就不得不采用额外的辅助工法,还可能引发重大工程事故。
选型步骤
盾构选型是一个系统工程,需要经过以下六个步骤:
分析地质条件与周边环境:在对地质条件、周边环境条件、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构机类型。根据岩土的强度、自稳性和地下水情况对敞开式、闭胸式盾构进行比选。
盾构类型选择:在确定选用闭胸式盾构后,根据地质条件、环境条件及可采用的辅助施工方法等因素对土压平衡盾构和泥水平衡盾构进行比选。
土压平衡盾构机示意图
泥水平衡盾构机示意图
- 刀盘配置:根据工程需求,确定刀盘的配置方案。泥水平衡盾构还要进一步选择是采用带压换刀刀盘还是常压换刀刀盘。
带压换刀刀盘
常压换刀刀盘
- 多模式盾构考量:当土压平衡盾构和泥水平衡盾构均无法满足开挖面稳定要求时,可考虑分段使用不同类型或多模式盾构。
双模盾构核心部件示意图
技术参数精算:根据详细的地质勘探资料,对盾构整机及各主要功能部件进行选择、计算和进行针对性设计。
配套设备匹配:根据盾构的设计性能、设计参数及辅助工法,选择与之相匹配的盾构后配套施工设备。
选型理论
盾构选型理论可以概括为“1个中心、2个基本点、3个依据、4个关键问题”:
盾构选型理论示意图
- 一个中心:以开挖面稳定为核心,进行盾构机选型。
- 两个基本点:地质条件和施工环境是选型的基础。
- 三个依据:地层粒径、渗透系数、地下水压是选型的重要依据。
- 四个关键问题:确保盾构机能够“稳得住、掘得进、排得出、耐得久”。
因地制宜
在具体选型时,需要精准把握以下三个关键依据:
地层粒径
在渣土改良和添加剂的作用下,土压平衡和泥水平衡盾构的适用地层粒径范围都得到了很大的扩展。盾构类型与地层粒径的关系如下图。
盾构类型与地层粒径实际应用范围关系曲线
在不进行渣土改良的情况下,土压平衡盾构适用于地层粒径范围为1.5mm以下的黏土、淤泥、砂质地层,在不使用添加剂时,泥水盾构适用于地层粒径范围为0.01~80mm的淤泥、砂、砾石、卵石等多种地层。但若土压平衡盾构进行渣土改良或泥水盾构使用适当的添加剂,则土压平衡和泥水盾构适用的粒径范围几乎是一样的。
渗透系数
当地层的渗透系数小于10-7m/s时,宜采用土压平衡盾构;当地层的渗透系数大于10-4m/s时,宜采用泥水盾构;当渗透系数在10-7m/s~10-4m/s时,既可采用泥水盾构,也可采用土压平衡盾构。盾构类型与地层渗透系数关系见下图。
盾构类型与地层渗透系数关系
特别应注意的是:根据日本的经验,当地层中黏土含量不足10%时,泥膜很难形成,开挖面易坍塌,这时不宜采用泥水盾构,宜采用土压平衡盾构施工。
地下水压
土压平衡盾构采用螺旋输送机出渣,地层的压力经过土舱、螺旋输送机逐步衰减后,需要在到达螺旋输送机排渣口前压力降为大气压,否则就会发生喷涌。
螺旋输送机示意图
渣土在土舱和螺旋输送机内压力变化过程
而泥水平衡盾构前部有泥浆护壁,形成动态泥膜以防止地层中水的流失,后部有排泥泵动态控制液位进行保压出渣,所以泥水平衡盾构对高水压、高渗透性的地层,具有土压平衡盾构不具备的优势。
一般当地下水压小于300kPa时,宜采用土压平衡盾构;当地下水压大于300kPa时,宜采用泥水平衡盾构。
特别应注意的是,在依据地下水压进行盾构选型时,应考虑具体工程的地质情况。一是当水压大于300kPa时,如因地质原因需采用土压平衡盾构,则采用二级螺旋输送机。二是当渣土改良效果不能满足土塞效应时,在地下水丰富时,即使地下水压小于300kPa,也不宜采用土压平衡盾构。由于在这类地层中渣和水处于分离状态,渣土在螺旋输送机内无法形成土塞效应。
结语
盾构机选型是一场科学与经验的结合,是对工程施工安全的深思熟虑。正确的选型是工程成功的一半,每一次精准的选型都能为隧道的顺利贯通奠定坚实的基础。