浅谈盾构机配套选型分析基层建设刊物

浅谈盾构机配套选型分析基层建设刊物

刘先彪

中铁隧道股份有限公司河南省郑州市450000

摘要：盾构施工技术具有高效、安全、优质的优点，在隧道与地下工程的掘进中得到越来越广泛的应用。盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，其选型既涉及到地层条件，又涉及到盾构机本身的设计、各部件的配置以及盾构对地层条件的适应性。由于盾构机的造价很高，其选型还必须考虑我国的国情以及施工单位的承受能力。介绍了盾构的种类与组成、盾构选型的原则及盾构施工法的衬砌形式；讨论了盾构机国产化的有关问题。

关键词：盾构施工技术；盾构机

引言

盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。长大隧道工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。

采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。

1关于盾构与衬砌的选型问题

1.1盾构的种类与组成

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。在盾构机的支护下，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，盾构施工法由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。按这三大要素，盾构机主要由盾壳及其加固部件、刀盘及刀头、加泥（或水、泡沫等）设备、排泥土设备、推进设备、管片拼装设备、后配套设备等组成。盾构从1818年发展到现在，已有100余年的历史，形成了各种各样的盾构机型和盾构工法。按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和密封式；按开挖方式可分为手掘式、挤压式和机械式（刀盘旋转切削）；按开挖面稳定和密封方式可分为泥水式和土压式。不同形式的盾构工法各有特点，在施工时如果选错了机型和工法，不仅影响施工进度，而且有发生开挖面坍塌、地层沉降和塌陷、涌水等危险。盾构选型既包括整机类型的确定问题，又包括各部件的配置问题，还包括与辅助工法相配合使用的问题。1）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、粘土以及冲积层和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。泥水加压盾构存在盾尾漏水以及难以确认开挖面状态等缺点，还需要较大的泥水处理场地。

2）土压平衡盾构是在切削刀盘及螺旋输送机内部充填土砂，所产生的压力与开挖面的土压、水压保持平衡。施工中一边掘进，一边控制推进千斤顶推力、推进速度、调节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好的泥浆。

1.2盾构选型的原则

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。盾构机的合理选择既要保证开挖面的稳定性、减小对地层的扰动和地面变形，又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。

盾构选型时一般应注意以下问题：（1）以开挖面稳定为核心，盾构选型应在充分把握地层条件的基础上进行。（2）应考虑土的塑性流动性、土的渗透系数等，这对开挖面稳定非常重要。（3）应考虑地下水的含量及水压，这往往要与土的塑性流动性及透水性结合考虑，高水压、高渗透性的情况是非常不利的。这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型。（4）应视地层中有无砂砾和大卵石，这直接影响到土的渗透性、切削刀盘的磨耗、切削刀开挖时对地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎方式及其排出。（5）应考虑土层的粒径分布，一般都采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层。（6）隧道的线形和转弯半径也是应考虑的因素，盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。（7）盾构选型时，必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。必要时同时配置切削刀和滚刀，形成盾构和TBM的混合刀盘。（9）盾构施工对周围环境的影响也是盾构选型时应考虑的因素。（10）盾构的选型还应考虑对工作环境的影响。

1.3盾构施工法的衬砌形式

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。钢筋混凝土管片具有一定的强度，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。

2盾构的问题

2.1盾构的必要性

如果不拥有自主知识产权的掘进机设备，国内施工企业只能在高价格的进口产品面前望而却步，这将严重影响这些企业施工工艺的改进和管理水平的提高，使这些企业在低效率、高能耗的层次上徘徊，最终被挤出市场。再次，由于缺少研究、开发和生产资金的投入，国内科研机构的潜力挖掘不出来，一些重型机械制造企业找不到活干，这样，更能带动相关产业的发展，其结果必然是我国的基础设施建设却救活了国外的相关企业，从另一个方面削弱了“扩大内需、拉动经济”目标的实现。掘进机如不能早日实现产业化，将成为制约我国国民经济相关产业发展的瓶颈之一

2.2与国外的差距及可能遇到的困难

我国隧道掘进机的使用和研发起步较晚，与国外相比，在刀具、刀盘、轴承密封、盾尾密封、液压系统及自动化控制系统等方面存在着较大的差距。在盾构国产化的过程中，我们可能会遇到技术及政策、法规等方面的困难。

2.3盾构技术的研究及国产化的方向

今后应根据我国的实际情况（包括各区域土层条件、经济状况、人员素质状况等）开发适合于国情的盾构及其配套设备，制定自己的研究方向和目标。

结语

盾构国产化的道路应该是从引进设备、技术到消化吸收、自主开发。施工企业、国内大型重工企业和高等院校、科研院所携起手来，本着技术先进、适当超前的原则，共同研究和开发盾构机，一定能设计和制造出适应我国地质条件的盾构机，使我国的掘进机形成产业，在国际市场上占有一席之地。

参考文献：

[1]王梦恕.我国地下铁道施工方法综述与展望[J].地下空间，1998，18（2）

[2]王梦恕.21世纪是隧道及地下空间大发展的年代[J].岩土工程界，2000，3（6）