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第二章 盾构机地质适应性的确定

2.1 盾构的选型的原则与依据 2.1.1 盾构的选型的原则

盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一，盾构选型应从安全适应性、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构形式要能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件，同时还要综合考虑一下因素：

1）可以合理使用的辅助施工法，如降水法、气压法、冻结法和注浆法等； 2）满足本工程隧道施工长度和线形的要求；

3）后配套设备、始发设施等能与盾构的开挖能力配套； 4）盾构的工作环境。

盾构选型时主要遵循一下原则：

1）应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求； 2）安全适应性、技术先进性与经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性与经济合理性；

3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件； 4）满足安全、质量、工期、造价及环保要求；

5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；

6）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。

盾构选型时，应根据以上原则，对盾构的形式和主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全和可靠，选择最佳的盾构施工方法和最适宜的盾构。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，对盾构的选型工作应非常慎重。 2.1.2 盾构的选型的依据

一般地讲，采用盾构施工的地层大都是复杂多变的，目前还没有一种万能的盾构适合于各种地质条件。实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质条件，还要考虑到盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程的施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征，同时还要逐个研究如下几个项目：

1）工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布，单轴抗压强度，含水率，砾石直径，液限和塑限，N值，粘聚力c，内摩擦角φ，土粒子相对密度，孔隙率和孔隙比，地

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层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最高、最低、平均），地下水的流速、流向，河床变迁情况等；

2）隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；

3）周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应情况等；

4）隧道施工工程筹划及节点工期要求； 5）宜用的辅助工法； 6）技术经济比较。

盾构的选型一定要综合考虑各种因素，不仅是技术方面的，而且还有经济和社会方面的因素，才能最后确定采用何种盾构施工。 2.2 盾构选型的主要方法

2.2.1 根据底层的渗透系数进行选型

地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常当地层的渗透系数小于 10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在 10-7～10-4m/s之间时，即可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的渗水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。根据地层渗透系数与盾构类型的关系，若地层以各种级配富水的沙层、沙砾层为主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构，如图2-1所示。

图2-1 地下透水性对盾构机选型的影响

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2.2.2 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图2-2：

图2-2 盾构类型与颗粒级配的关系

图中右边蓝色区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围; 左边的黄色区域为砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围; 中间的绿色区域为细砂区域，两类盾构都能适用。图11说明细颗粒含量多则碴土能形成不透水的塑流体。粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土，因而不能实现土压平衡机理，除非对碴土进行改良。

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2.2.3 根据地下水压进行选型

当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，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，则需增大螺旋输送机的长度或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。 2.2.3 盾构选型时必须考虑的特殊因素

在实际实施盾构选型时，还需解决理论的合理性与实际的可能性之间的矛盾。必须考虑环保、地质和安全因素。

1）环保因素

对泥水盾构而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序，可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过汽车等工具运输弃渣，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形成了使用泥水盾构的一大困难。

要将弃土泥浆处理成可以作为固体物料运输的程度也是可以实现的，但是做到这点会出现以下问题：

处理设备贵，增加工程投资；

用来安装这些处理设备需要的场地较大； 处理时间较长。 2）工程地质因素

盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质和工程地质特性的多变方面，在一个盾构施工段中，会出现某部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，某些又适合选用泥水盾构。盾构选型时要综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。

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。 2.3 盾构选型的确定

盾构机的选型一定要根据不同的工程、不同的地质特点进行“量体裁衣”式设计和选型，才能使盾构机更好的适应工程施工要求。

根据盾构施工法的特点，盾构机选型主要取决于盾构经过的地层的地质情况，同时，所选盾构机必须具有与工期相适应的掘进速度，而且能够满足隧道施工的要求，根据本区

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间地质特点，制造盾构机时有如下要求：

1、盾构机必须具备较强的稳定开挖面、防止开挖面坍塌的能力。 2、具有能够适应不同地层的刀盘。

3、在地质复杂区段中，有必要的手段能够对前方地层进行超前探测，以便及 时采取相应的施工技术措施。

4、能够防止突发地下水和开挖面坍塌的袭击，应设置紧急关闭土仓的装置。 5、盾构机有良好的密封性能。 6、导向系统精度高，导向准确。

7、为能及时更换刀具，人员必须进入土仓，应提供可靠的安全装置保护人员 安全。

根据南昌地区条件，结合本标段工程的隧道掘进技术要求，用于本区段施工的盾构掘进机，必须具有稳定开挖面、平衡水土压力、最大限度减少地表沉陷的功能，必须具有较强的纠偏抗扭与弯道施工的能力，必须具有较好的经济性和较长的使用寿命，必须确保各项作业的安全性和可靠性。结合目前南昌地质资料，选用辐条式刀盘的复合式土压平衡式盾构掘进机，是进行隧道掘进施工的一种较好机型，可以较好的控制地表的变形。

综上所述，我们对海瑞克、拉瓦特、川崎、日立等几种盾构机进行了全面的考查，经过分析比较，并结合国内使用的经验，本标段选用海瑞克φ6250mm复合式土压平衡盾构机，其特点如下：

1）就此项隧道工程的地质条件而言，复合式刀盘具有以下特征：

可在气压下在土舱内安全工作，有利于土压平衡。刀盘开口率（40.5%），可使软泥顺利地从切削面流向土舱。直接将土压传至土压传感器，可以随时监测地质情况变化。易于进入切削面（除去障碍物）。易于钻探（土壤处理）。

2）出土方式：螺旋输送机→皮带输送机→出碴车由轨道电瓶车运输。 3）注浆方式：盾构推进与管片背后注浆同步进行。

4）具有可升降气压的人控气压仓，用于土压平衡工况进入泥土密封仓排除故障或更换刀具。

5）具有泡沫、膨润土聚合物注入系统 6）具有隧道掘进自动导向系统。

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