盾构工程方案及技术措施

盾构工程方案及技术措施1 盾构机选型1.1 盾构机提供方式经过多方调查及全面比选，我公司在本标段拟投入两台新购海瑞克复合式土压平衡盾构机（设备编号S-813、S-814）进行施工，其中右线采用S-813盾构机，左线采用S-814盾构机。

我单位已与海瑞克公司签订了盾构设备购置意向书，如我单位中标，立即与海瑞克公司签订设备购置合同，即刻开始盾构机制造，盾构机生产周期为7-9个月，完全能够满足广州市轨道交通二十一号线工程【施工15标】土建工程盾构施工工期要求。

所选盾构机详细情况详见“附件——盾构性能和参数”。

1.2 盾构机选型依据1.2.1 盾构机选型原则盾构机的选型就是针对工程地质和环境的特点，选择经济合理的盾构机型式，使之既能适应于工程的地质条件、环境要求和技术要求，又能在复杂困难的地段中具有应变能力。

在复合地层中施工，盾构机选型主要考虑三大系统：刀盘、添加剂和人闸。

1.2.2 盾构机选型流程图盾构机选型流程图见图1.2-1 盾构机选型流程图1.2.3 区间隧道设计特点①区间线路平面最小曲线半径600m；②最大纵坡度25‰；③隧道外径6.0m；④隧道内径5.4m；⑤环宽1.5m；⑥埋深67~57.5m；⑦掘进方向误差不超过±50mm；⑧盾构掘进施工地表面允许隆陷值为+10/-30mm。

1.2.4 区间工程地质、水文地质特点区间隧道主要穿越地层<3-2>中粗砂层、<4-2B>淤泥质粉质粘土、<5Z-2>砂质黏性土、<6Z>全风化花岗片麻岩、<7Z>强风化花岗片麻岩、<9Z>微风化花岗片麻岩、<F>断层破碎带。

地下水稳定水位埋藏深度 1.50～23.40m，标高28.31～64.34m。

地下水按赋存方式分为第四系松散层孔隙水，块状基岩裂隙水。

其中松散层孔隙水多为潜水，局部具微承压性；块状基岩裂隙水为承压水。

1.2.5 本工程特点、难点对盾构机的选型要求根据以往土压平衡盾构机的使用情况，结合广州地铁地质条件的特点，施工中有以下一些特点、重点、难点以及遇到时所相应需要采取的措施。

（1）刀盘刀具具有较高耐磨、耐热、高硬度等性能。

刀具类型多，既有可破碎微风化岩石及孤石的滚刀，又有可切削土层的刮刀、铲刀等多种刀具，以供优选，并且在施工中可现场更换刀具。

图1.2-1 盾构机选型流程图（2）刀盘堵塞及“糊刀”现象：在淤泥质粉质粘土层、可砂质黏性土层等粘性土层中掘进可能会在刀盘上产生“泥饼”及“糊刀”现象，影响掘进效率，须注意其对施工设备的不利作用，因此，刀盘设计合理的开口率用以改进“泥饼”及“糊刀”现象。

（3）盾构机配置了添加剂（膨润土、泡沫、水）注入系统，以帮助改良掘进渣土，也有利于减小刀具磨损。

（4）同步注浆的控制：为了能对应各种土质条件，同步注浆系统设计成采用单液浆的系统，但同时也具备注双液浆条件。

1.2.6 满足本标段地质要求的盾构机选型分析盾构的主要类型有土压平衡盾构、泥水加压盾构、复合式土压平衡盾构等。

根据我公司施工经验并咨询国内外盾构专家，认为本工程选择复合式土压平衡盾构机更适合。

根据本工程特点，表1.2-1是对这三种盾构进行的综合比较分析。

表1.2-1 三种盾构机技术、经济对比表比较内容泥水加压盾构机土压平衡盾构机复合式土压平衡盾构机适用的地层砂层、软流塑淤泥砂层、各种土层及互层土层及岩石占用的场地约1万平米4000~5000平米4000~5000平米对环境的影响产生废弃泥浆，有污染有轻微污染有轻微污染地表的沉降小较小较小洞内作业好较好较好工程费用高低较高根据此项对比，应优先选用复合式土压平衡盾构。

1.2.6.1 盾构类型与地质条件关系不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，泥水盾构主要针对无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可广泛用于各种软弱地层的施工。

土压平衡盾构适应于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。

复合土压平衡盾构机主要针对在同一隧道中，由于地质情况差异较大，地层变化复杂，需要不同类型的盾构机转换，以达到适应不同地层的目的，这种盾构除具备一般土压平衡盾构机的一般特性外，既能在土层中掘进，还能在岩石中开挖，主要应用于岩石占据一定比例的复杂地层隧道。

1.2.6.2 盾构类型渗透性关系地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。

根据欧美和日本的施工经验，两种盾构能够适应的地层渗水系数范围如图1.2-2所示。

当地层的透水系数小于10-7m/s 时，选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。

本工程区间隧道的洞身地层中水平渗透系数为1.16×10-8~1.16×10-5m/s，地地层渗透性与盾构选型图1.2-2 地层渗透系数与盾构选型关系示意图层的最大透水系数小于10-4m/s，通过分析，优先采用土压平衡盾构机。

1.2.6.3 盾构类型与岩土颗粒的关系岩土颗粒与盾构机选型关系如图1.2-3所示，大体上，当岩土中的粉粒和黏粒的总量大于40%以上时，通常会选用土压平衡盾构机；相反情况选用泥水盾构机比较合适。

粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。

根据本工程盾构区间地层土粒分布及岩层性质，选复合式土压平衡盾构机更适宜。

图1.2-3 岩土颗粒与盾构机选型的关系图1.2.7 盾构机形式的确定针对本标段工程地质、水文条件、地上建筑物、地下构筑物及周边环境等情况和本标段中工程的特点和难点，我们选择了在广州地铁有着丰富经验和优秀业绩的海瑞克盾构机生产厂商合作，拟采购两台全新海瑞克复合式土压平衡盾构机投入本标段使用。

海瑞克公司生产制造了多台盾构机成功应用在了广州地铁多条线上，完全有适应本标段地层的能力。

因此，我单位在本标段选用新购海瑞克公司两台复合式土压平衡盾构机。

1.3 盾构机特点（1）盾构机设计扭矩、推力均能够适应该区间地质条件。

盾构机掘进扭矩可达5631kN·m，脱困扭矩6213 kN·m，掘进推力可达39914kN。

（2）主轴承寿命满足本工程盾构施工要求。

主轴承设计寿命均为10000小时，且有对主轴承、主轴承密封的温度监测装置，能够随时监测主轴承及主轴承密封的状况，使盾构机运转更加可靠。

（3）盾构机能适应多种地层掘进，当盾构机在粘土、粉土、砂土掘进时，采用土压平衡掘进模式，一方面设计有水、泡沫、膨润土注入口，能满足改善渣土和易性的要求，保证土压平衡顺利掘进；另一方面可以通过土压传感器严密监测土仓内的压力，同时监控出渣量，避免过量出渣产生地表沉降。

4个泡沫注入口图1.3-1 盾构机土压传感器图1.3-2 盾构机添加剂注入口（4）有改善渣土的设计在刀盘面板设计上有泡沫及膨润土注入装置，可根据需要来加注泡沫和膨润土，及时有效的改善渣土的塑流性和不透水性，减小刀盘和刀具的磨损，同时防止泥饼的产生。

土仓壁板上设计有搅拌翼，同时还有膨润土和泡沫注入口，在搅拌翼对渣土搅拌的同时加注泡沫或膨润土，改善渣土的塑流性。

在螺旋输送机的筒壁上有膨润土和泡沫注入口，所加注的泡沫和膨润土可促进渣土的流动，使其顺利的从螺旋输送机输出。

渣土改良系统有泡沫和膨润土两套设备，可根据不同地质条件选用不同的改良方式。

渣土改良措施见4.2.2渣土改良和管理。

（5）耐磨性的加强刀盘采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的16MnR材料制作，在刀盘的外缘还有两层可更换的耐磨条，面板外缘也堆有5mm厚的堆焊耐磨层，充分保证盾构在本区间的掘进。

所有刀具均是用硬质合金钢做为刀具，高耐磨钢作为刀体，刀背和刀座由焊在刀盘上的耐磨层和耐磨钉保护。

土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用了耐磨材料制作，在螺旋输送机的入口和出口处均有耐磨焊层，入口处更有可更换的耐磨板，叶片和轴的磨损区域也有耐磨堆焊层，在螺旋输送机的第一节螺杆上还焊有耐磨衬垫，完全防止了渣土对土仓和螺旋输送机的磨损。

（6）适应小曲线半径掘进的设计盾构机设计上采用了铰接装置，可满足最小达250m半径曲线的推进转弯和纠偏。

推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作，行程为2200mm，可保证封顶块在任何位置，均满足1500mm管片的拼装要求；辅以配置的超挖刀，可以较好的控制掘进方向和进行纠偏。

（7）符合环境保护要求的设计特点地表建筑物保护，盾构机具有加泥土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。

本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高，掘进时可严格控制地表沉降。

（8）盾构机具有以下设计特点盾构机能够在土压平衡模式下掘进，能有效的稳定开挖面地层，通过同步注浆保证掘进后管片与隧道壁的环向间隙及时填充。

通过加泥土压平衡模式（可加泥、泡沫、水）可以控制地层水流失，避免地层水流失造成的地面沉降。

通过土仓密闭设计及辅助保压系统，刀具更换等工况下也可实现掌子面压力的稳定。

（9）消耗的材料具有环保特点盾构使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均具有生物可降解性和无毒性，泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解消失，属于绿色环保材料，其环保性能完全符合标准。

1.4 刀盘对地质的适应性（1）刀盘采用复合面板结构，刀盘开口率为33%，刀盘中心部位配置镶硬质合金的中心双刃滚刀，配合向周边辐射分布单刃滚刀，有利于硬岩地层的掘进，同时具备更换软土撕裂刀的条件，可适应复合地层掘进。

刀盘正面配置镶硬质合金的刮刀，周边配置镶硬质合金的铲刀，刮刀和铲刀除切削外还承担进渣功能，可利于排渣，并能降低切削扭矩。

刀具具有合适的前后角适于切削并减少磨损。

刀盘外圈配置镶硬质合金的边缘铲刀，以便长久保持开挖直径。

配置仿形刀可适应于小曲线半径掘进。

（2）刀盘上布设中心双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，刮刀50把，边缘铲刀8把，滚刀高175 mm，刮刀高140mm，边缘铲刀高140mm。

滚刀的装配采用螺栓连接方式，刮刀、铲刀的装配将采用焊接方式；交换滚刀时，全部可从土仓侧进行交换，装配方式采用楔子连接方式。

（3）耐磨设计，刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性，在刀盘辐条面板及大圆环前后端面堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，并在刀盘外周也焊有耐磨复合钢板，提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。

1.5 不同开挖模式的工作原理对盾构机的技术要求土压平衡式盾构机的掘进模式主要有土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式以及介于两者之间的混合模式三种，各有其工作特点和适用的地质条件。

所选的复合式土压平衡盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式以便达到最好的掘进效果。

1.5.1 土压平衡掘进模式土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使掘削的渣土充满土仓内，并且使土仓内的渣土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近。