不同地层条件下的盾构与tbm选型

不同地层条件下的盾构与 TBM选型 王梦恕 1, 2 (1. 中铁隧道集团有限公司 , 河南 洛阳 471009; 2. 北京交通大学 , 北京 100044) 摘要 : 介绍了目前可选用的盾构与 TBM型式 ,指出了盾构设计和施工应重视的几个新动向 ,探讨了不同地层应选择不同类型的盾 构 ,不同地层应选择不同的刀盘结构 ,明确了公路隧道盾构的直径确定 ,考虑了 TBM的选择及隧道支护型式选择问题。 关键词 : 地层条件 ; 盾构 ; TBM; 选型 Type Selection of Shield TBM s and Hard Rock TBM s for D ifferent Geologica l Conditions WANG Meng2shu1, 2 (1. Ch ina R ailw ay Tunnel Group Co. , L td. , L uoyang 471009, Henan, China; 2. B eijing J iaotong U niversity, B eijing 100044, Ch ina) Abstract: The article describes the types of shield TBM s and hard rock TBM s available at p resent, recommends some new trends to which attentions should be paid during the design and boring construction of the shield TBM s, states that different types of shield TBM s and different cutterhead structures should be selected for different geological conditions, defines the determ ination of the diameters of the shield TBM s for highway tunnels, and discusses on the selection of the types of hard rock TBM s and the pattern of the tunnel reinforcement. Key words: geological condition; shield TBM; hard rock TBM; type selection 1 目前可选用的盾构与 TBM型式 1. 1 盾构技术的发展 盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术 ,归纳起 来可以说经历了四个发展阶段 : ①以 B runel盾构为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的初期盾构 ; ②以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代 盾构 ; ③以闭胸式盾构为代表 (泥水式、土压式 )的第三 代盾构 ; ④以大直径、大推力、大扭矩、多样化为特色的第 四代盾构。 1. 2 盾构类型 ①全开敞式盾构 :手掘式盾构、半机械式盾构、机 械式盾构 ; ②半开敞式盾构 :挤压式盾构 ; ③闭胸式盾构 :土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构。 1. 3　TBM类型 ①开敞式 TBM—软硬地层均可 ; ②护盾式 TBM (半护盾式 ) —灵敏系数 > 1. 0,调 向困难 ;不能及时支护、易塌方。 1. 4　TBM掘进的特点 1. 4. 1　开敞式 TBM具有两大特点 ①灵敏度高、长度 /直径 ≤1,易精确调方向可在 ± 30mm内 ; ②能够及时对不良地层进行及时支护 ,时空效应 好 ,不易塌方。 该机型已被工程实践所证实。既适用于硬岩 ,也 很适用于软岩地层 ,已在大伙房供水工地 87 km长推 广应用。2005年评为国家科技进步二等奖。 1. 4. 2　双护盾、单护盾 TBM具有以下缺点 ①灵敏度低 ,很难精确快速调整到位 ; ②由于后盾较长 ,不易及时支护 ,易塌方 ,如台湾 平林隧道 ; ③造价高 ,是开敞式 TBM的 1. 3倍。 由于以上缺点 ,建议取消这种类型的 TBM。 2　盾构设计和施工应重视的几个新动向 　　盾构分为有刀盘和无刀盘两大类。 2. 1　无刀盘盾构 无刀盘盾构称为开敞式简易盾构 ,人可以站在平 台上进行地层开挖。 收稿日期 : 2005 - 12 - 25 作者简介 : 王梦恕 (1938 - ) ,男 ,河南温县人 ,中国工程院院士 ,隧道及地下工程专家。 第 26卷　第 2期 2006年 4月 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　 隧道建设 Tunnel Construction 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　26 (2) : 1～3, 8 Ap r. 2006 2. 1. 1　分类 　　 (1)开敞网格式 (见图 1) 图 1　开敞网格式盾构网格划分示意 Fig. 1　Sketch of grid division of open shield 　　用于地层自稳较差 ,但降排水后还能自稳。 　　将工作面用网格结构支撑 ,盾构刃脚插入地层 0. 5m左右 ,起超前支护作用。 　　 (2)开敞正台 (见图 2) 图 2　开敞正台网格划分示意 Fig. 2　Sketch of normal grid division of open shield 　　格栅一般分为 3个台阶 ,人可直立工作。 　　 (3) CD开敞格栅式 (见图 3) 图 3　CD开敞格栅式盾构网格划分示意 Fig. 3　Sketch of " CD" - shaped grid division of open shield 　　 (4)双 CD开敞格栅式 (见图 4) 图 4　双 CD开敞格栅式盾构网格划分示意 Fig. 4　Sketch of double - " CD " - shaped grid division of open shield 　　 (5)插刀式盾构 　　单臂掘进机开挖 ,地层较好 ,无水处采用。 2. 1. 2　无刀盘开敞式后部衬砌支护形式 ①管片式 ; ②压缩混凝土式 :边推进边压缩混凝土。 2. 1. 3　无刀盘开敞式适用范围 　　①水少之地 ,地层较能自稳 ; 　　②降水后砂卵石地层 ,如成都地铁、沈阳部分区段 地铁 ; 　　③性价比好 ,易国产化 ,造价比有刀盘便宜一半以上。 2. 2　有刀盘盾构 有刀盘盾构是指靠土压、泥水压、局部气压稳定工 作面的盾构。 2. 2. 1　有刀盘盾构分类 　　①士压平衡式盾构 ; 　　②泥水平衡式盾构 ; 　　③泥水加局部气压平衡式盾构。 2. 2. 2　刀盘类型和设计 刀盘是盾构设计的关键技术 ,对隧道不同地层应 及时设计和调整刀盘的开口率和布刀方式。 (1)盘形刀盘 :指硬岩地层 ,开口率仅在 30%左 右。靠刀盘压紧地层进行稳定 ,土压力、泥水压力仅部 分稳定工作面。 (2)辐条式刀盘 :由于盾构所穿地层松软 ,扭矩较 大、推力小、土压、泥水压易平衡工作面 ,应予推广。对 刀盘刀具的磨耗也小。 (3)无水、少水之地不利于刀盘的寿命 ,应改为无 刀盘盾构。 (4)适应范围 :在流沙、富水及不稳定的地层中应 用 ,但不能包打天下。因性价比差 ,不易国产化 ,但必 须走向国产化 ,可在南方地铁及不稳定地层中应用。 2 隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年 4月　第 26卷 江河水底隧道应用。 3　不同地层应选择不同类型的盾构 3. 1　少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构 　　少水或无水地层 ,地层具有较好的自稳性 ,降水下 沉量小 (如沈阳、成都等地层 ) ,土体颗粒对刀盘刀具 磨损很大 ,选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。 3. 2　土压平衡盾构不是全能的 ,应同时考虑选用泥水 盾构与土压盾构 3. 2. 1　土压平衡盾构的考虑 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 要水或只需要加很少量的水。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。 3. 2. 2　泥水加压盾构的考虑 　　①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、冲积层以及洪积层等流动性高 的土质 ,使用效果较好 ; 　　②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 ; 　　③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 ; 　　④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 ; 　　⑤泥水加压盾构存在盾尾的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。 4　不同地层应选择不同的刀盘类型 　　 (1)开口面板式刀盘。 　　 (2)辐条式刀盘。 　　各种刀盘特性比较见表 1 表 1　刀盘特性比较 Table 1　Features of different types of cutterheads 刀盘形式　　 面板式 幅条式 备注 开挖面水土压控制 一般存在三个压力 : P 1 :开挖面～面板之间 ; P 2 :面板开口进出口之间 ; P 3 :面板与密封舱内壁之间 (即土压计压力 )。 其中 : P 2受面板开口影响不易确定 ,而 P 3 = P 1 - P 2开挖 面压力不易控制 ,同时控制压力实际低于开挖面压力。 只有一个压力 P ,密封舱内土 压计压力与开挖面的压力相 等 ,因而平衡压力易于控制。 砂、土适应性 (粒径 < 15 cm) 由于开挖面土体受面板开口影响 ,进入密封舱内不顺 畅 ,易粘结 ,易堵塞。 仅有几根幅条 ,同时幅条后均 设有搅拌叶片 ,土、砂流动顺 畅 ,不易堵塞。 北京西三环向东四 环内地层粒径大致 如此。 砂卵石适应性 (粒径 > 15 cm) 适应性强 ,必要时可加滚刀。 不能加滚刀 ,刀头形式及数量 较少。 刀盘扭矩 刀盘扭矩阻力大 ,需增加设备能力 ,造价高。 刀盘扭矩阻力小 ,设备造价低 隧道内刀头更换 安全性 由于有面板 ,在隧道内更换刀头时安全可靠。 在隧道内更换刀头时安全性 差 ,加固土体费用高。 由于是城市隧道 ,每 段长度有限 ,可避免 隧道内更换刀头。 5　水底公路隧道盾构直径的确定 5. 1　双向 4车道 < 11. 4m左右的盾构安全风险最小 　　国内外成功的水底公路隧道盾构直径多在< 11. 4m左右 ,实践证明 ,制造、施工及运营风险较小 , 较经济 (1. 2亿元 /台 )。 5. 2　双向 6车道 < 15m左右的盾构风险较大 　　①盾构制造成本很高 ,价格昂贵 (3亿元 /台 ～3. 5 亿元 /台 ) ; 　　②盾构掘进压力平衡不易控制 ,施工风险大 ; 　　③管理、运营风险较大 ; 　　④埋深加大 ,纵坡不利 ; 　　⑤空间浪费 ,约 80m2 左右。 6　TBM的选择考虑 6. 1　开敞式 TBM适应软硬地层 开敞式 TBM转向控制灵活、对地层能及时支护。 开敞式 TBM通过软岩地层 ,采用先锚后喷及先喷 后锚 ,并架设钢拱架的一次支护 ,在磨沟岭砂页岩含水 软弱地层中实现了日掘进快支护 41. 3 m和月掘进快 支护 574m快速施工水平 ,平均进尺 232m /月。 在 TBM上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安 装机、以及超前钻机 ,而且在确定刀间距、推力和扭矩 的参数上以及撑靴的支撑力上 ,能适应软岩、硬岩的切 削特性。 6. 2　半护盾、全护盾不适应软岩地层 护盾式 TBM转向不灵活、控制较为困难。软弱破 碎地层不能及时支护。 (下转 8页 ) 3第 2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　王梦恕　　不同地层条件下的盾构与 TBM选型 图 11 沿 p s桩基路径桩身接触剪力分布 Fig. 11 D istribution of contact shear forces of p ile along p s p ile foundation path 图 12　沿 p s桩基路径桩身接触压力分布 Fig. 12 D istribution of contact p ressure of p ile along p s p ile foundation path 4 结论 ①通过某地铁车站西北风道暗挖施工对 19 - 3号 桥基影响的预测分析 ,了解了施工过程中桩基的变形、 受力状态以及桩 - 土相互作用机理 ,明确了不同施工 阶段对桥基的影响程度 ,预测了桥基的安全状况 ,为车 站风道暗挖施工提供了理论依据和指导作用。 ②施工期间桥基最大沉降预测为 8 mm,桩基的最 大端阻力为 3 347 kPa,最大负摩擦力为 12 kPa,最大正 摩擦力为 6 kPa,最大倾斜为 0. 21‰,因此 ,无论是桩基 的变形和受力都满足目前的安全控制 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [ 6 ] ,施工期 间 19 - 3号桥基没有工程安全隐患 ,现有的施工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和加固措施是合理可行的。 ③通过现场量测数据与预测数据进行比较分析 , 两者之间基本吻合 ,说明这种计算模拟是可行的。 ④风道施工期间地表最大沉降预测为 59. 87 mm, 由于导洞施工对地表沉降和桥基沉降影响较大 ,因此 , 建议采取更强和更有效的措施来控制和减小导洞的施 工影响 ,以期进一步减少地表沉降和桥基沉降。 参考文献 : [ 1 ]　刘利民 ,舒翔 ,熊巨华. 桩基工程的理论进展与工程实践 [M ]. 北京 :中国建材工业出版社 , 2002. [ 2 ]　刘宝琛. 急待深入研究的地铁建设中的岩土力学课题 [ J ]. 铁道建筑技术 , 2000, 20 (3) : 1 - 3. [ 3 ]　TB 10003～2005,铁路隧道设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 [ S]. [ 4 ]　韩炫 ,张乃瑞. 北京地区群桩基础荷载传递特性的现场测 试研究 [ J ]. 岩土工程学报 , 2005, 27 (1) : 74 - 80. [ 5 ]　王成华 ,顾晓鲁. 基础工程学 [M ]. 天津 :天津大学出版 社 , 2002. [ 6 ]　JGJ 94294,建筑桩基技术规范 [ S]. (上接 3页 ) 7　支护型式的考虑 7. 1 管片衬砌 广泛应用于软土地层盾构隧道的支护。管片接头 部位是防水薄弱环节。应研究接头型式及防水 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、 管片形状及分块型式、管片厚度及钢筋配置与地层压 力的关系。 7. 2 喷混凝土衬砌 应用于开敞式 TBM隧道 ,能及时支护 ,很好地适 应软弱破碎围岩 ,在秦岭隧道及磨沟岭隧道中得到了 成功应用 7. 3 压缩混凝土衬砌 压缩混凝土衬砌 ( ECL———Extruded Concrete L in2 ing) ,就是以现浇混凝土作衬砌来代替传统的管片衬砌。ECL工法的具有以下特点 :①ECL工法筑造的衬砌质量高 ;②ECL极大地抑制了地层沉降 ,无须降低地下水 ;③采用全机械化施工 ,节省人员、安全性高 ,作业环境好 ;④ECL工法采用一次衬砌 ,材料用量少 ;　　⑤不需要同步注浆 ;⑥施工阶段工序少 ,衬砌与拼装同步进行 ,加快了施工进度 ,缩短了工期。 8 隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年 4月　第 26卷