盾构法隧道与应用——第二章盾构分类及选型

第二章盾构分类及选型

隧道建设与盾构掘进机不可分离,所以盾构掘进机对各种地层的适应性非常重要。182３年～1８43年，世界上第一条人工开挖盾构隧道是由法国人Brｕnｎel在伦敦泰晤士河下建成的,由于隧道掘进机与地层条件的不适应,长３６6ｍ的隧道耗时达２0年左右，隧道施工过程中遭遇了多次涌水，并付出了6个隧道工人生命的代价。

199１年6月29日贯通的长达49ｋm（单条)英法海底隧道，耗时仅仅两年半,在如此短时内取得如此的成绩与隧道盾构正确选型密不可分。英法海峡隧道法国侧隧道工程是在含水的白色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层里施工,然后进入完全不渗透的兰色白垩地层，选择了土压平衡盾构;而英国侧则根据地层的变化采用了通用型盾构。前者掘进速率达1０7１m／moｎ,后者更是达到1487m/moｎ，说明该隧道的盾构选型是合适的。

1989开始动工建设的东京湾海底公路隧道全长15.1ｋm，其中盾构隧道长9．１km,穿越的地层为软弱的冲积、洪积性土层，另外,该盾构隧道的一个最大特点是盾构必须能够承受 0．6MＰａ的水压,故采用８台直径1４.14m的泥水式土压平衡盾构施工,东京湾隧道的成功建设也表明该类盾构的选择是合适的。

第一节盾构的构造

一、盾构外形和材料

1．盾构的外形

作为一种保护人体的空间,隧道的形状因其使用要求不同、而造成盾构外形不同是理所当然的。隧道掘进,无论盾构的形状如何，总是向轴线方向发展而成,所以,盾构的外形就是指盾构的断面形状。从采用过的盾构来看，其外形有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如:将人行隧道筑成矩形,最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形,使流体的力学性能达到最佳状态;将穿山隧道筑成半圆形,可以使底边直接与公路连接等等。但是,绝大多数盾构还是采用传统的圆形。

2.制造盾构的材料

盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力,如果地面有构筑物,要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以,盾构整体要求具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板成型制成。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式,到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型的方法。盾构壳体可有单层厚板或多层薄板制作而成。

二、盾构的基本构造

盾构种类繁多，从盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分。

图2-１-1 盾构基本构造示意图

1.盾构壳体

所有盾构的形式,其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分,借以外壳钢板联成整体。

(1）切口环

切口环部分是开挖和挡土部分,它位于盾构的最前端,施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口以减少切入掘进时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。

切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法,就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员挖土机具工作要有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长,犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按不同的需要安装各种不同的机械设备,这些设备是用于正面土体的支护及开挖，而各类机械是由盾构种类而定的。主要内容如下：

① 泥水盾构,安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口;

② 土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；

③ 网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口;

④棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；

⑤水力机械盾构,安置有水枪、吸口和搅拌器。

在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中,因切口内压力高于隧道内常压，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。

(2)支承环

支承环是盾构的主体结构,是承受作用于盾构上全部载荷的骨架。它紧接于切口环,位于盾构中部,通常是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷均由支承环来承受。

在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时、在支承环内要布置人行加、减压舱。

支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。

（3）盾尾

盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成,主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时,在施工中途必须进行修理更换,所以盾尾长度要满足上述各项工作的进行。

盾尾厚度从整体结构上考虑应尽量薄，这样可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙就小，从而压浆工作量也少，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时,还有一些难以估计的载荷出现。所以盾尾是一个受力复杂的圆筒形薄壳体，其厚度应综合上述因素来确定。

盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于在施工中纠偏的频率很高，因此,就要求密封材料要富有弹性，结构形式要耐磨,防撕裂,其最终目的是要能够止水。止水的形式有许多,目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置,如图2-2-2,盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。

图２－1-2 盾尾密封示意图

１-盾壳; ２-弹簧钢板； 3-钢丝束； 4-密封油脂；５-压板；６－螺栓

由于钢丝束内充满了油脂,钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个既有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。油脂加注采用专用的盾尾油脂泵,这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达5０0m左右，这主要看土质情况如何，相对而言，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则寿命较长。

盾尾的长度必须根据管片宽度和形状及盾尾的道数来确定,对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，最少必须保证衬砌组装工作的进行，但必须考虑在衬砌组装后因管片破损而需更换管片;修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素,故必需给予一些余裕量。

2.推进机构

盾构掘进的前进动力是靠液压系统带动若干个千斤顶工作所组成的推进机构,它是盾构重要的基本构造之一。

（1) 盾构千斤顶的选择和配置

盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装衬砌的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意以下事项:

① 采用高液压系统,使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30~40MＰａ；

②千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换;

③千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处,使管片受力均匀;

④ 千斤顶应与盾构轴线平行。

(2）千斤顶数量

千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600~1５０0KＮ，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000~4０00ＫＮ。

(3)千斤顶的行程

盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片的拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上100ｍm~２０0mm的余裕量。

另外,成环管片总有一块封顶块存在，若采用纵向全插入封顶成环时，在相应的封顶块位置应布置数只双节千斤顶,其行程大致是其它千斤顶的一倍,以满足拼装成环所需。

(4）千斤顶的速度

盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式来定，一般取5０ｍｍ/ｍｉn左右，且可无级调速。为了提高工作效率,千斤顶的回缩速度要求越快越好。

（5）千斤顶块

盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面。其次,根据管片材质的不同，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用。

3.管片拼装机

管片拼装机俗称举重臂,是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。为了能将管片按照所需要的位置,安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后,还必须具备沿径向伸缩、前后平移和３60o(左右叠加)旋转等功能。

拼装机的形式有环形、中空轴形、齿轮齿条形等，一般常用的是环型拼装机(如图2-1－３）。这种拼装机安装在支承环后部，或者盾构千斤顶撑板附近的盾尾部，它如同一个可自由伸缩的支架,安装在具有支承滚轮的、能够转动的中空圆环上的机械手。该形式中间空间大,便于安装出土设备。

图２-1-3 拼装机（环型) 图2-1-4 拼装后成环隧道目前,欧洲国家制作盾构时，常采用真空吸盘装置,具有管片夹持简便、拼装平稳及碎裂现象少等优点。在超大型盾构制作中，较多应用此类拼装机。

4.真圆保持器

盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，即成环和拼装环拼装时就会产生高低不平,给安装纵向螺栓带来困难,为了避免管片产生高低不平的现象，就有必要让管片保持真圆，该装置就是真圆保持器。真圆保持器支柱上装有上、下可伸缩的千斤顶，上下装有圆弧形的支架,它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的。当一环管片拼装成环后,就让真圆保持器移到该管片环内，支柱的千斤顶使支架圆弧面密贴管片后,盾构就可进行下一环的推进。盾构推进后由于它的作用，圆环不易产生变形而保持着真圆状态。

三、盾构的基本参数选定

１．盾构直径

盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢板厚度进行确定，而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定。

盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、同步注浆用配管等突出部分无关．

所谓盾尾空隙,是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。

根据隧道限界和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后,可按施工要求或经验确定盾构直径。下面根据图２-2-3，介绍二种计算方法。

(1） D=ｄ+2（ｘ

+δ）（式1）

式中: D - 盾构直径（mm)

d - 隧道外径(ｍｍ）

x －盾尾空隙(mm)

δ - 盾尾钢板厚度(mm)。

图2－1-５盾构直径计算图

为了满足盾构曲线段施工或推进施工时纠偏所需要间隙,盾尾空隙可由下式计算：

X＝

ML/d (式2）式中: M - 盾尾和管片的搭接长度（mm）

L －盾尾内衬砌环顶端能够转动的最大水平距离 (ｍｍ)

根据实际经验，盾尾空隙一般取20～4０mｍ。

（2） D＝ｄ内＋2（δ＋ x + T + T’+

e ) (式3)

式中: d内 - 隧道内径(mm)

T －隧道衬砌厚度(ｍm）

T’－隧道内衬厚度(ｍm)

e - 最小余裕量(mm)

D、δ、x 意义同前

上面二式中均有一个盾尾钢板厚度δ,此值应通过函数关系式求得，可是计算工作较为复杂,所以通常采用经验公式或类比法相近选取。

δ=0.02+0．０1(D -

4) (式４）

式中Ｄ为盾构外径，单位为m。

当Ｄ＜４m时,式中的第二项为零。

2.盾构长度和灵敏度

盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度(即盾壳总长Ｌ与盾构外径D之比）。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考:

小型盾构(D=２~３m） (Ｌ/Ｄ) =1.50

中型盾构(D=3~6m) (L/Ｄ) =１.0０

大型盾构(Ｄ＞ 6m ) (L/D）＝0．75

盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分,如后方平台、螺旋输送机等。

盾构长度计算公式:

L=Lw+ Lc＋Ｌ

t （式5）

(1)切口环长度Lw

机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可；

在手掘式盾构中要考虑到人工开挖的方便，Ｌｗ可以较长些,所以正面土体稳定时Lw最大值为:

Lw =D . tｇφ或 Lｗ

≤2m (式6）

式中: φ - 开挖面坡度与水平面的夹角一般取45o

在棚式盾构中,其分层是按人的高度分隔：

N＝

D/H (式7）式中： N －层数(计算后数值归整)

H - 人的高度（ｍ)

由于分了层的H值比D小得多,所以这时的切口环长度为:

Ｌw =

Ｈ．ctgφ(式８）注意：式中H值应取层高的最大值Hmａx 。

有些盾构根据需要将另设前檐,其长度大约300～５０0mm左右,具体取多少要按盾构直径大小适当选取。

(2）支承环长度Ｌc

该部分长度取决于盾构千斤顶、切削刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等空间，而盾构千斤顶的长度又与预制衬砌的宽度有关。

Lc ＝ Wｃ

+ιc(式９) 式中:Wc －最宽衬砌宽度，包括楔形环、加宽环

ιｃ - 余裕量,一般取20０~３00ｍm,主要考虑到盾构千斤顶的修理因素

如果支承环长度不能满足刀盘的轴承或驱动装置的安装，支承环长度还要考虑这些结构的宽度。

(3）盾尾长度Lt

盾尾长度取决于管片的形状和宽度:

Lｔ=Ｋ. Wc + Ls +

C (式10)

式中 : K - 常数,一般取1.5~2.5 ，

这与是否需调换损坏的衬砌及盾尾密封装置有关;

Wc －衬砌环宽度(m)；

Ls - 千斤顶顶块厚度（m)；

Ｃ－施工余裕量，一般取８0～２00mm,选取时应考虑拼装衬砌时环面清洗工作，以及穿拼装螺栓、特别是首尾相接的纵向螺栓等工作的方便。

3.盾构的推力

盾构向前行进是靠安装在支承环周围的千斤顶顶力,各千斤顶合力就是盾构的总推力，在计算推力时,一定要考虑周全，要将工程的施工全过程中对盾构可能产生的阻力都要计算在内。

盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和,否则盾构无法向前推进。盾构的各种推力和计算公式如下:

(1）Ｆ１-盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结阻力;

①砂性土 F1＝μ１(πＤＬPw＋

W) (KN） (式11)

②粘性土Ｆ1＝

CπDL(KN） (式12）

(2) Ｆ2-推进中切口插入土壤的贯入阻力;

F2＝

ι.t.Kp.Pm(KN) (式１3)

（3） F3－工作面正面阻力;

F3=Pf.πD２

/4 (KN) (式１4）

① 盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。

② 盾构采用机械化开挖时,为作用在切削刀盘上的推进阻力。

(4)Ｆ4－管片与盾尾之间的摩擦力;

F4＝μ2.Ｇ２ (Ｋ

N) （式15)

（５)F5－变向阻力(曲线施工/纠偏等因素的阻力);

F５=R.Ｓ (K

Ｎ）（式16)

（６) F6－后方台车的牵引阻力;

F6=μ3．G1 (Ｋ

N） (式17）其中:

μ１－钢与土的摩擦系数

μ2 －钢与钢或混凝土的摩擦系数

μ３ - 车轮与钢轨之间的摩擦系数

D - 盾构直径(m)

L - 盾构长度(m)

W －盾构重量（KN)

G1 - 后方台车重量 (ＫＮ)

G2 - 管片(成环）重量 (KN)

Pm - 作用在盾构上的平均土压（KPa)

Pf - 工作面正面压力(ＫPa)

ｃ－粘聚力 (ＫPa)

Kｐ－被动土压力系数

R －地层抗力（承载力、被动土压力等) (ＫPa)

L - 工作面周边长度 (m)

Ｔ- 刃脚贯入深度(m）

s - 抵抗板在推进方向的投影面积 (m２)

总推力ΣF＝F１+F2＋Ｆ3+F4+F5＋Ｆ６ (式18)

盾构总推力也可由以上F1＋Ｆ2＋Ｆ3+F4 的总和再乘以２来求出。事实上，在施工中、盾构总推力一般按经验公式求得:

Fj＝Pj

πD/4 (式19）

式中 Fj-盾构的总推力 (KN)

pj－开挖面单位截面积的推力（ＫN)

① 人工开挖、半机械化开挖盾构、机械化开挖盾构:

Pｊ=700～1１00KPａ

② 封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构:

Pj=10０0~1３0０KPａ

第二节盾构分类

由于盾构法施工隧道得到广泛应用,从6０年代以来盾构技术发展极快，为适应各种不同的土质，所以形成盾构的种类繁多。盾构选型是根据不同的工程地质、水文地质条件，与施工环境的要求，合理地选择盾构掘进机,对保证施工质量，保护地面与建(构)筑物和加快施工进度是至关重要的。盾构的种类按其构造特点和开挖方法,可归纳为以下四类：

盾构掘进机类型及功能表１

盾构掘进机类型及功能表２

第三节盾构选型

一般来说,用盾构施工的地层都是复杂多变的,因此对于复杂的地层要选定较为经济的盾构是当前的一个难题。

实际上,在选定盾构时,不仅要考虑到地质情况，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,还要逐个研究以下几个项目：

(１）开挖面有无障碍物;

（２) 气压施工时开挖面能否自立稳定;

（3) 气压施工并用其它辅助施工法后开挖面能否稳定；

（４) 挤压推进、切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定；

(5) 开挖面在加入水压、泥压、泥水压作用下,能否自立稳定；

（6) 经济性。

盾构选型时通常需要判别盾构工作面是否稳定，布诺姆氏试验法是一种较为实用的判别方法。

1.盾构机选型依据及一般程序

盾构机选型依据按其重要性排列如下：

· 土质条件、岩性(抗压、抗拉、粒径、成层等各参数)

· 开挖面稳定（自立性能)

·隧道埋深、地下水位

· 设计隧道的断面

· 环境条件、沿线场地(附近管线和建构筑物及其结构特性）

· 衬砌类型

· 工期

· 造价

· 宜用的辅助工法

· 设计路线、线形、坡度

· 电气等其它设备条件

２．盾构机选型的一般程序

综合盾构机的特性与选型的依据,盾构机选型的一般程序可用下面的流程图来描述。

从该流程图可以看出,盾构机选型石先要看该盾构机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素,同时还必须将宜用的辅助工法也必须加以考虑。只有这样才能选择出一种较为合适的盾构机。