不同地层条件下的盾构与TBM选型

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1、不同地层条件下的盾构与TBM选型中国工程院院士王梦恕北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing2005年9月1目前可选用的盾构与TBM型式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公路隧道盾构的直径确定TBM的考虑隧道支护型式选择主要介绍内容2一、目前可选用的盾构与TBM型式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Brunel盾构为代表的初期盾构；（2）以机械式

2、、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。32．盾构类型全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式盾构、机械式盾构半开敞式盾构：挤压式盾构闭胸式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构3．TBM类型开敞式TBM—软硬地层均可护盾式TBM（半护盾式）—灵敏系数>1.0，调向困难；不能及时支护、易塌方4Brunel盾构伦敦Blackwall盾构隧道原始盾构5网格式盾构插刀盾构开敞式盾构6辐条式盾构面板式盾构闭胸式盾构7复合式盾构8荷兰Φ14.87泥水盾构易北河盾构Φ14.5m大直径盾构9开敞

3、式TBM护盾式TBM10二、不同地层应选择不同类型的盾构1.少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构北京地铁刀具磨损严重少水或无水地层，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。112.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泥水盾构土压盾构12（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。（2）泥水加压盾构的考虑(a)泥水加压盾构对于不

4、稳定的软弱地层或地下水位高，含水砂层，粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质，使用效果较好。(b)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。13(c)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。(d)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。(e)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。14三、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15

5、刀盘形式比较项目面板式幅条式备注开挖面水土压控制一般存在三个压力：P1：开挖面～面板之间；P2：面板开口进出口之间；P3：面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。其中：P2受面板开口影响不易确定，而P3=P1-P2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＜15cm）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＞15cm）适应性强，必要时可加

6、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。刀盘特性比较16四、水底公路隧道盾构直径的确定（1）双向4车道Φ11.4m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Φ11.4m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）。（2）双向6车道Φ15m左右的盾构风险较大盾构制造成本很高，价格昂贵（3～3.5亿元/台）；盾构掘进压力平衡不

7、易控制，施工风险大；管理、运营风险较大；埋深加大，纵坡不利；空间浪费，约80m2左右。17五、TBM的选择考虑（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41.3m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