浅谈盾构机选型

浅谈盾构机选型

【摘要】 本文以天津地铁2号线第8合同段工程为例，对盾构机的选型作了简要的阐述，仅供大家参考。

【关键词】盾构 选型 工程地质 水文 隧道 参数

1引言

随着“后水电时代”即将到来，水电工程项目不断减少，各水电施工单位也逐步投入到更广阔的市场中，力求在铁路、高速公路、机场、地铁、市政等非水电行业有所作为。其中地铁施工就不可避免地会遇到盾构法隧道施工。

2盾构机分类

盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分可分为四大类：手崛式盾构（敞开式、正面支撑式、棚式），挤压式盾构（全挤压、局部挤压、网格），半机械式盾构（正反铲、螺旋切削、软岩掘进机），机械式盾构（开胸大刀盘切削、闭胸式，其中闭胸式又分为局部气压、泥水加压和土压平衡）。

3盾构机选型

3.1选型原则。在选择盾构时，不仅要考虑到地质情况、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。

3.2选型依据。盾构机选型主要根据设计盾构区间的工程水文地质条件、盾构区间隧道的轴线设计、隧道覆盖厚度等。本文以我单位在天津地铁2号线第8合同段工程中盾构机的选型为例进行论述。

1)工程地质条件

(1）粘性土及粉土层。盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。

(2)砂性土层。盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。

(3)砂卵石地层。盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难，盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究。

(4)粉质粘土、粘质粉土、中细砂互层。对于此类地层，盾构机施工比较容易．有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。

(5)中砂、粉质粘土、砂卵石互层。盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。

2)工程水文条件。对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。

3)隧道轴线对盾构选型的影响。根据城市地铁的使用要求以及城市交通网的规划，地铁隧道必然存在曲线部分，而节能型车站通常为进站上坡出站下坡，也有坡度较大的竖曲线部分；另外地铁隧道线形设计或施工时，常为避开既有构筑物，不得已改变线形，也会出现曲线。因此盾构机所装备的功能，应满足曲线推进的要求。

4)地下构筑物众多。天津是一个大城市，地下修建了大量的构筑物，如上下水管道、煤气、热力、电力、通讯、人防工程等。实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑，不能实施勘测。因此盾构法施工过程中，应考虑地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。

3.3土压平衡与泥水平衡盾构的比选。当今技术水平最高的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机，均能满足天津市地铁隧道的施工，但究竟采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能得出正确的决策。

3.4 盾构机关键参数的复核。由于各盾构生产厂家均会对拟建工程进行跟踪，针对各工程的不同情况进行盾构机的设计、计算，故施工单位在盾构机的选型时仅需对盾构机的关键参数进行复核，给盾构机的最后选用提供参考。

3.4.1 盾构基本参数的初步确定

1)盾构外径。本计算方法采用施仲衡、张弥主编的《地下铁道设计与施工》一书中的公式进行计算

D=D0+2(X+t) D=6200+2×85=6370mm

2)盾构长度。考虑地质特点，根据经验，灵敏度参考值选偏小值，D＞6m时为■=0.65，盾构机取盾体长度L≥7485mm。

3.4.2盾构机的推力和扭矩

1)推力的选取及验证。按照《Mechanised Shield Tunnelling》介绍的经验公式进行验算

F=β·D2(kN) F=(500～1200)×6.42=20480～49152kN

所选盾构机设计总推力必须大于30000kN。

2)扭矩的选取及验证.当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时,T=αD3,取α=1.6，T=1.6×262.144=419.4t·m=4194 kN.m，所选盾构机最大扭矩T必须大于4194kN.m，可满足经验计算的要求。

3.4.3 刀盘的驱动功率

1)刀盘驱动所需功率

2)液压马达所需总功率

3)驱动电机的总功率

所选盾构机刀盘电机配备的功率必须大于430kW，并考虑部分富裕，以应付掘进过程中不明因素的影响。

3.4.4 盾构推进所需功率

盾构机最大推进功率PT可计算如下

PT=F·V V=6cm/min，PT=3518×10×6×10-2/60=31.00kW

所选盾构机的推进功率必须大于31kW。

3.4.5螺旋输送机参数的确定

1)输送量Q。理论出土量QL可计算如下

所选盾构机的螺旋输送机的输送能力必须大于174m3/h。

2)螺旋输送机驱动功率。螺旋输送机所需功率为

所选盾构机螺旋输送机驱动电机功率要求大于84kW。

3.4.6皮带输送机的参数确定。皮带输送机输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按400m3/h确定皮带输送机的参数进行计算。

1)确定带宽B。B≥■ B≥■=685mm

取标准带宽，B=800mm

2)皮带输送机的功率计算

皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率N可计算如下N≥Kq■ N0=(Kk·Lh·V+Kz·Lh·Q-0.00273·Q·H)·Kf

N0=（0.0165×35×2.5+10.89×10-5×35×400-0.00273×400×0.5）×2.8=6.78kW

N≥1.4×■=10.78kW

所选盾构机皮带输送机配备功率要求大于11kW。

4.结语：通过对盾构机主要参数的复核，选择几家能满足工程施工需要的盾构机生产厂家，通过技术、经济等多方面的综合比较，作出最终选择。

参考文献：

［1］ 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社2004.

［2］ 尹旅超，朱振宏，李玉珍等.日本隧道盾构新技术[M].武汉：华中理工大学出版社1999.