結(jié)合北京地鐵直徑線淺談盾構(gòu)施工的盾構(gòu)選型問題

1、結(jié)合北京地鐵直徑線盾構(gòu)施工淺談盾構(gòu)選型問題張蒙蒙，路世偉（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）摘要:盾構(gòu)法是在地面下暗挖隧道的一種施工方法。以北京地 鐵直徑線為背景，闡述盾構(gòu)工法中盾構(gòu)機(jī)的各種類型及其優(yōu)缺點(diǎn)、工程適宜性，并根據(jù)地鐵直徑線的具體條件（工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、技術(shù)要求、周邊環(huán)境等）結(jié)合各種盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行選型和適應(yīng)性分析。關(guān)鍵詞：泥水平衡盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)、盾構(gòu)施工、適宜性、選型Some Shallow Discussion On Type Selection of Shield Machines Combining With Beijng Rail

2、 Underroud Trasit LinZhang,mengmeng Lu,shiwei(China University of Geosciences(wuhan).wuhan 430074)Abstract:Shield tunneling is a construction method under the ground. Taking the subway line between Beijing Station and Beijing West Station project as background,we discribed the types,advantages,disad

3、vantages and adaption of veried shield machines. Having combined with the advantages and disadvantages of a variety of shield machines and the scope of application of shield machines, we analyze its selection and adaptation, according to the specific conditions of the subway line (geological conditi

4、ons, hydro-geological conditions, technical requirements, surranding conditions ,etc.).Key word：TBM shield, EPB shield, shield tunneling, adaption,selecti1.北京地鐵直徑線工程概況地下直徑線為連接北京樞紐北京站至北京西站，全長9.156Km。線路大致呈東西走向，位于北京市市中心區(qū)，布置在東城區(qū)與崇文區(qū)、西城區(qū)與宣武區(qū)、海淀區(qū)與豐臺區(qū)交界處，沿途經(jīng)過崇文門、前門、和平門、宣武門、西便門、天寧寺、小馬場。其中ZJX1標(biāo)盾構(gòu)施工為前門宣武門區(qū)間，區(qū)

5、間長1826.5米。1.1工程地質(zhì)條件1.1.1隧道地形、地貌北京城區(qū)位于永定河沖洪積扇脊部，地下直徑線則是斜穿這個(gè)扇形的一部分，地表自西向東平緩傾斜，由海拔49.8m，降至海拔43.0m。1.1.2工程地質(zhì)1.1.2.1地層巖性沿線地層均為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積層和第四系全新統(tǒng)人工堆積層，下伏基巖為上第三系中上新統(tǒng)礫巖，剝蝕面埋深在隧道出口一帶為3040m，宣武門附近為70m，至崇文門附近急劇下降到108m。本區(qū)沖洪積層的特點(diǎn)是垂直方向上粘性土與非粘性土層交替產(chǎn)出，水平方向上自西向東顆粒由粗變細(xì)，粘性土厚度變大。沿線地表普遍分布一層人工堆積層，巖性為雜填土、填筑土，成份為粉質(zhì)黏土、粉土

6、，夾碎石、瓦塊、有機(jī)物等，厚36m。以下均為沖洪積層，可分為七個(gè)結(jié)構(gòu)層，現(xiàn)分層描述如下：第一結(jié)構(gòu)層：本層厚度一般為710m，巖性以粉質(zhì)粘土為主，黃褐色，軟塑硬塑；夾粉土和粉、細(xì)砂層，厚35m。粉、細(xì)砂一般為潮濕，稍密中密。本層局部夾有新近堆積的古河道相淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，深灰色至黑色，軟塑流塑，含有機(jī)質(zhì)10%左右，有臭味，厚04.6m。呈透鏡體狀分布于DK0+000DK0+724、DK1+310DK0+390、DK1+425DK0+670、DK2+315DK3+020、DK3+670DK0+725、DK4+005DK0+050段落。第二結(jié)構(gòu)層：主要為砂層及圓礫、卵石土層，厚610m。進(jìn)

7、口端以細(xì)砂、中砂地層為主，夾圓礫土；往西顆粒逐漸變粗，以圓礫、卵石土層為主，夾細(xì)砂、中砂、礫砂等，潮濕飽和，稍密密實(shí)。第三結(jié)構(gòu)層：巖性以粉質(zhì)粘土為主，夾粘土及粉土，一般為黃褐色，軟塑硬塑。此層分布不連續(xù)，厚06m，主要分布于DK5+480以東，西段則呈透鏡體狀零星分布。第四結(jié)構(gòu)層：以圓礫土、卵石土層為主，夾中砂、粗砂、粉質(zhì)粘土和粉土，厚1520m。圓礫土和卵石土一般為褐黃色，中密密實(shí)，充填土520%。第五結(jié)構(gòu)層：粉質(zhì)粘土和粘土，厚810m，黃褐色，軟塑硬塑。分布于DK4+188以東。第六結(jié)構(gòu)層：巖性以卵石土、圓礫土、和中砂、粗砂為主，夾粉質(zhì)粘土、粉土和細(xì)砂等，在DK4+188以東厚約6m，埋藏

8、較深；以西與第四結(jié)構(gòu)層合并，成為較單一的卵石土層并夾有圓礫土透鏡體。1.1.2.2地質(zhì)構(gòu)造北京地區(qū)在大地構(gòu)造單元上，處于陰山緯向構(gòu)造帶與祁呂賀蘭山字型構(gòu)造帶和新華夏系構(gòu)造帶的交接部位。主要構(gòu)造帶有燕山東西向構(gòu)造帶、祁呂系構(gòu)造帶、新華夏系構(gòu)造帶和北東向構(gòu)造帶，構(gòu)造形態(tài)為壓性、張性、壓扭性和張扭性斷裂、復(fù)式背斜及凹陷等。地下直徑線沿線均為第四系松散堆積層，因此地質(zhì)構(gòu)造對工程無直接影響，地鐵建筑物可根據(jù)地震作用大小采取抗震加固措施。11.1.3水文地質(zhì)北京市地下水埋深為1517m，局部上層滯水埋深3.7m。含水層的滲透系數(shù)值為：DK0+620DK1+207K=50m/dDK1+207DK2+005K

9、=85m/dDK2+005DK4+756K=100m/d地下水動態(tài)較復(fù)雜，同時(shí)受自然因素和人為因素的影響，一般年最低水位出現(xiàn)在雨季前的5月前后，高水位出現(xiàn)在雨季后的9月前后，年變化幅度為13m。地下水的補(bǔ)給來源主要是潛水側(cè)向徑流、深部承壓水的垂直越流和少量護(hù)城河河水滲流。1.2 盾構(gòu)機(jī)選型參數(shù)圓隧道最小曲線半徑：R1000m。圓隧道最大坡度：1.25%。隧道最大埋深：40m。隧道沿線地下水埋深：1517m，局部層間潛水埋深11.5米隧道結(jié)構(gòu)大部分處于地下水位以下，大約1020米，水壓一般不大。地面變形沉降：控制在-30mm+10mm以內(nèi)。22盾構(gòu)選型2.1盾構(gòu)的分類2.1.1盾構(gòu)分類根據(jù)盾構(gòu)中

10、采用的對土層穩(wěn)定的技術(shù)措施和開挖方法不同，加以歸納和分類如圖2-1。圖2-1 盾構(gòu)的分類敞開型是指盾構(gòu)內(nèi)施工人員可以直接和開挖面土層接觸，對開挖面土層工況進(jìn)行觀察，直接排開發(fā)生的故障。這種盾構(gòu)適用于能自立和較穩(wěn)定的土層施工，對不穩(wěn)定的土層一般要輔以氣壓或水，使土層保持穩(wěn)定，以防止開挖面坍塌。部分敞開型是在盾構(gòu)切口環(huán)正面安裝擠壓胸板或網(wǎng)格切削裝置，支護(hù)開挖面土層，即形成擠壓盾構(gòu)或網(wǎng)格盾構(gòu)， 施工人員可以直接觀察開挖面土層工況，開挖土體通過網(wǎng)格孔或擠壓胸板閘門進(jìn)人盾構(gòu)。封閉型是在盾構(gòu)切口環(huán)和支承環(huán)之間增設(shè)一道密封隔艙板， 在開挖面土層和密封隔艙板之間形成密封泥土艙，盾構(gòu)施工時(shí)、通過對密封泥土艙中壓

11、力進(jìn)行控制， 使其與開挖面土層水、土壓力保持平衡， 從而使開挖面土層保持穩(wěn)定。施工人員不能直接觀察開挖面土層工況，而是通過各種檢測傳感裝置進(jìn)行顯示和自動控制。封閉型盾構(gòu)主要有泥水加壓和土壓平衡兩大類型，代表了不同的出土方式和不同工作面土體平衡方式的特點(diǎn)。2.1.2泥水盾構(gòu)及工程適宜性泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)是在盾構(gòu)機(jī)的前部設(shè)置隔板，裝備刀盤面板、輸送泥漿的送排泥管和推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)千斤頂。在地面上還配有分離排出泥漿的泥漿處理設(shè)備。開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥漿室內(nèi)，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜保持水壓力，以對抗作用于開挖面的土壓力和水壓力，同時(shí)泥漿中細(xì)微粘粒在極短時(shí)間內(nèi)滲人土層，有利于增

12、強(qiáng)土層自立能力。開挖的渣土以泥漿形式輸送到地面，通過處理設(shè)備離析為土粒和泥水，分離后的泥水進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開挖面。泥水加壓盾構(gòu)適用土層范圍很廣，從軟弱粘土、砂土到砂礫層都可適用。對一些特定條件的工程，如大量含水砂礫，無粘聚力、極不穩(wěn)定土層和覆土淺的工程，尤其是超大直徑地表變形要求高的工程都能顯示其優(yōu)越性。另外對有些場地較寬、 有豐富水源和較好排放或泥漿僅需作簡單沉淀處理排放的工程，可較大降低施工成本。而且采用泥水加壓盾構(gòu)施工，不需輔以其它 ( 氣壓、降水)工藝來穩(wěn)定開挖面土層，其施工質(zhì)量好、效率高、安全可靠。但是而它需要一套技術(shù)較復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)備，投資較高，占地面積大，尤其是在城市

13、施工困難較大。42.1.3土壓盾構(gòu)及工程適宜性土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是在盾構(gòu)密封泥土艙內(nèi)利用開挖下的泥土直接支護(hù)開挖面土層， 既具有泥水加壓盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又消除了復(fù)雜的泥水分離處理設(shè)施，受到工程界的普遍重視。土壓平衡盾構(gòu)可根據(jù)不同的地質(zhì)條件采取不同的技術(shù)措施， 設(shè)計(jì)成不同的類型，能適應(yīng)從松軟粘性土到砂礫土層范圍內(nèi)各種土層施工。普通型土壓平衡盾構(gòu)：適用于松軟粘性土，由刀盤切削下的泥土進(jìn)人泥土艙，再通過螺旋輸送機(jī)向 后排出。由于泥土經(jīng)過刀盤切削和擾動后會增加塑流性， 在受到刀盤切削和螺旋翰送機(jī)傳送后也會變得更為松軟， 使泥土艙內(nèi)的土壓能均勻傳遞。通過調(diào)節(jié)姍旋機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)盾構(gòu)推進(jìn)速度，調(diào)節(jié)密封泥土艙內(nèi)的土壓

14、并使其接近開挖面靜止土壓，保持開挖面土層的穩(wěn)定。加泥型土壓平衡盾構(gòu)：加泥型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)裝備有注入添加材料促進(jìn)開挖土砂塑性流動的機(jī)構(gòu)。對于含砂量、含水量較大的土層，盾構(gòu)機(jī)的加泥裝置可以根據(jù)土質(zhì)，選用泡沫、膨潤土、polymer、高吸水樹脂等添加材料，將其注入開挖面和泥土倉。通過攪拌機(jī)構(gòu)將添加材料與開挖下來的渣土強(qiáng)力攪拌，將開挖渣土變成具有可塑性、流動性、防滲性的泥土，符合土壓平衡盾構(gòu)施工要求。 加水型土壓平衡盾構(gòu)：適應(yīng)于砂層、砂礫層透水性較大的土層施工。加泥漿型土壓平衡盾構(gòu)：適用于土質(zhì)松軟、透水性好、易于崩塌的積水砂礫層或被土較淺、泥水易噴出地面和易產(chǎn)生地表變形的極差地層的施工。53.1.4泥

15、水盾構(gòu)及土壓盾構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對比3.1.4.1泥水盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1）對地層的擾動小、沉降小。由于泥水盾構(gòu)利用泥水壓對抗掘削地層的地下水壓、 土壓 ,同時(shí)泥水滲入地層形成不透水泥膜,所以掘削土體對地層的擾動小 ,故地表沉降小。另需要化學(xué)注漿加固的部位的注入量小,故利于成本降低及減少環(huán)境污染。2)適于高地下水壓,江底、 河底、 海底隧道施工。上述場合下 ,泥水盾構(gòu)可選用面板型刀盤 ,所以增加了掘削的穩(wěn)定性 ,加上泥水壓對抗地下水壓的作用 ,故掘削面的穩(wěn)定性最可靠。3)適于大直徑化。由于泥水滲入地層的浸泡作用 ,致使掘削地層不同程度有些松軟,故盾構(gòu)的刀盤掘削扭矩小 ,所以同樣扭矩驅(qū)動設(shè)備的情況下 ,泥水盾構(gòu)的

16、直徑可以做得大。4)適于高速化施工。除組裝管片期間停止掘進(jìn)外,其他工序均可連續(xù)施工。5)適用土質(zhì)范圍寬。適用的土質(zhì)范圍為軟粘土層、 滯水細(xì)砂層、砂礫層、漂礫層、固結(jié)淤泥層及含甲烷氣體的特殊地層等等。最適于在洪積層砂性土中掘進(jìn)。6)掘進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)體的擺動小。由于泥水的浸泡作用,地層對刀盤的掘削阻力小,故盾構(gòu)機(jī)的水平、豎直擺動小。21.4.2 泥水盾構(gòu)的缺點(diǎn)1)成本高。由于設(shè)置泥水管理系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng),致使工序、設(shè)備復(fù)雜,成本高。2)排土效率低。由于通過泥水運(yùn)出掘削土砂,故出土效率不高。3)地表施工占地面積大并影響交通、市容。由于泥水配制系統(tǒng)、泥水處理(3次處理)系統(tǒng)的存在 ,致使地表占地面積大增

17、。有時(shí)受施工現(xiàn)場條件限制,無法滿足該占地需求。征地費(fèi)用大，影響交通、市容。4)不適于在硬粘土層中掘進(jìn)。在粘度大的硬粘土層中掘進(jìn)時(shí),易出現(xiàn)粘土粘附面板、槽口及出土管道,致使刀盤空轉(zhuǎn)、槽口及出土管道堵塞,導(dǎo)致地層隆起、沉降。5)不適于在松散卵石層中掘進(jìn)。對松散的卵石層 (孔隙率大、孔隙有效直徑大)而言,因無法形成泥膜，泥水損失量大 ,致使泥水壓低且不穩(wěn)定,即掘削面不穩(wěn)定。2.1.4.3 土壓盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1)成本低。因土壓盾構(gòu)工法無需象泥水盾構(gòu)那樣的泥水處理系統(tǒng),故設(shè)備少、 現(xiàn)場占地面積小、成本低。2)出土效率高。因排出的是泥土,故排土效率比泥水盾構(gòu)工法高。3)適用地層范圍寬。目前土壓盾構(gòu)工法幾乎對所

18、有地層均可適用。特別是大礫石、含礫率高、高水壓的地層幾乎其他盾構(gòu)均失效,惟有硅溶膠等泥土盾構(gòu)可以勝任。2.1.4.4土壓盾構(gòu)的缺點(diǎn)1)掘削扭矩大。因添加材的相對密度大( 1. 41. 6) ,故對掘削地層的浸滲作用小,所以掘削摩阻力大,即掘削扭矩大 ,致使盾機(jī)的裝備扭矩大、功耗大。2)地層沉降大。與泥水盾構(gòu)工法相比,土壓盾構(gòu)工法對周圍地層的擾動大,故地層隆起、沉降均較泥水盾構(gòu)略大。3)直徑不能過大。由于前兩個(gè)缺點(diǎn)的原因,致使土壓盾構(gòu)的直徑目前最大僅為11 m。62.2 盾構(gòu)選型要求2.2.1盾構(gòu)選型考慮的因素在選定盾構(gòu)時(shí)，不僅要考慮到地質(zhì)情況，還要考慮到盾構(gòu)的外徑、隧道的長度、工程的施工程序、

19、勞動力情況等，而且還要綜合研究工程施工環(huán)境、基地面積、施工引起對環(huán)境的影響程度等。選擇盾構(gòu)的種類一般要求掌握不同盾構(gòu)的特征。同時(shí)，還要逐個(gè)研究以下幾個(gè)項(xiàng)目：    (1) 開挖面有無障礙物；    (2) 氣壓施工時(shí)開挖面能否自立穩(wěn)定；    (3) 氣壓施工并用其它輔助施工法后開挖面能否穩(wěn)定；    (4) 擠壓推進(jìn)、切削土加壓推進(jìn)中，開挖面能否自立穩(wěn)定；    (5) 開挖面在加入水壓、泥壓、泥水壓作用下，能否自立穩(wěn)定；(6) 經(jīng)濟(jì)性。 盾選

20、型時(shí)通常需要判別盾構(gòu)工作面是否穩(wěn)定，布諾姆氏試驗(yàn)法是一種較為實(shí)用的判別方法。2.2.2盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)22.1根據(jù)地質(zhì)條件選擇盾構(gòu)機(jī)類型 砂質(zhì)土類自立性能較差的地層，應(yīng)盡量使用密閉型的盾構(gòu)施工。若為地下水較豐富且透水性較好的砂質(zhì)土，則應(yīng)優(yōu)先考慮使用泥水平衡盾構(gòu)；對粘性土，則可首先考慮土壓平衡盾構(gòu)。砂礫和軟巖等強(qiáng)度較高的地層自立性能較好，應(yīng)考慮半機(jī)械式或敞口機(jī)械式盾構(gòu)施工。 針對地下水條件，若其壓力值較高（大于0.1MPa），就應(yīng)優(yōu)先考慮使用密封型的盾構(gòu)，以保證工程的安全，條件許可也可采用降水或氣壓等輔助方法。對于礫徑較小的地層，可以考慮各種盾構(gòu)的使用。若礫徑較大，除自立性能較好的地層可考慮采用手

21、掘式或半機(jī)械式盾構(gòu)外，般應(yīng)使用土壓平衡盾構(gòu)，若需采用泥水平衡盾構(gòu)的話，須增加一個(gè)鱷式碎石機(jī)，在輸出泥漿前，先將大石塊粉碎。圖2-1地層顆粒級配與盾構(gòu)選型關(guān)系示意圖圖2-1中左邊白色區(qū)域?yàn)槁咽?、礫石、粗砂區(qū),為泥水平衡式盾構(gòu)適用的顆粒級配范圍;右邊灰色區(qū)域?yàn)榧?xì)砂淤泥黏土區(qū),為土壓平衡式盾構(gòu)適用的顆粒級配范圍。 22.2工期制約條件因?yàn)槭志蚴脚c半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī)使用人工較多，機(jī)械化程度低，所以施工進(jìn)度慢。其余各類型盾構(gòu)機(jī)因?yàn)槎际菣C(jī)械化掘進(jìn)和運(yùn)輸，平均掘進(jìn)速度比前者快。22.3造價(jià)制約因素一般敞口式盾構(gòu)機(jī)的造價(jià)比密閉式盾構(gòu)機(jī)低，在地質(zhì)條件允許的情況下，從降低造價(jià)考慮，宜優(yōu)先選用敞口式盾構(gòu)機(jī)。&

22、#160;22.4環(huán)境因素的制約敞口型的盾構(gòu)機(jī)引起的地表沉降大于網(wǎng)格式盾構(gòu)，更大于密閉式的掘進(jìn)機(jī)。 22.5基地條件的制約泥水平衡式的掘進(jìn)機(jī)必須配套大型的泥漿處理和循環(huán)系統(tǒng)，若需使用泥水平衡盾構(gòu)開挖隧道，就必須具備較大的地面空間。22.6設(shè)計(jì)線路、平面豎向曲線形狀的制約若隧道轉(zhuǎn)彎曲率半徑太小，就需考慮使用中間鉸接的盾構(gòu)。例如直徑為6m的盾構(gòu)，其長度也有何67m，如將其分為前后鉸接的兩段，顯然增加了施上中轉(zhuǎn)彎的靈活性。2.3 選擇適合北京直徑線的盾構(gòu)類型 2 .31 泥水盾構(gòu)方案 2. 311 盾構(gòu)類型與地層滲透性的關(guān)系 當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10 ms時(shí)，可選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)滲透系

23、數(shù)在l0一10 ms之間時(shí)，既可選用泥水盾構(gòu)，也可在碴土改良的情況下選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B 透系數(shù)大于10 ms時(shí)，宜采用泥水盾構(gòu)。北京鐵路 地下直徑線盾構(gòu)穿越地層的滲透系數(shù)為174×10 ms，大于10ms，采用泥水盾構(gòu)施工是可行的。 2. 312 開挖面穩(wěn)定與泥膜的形成 泥水盾構(gòu)利用泥漿作為支護(hù)材料，開挖面的穩(wěn)定 是通過泥漿滲透形成不透水的泥膜，通過泥水壓力來 平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力，開挖面的穩(wěn)定 與泥膜能否形成至關(guān)重要。在砂卵石地層中使用泥水 盾構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)就是泥膜形成困難。在砂卵石地層泥膜形成的方法除在泥水中加人膨潤土外，還應(yīng)加人增黏劑或加人聚丙烯酰胺或其它聚合物

24、等泥漿改良劑。當(dāng)加入泥漿改良劑后，泥水在向地層孔隙中滲透的同時(shí)，自身形成體積增大的團(tuán)粒與地層土顆粒吸附結(jié)合，對滲透形成阻力，該阻力隨 滲透距離的增大而增大，當(dāng)滲透距離達(dá)到某一定值時(shí)， 滲透阻力與泥水壓力平衡，滲流停止，形成滲透泥膜。 對于滲透泥膜而言，應(yīng)控制泥水的參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，使其成膜時(shí)間短于刀盤對應(yīng)的掘削時(shí)間。 2. 313 刀具的布置與砂卵石的破碎 在砂卵石地層，滾刀只能部分破碎砂卵石，不能對砂卵石進(jìn)行有效破碎。在刀盤上應(yīng)配置撕裂刀、切刀、周邊刮刀等刀具，撕裂刀為先行刀，超前切刀布置，先行切削地層，先對砂卵石進(jìn)行沖擊和撕裂，對砂卵石進(jìn)行部分破碎并解除地層對砂卵石的約束力，然后由超前量較小

25、的切刀切削剩余部分。經(jīng)撕裂刀松動和部分破碎的砂卵石，通過刀盤的刀口進(jìn)人泥水倉，在泥水倉內(nèi)通過破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎。2. 314 大直徑孤石的處理 直徑線地層預(yù)計(jì)最大砂卵石粒徑為280 mm左右， 且不能排除有大粒徑孤石的可能。對粒徑大于500 mm的孤石需人工處理。2. 32 土壓平衡盾構(gòu)方案 2. 321 盾構(gòu)類型與黏土含量的關(guān)系 當(dāng)?shù)貙又叙ね梁坎蛔?0時(shí) ，如若使用泥水盾 構(gòu)，則在開挖面上很難形成泥膜，開挖面易坍塌。直徑線地層細(xì)顆粒含量極少，0.074 mm以下粘土含量僅占 24，在送人的泥水中不使用添加劑，泥膜形成較困 難，因此使用泥水盾構(gòu)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。黏土含量不 足采用土壓平衡盾構(gòu)施

26、工，同樣具有風(fēng)險(xiǎn)。必須添加 大量的增塑劑來改變碴土的流塑性，才能確保盾構(gòu)的 正常推進(jìn)。 2. 322 開挖面穩(wěn)定與土壓平衡 土壓平衡盾構(gòu)是依靠推進(jìn)油缸的推力給土倉內(nèi)的土碴加壓，使土壓作用于開挖面使其穩(wěn)定，主要適用于 黏稠土壤的施工，掘進(jìn)時(shí)，由刀盤切削下來的土體進(jìn)人 土倉后由螺旋輸送機(jī)輸出，在螺旋機(jī)內(nèi)形成不透水的 土塞，保持土倉壓力穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)施工中，土倉 內(nèi)的碴土起著平衡開挖面水土壓力，支撐開挖面的作 用，應(yīng)具有良好的塑性變形、內(nèi)摩擦角小及滲透率小等 特點(diǎn)。在飽水的砂卵石地層，需使用添加劑進(jìn)行碴土 改良。其原理為將開挖土砂與添加劑在開挖面混合， 形成具有不透水和流塑性的碴土，通過調(diào)整推進(jìn)

27、速度 與螺旋輸送機(jī)的出土量，以此改變土倉內(nèi)碴土的充滿程度，調(diào)節(jié)土倉內(nèi)的碴土作用于開挖面的壓力，以確保 開挖面水土壓力的平衡。 2. 3 .2 方案比選 直徑線工程不論是選用土壓平衡盾構(gòu)還是 選用泥水盾構(gòu)都是可行的，但哪類盾構(gòu)更適用，從以下方面予以分析。 2. 32. 1 地表沉降大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工的困難在于難以有效地控制土倉內(nèi)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土壓力，難以達(dá)到理想 的碴土混合效果。由于直徑太大，泡沫堆積在土倉的 上部，較重的土體集中在土倉的下部。大直徑盾構(gòu)比 小直徑盾構(gòu)刀盤的轉(zhuǎn)速慢，更加劇了這種趨勢，要想碴 土達(dá)到同樣的攪拌效果，土倉中的碴土混合耗時(shí)長，這 導(dǎo)致掘進(jìn)過程中，螺旋輸送機(jī)內(nèi)的土體

28、的黏性變化劇 烈，從一開始的密質(zhì)，到掘進(jìn)一段時(shí)間后會變成漿液。 此外，在泡沫積累的過程中還可能造成氣體泄露。大 直徑土壓平衡盾構(gòu)的土倉壓力的控制精度不低于± 50 kPa，也就是說地表沉降會較高，不利于地面建筑物的安全。相反，泥水盾構(gòu)的壓力控制精度不受盾構(gòu)直徑大小的限制，不論直徑多大，泥水壓力的控制精度都是土10 kPa，地表沉降會低于5 mm。 2. 33. 2 裝機(jī)功率 土壓平衡盾構(gòu)的功率大部分用于土倉內(nèi)土體混合，泥水盾構(gòu)的裝機(jī)功率要比土壓平衡盾構(gòu)的功率小很多。 2. 3. 33 刀盤及刀具的磨損 土壓平衡盾構(gòu)高裝機(jī)功率的后果就是造成刀盤及刀具摩損嚴(yán)重，大部份功率都消耗在土倉內(nèi)土

29、體的混合和地層與刀盤及刀具之間的摩擦上。施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同直徑盾構(gòu)的兩種機(jī)型的磨損率和其裝機(jī)功率成正比，因此土壓平衡盾構(gòu)的刀盤及刀具的摩損比泥水盾構(gòu)嚴(yán)重，根據(jù)北京地鐵土壓平衡盾構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)，在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，由于砂卵石地層石英含量高，約每掘進(jìn)300500m需換刀一次,帶壓換刀不僅安全性差，而且嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。泥水盾構(gòu)的刀具在泥水環(huán)境中工作，由于泥水的冷卻與潤滑作用，刀具磨損較小，有利于長距離掘進(jìn)，可減少或避免中途換刀，不僅降低了盾構(gòu)法施工風(fēng)險(xiǎn)，更節(jié)省成本，且提高了施工進(jìn)度。 2. 3. 34 施工成本 大直徑土壓平衡盾構(gòu)的綜合施工成本比泥水盾構(gòu)高。 高裝機(jī)功率會帶來盾構(gòu)價(jià)格的增加，從使用成本來說，高裝機(jī)功率造成能源消耗增加，在電及冷卻水的消耗方面，土壓平衡盾構(gòu)比泥水盾構(gòu)要高，這種成本的增加相當(dāng)于地面泥水處理設(shè)備的成本。 大直徑土壓平衡盾構(gòu)需要借助其它設(shè)備運(yùn)碴土，土壓盾構(gòu)的碴土運(yùn)輸成本要略高于泥水盾構(gòu)。 土壓平衡盾構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用大約是泥水盾構(gòu)的兩倍，特別是刀具的更換費(fèi)用很高。 土壓平衡盾構(gòu)在砂卵石地層施工時(shí)，碴土的改良成本相當(dāng)昂貴，尤其細(xì)顆粒含量較低時(shí)，更是如此。 2. 3. 35 施工