北京地区地铁隧道施工用盾构机选型文档格式.docx

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2.2地铁隧道结构形式

北京市地铁隧道覆土厚度约为8～16m，埋深约为14～22m。

一般考虑采用节能型车站，隧道线形既有平曲线又有竖曲线。

地下水位高低不一，甚至隧道位于地下水位之上。

隧道结构可分为普通环和通用环两种形式（图1，图2）。

普通环形式为常用的标准环+左转、右转环（楔形环）方式，在直线段使用标准环，曲线段采用楔形环。

目前国内大部分城市地铁隧道均采用此种普通环拼装方式。

通用环形式是欧州常用的管片拼装方式，该方式只有1种楔形环，通过其不同组合实现直线和曲线管片拼装。

两种结构形式管片均由6块组成，本次北京市地铁五号线盾构施工标段即采用通用环拼装方式。

3地铁施工用盾构机选型基本原则

笔者经过对国际国内盾构施工技术的调查分析，针对北京市地铁隧道盾构法施工，认为盾构机选型时应遵循以下几项基本原则。

（1）盾构机技术水平先进可靠，并适当超前，符合我国国情

（2）所选盾构机应满足北京市地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，特别是要满足规划在2008年前必须完成的隧道工程施工的需要。

（3）能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。

（4）盾构机能够适应北京市地下构筑物众多的特点，必要时可实现隧道（盾构机）内清楚或撤换障碍物的施工。

（5）盾构机在设计方面应考虑北京市地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。

4盾构机选型考虑要素及注意点

4.1工程地属条件

（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。

另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。

再有，北京地区砂性土中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。

因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。

（3）砂卵石地层

北京地区的砂卵石地层一般级配良好，含砂率在25％～40％之间．盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难：

首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；

其次是大粒径砂卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；

再次是刀盘（刀具）和螺旋输送机以及密封舱内

壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。

因此盾构机选型时，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，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。

（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

对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。

4.2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（对于密封0.6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易）。

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。

有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。

因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。

4.3曲线施工

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。

设计在曲线段一般采用楔形管片，但为减少曲线施工对土层的干扰，笔者认为除采用楔形管片外，设计盾构机时还可以考虑采用油压分区控制、实现千斤顶可自由编组；

或采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决。

4.4地下构筑物众多

北京是一个拥有一千多万人口的特大城市，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。

北京又是一个古老的城市，除地下可能有大量文物外，旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。

而由于历史的原因，北京市城市建设档案管理相对滞后，很难弄清地下各种构筑物的分布状况。

工程勘测时，因钻孔距离的局限，隧道沿线总存在勘测的空当，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，会遇到各种障碍物或异物，并且往往不具备从地面进行处理的条件，给盾构掘进施工带来意想不到的困难。

盾构机选型时，应考虑北京地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。

4.5浅覆土及隧道穿越建筑物下方

隧道穿越建筑物下方，特别是旧有民房（穿越其它现存构筑物两者距离过近的情况也可划归此类），是城市隧道采用盾构法施工的首选原因；

另由于种种原因，地铁隧道总会有局部埋深不大，隧道覆土较浅的地段，故盾构机在上述条件下施工不可避免。

对此稍作分析即可知道，这两种情况下盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制土体（地面）沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。

根据盾构法施工经验．如果施工控制不好，确实会引起隧道前方或周边土体产生较大沉降与变形，造成地面房屋开裂或严重干扰相邻构筑物。

因而盾构机选型时，将盾构机配备控制土体沉降与变形的功能以及具有操作简便、灵巧等性能作为重点考察内容。

4.6同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进

根据北京地区地质条件，盾构机的使用寿命一般可达6km甚至10km以上，而盾构法隧道工程标段划分不会过大，估计在两个区间左右，即单线长度不大于4km，低于盾构机的使用寿命。

笔者认为应考虑我国国情，尽可能增加盾构机用于工程施工的长度。

故所选盾构机在确保适应北京各类地层施工的前提下，须充分考虑盾构机分块的合理性，既要保证盾构机的整体质量，又要满足便于组装、解体和搬运的要求。

5盾构机机型选择

5.1盾构机技术发展简要回顾

盾构机问世近180年，但得到迅速发展是在20世纪60年代以后。

纵览当今世界各国，盾构机综合技术水平首推日本（截至2002年10月，生产盾构机及TBM近8500台）和欧洲（截至2002年10月，生产盾构机及TBM近500台）最高。

盾构机由初期的手掘式发展到半机械式、全机械式，以及近30多年来高速发展的泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机等。

现代盾构机已在自动控制、激光导向、液压传动、开挖面压力控制、壁后同步注浆、盾尾密封、管片拼装、计算机数据采集等方面得到很大发展。

进入20世纪80年代后期，世界上又开发出既可用于软土地层又可用于岩石围岩的复合式盾构机；

开发出可转任意角度的复合子母式盾构机。

另外，盾构法隧道成型断面除圆形之外，多圆形、椭圆形、矩形及多室矩形也在实际工程中得到应用。

当今世界盾构机的技术水平已发展到相当高的阶段。

对于北京地区的地质条件．以及地铁隧道工程所穿越的区域，采用泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机均能满足隧道施工的需要。

5.2盾构机机型的确定

正如5.1节所述，采用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，均能满足北京市地铁隧道的施工，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。

泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水（浆）来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理。

该设备系统庞大，占地面积多，且价格昂贵。

加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。

由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂（如泡沫等），极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。

故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。

日本土木学会1997年修订《隧道标准规范（盾构篇）及解释》时，专门在日本全国境内对盾构机机型、使用地质条件以及工程应用数量等作了较全面的调查。

调查结果如图3～5所示。

由图3·

图5可见，加泥式土压平衡盾构机应用的台数最多，工程项目应用的数量最大，适应不同地质条件（粘性土、砂性土、砂砾石甚至软岩）的能力最强，特别是在砂砾地层（最大粒径超过5mmm）中的应用占绝对优势。

为进一步分析判断，笔者对国内各大城市地铁工程应用盾构机的机型也进行了调查，结果如表1所示。

由表1可清楚地看出，无论南方还是北方，国内地铁隧道工程使用的盾构机型均以加泥式土压平衡盾构机型（含复合式）为主。

尽管应用的地域或范围较广泛，地质条件相差较大，但据调查，该类机型均能较好地适应和顺利地完成地铁隧道的施工。

可见，国内地铁工程盾构机的应用实践，也证明了加泥式土压平衡盾构机具有良好的适应性。

笔者进一步对泥水式平衡盾构机和加泥式土压平衡盾构机的主要特性进行了比较，其内容与结果详见表2。

根据国外与国内盾构机实际应用现状和两种机型技术特性的比较结果，笔者认为，对于北京市地铁隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构机的技术经济比较合理，选型时宜优先考虑。

文章出处:

《现代隧道技术》

原作者:

乐贵平（北京市政集团）

北京地区地铁隧道施工用盾构机选型（中）

6加泥式土压平衡盾构机的基本技术（配置）

前节已详细阐明了采用加泥式土压平衡盾构机技术经济的合理性，下面针对北京市地铁隧道工程，笔者试提出盾构机的基本技术（配置）选择和要求。

6.1盾构机刀盘形式

盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为面板式和辐条式（复合式刀盘由这两种形式派生而出）刀盘两种形式。

针对北京的地质条件以及目前地铁隧道埋深不超过25m的情况，采用什么形式的刀盘将直接影响盾构机的掘进效果，而且造价相差约为盾构机造价的4％～8％。

因此笔者对两种型式的刀盘特性进行了比较。

比较结果表明，采用辐条式刀盘既能满足工程施工需要，保证有较好的掘进性能，又能节省设备投资（比较结果详见表3）。

6.2构机刀盘驱动方式

刀盘驱动方式是盾构机的重要组成部分，其承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务。

刀盘驱动系统也是盾构机内务系统中消耗功率较大的设备之一。

过去为了保证刀盘旋转切削土体的能力和效果，盾构机刀盘驱动方式多设计为液压驱动。

但随着变频电机技术的不断发展，逐渐在盾构机的设计中被采用，而且由于其具有明显的技术优势，同时价格也在逐年下降，应用于盾构机呈不断扩大的趋势。

笔者从盾构机刀盘驱动效串的高低，后续配备设备的多少，设备维护、保养的难易以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，认为北京地区隧道施工用盾构机，其刀盘的驱动方式以采用变频电机驱动方式为好。

盾构机刀盘驱动方式特性比较见表4。

6.3盾构机刀盘支撑方式

盾构机刀盘支撑方式如图6所示，一般有中心支撑，中间支撑和周边支撑三种方式。

采用何种方式，主要依据盾构机的直径和工程的地质条件。

中心支撑方式主要用于中小直径（直径≤φ7.5m以下）的盾构机，其对地质条件的适应性较好．中间支撑方式则主要用于中大直径（直径在Φ4.5～φ17.4m之间，有工程实绩）的盾构机，当直径不太大、地质条件为粘性土时，刀盘采用中间支撑方式易在支撑的中心部分粘附，并逐渐扩大形成俗称"

泥饼"

的现象，造成出土不畅与盾构机的阻力增大。

因北京市有大量的粘土层，若盾构机刀盘采用中间支撑方式，需对此给予充分注意和采取有效对策。

周边支撑方式则比较灵活，即可用于小直径盾构机，也可用于大直径盾构机，但也同样存在刀盘支撑位置处易于粘附的问题，需要采取相应的解决措施。

上述三种盾构机刀盘支撑方式中，前两种目前在盾构机中广泛应用，后一种使用尚不多。

故笔者仅对中心支撑方式与中间支撑方式进行比较。

根据笔者盾构法隧道的施工经验，以及查阅有关技术资料和与盾构机制造商进行专题研讨，对于外径为46.50m左右的盾构机，单就刀盘支撑结构的强度（含刚度）而言，盾构机刀盘采用中心支撑方式或中间支撑方式均能满足北京地区隧道施工要。

但是针对北京地铁隧道的规划线路和可能碰到的地质条件，这两种支撑方式对盾构机密封舱内切削土体的搅拌状态（反映切削土体在密封舱内的流动特性与平衡土压力的控制效果）、刀盘密封性能（反映主轴的使用寿命）等方面有较大的差异，若处理不当，会对盾构机的使用造成不利影响。

笔者结合北京市地质情况，对前述两个方面进行了比较。

6.3.1盾构机密封舱内切削土体搅拌状态

（1）中间支撑方式

如图7所示，由于中心支座的存在，将盾构机密封舱分隔成两个区域，中心区域直径约为3.5m，占密封舱内相当大的空间。

当刀盘旋转切削土体时，支座中心区域以外部分的土体流动顺畅，易于搅拌；

中心区域内的土体流动较差，当切削土体粘性较大或者所加泥浆搅拌不良并长期积聚于中心区域时，中心区域土体逐渐增多最终形成"

，完全丧失流动性。

内外两个区域的土体流动性差异较大，土体搅拌混合的效果难以确保。

综上所述，刀盘采用中间支撑方式的盾构机在粘性土（包括粉细砂）中施工时，若处理不好，密封舱内切削土体搅拌效果不易满足要求，并可能会因粘附堵塞形成"

，造成出土不畅、阻力增大、开挖面土压控制不稳定。

因而，盾构机掘进效果受到影响，且对控制地面沉降不利。

（2）中心支撑方式

如图8所示，盾构机刀盘旋转切削土体时，密封舱内土体的流动空间和被直接搅拌的范围大，土体流动顺畅，土体搅拌混合效果良好，引起堵塞的可能性较小，开挖面土压控制稳定。

因而，盾构机掘进效果较好，改善了盾构机控制地面沉降的性能。

6.3.2盾构机刀盘密封性能

;

盾构机向前掘进时，其刀盘一方面旋转切削土体．一方面随着盾构机向前方顶进。

中心支撑主轴和中间支撑主轴转动圈外周是不同的，即在相同转速下，密封材料所密封的长度不同。

因而在相同密封材料、相同密封方式、相同掘进长度以及相同掘进速度的条件下，对密封系统的磨耗完全不同（详见图9）。

按照盾构机刀盘的转速和盾构机推进速度的计算公式，可以求出两者差异。

计算公式如下：

（5）式表明，中心支撑的主轴转动圈外周长度仅为中间支撑的0.3倍，因此就密封系统的使用寿命而言，盾构机刀盘采用中心支撑比采用中间支撑有利。

根据比较与分析结果，从①盾构机密封舱内的土体的搅拌效果，确保在粘土、砂、砂卵石地层中推进均不易发生粘附堵塞；

②开挖面平衡土压控制稳定，地面沉降控制效果良好；

③可延长盾构机的使用寿命，降低工程造价等方面综合考虑，笔者认为盾构机刀盘支撑方式采用中心支撑方式优于中间支撑方式。

6.4加泥及加泡沫系统

加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。

正是采用该系统，对于不同地质的条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水、土压力又能向外顺畅排土，大大拓宽了盾构机的适应范围。

北京市东边大部分地区应用盾构法施工时，仅采用加泥系统就可满足隧道施工的要求。

由于北京市地铁规划所穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层，根据笔者的经验，盾构机在这种地质环境中掘进时，仅考虑采用加泥措施来改善切削土体流动性往往效果不佳，密封舱内切削土体寓析严重，盾构机经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大掘进效率降低，施工费用增加。

为适应前述地质环境的施工，可在加泥的基础上增加泡沫系统。

利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体渗透性，达到既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土的目的。

我集团公司在北京市无水砂卵石地层施工时，根据地质的变化，加泥或加泡沫或同时加入泥浆和泡沫的混合液，施工效果良好。

6.5螺旋输送机

螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，主要有以下三个功能：

（1）将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续排出。

（2）切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持密封舱内土压稳定。

（3）将盾构机密封舱内土压值的高低，自动（也可手动）与设定土压值比较，随时调整向外排土速度，控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构机连续正常向前掘进。

根据螺旋输送机的构造不同，可分为有中心轴的螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机。

比较国内外盾构法施工的业绩，可认为前者适用于一般性土、砂运输，后者适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。

虽然目前国内在盾构机用带式螺旋运输机的加工制造方面经验不多、技术尚不成熟，但国外已经大量采用，有相当丰富的设计和施工经验。

对于北京市地铁隧道施工，必然要遇到砂土层和砂卵石地层，同时还可能遇到少量的大颗粒卵石或漂石，为尽可能增加盾构机最大排出卵石（砾石）的能力，宜采用带式螺旋运输机。

6.6皮带运输机

皮带运输机与螺旋箱送机相接，盾构机密封舱内切削土体由螺旋输送机向外排出后，经皮带运输机输送到出碴斗车，再运往工作竖井外。

盾构机设计时，皮带运输机一方面向外运土，另一方面兼作吊运管片的承重结构。

因此，皮带运输机的长度要根据水平出土运输的施工组织而定，地铁施工用皮带运输机的长度一般为40m左右；

另外，皮带运输机的托架必须满足吊运5000kg的要求。

6.7壁后同步注浆系统

随着盾构机技术的不断应用和发展，广大工程技术人员逐渐深刻地认识到壁后注浆技术在盾构法隧道施工中的重要作用，若进行归纳，可以指出有以下几个作用：

（1）同步填充盾构机向前推进过程中管片逐渐脱出盾尾所产生的间隙（简称盾尾间隙，一般在60～100mm之间）。

（2）改善管片结构防水和抗渗性能。

（3）促进隧道管片结构及早稳定。

（4）限制隧道结构蛇行。

壁后同步注浆最重要的作用是第一项，盾构法隧道施工中能否及时填充盾尾间隙，是控制土体沉降的关键。

针对北京市地质条件、地铁隧道的埋深和隧道穿越地区地面建筑物的状况，笔者认为，盾构机同步注浆系统应具备单（包括惰性）、双液注浆的功能，才能可靠有效地控制地面沉降，确保地面建筑物的安全。

当隧道覆土深度不大、地面建筑物结构性差、沉降控制要求严格、以及隧道穿越地层地质不良、稳定性差时，必须采用壁后同步双液注浆。

所注入浆液不仅要求能够同步及时填满整个盾尾间隙，而且要求浆液迅速固结达到设计强度，满足抵抗土体变形下沉的需要；

当施工环境条件与前相反时，则可采用壁后同步单液（包括惰性）注浆，也能达到及时饱满填充盾尾间隙的要求和控制沉降的目的，这样做，技术经济上比较合理。

6.8盾尾密封系统

盾构机盾尾密封系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。

追溯盾构机的应用实践，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常不在盾构机头而在盾尾。

盾构机盾尾密封一般有刚性密封和柔性密封。

由于刚性密封对管片生产和管片拼装质量要求较高，逐渐被柔性密封取代。

对于北京地区的具体情况，盾构机采用内注密封油脂式钢丝刷柔性密封系统即可满足隧道施工要求。

钢丝刷密封系统柔度适中，适应性强，对管片及管片拼装质量要求一般。

盾构机掘进时，向盾尾连续注入优质盾尾密封油脂，可保证在0.5MPa的压力下，盾尾不会出现渗漏水和渗漏泥浆。

6.9管片正圆器

在直径大于5m以上的盾构法隧道中，拼装完好的管片在脱出盾尾后会产生下沉变形，影响管片最终拼装质量。

由于北京地区隧道施工要求较高，为保证管片在脱出盾尾后的最终拼装质量，建议采用管片正圆器对管片变形进行矫正和限制。

根据笔者经验，上下支撑式管片正圆器正圆效果较好，其示意见图10。

6.10数据采集系统与监控管理系统

为提高盾构机施工技术水平，国外已开发出性能优越的管理软件，其中盾构机挖掘数据管

理软件是应用最广泛的软件系统。

采用此系统，可输出周报、日报、环报以及掘进100mm为单位的挖掘管理数据；

有各种参数设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线等施工应用画面；

所有采集数据均能保存下来，供日后分析和判断。

6.11全自动监测与导向系统

随时掌握与分析盾构机在掘进过程的各种参数，是现代盾构机技术的一个主要部分，也是指导盾构机实现正常、顺利掘进不可缺少的条件。

如6.10节所述，先进的盾构机推进技术数据采集系统与监控管理系