地铁盾构的选型和使用综述文档格式.docx
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环宽：
1200mm、1500mm
管片厚度：
300mm、350mm
分块情况：
6块
二、盾构的选型
1、盾构选型的原则
盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一，盾构选型应从安全适应性（也称可靠性）、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构形式要能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件，同时还要综合考虑以下因素：
①可以合理使用的辅助施工法如降水法、气压法、冻结法和注浆法等。
②满足本工程隧道施工长度和线形的要求。
③后配套设备、始发设施等能与盾构的开挖能力配套。
④盾构的工作环境。
不同形式的盾构所适应的地质范围不同，盾构选型总的原则是安全性适应性第一，以确保盾构法施工的安全可靠；
在安全可靠的情况下再考虑技术的先进性，即技术先进性第二位；
然后再考虑盾构的价格，即经济性第三位。
盾构施工时，施工沿线的地质条件可能变化较大，在选型时一般选择适合于施工区大多数围岩的机型。
盾构选型时主要遵循下列原则：
①应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求。
②安全适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性。
③满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件。
④满足安全、质量、工期、造价及环保要求。
⑤后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。
⑥盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。
根据以上原则，对盾构的形式及主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构。
盾构选型是盾构施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工艺及施工成本，为保证工程的顺利完成，对盾构的选型工作非常慎重。
2、盾构选型的依据
盾构选型应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。
选型时的主要依据如下内容：
①工程地质、水文地质条件：
颗粒分析及粒度分布，单轴抗压强度，含水率，砾石直径，液限及塑限，N值，黏聚力c、内磨擦角，土粒子相对密度，孔隙率及孔隙比，地层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最高、最低、平均），地下水位的流速、流向，河床变迁情况等。
②隧道长度、隧道平纵断面形状和尺寸等设计参数。
③周围环境条件：
地上及地下建筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应情况等。
④隧道施工工程筹划及节点工期要求。
⑤宜用的辅助工法。
⑥技术经济比较。
3、盾构选型主要步骤
①在对工程地质、水文地质条件、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型；
对敞开式、闭胸式盾构进行比选。
②在确定选用闭胸式盾构后，根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。
③根据详细的地质勘探资料，对盾构各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动形式，刀盘结构形式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸，沉浸墙的结构设计与泥浆门的形式，破碎机的布置与形式，送泥管的直径等），并根据地质条件等确定盾构的主要参数。
盾构的主要技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径，刀盘开口率，刀盘转速，刀盘扭矩，刀盘驱动功率，推力，掘进速度，螺旋输送机功率、直径、长度、送排泥管直径，送排泥泵功率、扬程等。
④根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。
4、盾构选型的主要方法
4.1根据地层的渗透系数进行选型
地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。
通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；
当地层的渗透系数在10-7-10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；
当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。
根据地层渗透系数与盾构类型的关系，若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水盾构；
其他地层宜选用土压平衡盾构。
4.2根据地层的颗粒级配进行选型
土压平衡盾构主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工，在黏性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进人土仓后由螺旋输送机输出，在螺旋输送机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。
一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的的总量达到40％以上时，通常宜选用土压平衡盾构，相反的情况选择泥水盾构比较合适。
粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。
4.3根据地下水压进行选型
当水压大于0.3Mpa时，适宜采用泥水盾构。
如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土压下降，导致开挖面坍塌。
当水压大于0.3Mpa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度或采用一级螺旋输送机，或采用保压泵。
4.4盾构选型时必须考虑的特殊因素
盾构选型时，在实际实施时，还需解决理论的合理性与实际的可能性之间的矛盾。
必须考虑环保，地质和安全因素。
1）环保因素
对泥水盾构而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序，可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过汽车、船等工具运输弃渣，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形成了使用泥水盾构的一大困难。
降低污染保护环境是选择泥水盾构面临的十分重要的课题，需要解决的是如何防止将这些泥浆弃置江河湖海等水体中造成范围更大，更严重的污染。
要将弃土泥浆彻底处理可以作为固体物料运输的程度也是可以做到的，国内外都有许多成功的事例，但做到这点并不容易，因为：
1处理设备费，增加了工程投资。
②用来安装这些处理设备需要的场地较大。
③处理时间较长。
2）工程地质因素
盾构施工工程地质的复杂性主要反映在基础地质（主要
是围岩岩性）和工程地质特性的多变方面。
在一个盾构施工段或一个盾构合同标段中，某些部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，但某些部分又很适合选用泥水盾构。
盾构选型时应综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。
3）安全因素
从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，当隧道断面较大时，使用泥水盾构要比使用土压平衡盾构的效果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物或构筑物下及上软下硬的地层中施工时。
在这些特殊的施工环境中，施工过程的安全性是盾构选型时的一项极其重要的选择，如北京铁路地下直径线最终选择了泥水盾构。
5、盾构模式的选择
在选择盾构模式时，最重要的是要以保持开挖面稳定为基点进行选择。
为了选择合适的盾构模式，除对土质、地下水进行调查以外，还要对用地环境、竖井周围环境、安全性、经济性进行充分考虑。
近几年来，由竖井或渣土处理而影响盾构形式选择的实例不断增加。
另外，在一些实例中，施工经验也会成为盾构选型的重要因素。
因此，在选型时，要邀请具有制造同类盾构经验的国内外知名盾构制度商进行技术交流；
可邀请国内盾构隧道设计、科研、施工方面专家进行选型论证和研究，并参照类似工程和盾构选型及施工情况。
5.1土压平衡盾构
土压盾构主要适用于粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工，在黏性土层掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出，在螺旋输送机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。
盾构向前推进的同时，螺旋输送机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。
排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。
当含砂量超过某一限度时，泥土的流塑性明显变差，土仓内土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送，需向土仓内注水、泡沫、泥浆等添加材料，以改善土体流塑性。
在砂性土层施工时，由于砂性土流动性差，砂土磨擦力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓内压力不易稳定，须进行渣土改良。
根据以上叙述，土压平衡盾构主要分为两种：
一种是适用于含水量和粒度组成比较适中，开挖面土砂可直接注入土仓及螺旋输送机内，从而维持开挖稳定的土压式盾构；
另一种是对应于砂粒含量较多而不具有流动性的土质，需通过水、泡沫、泥浆等添加材料使泥土压力可以很好地传递到开挖面的加泥式土压平衡盾构。
土压平衡盾构根据土压力的状况进行开挖和推进，通过检查土仓压力不但可以控制开挖的稳定性，还可以减少对周围地基影响。
土压平衡盾构一般不需要实施辅助工法。
加泥式土压平衡盾构可以适用于冲积砂砾、砂、粉土、黏土等固结度比较低的软弱地层，洪积地层以及软硬不匀地层；
在土质方面的适用性最为广泛。
但在高水压下（大于0.3Mpa），仅用螺旋输送机排土难以保持开挖面的稳定性，还需安装保压泵或进行切削土的改良。
5.2泥水盾构
泥水盾构通过施加高于开挖水土压力的泥浆压力开挖的稳定。
除泥浆压力外，合理地选择泥浆的状态也可增加开挖面的稳定性。
泥水盾构比较适合于河底、江底、海底等高水压条件下的隧道施工。
泥水盾构使用送排泥泵通过管道从地面直接向开挖面进行送排泥，开挖面完全封闭，具有高安全性和良好的施工环境，既不对围岩产生过大的压力也不会受到围岩压力的反压，对周围地基影响较小，一般不需辅助施工。
特别是在开挖断面较大时，控制地表沉降方面优于土压平衡盾构。
根据控制开挖面泥浆压力方式的不同，泥水盾构有两种：
一种是日本体系的直接控制型；
另一种是德国体系的间接控制型（即气压复合控制型）。
直接控制型的泥水仓为单仓结构形式；
间接控制型的泥水仓为双仓结构，前仓称为开挖仓，后仓称为气垫调压仓，开挖仓内完全充满受压的泥浆后平衡外部水土压力。
开挖仓内的受压泥浆通过沉浸的下面与气垫仓相连。
隧道开挖过程中，直接控制型泥水盾构开挖仓内的泥水压力波动较大，一般在±
（0.5～1.0）×
105Pa之间变化。
间接控制型泥水盾构的气垫调压仓通过压缩空气系统精确地进行控制和调节压力，开挖仓内的压力波动较小，一般为±
（1～2）×
104Pa，泥浆管路内的浮动变化将被准确、迅速平衡，减少了外界压力的变化对开挖的稳定造成的影响。
6、刀盘结构形式的选择
6.1刀盘的主要功能
刀盘主要功能具有以下三大功能：
①开挖功能。
刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土通过刀盘的开口进入土仓。
②稳定功能。
支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能。
③搅拌功能。
对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的渣土具有一定的塑性，然后通过螺旋输送机将渣土排出；
对于泥水盾构，通过刀盘和旋转搅拌作用，将切削下来的渣土与膨润土泥浆充分混合，优化了泥水压力的控制和改善了泥浆的均匀性，然后通过排泥管道将开挖渣土以流体的形式泵送到设在地面上的泥水分离站。
6.2刀盘的结构形式
刀盘的结构形式一般有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。
泥水盾构一般都采用面板式刀盘；
土压平衡盾构则根据土质条件不同可采用面板式、辐条式二种。
对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。
面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制直入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，因而土压管理困难，由于受面板开口率的影响，渣土进入土仓不顺畅、易黏结和易堵塞，且刀具负荷大，使用寿命短。
在黏土层施工时，如果采用面板式刀盘，则由于刀盘支承将土仓分隔成两个区域，当刀盘旋转切削土体时，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，当切削土体黏性较大并长期积聚于中心区域时，中心区域土体逐渐增多并最终形成泥饼，会完全丧失流动性，造成出土不畅、阻力增大、开挖面压力控制不稳定，对控制地面沉降不利。
辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止黏土附着，不易黏结和堵塞；
由于没有面板的阻挡，渣土从开挖面进入土仓时没有土压力的衰减，开挖面土压等于测量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效地控制地面沉降；
同时刀具负荷小，寿命长。
辐条式刀盘仅有几根辐条，切削下来的土体直接进入土仓，没有压力损失，同时辐条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制。
因此辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘较强；
辐条式刀盘也能安装滚刀在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层掘进时，也可采用辐条式刀盘。
辐条式刀盘上的滚刀一般设计成与先行刀可互换式，可根据地质的需要将滚刀换装成先行刀。
同时，辐条式刀盘也可换成面板式刀盘，在辐条之间安装可拆卸的面板，即可变为面板式刀盘。
7刀具的种类与破岩机理
7.1刀具的种类
盾构的掘进刀具一般按以下进行分类。
1）滚刀
滚刀分齿形滚刀和盘形滚刀。
齿形滚刀主要有球齿滚刀和楔齿滚刀两种，常用于软岩；
盾构上应用较广的是盘形滚刀。
盘形滚刀圈的数量公有单刃、双刃、多刃等三种形式。
在风化的砂岩及泥岩等较软岩地层时，一般采用双刃滚刀，较硬岩采用单刃滚刀。
盘形滚刀按刀圈材质分为耐磨层表面刀圈、标准钢刀圈、重型钢刀圈、镶齿硬质合金刀圈滚刀等，并分别适应于不同的地层。
①耐磨层表面刀圈：
适用于掘进硬度40MPa的紧密地层，硬度80∼100Mpa的断裂砾岩、砂岩、砂黏土等地层。
②标准钢刀圈：
适用于掘进硬度50∼100Mpa的砾岩、大理石、灰岩地层。
③重型钢刀圈：
适用于掘进硬度120∼250Mpa的硬岩，硬度80∼150Mpa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。
④镶齿硬质合金刀圈：
适用于掘进硬度高达150∼250Mpa的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。
2）切刀
切刀安装在刀盘开口槽的两侧，也称刮刀。
用来切削未固定的土壤，并把切削土刮入土仓中，刀具的形状和位置按便于切削地层和便于将土仓来设计，在同一个轨迹上一般有多把切刀同时开挖。
切刀的宽度使得每把刀的切割削轨迹之间有一定的重叠。
目前最有效的切刀为双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发挥作用。
同时地刀具的背部设有双排碳钨合金柱齿。
切刀在刀盘上的安装采用背装式，可以从开挖仓内拆卸和更换。
3）先行刀
先行刀一般安装在辐条中间的刀箱中。
采用背装式，可从土仓进行更换。
先行刀超前切刀布置，使得先行刀超前先切削地层，从而保护切刀并避免其先切削到砾石或块石地层。
先行刀主要有三种形式：
贝壳刀、撕裂刀、齿刀。
日本盾构较常采用贝壳刀，德国海瑞克公司盾构较常采用齿刀，加拿大罗威特公司和法国NFM公司盾构较常采用撕裂刀。
先行刀在切刀接触地层之前特别是较硬的地层之前先松动地层。
一般切削宽度较窄，从而使得先行刀在砾石地层中有更高的切削率。
先行撕裂刀除先行将致密的土层松动外，同时还起击碎砂卵石的作用，先行刀还能起到延长切刀寿命的作用。
先行刀按刀盘双向转动设计，齿刀和撕裂刀可安装在一个特殊设计的刀箱中，允许根据刀盘的转动方向做适当的微动，这种微动的设计主要用来减少先行刀侧面的磨损。
必要时，齿刀和撕裂刀的刀座可设计成与滚刀可互换的结构。
4）周边刮刀
也称铲刀，安装在刀盘的外圈，用于清除边缘部分的开挖渣土防止沉积、确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。
该刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一个双排碳钨合金柱齿，用于增强刀具的耐磨。
确保即使在掘进几公里之后刀盘仍然有一个正确的开挖直径。
周边刮刀采用背装式，可从土仓内进行更换。
对于周边刮刀而言，单排连续碳钨合金刀齿是足够的，因为周边刮刀仅其端部切削地层，而切刀在整个宽度范围切削地层。
5）仿形刀
仿形刀安装在刀盘的外缘上，通过液压油缸动作，采用可编程控制，通过刀盘回转传感器来实现。
驾驶员可以控制仿形刀开挖的深度（即超挖的深度），以及超挖的位置。
例如：
决定要对左侧进行扩挖以便盾构向左转弯时，那么仿形刀只需在左侧伸出，扩挖左侧水平直径线上、下45°
的范围便可以了。
8、刀盘驱动方式的选择
刀盘的驱动方式有三种：
一是变频电机驱动；
二是液压驱动；
三是定速电机驱动。
鉴于定速电机驱动，刀盘转速不能调节，目前一般不采用。
变频驱动与液压驱动的比较见下表。
刀盘驱动方式比较表
项目
①变频方式
②液压方式
备注
驱动部外形尺寸
大
小
一般①：
②=（1.5～2）：
1
后续设备
少
多
②需要液压泵、油箱、冷却装置等
效率（％）
95
65
液压传动效率低
起动电流
①变频起动电流小
②无负荷起动电流小
起动力矩
起动力矩达到额定力矩的120％
起动冲击
较小
①利用变频软起动，冲击小；
②控制液压泵排量，可缓慢起动，冲击较小
转速控制、微调
好
①变频调速
②控制液压泵排量，可以控制转速和进行微调
噪声
液压系统噪声大
隧道内温度
低
高
液压系统传动效率低，功率损耗大，温度高
维护保养
容易
较困难
液压系统维护保养要求高，保养较复杂
液压驱动具有调速灵活，控制简单、液压马达体积小、安装方便等特点，但液压驱动效率低、发热量大。
变频驱动具有发热量小、效率高、控制精确等优点，在工业领域应用较广。
虽然目前的中小型盾构的刀盘驱动较常用液压驱动，大直径盾构较常用变频驱动，但由于变频驱动效率高，从节能方向及发展趋势来看，变频电机驱动方式是刀盘驱动今后的发展方向。
9、施工辅助设备的选择
盾构及后配套拖车上设备以外的设备称为施工辅助设备。
施工辅助设备因围岩条件、施工环境及施工方法的不同而不同。
一般包括材料堆放场、渣土运输设备、材料运输设备、电力设备、照明设备、通信设备、通风设备、竖井升降设备、给排水设备、消防设备、砂浆拌和设备、地基加固设备、起重设备、始发（到达）与调头设备、泥水处理设备等。
施工辅助设备应结合工程的特点和施工环境进行优化配备。
通风设备应符合以下要求：
一次通风宜采用压入式通风，风管采用软管，管径根据隧道断面、长度、出渣方式确定。
根据计算风量和风压，结合通风方式及通风设备的布置，宜采用轴流式通风机。
长距离通风时，为满足风压的要求，宜采用相同型号的风机等距离间隔串联方式。
施工区域的风速不宜低于0.3m/s。
三、盾构设备的监造
盾构机结构件要在工厂加工制造、进行组装、调试和验收，验收合格才可以出厂，运输到工地组装调试。
其进口零部件、液压和气路管线、电气元器件等数以万计，盾构机的正常设计制造周期长达8、9个月，有的甚至一年半以上。
在盾构机采购合同中对工厂监造作了相关规定，因此，它是履行合同的一项重要工作，监造技术牵涉金属加工工艺、机电、液压、PLC等多个专业，要使盾构机监造改造起到好的效果必须加强理论学习，使图纸、制造、工地情况有机结合。
特别对于大型、异型盾构机的监造工作施工单位更应该引起足够的重视。
（一）监造的主要目的和意义
1、监控盾构机制造质量。
按照合同规定对进口或国产部件质量检验，对钢结构加工工艺、制造质量进行检验，以确保符合合同和产品质量要求。
2、监控制造工期、进度。
监控盾构机加工、到货、组装等各阶段工期进度，及时发现工厂在加工制造安排方面的问题，督促安排生产。
3、加强与施工项目技术联络。
对工地、厂家架设起联络的技术和业务桥梁，对于双方技术改进的联络沟通、确认至关重要。
4、发现并协调解决盾构机内部质量问题。
盾构机的制造如同工程建设，存在许多内部的“隐蔽性工程”如果不及时学习、及时监造，内部情况就不掌握，一旦遇到内部故障只能束手无策，乱加猜测，或者拆东拆西。
如果监造不到位，则内部各部件的加工、安装质量没有记录，给今后盾构机进洞掘进留下故障隐患。
5、对技术人员进行培训学习。
设备技术人员通过现场制造、组装过程，结合理论组织学习和培训，有利于对盾构机的理解、操作、维保等专业技术水平得以提高。
6、利于组织工地组装和掌握盾构组装配件情况。
通过工厂监造、组装、调试的学习，可以熟悉组装部件和到货情况，便于盾构机工地组装、调试和质量检验，对今后配件管理、故障分析诊断有积极意义。
（二）监造的三个阶段和各阶段工作任务
盾构机监造一般分三个阶段，即工厂开始刀盘、盾体等钢结构件生产加工到主轴承运输到工厂为第一阶段；
80%以上主要部件到达工厂并开始组装为第二阶段；
组装行将结束到调试、解体为第三阶段。
人员安排视盾构机和项目进展实际情况而定，主要是机械、电气、液压技术工程师和安装、维护保养、操作人员。
1、第一阶段工作任务。
熟悉图纸；
了解加工工艺；
了解工厂制造工期各阶段安排；
了解和督促外购件、外协件合同签订及履行情况（尤其主轴承等大型、关键性部件）；
对到厂部件进行工厂检验。
2、第二阶段工作任务。
监控部件到场情况，对部件进行检验；
对加工件进行质量监控和检验；
严格监控各部件把合质量；
对质量问题进行跟踪；
了解组装工艺和安排。
3、第三阶段
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