地铁盾构机选型报告Word文档格式.docx

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（18）《天津地铁8号线一期工程场地地震安全性评价报告》

（19）《天津地铁8号线一期工程建设用地地质灾害危险性评估报告》《天津市城市总体规划（2005-2020）》

1.2编制说明

按照“技术领先、设备可靠、经济适用”相结合的指导思想为原则，根据天津地铁8号线一期工程沂山路站～长泰河东站、长泰河东站～渌水道站地下区间施工的特点、重点、难点，及盾构机的性能与地质条件的适应性，对盾构机进行选型。

为确保盾构机能更好的适应本标段盾构施工，特编制本方案。

二、工程概况

2.1沂山路站～长泰河东站区间

沂山路站～长泰河东站右线设计起讫里程为右CK32+541.194～右CK33+181.855，区间右线全长640.661m；

左线设计起讫里程为左CK32+541.194～左CK33+181.635，其中短链长1.701m，区间左线全长638.740m。

沂山路站～长泰河东站从沂山路站出发，向东敷设，穿越陈塘热电厂、中水北方设计院后横穿洞庭路及长泰河，最终到达长泰河东站，圆形隧道结构内径为5900mm，外径为6600mm。

沂山路站～长泰河东站平面右线含3处曲线，曲线半径分别为800m、550m、1200m；

线路竖向呈V字坡，纵坡分别为：

25‰下坡、21.748‰上坡；

隧道结构覆土厚度在11.28m～18.42m之间；

区间于右CK32+848.000设置1座联络通道兼泵房。

区间平面左线亦含3处曲线，曲线半径分别为800m、550m、1500m；

25‰下坡，21.877‰上坡；

隧道结构覆土厚度在11.28m～18.42m之间。

沂山路站～长泰河东站结构型式为圆形隧道，采用盾构法施工，左右线盾构推进均为沂山路站始发，长泰河东站接收。

2.2长泰河东站～渌水道站区间

长泰河东站～渌水道站设计起讫里程为CK33+592.383～CK35+197.487，区间右线全长1605.104m，左线区间长1625.777米。

长泰河东站～渌水道站区间从长泰河东站出发，隧道沿泗水道向东敷设，至泗水道与榆林路交口后以350m的曲线半径向南转弯，下穿桂江里住宅楼后行进至微山路，沿微山路向东南方向敷设，最终到达渌水道站，圆形隧道结构内径为5900mm，外径为6600mm。

长泰河东站～渌水道站平面右线含四处曲线，曲线半径分别为2000m、2000m、350m、600m；

线路竖向呈V字坡，区间纵坡分别为：

25‰、14‰下坡，6.184‰、24‰、4‰上坡。

隧道结构覆土厚度在12.2m～25.08m之间。

长泰河东站～渌水道站区间结构型式为圆形隧道，采用盾构法施工，长泰河东站左线始发，右线接收，禄水道站左线接收，右线始发。

长泰河东站～渌水道站区间于右CK34+720设置一座联络通道，在右CK34+160.000设置一座联络通道兼泵房。

2.3地质概况

根据本次勘察揭示，本线路所揭示的地基土为第四系全新统、更新统人工填土层～上更新统的河床～河漫滩相沉积、浅海相沉积、滨海-潮汐带相等沉积物，岩性主要为黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等。

依据《天津市地基土层序划分技术规程》（DB/T29-191-2009），根据所揭示地层深度、性状特征、物理力学性质等，将本区段沿线揭示地层划分为26个层。

各土层主要呈层状分布，局部分布的次亚层多为透镜体状或条带状分布。

本工程场地地基土具体的埋藏分布特征，现自上而下对各土层的埋藏特征及工程地质描述分述之：

1）人工填土层（Qml）

全场地均有分布，底板标高为2.44～2.87m。

①1杂填土：

呈杂色，松散状态，以路基填土为主，由砖块、砼渣、废土等组成，广泛分布，层厚1.10～3.60m，层顶标高2.44～2.87m，层底标高-1.08m～1.58m。

人工填土土质结构性差，欠均匀，填垫年限一般大于十年，局部近期人为扰动。

2）第Ⅰ陆相层（Q43al）

河床～河漫滩相沉积，全场地均有分布，顶板标高为-2.44～1.58m，该层从上而下可分为2个亚层。

④1粉质黏土、黏土：

呈黄褐色，软-可塑状态，无层理，含铁质，属中-高压缩性土，局部夹流-可塑状粉质黏土、淤泥质土，广泛分布，层厚0.90～3.50m，层顶标高-2.44～1.58m，层底标高-3.34～-0.50m。

④2黏质粉土：

呈黄褐色，很湿，稍密状态，无层理，含铁质，属中压缩性土，局部分布，层厚0.40～3.30m，层顶标高-1.93～0.81m，层底标高-2.49～-1.72m。

3）第Ⅰ海相层（Q42m）

浅海相沉积，全场地均有分布，顶板标高为-3.34～0.59m，该层从上而下可分为4个亚层。

⑥1粉质黏土：

呈灰色，流～软塑状态，含云母、有机质、碎贝壳，夹黏土、粉土，属中-高压缩性土，分布广泛，层厚0.90～4.90m，层顶标高-3.34～0.59m，层底标高-7.34～1.73m。

⑥2淤泥质土：

呈灰色，流塑状，有层理，含云母、有机质、碎贝壳，以淤泥质黏土为主，局部夹流-软塑状粉质黏土，本层为软弱下卧层，属高压缩性土，局部钻孔揭示，层厚0.40～2.90m，层顶标高-8.96～-1.73m，层底标高-11.26～-3.33m。

⑥3黏质粉土：

呈灰色，很湿，稍密状态，有层理，含云母、碎贝壳，夹粉质黏土、粉砂薄层，属中-高压缩性土，分布广泛，层厚0.90～10.40m，层顶标高-10.75～-1.72m，层底标高-12.99～-4.62m。

⑥4粉质黏土：

呈灰色，流-可塑状态，有层理，含云母、碎贝壳，局部夹淤泥质土，属中-高压缩性土，分布广泛，层厚0.80～4.00m，层顶标高-11.93～-6.88m层底标高-12.93～-10.54m。

4）第Ⅱ陆相层（Q41h）

湖沼相沉积，全场地均有分布，顶板标高为-12.99～-10.89m。

⑦粉质黏土：

呈黑灰～浅灰色，流-可塑状态，无层理，含有机质、腐植物，属中压缩性土，局部夹黏土或粉土透镜体，顶部为泥炭层。

广泛分布，层厚0.60～2.30m，层顶标高-12.99～-10.89m，层底标高-14.69～-11.74m。

5）第Ⅱ陆相层（Q41al）

河床～河漫滩相沉积，全场地均有分布，顶板标高为-16.06～-12.59m，该层从上而下可分为2个亚层。

⑧1粉质黏土：

呈灰黄～褐黄色，软-可塑状态，无层理，含铁质，底部局部砂性大，属中压缩性土。

局部夹黏土、黏质粉土透镜体。

广泛分布，层厚0.50～4.30m，层顶标高-16.06～-12.59m，层底标高-18.29～13.70m。

⑧2砂质粉土：

呈灰黄-褐黄色，中密状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

局部夹黏质粉土透镜体。

局部钻孔缺失，层厚0.80～4.60m，层顶标高-18.29～-13.89m，层底标高-20.44～-16.75m。

6）第Ⅲ陆相层（Q3eal）

河床～河漫滩相沉积，全场地均有分布，顶板标高为-25.57～-16.34m，该层从上而下可分为2个亚层。

⑨1粉质黏土：

呈褐黄色，软～可塑状态，无层理，含铁质，属中压缩性土。

局部夹砂质粉土、粉砂、黏土、黏质粉土透镜体。

广泛分布，层厚0.60～10.00m，层顶标高-25.57～-16.34m，层底标高-27.37～-17.96m。

⑨2粉砂：

呈褐黄色，中密～密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。

局部夹砂质粉土、细砂透镜体。

广泛分布，层厚0.60～8.00m，层顶标高-27.04～-16.69m，层底标高-28.44～-17.59m。

本场地浅层地下水类型主要为第四系孔隙潜水，赋存于Ⅱ陆相层及以下的粉土、砂层的地下水具承压性，为承压水。

上部潜水，地下水埋藏较浅，勘察期间本段潜水静止水位埋深0.90～2.20m（高程0.24～1.77m），主要赋存于人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层的黏性土及粉土中，含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。

接受大气降水和地表水入渗补给，地下水具有明显的丰、枯水期变化，丰水期水位上升，枯水期水位下降，多年变化平均值0.8m。

主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。

排泄方式主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。

第一承压含水层主要赋存于⑧2、⑨2、⑩2砂质粉土、粉细砂层中。

第二承压含水层主要赋存于⑪2、⑪4砂质粉土、粉细砂层中，两承压含水层间夹有多层黏性土相对隔水层，其间在CK34+300～CK34+700范围内，第一承压含水层⑩2砂质粉土与第二承压含水层⑪21粉细砂相互连通。

承压水的渗透补给，与潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水。

本区段对长泰河东站做了水文观测，其水位观测孔水位标高如下：

第一承压含水层水头大沽标高为-0.179m。

第二承压含水层水头大沽标高为-1.95～-1.87m。

（3）地下水的腐蚀性评价

根据《岩土工程勘察规范》（2009版）（GB50021-2001），本场区地下水（潜水）的腐蚀性综合评判结果如下：

按环境类型，在有干湿交替作用情况下对混凝土结构具弱腐蚀性，在无干湿交替作用情况下对混凝土结构具微腐蚀性，按地层渗透性水对混凝土结构具微腐蚀性；

地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水环境中具微腐蚀性，在干湿交替环境中具中腐蚀性，场区其他位置具弱腐蚀性。

天津地区系水网化平原区，地下水位埋深较浅且土层毛细作用明显，结合本地区气象水文条件，地下水位以上土层的腐蚀性可按上述水的腐蚀性考虑。

（4）场地类别

依据国家标准《城市轨道交通结构抗震设计规范》（GB50909-2014）的规定，判定本段场地土为中软土，场地类型为Ⅲ类。

详细勘察阶段进一步进行场地波速实测和场地类型评价。

由《软土地区岩土工程勘察规程》（JGJ83-2011）第6.3.4条，拟建场地等效剪切波速≥140m/s，可不考虑震陷的影响。

（5）液化判别

在抗震设防烈度8度条件下，④2黏质粉土、⑥3黏质粉土、⑥3粉砂、⑦02黏质粉土、⑧2砂质粉土及⑧23粉细砂为液化土层，本场地为轻微～中等液化场地。

（6）特殊土及土壤冻结深度

1）填土：

场地表层分布有人工填土，以杂填土及路基填土为主，厚度变化较大，成分复杂，分布不均匀。

路基填土含碎石块、三合土，经压实，工程性质较好；

杂填土含砖块、灰渣、碎石、建筑垃圾等，素填土多以黏性土为主，密实程度差且不均一，工程性质差，厚层填土对地下连续墙成槽、基坑开挖及支护有较大影响。

2）软土：

本场地分布⑥2淤泥质土及软～流塑状⑥21粉质黏土层夹层，具高含水量，高灵敏度、高压缩性及低强度等特点，主要分布于CK33+900～CK34+200及CK34+500～CK35+220范围内，厚度约0.4～2.9m，天然含水量ω=41.6%，孔隙比e=1.130，液性指数IL=1.19，压缩系数0.699MPa-1，压缩模量3.15MPa。

这些软弱黏性土层具高含水量，高灵敏度、高压缩性及低强度等特点，极易发生蠕动和扰动，工程性质差，厚度较大，对本工程影响较大。

3）土壤冻结深度

根据区域气象资料及《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）附录F，本场区标准冻结深度0.60m。

2.4周边建构筑物

沂山路站～长泰河东站区间从沂山路站出发，向东敷设，穿越陈塘热电厂、中水北方设计院后横穿洞庭路及长泰河，最终到达长泰河东站。

沂山路站～长泰河东站区间沿线的主要建筑物为中水北方设计院的仓库、食堂、报告厅及1-6层多层办公楼，此外区间穿越的现在道路少涉及市政管线较少，主要为输配水、供电、雨水管，且地下管线埋深均在3m以内。

长泰河东站～渌水道站区间左线从长泰河东站出发，隧道沿泗水道向东敷设，至泗水道与榆林路交口后以400m的曲线半径向南转弯，下穿桂江里住宅楼后行进至微山路，沿微山路向东南方向敷设，最终到达渌水道站。

长泰河东站～渌水道站区间沿线侧穿的主要建筑物有：

1、华江里住宅楼，与区间水平最小净距7.2m；

2、三水南里住宅楼，与区间水平最小净距11.8m；

3、高压塔，与区间水平最小净距1.25m；

4、桂江里住宅楼，与区间水平最小净距1.94m。

5、高压塔，与区间水平最小净距2.42m

长泰河东站～渌水道站区间下穿的主要建筑有：

1、桂江里6层住宅楼，与区间竖向最小净距16.72m；

2、海咸变电站，与区间竖向最小净距15.85m。

3、桂江里7层连排住宅楼，与区间竖向最小净距8.68m；

此外泗水道、微山路下方市政地下管线密集，除一根φ800污水管埋深3.22m、两根φ1000污水管埋深3.12m、一根直径1000雨水管埋深3.58m，一根直径400污水管埋深分别3.75m，其余地下管线埋深均在3m以内。

三、本工程重点难点分析

本区间沿线的主要建筑物为中水北方设计院的仓库、食堂、报告厅及1-6层多层办公楼，此外区间穿越的现在道路少涉及市政管线较少，主要为输配水、供电、雨水管，且地下管线埋深均在3m以内。

经综合分析得出：

本区间风险源为均在Ⅱ级以下，无重大风险源，地下管线对区间施工影响不大。

因此在施工过程中，应控制好地表沉降，保证其可能影响范围内的道路、建（构）筑物和地下管线的安全。

四、针对本工程不同类型盾构对比分析

4.1盾构机的特点：

（1）泥水加压式盾构

泥水盾构的工作原理是：

盾构机将按一定要求配制的膨润土或粘土浆液，通过泥浆泵、输浆管以一定的压力从洞外送到开挖工作面，泥浆压力稍高于开挖面土压和水压，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于工作面上的土压力和水压力，使工作面保持稳定；

与此同时，刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体，通过泥浆管送至地面的泥渣分离场；

经分离后的废渣运出工地，分离后的工作泥浆重复循环利用，必要时补充新的泥浆。

泥水盾构主要针对于无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可以适用于各种软弱地层的施工。

（2）土压平衡式盾构

土压平衡盾构机的工作原理是：

将开挖的土体进行泥土化处理，工作面的稳定是通过土体自身和由盾构千斤顶压力控制土仓内泥土压力来维持平衡。

与泥水盾构机不同的是，切削下来的土渣由螺旋输送机进行排土，土压平衡盾构机适用于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。

土压平衡盾构机分为两种，一种是土压式盾构机，另一种是泥土加压式盾构机。

土压盾构机工作原理是：

将刀盘开挖的土砂充满土仓，由盾构机千斤顶推进加压，使土压作用于工作面，以稳定工作面。

这种盾构机适用于仅需要切刀开挖且含砂量小的塑性流动性软弱土。

泥土加压式盾构机装备有注入添加剂的机构，和强力搅拌添加剂和渣土的机构，对渣土进行改良，以促进开挖渣土流动性；

添加剂的种类有膨润土、发泡剂等。

这种盾构机适用地层范围广，使用很多。

4.2盾构机类型适应性分析

比较项目

加泥式土压平衡盾构

泥水加压式盾构

稳定开挖面

保持土仓压力，维持开挖面土体稳定

有压泥水能保持开挖面地层稳定

地质条件适应性

在砂性土等透水性地层中要有土体改良的特殊措施

无需特殊土体改良措施，有循环的泥水即能适应各种地质条件

抵抗水土压力

靠泥土的不透水性在螺旋机内形成土塞效应抵抗水土压力

靠泥水在开挖面形成的泥膜抵抗水土压力，更能适应高水压地层。

地面沉降控制

保持土仓压力，控制推进速度，维持切削量与出土量的平衡。

控制泥浆质量、压力及推进速度，保持送排泥量的动态平衡

出渣输送方式

用机车牵引渣车进行运输，由门吊提升出渣，效率低。

使用泥浆泵出渣，出渣效率高。

渣土处理方式

运输车直接外运

需要进行泥浆处理系统分离处理

盾构推力

土层对盾壳的阻力大，盾构推进力大于泥水平衡盾构。

由于泥浆的作用，土体对盾壳的阻力小，盾构推进力小于土压平衡盾构。

推进效率

开挖土的输送性随着掘进距离的增加，其施工效率也降低，辅助工作多。

切削下来的渣土转换成泥水通过管道输送，并且施工良好，辅助工作少。

施工场地

渣土成泥状，无需进行处理即可运送，所以占地面积小。

在施工地面需配置必要的泥水设备，占地面积大。

刀盘及刀具寿命

刀具与开挖面的摩擦力大，土仓中渣土与添加剂材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘寿命比泥水平衡盾构机短，刀盘驱动转矩比泥水大。

切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到润滑冷却作用，摩擦阻力与土压相比要小，泥水搅拌阻力小，相对土压而言，其刀具、刀盘寿命要长，刀盘转矩要小。

经济性

只需要出渣车和配套门吊，整套设备购置费用低。

需要泥水处理系统，整套设备购置费用高。

为选择适宜于本标段的盾构类型，特对泥水平衡盾构、土压平衡盾构、加泥式土压平衡盾构做了“盾构类型与地层的适应性”及“土压平衡与泥水平衡盾构综合对比”分析。

见表4-1所示。

从以上比较可知，土压平衡盾构不需泥浆处理场，施工占地少，对环境的影响相对较小，每延米综合价格相对较低。

而泥水平衡盾构需泥浆处理场，需较大施工场地，对周边环境影响较大，且泥浆处理费用昂贵，故每延米综合价格相对较高。

4.3区间水文地质分析

根据上述水文地质分析，使用土压平衡式盾构机存在以下几点弊端：

（1）盾构机在掘进过程中单纯使用泡沫剂进行渣土改良效果不明显，容易引起喷涌。

（2）掘进速度缓慢，出土温度高，刀盘扭矩易达到额定扭矩。

（3）开挖土仓压力无法建立，容易引起超挖，导致地表沉降量偏大。

4.4、膨润土在加泥式土压平衡盾构中的适应性分析

4.4.1膨润土添加剂的介绍

（1）膨润土是以蒙脱石为主要成分的非金属黏土类矿物，主要成分为二氯化硅、三氧化二铝和水；

可分为纳基膨润土（碱性土）、钙基膨润土（碱土性土）及天然漂白土（酸性土或酸性白土），其中钙基膨润土又包括钙纳基钙镁基等。

膨润土具有较强的吸湿性和膨胀性，可吸附8—15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达10—30倍；

在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有具有一定的粘滞性、触变性和润性，对各种气体、液体和有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于自身的重量。

它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和粘结性。

（纳基膨润土的吸附能力明显比钙基膨润土等其他类型的膨润土矿物吸附能力强）

（2）加泥式土压平衡盾构在施工中对加入的膨润土泥浆一个基本的要求就是它能够形成“滤饼”，可以形成于土粒内部和土粒之间，由胶结和固结的膨润土组成。

这个“滤饼”可以演变为一个低渗透性的薄膜，从而可以将过量的地下水压力中的液体压力转换为土颗粒之间的有效应力，这对稳定地层防止推进中的地表塌陷至关重要。

（3）不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒间孔隙的大小；

当密实度大时，单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大，渗流液体的通道就窄。

由于膨润土的高吸湿性和自封闭性，遇水时极度膨胀，其密度越大，膨胀倍数越大，同样的渗流空间留给过流液体的通道就窄，其渗流系数也就降低。

4.4.2膨润土适合改良的地层

（1）细粒含量少的土体

根据国内外众多的施工经验，在土压平衡式盾构施工中，为了使开挖下来的渣土具有一定的流动性和止水性，保证盾构机的正常推进，盾构机压力舱内的土体必须保证一定含量的微细颗粒，有相关资料显示这种微细颗粒的含量应该在35%以上。

所以膨润土泥浆适用于细料含量少的中粗砂土、砂砾土、卵石漂石地层等等，主要原因就在于膨润土泥浆能够补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量，提高和易性、级配性，从而可以提高其止水性。

（2）透水性高的土体

膨润土泥浆这种添加材料适用于高透水性的土体，这主要是因为在透水性较低的地层中，膨润土泥浆相对难以渗入土体并填充孔隙，渗入的距离短因此难以和土体广范围结合从而包裹土体颗粒。

土体的低透水性最终导致土颗粒周围的低渗透性的膨润土泥膜非常难以形成。

4.4.3膨润土浆液的作用

（1）降低土体的渗透系数，使其具有良好的止水性，以控制地下水的流失。

（2）可有效的提高土体的保水性，防止渣土的离析、沉淀和板结。

（3）使渣土具有较好土压平衡效果，有利于开挖面，控制地表沉降。

（4）使土体具有较低的内摩擦角。

降低刀盘扭矩，减少对刀盘和螺旋机的磨损。

（5）是切下来的渣土顺利快速的进入土舱，并利于螺旋机顺利排土，提高掘进速度。

4.4.4膨润土浆液的配比研究与实际应用

（1）通过鹏润体浆液与渣土的配比实验，指导施工中如何使用膨润土浆液，原则是具有可塑性和少许流动性。

（2）膨润土浆液的实际应用

本工程使用的铁建重工盾构机上配备了膨润土浆液注入系统，膨润土系统主要包括:

1个6m3的膨润土罐，2台膨润土挤压注射泵，流量为10m3/h,分四条管路注入土舱内，土舱内设有四个出浆孔，能够保证膨润土能够均匀的注射到切削面。

由于膨润土浆液用量较大,更简便快捷的使用膨润土浆液成为施工能够顺利开展的前提条件。

首先在始发井处修砌一个容量约300m3的膨润土浆液池，由于膨润土浆液刚搅拌出来改良砂层土体不理想，放置24个小时后有更好的改善效果，所以将膨润土池平均分为两部分，一部分为新浆调制池，另一部分为放置24小时后的浆液作为盾构掘进使用，膨润土浆液池容量可满足24小时内掘进20环的施工需求。

膨润土浆液池通过镀锌钢管连接盾构机备用管路,最后用胶皮管引入盾构机上膨润土罐内。

地面用22KW的泥浆泵进行供给。

盾构机操作室内配备电话与膨润土搅拌站直接相连接，保证地上地下的及时沟通，做到了信息化施工，使地面膨润土搅拌站能够及时迅速的供给膨润土浆液，满足了快速均匀连续的施工要求。

4.5盾构机选型结论

加泥式盾构机具有可靠、灵敏的土压