不同地质条件下盾构TBM选型全.docx

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1、不同地质条件下盾构“TBM选型隧道施工行业中我们把隧道掘进机统称为盾构或盾构机，而国外则称之为TBM,TBM是英语名称的缩写(TTunne1;BBoring;MMachine)o盾构或TBM是泛指,当然细分可分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构和泥水气平衡盾构等等。今天就与大家共同探讨一下隧道盾构选型问题。1盾构的类型盾构的类型是指与特定的盾构施工环境,特别是与特定的基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构的种类。根据施工环境,隧道掘进机的类型分为软土盾构、硬岩掘进机(TBM)、复合盾构三类。因此，盾构的类型分为软土盾构和复合盾构两类。软土盾构软土盾构是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及

2、全风化和强风化围岩条件下的一类盾构。软土盾构的主要特点是刀盘仅安装切刀和刮刀/无需滚刀。复合盾构复合盾构是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层施工。复合盾构的主要特点是刀盘既安装有切刀和刮刀，又安装有滚刀。2 .影响掘进机选型的地质因素岩石的坚硬程度（单轴抗压强度Rc）岩石的单轴抗压强度越低，掘进机的掘进速度越高，掘进越快，岩石的单轴抗压强度越高，掘进机的掘进速度越低，掘进越慢。但是，岩石的单轴抗压强度太低，掘进机掘进后围岩的自稳时间极短甚至不能自稳。岩石的单轴抗压强度值在一定范围内时，掘进机的掘进既能保持一定的速度，又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳-这

3、就是当前大多数掘进机适用于岩石的单轴抗压强度（RC）值在30至150MPa之间的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。不同类型、型号的掘进机有其各自适用的最佳岩石单轴抗压强度范围值。在硬岩中的掘进机施工，遇到的主要问题是刀具、刀圈及轴承的严重磨损以及上述部件的频繁更换，费时且耗资较大。岩石结构面的发育程度一般情况下节理较发育和发育的，掘进机掘进效率较高，因为节理不发育，岩体完整，掘进机破岩困难；节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，掘进机支护工作量增大，同时岩体给掘进机撑靴提供的反力低，造成掘进推力不足，因而也不利于掘进机效率的提高。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，掘进机掘进

4、速度有越高的趋势。必须指出的是，当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧道工程岩体已不具自稳能力，在此类围岩中进行掘进施工，其掘进速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低。（3）岩石的耐磨性岩石的耐磨性对刀具的磨损起着决定作用。岩石坚硬度和耐磨性越高,刀具、刀盘的磨损就越大。掘进机换刀量和换刀时间的增大，势必影响到掘进机应用的经济效益和掘进效率。刀具、刀圈及轴承的磨损，对掘进机的使用成本起很大的影响，而仅仅根据岩石的单轴抗压强度来判断不同单轴抗压强度的岩石对掘进机刀具、刀圈及轴承的磨损是

5、不够的。岩石的硬度、岩石中矿物颗粒特别是高硬度矿物颗粒如石英等的大小及其含量的高低,决定了岩石的耐磨，的旨标。一般来说,岩石的硬度越高，对掘进机的刀具等的磨损越大、掘进机的掘进效率也越低。岩体主要结构面的产状与隧道轴线间的组合关系、围岩的初始地应力状态、岩体的含水出水状态等其它因素。当岩体主要结构面或称优势结构面的走向与隧道轴线间夹角小于45o,且结构面倾角较缓（30o）,隧道边墙拱脚以上部分及拱部围岩因结构面与隧道开挖临空面的不利组合而出现不稳楔块，常发生掉块和坍塌，影响掘进机的工作，降低掘进机的工作效率，甚至危及掘进机的安全。当围岩处于高地应力状态下，且围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时

6、，极有可能发生岩爆灾害，灾害严重时，将危及掘进机及施工人员的安全；若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形。二者均将给掘进机的掘进施工带来极大的困难。岩体的含水出水状态对掘进机工作效率的影响视含水量和出水量的大小及含、出水围岩的范围，同时还要视含、出水围岩是硬质岩还是软质岩。一般地说,富含水和涌漏水地段,围岩的强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度降低要大得多，致使围岩的稳定性降低，影响掘进机法的工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，必将恶化掘进机的工作环境，降低掘进机的工作效率。3 .盾构选型的依据盾构选型是盾构法施工的关键环节，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

7、程的顺利完成，对盾构的选型工作应非常慎重。主要依据工程招标文件、工程勘察报告、隧道设计、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。从安全性、可靠性、适用性、先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型应能尽量减少辅助施工并能保持开挖面稳定和适应围岩条件。主要根据盾构隧道的外径、长度、埋深、地质条件、围土岩性、土体的颗粒级配、地层硬稠度系数、土层渗透率及弃土容重等特征以及线路的曲率半径、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，结合掘进和衬砌等诸因素。参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，按照可靠性安全性适用

8、性第一，技术先进性第二，经济性第三的原则进行，保证盾构施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构。4 .掘进机选型的一般规定隧道施工前，应对掘进机进行选型，做到配套合理，充分发挥施工机械综合效率，提高机械化施工水平。掘进机设备选型应遵循下列原则：安全性、可靠性、先进性、经济性相统一；满足隧道外径、长度、埋深和地质条件、沿线地形以及洞口条件等环境条件；满足安全、质量、工期、造价及环保要求；后配套设备与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，工作状态相适应，且能耗小、效率高的原则，同时应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。进入隧道的机械，其动力宜优先选择电力机

9、械。掘进机设备的选型应按下列步骤进行：根据地质条件确定掘进机的类型；根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主要技术参数；根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。5 .掘进机选型根据地质条件、施工环境、工期要求等因素确定掘进机的类型。单护盾式掘进机常用于软岩及中等长度隧道施工，即使围岩类别稍差时，它可发挥出较快的掘进速度又比双护盾掘进机减少投资。开敞式掘进机常用于硬岩；在开敞式掘进机上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，也可应用于软弱岩隧道。开敞式掘进机虽然适用于岩石整体较完整，有较好的自稳性的硬岩但当遇有局部不稳定的围

10、岩时，由掘进机所附带的辅助设备通过打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、架圈梁等方法加固,以保持洞壁稳定；当遇到局部地段软弱围岩及破碎带，则掘进机可由所附带的超前钻及灌浆设备，预先固结隧道前方上部周边围岩，待围岩达到能自稳后，然后再进行安全掘进；开敞式掘进机掘进过程可直接观测到洞壁岩性变化，便于地质图描绘。故当所掌握的水文、地质资料不很充分时,选用开敞式掘进机，可充分发挥出它能运用新奥法理论及时进行支护的优势；此外小直径开敞式掘进机可配合钻爆法进行双线（大断面）隧道的先行掘进。永久性的衬砌一般待全线贯通后集中进行。（3）双护盾式掘进机常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良

11、好地质的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。当遇软岩时，软岩不能承受支撑靴的压应力，由盾尾辅助推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌管片上以推进刀盘破岩前进；遇硬岩时，则靠支撑靴撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。6 .盾构选型盾构的机型与渗透系数的关系根据地层渗透系数与盾构的机型的关系，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。一般来说,当岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时,通常会选用土压平衡盾构,相反的情况选择泥水盾构I：匕较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。根据地层的颗粒级配进行选型一般来说，细颗粒含量多，硝土易形

12、成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。盾构类型与颗粒级配的关系详见下图，图中右边蓝色区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围，左边的黄色区域为砾石粗砂区，为泥水盾构适用的颗粒级配范围。绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构，（3）根据水压进行选型当水压大于03MPa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塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生硝土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于03MPa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

13、，或采用二级螺旋输送机。7 .制约TBM施工性能的典型因素用TBM进行隧道施工是一个几乎完全工业化的过程。与传统的硬岩钻爆法和软弱围岩分步、部分断面开挖法相比，TBM法隧道施工具有许多优点。但是，TBM法并不是一项简单的、无风险的技术。为了保证TBM法施工技术的成功实施，仅从合格的TBM制造厂家引进TBM是不够的；相反在工程的所有阶段，从早期的地质工程勘察和可行性研究到最终的设计与施工，在业主、监理工程师、设计单位、TBM制造厂家和施工单位之间建立连续的协作关系极为重要。TBM法是一种投资大、作业方式不灵活、但潜在施工速度很快的隧道开挖、支护方法。如果在没有预警的情况下遇到不良地质情况，那么对

14、TBM法隧道的工期和其他方面的实际效益要比钻爆法隧道大得多。不良地质情况可以是造成隧道不稳定的质量很差的岩体，也可以是造成贯入率低下的质量很好的岩体（如强度很高的整块岩体）。然而，岩体质量对TBM性能的影响并没有一个绝对值；事实上岩体质量对TBM性能的影响与所采用的TBM及隧道直径有关。由于隧道开挖期间可能遇到的岩体、土体及环境条件实际上变化无穷，因此JBM的类型和特点具有很大差异JBM用于在岩层中开挖隧道，通常适应于在稳定性良好、中厚埋深、中高强度的岩层中掘进长大隧道，所面临的基本问题是如何破岩。在任何地质条件下都能够进行隧道掘进的TBM是不存在的，因此一项隧道工程成败与否取决于以下两项因素

15、：所采用TBM的类型；所选用TBM的设计及其特殊施工性能。仅从合格的TBM制造厂家订购一台特定类型的TBM是远远不够的；重要在于TBM设计、制造、施工等所有相关各方之间的持续合作。因为至今尚没有任何类型TBM设计与施工的认可标准，且TBM的设计、制造是一个持续的技术创新过程。每项隧道工程都具有自身的特点以及每家专业施工单位都有自身的核心技术等因素，制造的每台TBM都可认为是与其他TBM不同的样机。总体来讲,最可靠的TBM是最简单的TBM,这是因为简单的TBM可能出现故障的部件最少。在良好地层条件下TBM的施工性能良好，但在许多情况下TBM的实际进度低于预期进度，当然也低于TBM制造厂家所声称的

16、进度。原因是除了未预见事件（如TBM部件出现故障）外，通常是低估或忽视了工程地质、水文地质以及岩石力学等方面的问题。一方面，在设计阶段存在许多不可避免的不确定因素，如地质、岩土以及水文地质方面的不确定因素、TBM的不同类型以及不同的施工工艺等。因此，有必要根据对某一隧道工程现场的地质情况与岩土情况的理解以及对这些情况预报的精确程度决定是否需要对施工方法的选择和TBM选型进行优化。另一方面，由于存在大量相关的地质、技术、环境、经济及金融方面的不确定因素，对隧道施工进行全方位优化是相当复杂的。隧道施工的根本问题通常是由隧道开挖通过地层的物理与岩土性质的不均匀性决定的；对于全断面、机械化开挖，由于这种开挖方式很不灵活，所以开挖物料强度的不均匀性更为重