盾構(gòu)機(jī)選型的影響因素探析

◎房昕

引言：由于不占用地面資源，緩解地面交通和有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，地下空間的開發(fā)越來越受到重視。城市地鐵、過江隧道和地下商場(chǎng)等地下工程的建設(shè)，使得盾構(gòu)法具有廣泛的市場(chǎng)前景。盾構(gòu)法是以盾構(gòu)作為施工機(jī)械在地面以下暗挖修筑隧道的一種施工方法。盾構(gòu)既能支承地層壓力，又能在地層中掘進(jìn)[1]。

從1825年第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段。盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)步顯著，表現(xiàn)在隧道直徑大、一次性掘進(jìn)距離長(zhǎng)、種類多和自動(dòng)化程度高等方面。目前盾構(gòu)常用的機(jī)型為泥水平衡盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)，它們各自代表了不同出土方式和不同工作面上土體平衡方式的特點(diǎn)，它們各自都擁有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡(jiǎn)單說哪一種盾構(gòu)最先進(jìn)[2]。因此，在選擇上需要作經(jīng)濟(jì)比較和技術(shù)可行性分析。

一、盾構(gòu)機(jī)選型原則

選用的盾構(gòu)機(jī)應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，首先要滿足施工安全的要求；適應(yīng)性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一，在安全可靠的情況下，考慮技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性；滿足隧道外徑、長(zhǎng)度、埋深、施工場(chǎng)地、周圍環(huán)境等條件；滿足安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)及環(huán)保要求；后配套設(shè)備的能力與主機(jī)配套，滿足生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配，同時(shí)，具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)制造商的知名度、業(yè)績(jī)、信譽(yù)和技術(shù)服務(wù)。

二、盾構(gòu)機(jī)選型依據(jù)

盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)為主要依據(jù)，綜合考慮周圍環(huán)境條件、隧道斷面尺寸、施工長(zhǎng)度、埋深線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構(gòu)筑物等環(huán)境條件，以及周圍環(huán)境對(duì)地面變形的控制要求，還有工期、環(huán)保等因素。同時(shí)，參考國(guó)內(nèi)外已有盾構(gòu)工程實(shí)例及相關(guān)的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)規(guī)范、施工規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)類型、驅(qū)動(dòng)方式、功能要求。

三、盾構(gòu)機(jī)選型的影響因素

1.根據(jù)地層的滲透系數(shù)進(jìn)行選型。通常情況下，當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10-7m/s，可以選用土壓平衡盾構(gòu)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10-7m/s～10-4m/s之間時(shí)，既可以使用土壓平衡盾構(gòu)也可以使用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)；當(dāng)?shù)貙拥臐B透系數(shù)在大于10-4m/s時(shí)，應(yīng)選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。若地層以各種級(jí)配富水的砂層、砂礫層為主時(shí)，宜選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)；其他地層宜選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，如圖1所示。

2.根據(jù)地層的顆粒級(jí)配進(jìn)行選型。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要適用于粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工，在黏性土層中掘進(jìn)時(shí)，由刀盤切削下來的土體進(jìn)入土倉后由螺旋輸送機(jī)輸出，在螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成壓力梯降，保持土倉壓力穩(wěn)定，使開挖面土層處于穩(wěn)定。一般來說，細(xì)顆粒含量多，渣土易形成不透水的流塑體，容易充滿土倉的每個(gè)部位,在土倉中可以建立壓力，來平衡開挖面的土體。黏土、淤泥質(zhì)土區(qū)，為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍；礫石粗砂區(qū)，為泥水盾構(gòu)機(jī)適用的顆粒級(jí)配范圍。粗砂、細(xì)砂區(qū)，可使用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，也可經(jīng)土質(zhì)改良后，使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。一般來說，當(dāng)巖土中的粉粒和黏粒的總量達(dá)到40%以上時(shí)，通常宜選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，否則選擇泥水平衡盾構(gòu)機(jī)比較合適。粉粒的絕對(duì)大小通常以0075m為界。

圖1盾構(gòu)機(jī)類型與滲透系數(shù)的關(guān)系

3.根據(jù)地下水壓進(jìn)行選擇。當(dāng)水壓大于0.3Mpa時(shí)，適宜采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。如果采用土壓平衡構(gòu)機(jī)，螺旋輸送機(jī)難以形成有效的土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)排土閘門處易發(fā)生渣土噴涌現(xiàn)象，引起土中土壓力下降，導(dǎo)致開挖面坍塌。

當(dāng)水壓大于0.3MPa時(shí)，如因地質(zhì)原因需采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，則需增大螺旋輸選的長(zhǎng)度，或采用二級(jí)螺旋輸送機(jī)，或采用保壓泵。

4.盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)必須考慮的特殊因素。盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，在實(shí)際實(shí)施時(shí)，還需解決理論的合理性與實(shí)際的可能性之間的矛盾，必須考慮環(huán)保因素，工程地質(zhì)因素和安全因素。

（1）環(huán)保因素。對(duì)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)而言，雖然經(jīng)過過篩、旋流、沉淀等程序，可以將棄土漿液中的粗顆粒分離出來，并通過車、船等工具運(yùn)輸棄渣，但泥漿中的懸浮或半懸浮狀態(tài)的細(xì)土粒仍不能完全分離出來，而這些物質(zhì)又不能隨意處理，這就出現(xiàn)了使用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)一大難題。降低污染、保護(hù)環(huán)境是選擇泥水平衡盾構(gòu)機(jī)面臨的十分重要的課題，需要解決如何防止將這些泥漿棄置在江河湖海等水體中，避免造成范圍更大、更嚴(yán)重的污染。

（2）工程地質(zhì)因素。盾構(gòu)機(jī)施工段工程地質(zhì)的復(fù)雜性主要反映在基礎(chǔ)地質(zhì)(主要是圍巖巖性)和工程地質(zhì)特性的多變方面。在一個(gè)盾構(gòu)機(jī)施工段中，某些部分的施工環(huán)境適合選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，但某些部分又很適合選用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮，并對(duì)不同選擇進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析后擇其優(yōu)者。

（3）安全因素。從保持施工面的穩(wěn)定、控制地面沉降的角度來看，當(dāng)隧道斷面較大時(shí)，使用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)要比使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的效果好一些，特別是在河湖等水體下、在密集的建筑或構(gòu)筑物下及上軟下硬的地層中施工時(shí)。在這些特殊的施工環(huán)境中，施工過程的安全將是盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)的一項(xiàng)極其重要的依據(jù)。