盾构选型应以工程地质、水文地质为依据,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、工期、环保等因素。
1)工程地质
施工单位应根据隧道工程地质资料,综合分析隧道岩性和围岩类别,选择合适的盾构类型,确保施工安全可靠,确保地面建筑物的安全,确保施工进度目标的实现。不同类型的盾构适应的地质范围不同,所选择的盾构应能适应地质条件,能保持开挖面稳定。
土压平衡盾构依靠推进油缸的推力给土舱内的开挖渣土加压,使土压作用于开挖面使其稳定,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。掘进时,由刀盘切削下来的土体进入土舱后由螺旋输送机输出,在螺旋机内形成压力梯降,保持土舱压力稳定,使开挖面土层处于稳定状态。盾构向前推进的同时,螺旋机排土,使排土量等于开挖量,即可使开挖面的地层始终保持稳定。当渣土中的含砂量超过某一限度时,泥土的流塑性明显变差,土舱内的土体因固结作用而被压密,导致渣土难以排送,此时需向土舱内添加膨润土、泡沫或聚合物等添加剂,以改善土体的流塑性。对于砂卵石地层,由于其粉砂土及黏土含量少,开挖面在刀盘的扰动下易坍塌,采用一般的土压平衡盾构机已经不能满足这种地层的需要,必须采取辅助措施,注入足够数量的添加剂,进行渣土改良,或者选择泥水平衡式盾构机。
泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制,采用膨润土悬浮液(俗称泥浆)作为支护材料。开挖面的稳定是通过将泥浆送入泥水舱内,在开挖面上形成不透水的泥膜,根据泥膜表面扩张作用,平衡作用于开挖面的土压力和水压力实现的。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面,通过泥水处理设备进行分离,分离后的泥水进行质量调整,再输送到开挖面。泥水平衡盾构机从某种意义上说在隧道掌子面平衡方面比土压平衡盾构机更为优越。
2)水文地质
隧道盾构施工另外一个重要选型依据就是隧道围岩水文地质因素。围岩渗水系数是盾构选型常用的一个参数指标。
对于渗水系数大的隧道,若采用土压平衡盾构施工,螺旋输送机“土塞效应”难以形成,螺旋输送机出渣易发生大量“喷涌”现象,这样对施工是非常不利的,同时会造成土舱压力波动大,地面沉降不易控制;如果采用泥水平衡盾构,或者采用气垫等措施,泥水舱压力波动可以控制在很小的范围内,欧洲设备采用的气垫,泥水舱压力波动一般可以控制在20 kPa左右。(www.daowen.com)
对于渗水系数较小的隧道,如果采用泥水平衡盾构施工,主要制约的因素是:隧道渣土排放需要较长的管道,同时需要昂贵的泥水处理设备,在环境要求高的场合还必须采用渣土压滤设备,同时会耗费大量的膨润土,增加了成本。
3)尽量少的辅助施工工法
对于盾构施工,一个重要概念即掘进快速、工序少、人员程序化施工。过多的辅助工法会给隧道施工带来很多不便,如材料耗费大、工序复杂、工人技术能力要求高、管理困难等。因此进行盾构选型,应该综合分析施工成本,尽量采取少的辅助施工工法,保证隧道稳定高速掘进。
4)环保要求
对于现代化隧道施工盾构机类型的选择,环保要求应该引起施工界的高度重视,应综合考虑盾构施工带来的有形污染物、噪声、水源污染等。
适合工程的盾构类型应在满足以上几个方面如工程地质和水文地质关键技术需要的情况下,兼顾尽量少地采用辅助工法、环保要求等因素,多方面调研综合确定。
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