盾构机选型的影响因素探析

◎房昕

引言：由于不占用地面资源，缓解地面交通和有利于环境保护等优点，地下空间的开发越来越受到重视。城市地铁、过江隧道和地下商场等地下工程的建设，使得盾构法具有广泛的市场前景。盾构法是以盾构作为施工机械在地面以下暗挖修筑隧道的一种施工方法。盾构既能支承地层压力，又能在地层中掘进[1]。

从1825年第一台盾构机出现，盾构机的发展经历了4个阶段。盾构施工技术进步显著，表现在隧道直径大、一次性掘进距离长、种类多和自动化程度高等方面。目前盾构常用的机型为泥水平衡盾构和土压平衡盾构，它们各自代表了不同出土方式和不同工作面上土体平衡方式的特点，它们各自都拥有优缺点，不能简单说哪一种盾构最先进[2]。因此，在选择上需要作经济比较和技术可行性分析。

一、盾构机选型原则

选用的盾构机应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求；适应性、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；满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件；满足安全、质量、工期、造价及环保要求；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。盾构机制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。

二、盾构机选型依据

盾构机选型应以工程地质、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，还有工期、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机技术规范、施工规范及相关标准，对盾构机类型、驱动方式、功能要求。

三、盾构机选型的影响因素

1.根据地层的渗透系数进行选型。通常情况下，当地层的渗透系数小于10-7m/s，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s～10-4m/s之间时，既可以使用土压平衡盾构也可以使用泥水平衡盾构机；当地层的渗透系数在大于10-4m/s时，应选用泥水平衡盾构机。若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，宜选用泥水平衡盾构机；其他地层宜选用土压平衡盾构机，如图1所示。

2.根据地层的颗粒级配进行选型。土压平衡盾构机主要适用于粉土、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。一般来说，细颗粒含量多，渣土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位,在土仓中可以建立压力，来平衡开挖面的土体。黏土、淤泥质土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围；砾石粗砂区，为泥水盾构机适用的颗粒级配范围。粗砂、细砂区，可使用泥水平衡盾构机，也可经土质改良后，使用土压平衡盾构机。一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40%以上时，通常宜选用土压平衡盾构机，否则选择泥水平衡盾构机比较合适。粉粒的绝对大小通常以0075m为界。

图1盾构机类型与渗透系数的关系

3.根据地下水压进行选择。当水压大于0.3Mpa时，适宜采用泥水平衡盾构机。如果采用土压平衡构机，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渣土喷涌现象，引起土中土压力下降，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机，则需增大螺旋输选的长度，或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。

4.盾构机选型时必须考虑的特殊因素。盾构机选型时，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，必须考虑环保因素，工程地质因素和安全因素。

（1）环保因素。对泥水平衡盾构机而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序，可以将弃土浆液中的粗颗粒分离出来，并通过车、船等工具运输弃渣，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土粒仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，这就出现了使用泥水平衡盾构机一大难题。降低污染、保护环境是选择泥水平衡盾构机面临的十分重要的课题，需要解决如何防止将这些泥浆弃置在江河湖海等水体中，避免造成范围更大、更严重的污染。

（2）工程地质因素。盾构机施工段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。在一个盾构机施工段中，某些部分的施工环境适合选用土压平衡盾构机，但某些部分又很适合选用泥水平衡盾构机。盾构机选型时应综合考虑，并对不同选择进行风险分析后择其优者。

（3）安全因素。从保持施工面的稳定、控制地面沉降的角度来看，当隧道断面较大时，使用泥水平衡盾构机要比使用土压平衡盾构机的效果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑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，施工过程的安全将是盾构机选型时的一项极其重要的依据。