土压盾构及泥水盾构的性能特点及工程选型

王雪 1 姜久闯 2 王小永 1

1. 沈阳工业大学 动力工程及工程热物理 2. 沈阳工业大学 环保设备工程

摘要：近年来，城市化进程快速发展，利用城市地下空间成为解决城市交通拥堵的有效措施之一。源于盾构是建造地下隧道所必须的设备，因此本论文将通过分析土压盾构和泥水盾构的性能特点，继而基于施工区间的地质水文条件进行分析选型，在保证安全性，技术性，经济性相结合的基础上，选择出最优化最适宜的盾构类型。

关键词： 盾构机 土压盾构 泥水盾构 隧道

0 引言

随着我国经济技术的高速发展，城市交通的发展为城市的整体发展提供诸多便利条件。其中发展地铁等地下交通显得尤为突出。而城市轨道交通工程的开展使得盾构得到了广泛的应用。盾构是建造地下隧道必不可少的装备，在隧道施工中，盾构机可兼有机、电、液、光和计算机技术。应用盾构施工的地下隧道建设成为城市地铁、公路、铁路隧道广泛应用的最主要工法，因而盾构机的选型在工程应用和施工选型中显得十分重要。

本文将通过分析泥水盾构和土压盾构的性能特点，针对不同的是公平区间进行盾构的合适选型，从而充分发挥盾构快速、安全、优质、环保、地质条件破坏程度较小、自动化程度高等优势，选择出既保证工期又环保高效的最优盾构类型。

1 盾构类型区分

盾构一般分为泥水盾构（泥水平衡盾构）和土压（土压平衡盾构）盾构，泥水盾构是指在盾构开挖面的密封隔仓内注入泥水，通过泥水加压和外部压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的泥土进入盾构前部的泥水室，经搅拌装置搅拌，而搅拌后的高浓度泥水通过泥浆泵运送到地面，泥水在地面经过分离，然后进入地下盾构的泥水室，不断地排渣净化使用。

土压盾构的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。土压平衡盾构属于封闭式盾构，盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱，当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土压，水压基本平衡，使得觉晓面与盾构面处于平衡状态。

2 土压盾构和泥水盾构的性能特点

通过对盾构类型的区分和认识，在了解盾构工作原理的基础上，对不同盾构类型的性能特点总结如下：

泥水盾构具有控制泥水压力，保持工作面稳定，沉降较小；排土采用泥浆管来输送，水压较高地段也不会出现喷涌现象；使用泥水，需要扭矩较小，刀具不易磨损；使用流体运输弃土输送效率高，适合长距离输送的优势。

土压盾构具有控制土仓压力，有效平衡外部土压和水压，保持工作面的稳定性，沉降较小，控制精度高，适用范围广，适合混合地层，弃土较容易处理，费用较低的优势。

表1-土压盾构和泥水盾构比较

3 盾构选型

盾构选型是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构施工的安全、质量、成本以及工程的顺利收工。盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键因素之一。

盾构选型需考虑刀盘开口率、刚度、强度、弹性变形量、刀具配置、推进系统、液压系统等。对于不同地质条件的施工区间，在盾构选型时要根据其环境的复杂性，考虑多方面的因素和准则，设计出对于本区间最具适应性和包容性的方案，充分利用盾构设备自身功能来规避和克服施工过程中的各类风险，保证盾构施工的工期，控制盾构施工的成本，保证盾构施工的进度。

盾构的设计对于盾构项目的成功与否有着至关重要的作用。而对于盾构选型可根据以下依据：

（1）工程以及水文地质条件：土和岩石的工程性质，地质构造，地貌，开挖面稳定性，颗粒分析及粒度分布，地下水位，含水率，砾石直径，孔隙率和孔隙比，渗透系数和地下水位等。

（2）隧道设计的断面。

（3）周围环境条件，包括交通条件，竖井周边环境条件，施工场地环境条件，河流、湖泊、海洋分布环境条件，气候条件，及水电供应条件。

（4）施工的节点工期要求。

（5）满足安全、质量。造价以及环保要求。

（6） 安全可靠性、技术先进性、经济合理性相统一。

在盾构选型中，除以上多种原则外，还有诸多需要考虑的因素，如地层的渗透系数。特别地，当地层的渗透系数大于10^-4m/s时，宜选用泥水盾构；当地层的渗透系数小于10^-7m/s时，宜选用土压盾构；当渗透系数处于10^-7m/s和10^-4m/s之间时，既可以选土压盾构也可选泥水盾构。

盾构施工穿过地层多变，软硬不均的地质时，对盾构的功能和技术参数（推力、扭矩）的可靠性要求高，以确保穿越成功；对于穿江过海过湖的工程，还有强透水高水压的工程项目，可使用气垫平衡泥水盾构；对于砂层、砂砾层、淤泥质地层，以及存在瓦斯的特殊地层，适合泥水平衡盾构掘进，泥浆可以有效的深入地层形成泥膜，不明有害气体也会随着泥浆循环系统排出，从而不会对人员造成伤害。

对松散的沙卵石层(孔隙率大、孔隙有效直径大)，例如成都地区的地层，泥浆流失量很大，泥膜无法正常有效的形成，泥膜形不成就无法保证泥水压力。因此土压盾构更有优势。要避免盾构在开掘过程中，由于控制不当而引起塌落和松动，甚至于显著的地表沉降。

因此，在开挖之前，要对施工区间的地址条件进行准确的判断，从而选择合适的盾构类型，最终保证盾构施工的顺利进行。

4 盾构选型案例分析

我国幅员辽阔，地质情况复杂，各地地质条件差异较大，华南、东南及华北沿海地区下伏基岩中花岗岩、混合岩以及灰岩所占比重较多；华中地区下伏基岩多为泥岩、砂岩；华东地区多为软土。

泥水盾构适用于各种松散地质，软土层，有无地下水均可的地层其适用的地质范围较大，因此在比较典型的上软下硬地层中适用居多。

在某些特定条件下的工程，如在大量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水平衡盾构就能显示出其极大的优越性。并且泥水盾构也适用于水土压力大于3bar的工况。

随着盾构隧道工程技术向大深度、大断面、长距离的方向迈进发展，从而建成了一批超大直径的海底隧道和城市道路隧道。对于武汉三阳路隧道的施工建设中，最困难、最艰险的地方在于15.76米的超大直径盾构穿越地质条件为粉细砂、中粗砂、粉质泥岩、粉质砂岩的复合地层，由此选择泥水盾构进行掘进，通过人工换刀，解决地层硬度堪比“钻石”的地质条件，减少刀具的磨损。从而在保证安全性、技术性、经济性相统一的原则下完成施工。

土压平衡盾构主要主要适用于具有低渗透性的粉土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉砂土等黏稠土壤的施工。当颗粒分析中的粉粒和粘粒的量大于40%，宜选用土压平衡盾构。因为土压盾构的螺旋输送机内会压缩形成防水土塞，使土仓和螺旋输送机内部产生土压力，来平衡掌子面的土压力和水压力。

对于东莞地铁R2线，其起点端位于东莞市北部，是一条由北部-西南方向的市域快速干线，是连接东莞西部城镇密集带的客运交通枢纽。但由于其地质分布为砂质黏土，中一微风化花岗岩居多，因此会存在刀盘结泥饼、刀具磨损严重、排渣不畅的一系列问题，而由于土压盾构则更适用于低渗透性的粉土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉砂土等黏稠土壤的施工，因此在施工建设过程中选择土压盾构，从而发挥其优势所在，使得该线路竣工。

现如今，盾构技术用于多个行业，无论是从隧道建设的发展，还是为满足资源互补的需要，盾构技术的采用都更加广泛。因此注意盾构机合理的配置、设计方案、制造过程以及选型，根据根据特殊条件选用专业的施工设备，对工程的建设有着重要的意义。

5 结语

随着盾构的应用越来越广泛，，盾构的类型选择对于工程作业的完成起着关键作用。因此，在施工之前，首先应对施工区间的地质水文性质以及环境条件进行分析，正确的选择合适的盾构技术，保证盾构的正常工作，在工期内完成盾构施工。而本文通过对泥水平衡盾构和土压平衡盾构的研究和对比，可为盾构施工，设计以及部件选型等方面提供支持。

参考文献

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