盾構機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境保護等優點，地下空間的開發越來越受到重視。城市地鐵、過江隧道和地下商場等地下工程的建設，使得盾構法具有廣泛的市場前景。盾構法是以盾構作為施工機械在地面以下暗挖修筑隧道的一種施工方法。盾構既能支承地層壓力，又能在地層中掘進[1]。

從1825年第一臺盾構機出現，盾構機的發展經歷了4個階段。盾構施工技術進步顯著，表現在隧道直徑大、一次性掘進距離長、種類多和自動化程度高等方面。目前盾構常用的機型為泥水平衡盾構和土壓平衡盾構，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，它們各自都擁有優缺點，不能簡單說哪一種盾構最先進[2]。因此，在選擇上需要作經濟比較和技術可行性分析。

一、盾構機選型原則

選用的盾構機應對工程地質、水文地質有較強的適應性，首先要滿足施工安全的要求；適應性、先進性、經濟性相統一，在安全可靠的情況下，考慮技術先進性和經濟合理性；滿足隧道外徑、長度、埋深、施工場地、周圍環境等條件；滿足安全、質量、工期、造價及環保要求；后配套設備的能力與主機配套，滿足生產能力與主機掘進速度相匹配，同時，具有施工安全、結構簡單、布置合理和易于維護保養的特點。盾構機制造商的知名度、業績、信譽和技術服務。

二、盾構機選型依據

盾構機選型應以工程地質、水文地質為主要依據，綜合考慮周圍環境條件、隧道斷面尺寸、施工長度、埋深線路的曲率半徑、沿線地形、地面及地下構筑物等環境條件，以及周圍環境對地面變形的控制要求，還有工期、環保等因素。同時，參考國內外已有盾構工程實例及相關的盾構機技術規范、施工規范及相關標準，對盾構機類型、驅動方式、功能要求。

三、盾構機選型的影響因素

1.根據地層的滲透系數進行選型。通常情況下，當地層的滲透系數小于10-7m/s，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲透系數在10-7m/s～10-4m/s之間時，既可以使用土壓平衡盾構也可以使用泥水平衡盾構機；當地層的滲透系數在大于10-4m/s時，應選用泥水平衡盾構機。若地層以各種級配富水的砂層、砂礫層為主時，宜選用泥水平衡盾構機；其他地層宜選用土壓平衡盾構機，如圖1所示。

2.根據地層的顆粒級配進行選型。土壓平衡盾構機主要適用于粉土、粉質黏土、淤泥質粉土、粉砂層等黏稠土壤的施工，在黏性土層中掘進時，由刀盤切削下來的土體進入土倉后由螺旋輸送機輸出，在螺旋輸送機內形成壓力梯降，保持土倉壓力穩定，使開挖面土層處于穩定。一般來說，細顆粒含量多，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、淤泥質土區，為土壓平衡盾構機適用的顆粒級配范圍；礫石粗砂區，為泥水盾構機適用的顆粒級配范圍。粗砂、細砂區，可使用泥水平衡盾構機，也可經土質改良后，使用土壓平衡盾構機。一般來說，當巖土中的粉粒和黏粒的總量達到40%以上時，通常宜選用土壓平衡盾構機，否則選擇泥水平衡盾構機比較合適。粉粒的絕對大小通常以0075m為界。

圖1盾構機類型與滲透系數的關系

3.根據地下水壓進行選擇。當水壓大于0.3Mpa時，適宜采用泥水平衡盾構機。如果采用土壓平衡構機，螺旋輸送機難以形成有效的土塞效應，在螺旋輸送機排土閘門處易發生渣土噴涌現象，引起土中土壓力下降，導致開挖面坍塌。

當水壓大于0.3MPa時，如因地質原因需采用土壓平衡盾構機，則需增大螺旋輸選的長度，或采用二級螺旋輸送機，或采用保壓泵。

4.盾構機選型時必須考慮的特殊因素。盾構機選型時，在實際實施時，還需解決理論的合理性與實際的可能性之間的矛盾，必須考慮環保因素，工程地質因素和安全因素。

（1）環保因素。對泥水平衡盾構機而言，雖然經過過篩、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、船等工具運輸棄渣，但泥漿中的懸浮或半懸浮狀態的細土粒仍不能完全分離出來，而這些物質又不能隨意處理，這就出現了使用泥水平衡盾構機一大難題。降低污染、保護環境是選擇泥水平衡盾構機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、更嚴重的污染。

（2）工程地質因素。盾構機施工段工程地質的復雜性主要反映在基礎地質(主要是圍巖巖性)和工程地質特性的多變方面。在一個盾構機施工段中，某些部分的施工環境適合選用土壓平衡盾構機，但某些部分又很適合選用泥水平衡盾構機。盾構機選型時應綜合考慮，并對不同選擇進行風險分析后擇其優者。

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