浅谈地铁盾构机的选型

范海龙

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

1 盾构机简介

1．1 盾构机的用途

盾构机是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有主机和辅助设备，既能支承地层的压力，又能在地层中整体掘进，进行土体开挖、碴土排运和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械。

盾构机的工作原理如下：由一个钢结构组件依靠外壳支承，沿隧道轴线一边对土壤进行切削一边向前推进，在盾壳的保护下完成掘进、排碴、衬砌工作。

盾构机是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的一种非标设备。盾构机不同于常规设备，其核心技术不仅仅是设备本身的机电设计，还在于设备通过不同的设计如何满足工程地质施工的需求，因此，盾构机的选型正确与否决定着盾构施工的成败。

1．2 盾构机的类型

一般将盾构机的类型分为软土盾构机、硬岩掘进机（TBM）、复合盾构机3种。软土盾构机的特点是仅安装切削软土用的切刀和括刀，无开岩的滚刀。TBM主要用于山岭隧道。复合盾构是指既适用于软土又适应于硬岩的一类盾构，主要用于复杂地层的施工，其主要特点是刀盘既安装用于软土切削的切刀和括刀，又安装破碎岩石的滚刀，或安装破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。地铁盾构机就是一种复合盾构机。

1．3 盾构机的组成

地铁施工可供选择的复合盾构机机型只有两种，即土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机。

土压平衡盾构机由以下部分组成：①刀盘（分为面板式、辐条式、复合式3种）；②刀盘驱动（分为电机和液压两种）；③刀盘支承（主轴承）；④膨润土添加系统和泡沫系统，⑤螺旋输送机；⑥皮带输送机；⑦同步注浆系统；⑧盾尾密封系统；⑨管片安装机；⑩数据采集系统；○11导向系统。

泥水平衡盾构机由以下部分组成：①刀盘（分为面板式、辐条式、复合式3种）；②刀盘驱动（分为电机和液压两种）；③刀盘支承（主轴承）；④泥水处理站；⑤环流系统；⑥同步注浆系统；⑦盾尾密封系统；⑧管片安装机；⑨数据采集系统；⑩导向系统。

2 盾构机的选型

2．1 盾构机选型的原则

盾构机选型时主要遵循下列原则：①应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先应满足施工安全的要求；②安全适应性、技术先进性、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；③满足隧道外径、长度、埋深、施工场地和周围环境等要求。

2．2 盾构机选型的依据

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等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数以及辅助设备的配置等进行研究。选型时的主要依据如下：

（1）工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布；单轴抗压强度；含水率；砾石直径；液限及塑限；黏聚力；内磨擦角；土粒子相对密度；孔隙率及孔隙比；地层反力系数；压密特性；弹性波速度；孔隙水压；渗透系数；地下水位（最高、最低、平均）；地下水位的流速和流向；河床变迁情况等。

（2）设计参数：隧道长度、隧道平纵断面形状和尺寸等。

（3）周围环境条件：地上及地下建筑物分布；地下管线埋深及分布；沿线河流、湖泊、海洋的分布；沿线交通情况；施工场地条件；气候条件；水电供应情况等。

（4）隧道施工工程筹划及节点工期要求。（5）宜用的辅助工法。（6）技术经济比较。

2．3 盾构机选型主要步骤

盾构选型主要步骤如下：

（1）在对工程地质、水文地质、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型；对敞开式、闭胸式盾构进行比选 。

（2）在确定选用闭胸式盾构后，根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。

（3）根据详细的地质勘探资料，对盾构各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动形式、刀盘结构形式、刀具种类与配置、螺旋输送机的形式与尺寸、沉浸墙的结构、泥浆门的形式、破碎机的布置与形式、送泥管的直径等）；并根据地质条件等确定盾构的主要参数，主要包括：刀盘直径、开口率、转速、扭矩、驱动功率；推力；掘进速度；螺旋输送机功率、直径、长度；送排泥管直径；送排泥泵功率、扬程等。

（4）根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。

2．4 盾构模式的选择

在选择盾构模式时，除对土质、地下水进行调查以外，还要对用地环境、竖井周围环境以及安全性和经济性进行充分考虑。

土压平衡盾构主要适用于粉质黏土、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，以保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。在盾构向前推进的同时，螺旋输送机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。当含砂量超过某一限度时，泥土的流塑性明显变差，土仓内土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送，需向土仓内注水、泡沫、泥浆等添加材料，以改善土体流塑性。在砂性土层施工时，由于砂性土流动性差、摩擦力大、渗透系数高以及地下水丰富等原因，土仓内压力不易稳定，须进行渣土改良。

泥水平衡盾构通过施加高于开挖水土压力的泥浆压力保持开挖面的稳定。除泥浆压力外，合理地选择泥浆的状态也可增加开挖面的稳定性。泥水盾构比较适合于河底、江底、海底等高水压条件下的隧道施工。泥水盾构使用送排泥泵通过管道从地面直接向开挖面进行送排泥，开挖面完全封闭，具有高安全性和良好的施工环境，既不对围岩产生过大的压力也不会受到围岩压力的反压，对周围地基影响较小，一般不需辅助施工。特别是在开挖断面较大时，其压控制地表沉降方面优于土压平衡盾构。

2．5 刀盘结构形式的选择

刀盘主要具有开挖、支撑掌子面和搅拌3大功能。

刀盘的结构形式一般有面板式和辐条式两种。泥水盾构一般都采用面板式刀盘；土压平衡盾构则根据土质条件的不同可采用面板式和辐条式。对于辐条式刀盘，在辐条之间安装可拆卸的面板即变为面板式刀盘。

液压驱动具有调速灵活、控制简单、液压马达体积小和安装方便等特点，但液压驱动效率低、发热量大。变频驱动具有发热量小、效率高、控制精确等优点，在工业领域应用较广。虽然目前中小型盾构的刀盘驱动较常采用液压驱动，大直径盾构较常采用变频驱动，但由于变频驱动效率高，从节能方向及发展趋势来看，变频电机驱动方式是刀盘驱动今后的发展方向。

3 施工辅助设备的选择

盾构机及后配套拖车上设备以外的设备称为施工辅助设备。施工辅助设备因围岩条件、施工环境及施工方法的不同而不同，一般包括材料堆放场、渣土运输设备、材料运输设备、电力设备、照明设备、通信设备、通风设备、竖井升降设备、给排水设备、消防设备、砂浆拌和设备、地基加固设备、起重设备、始发（到达）与调头设备、泥水处理设备等。施工辅助设备应结合工程的特点和施工环境进行优化配备。

一次通风宜采用压入式通风，风管采用软管，管径根据隧道断面、长度、出渣方式确定。根据计算风量和风压，结合通风方式及通风设备的布置，选择风机。长距离通风时，为满足风压的要求，宜采用相同型号的风机等距离间隔串联方式。施工区域的风速不宜低于0．3m／s。

［1］ 张凤祥，朱合华，傅德铭．盾构隧道［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］ 竺维彬．复合地层盾构施工技术［M］．北京：中国科学技术出版社，2006．

［3］ 水利部科技推广中心．全断面岩掘进机［M］．北京：石油工业出版社，2005．

［4］ 周文波．盾构法隧道施工技术及应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．