3.2.22 盾构选型、监造及设计联络
1 前言
1.1 盾构选型的概念和重要意义
在现代城市建设中，地下空间的开发利用已成为一个重要的部分。一些发达国家，如英国、法国、日本等，早在上世纪就对地下空间进行广泛的利用。由于城市功能的高度集中，地下空间的建造施工与维护城市正常功能之间的矛盾就日趋尖锐。为了解决这一矛盾，对城市正常功能影响很小的盾构隧道施工技术越来越多的得到了应用。目前，在地铁、城市上下水道、共同沟及引水分洪等地下隧道工程中盾构法都得到了广泛的运用。据统计，在日本每年由盾构法施工完成的隧道延长可达300km左右。在我国，上海已经有了较多的盾构隧道施工经验，而北京、深圳、南京、广州、天津、成都、沈阳、西安、杭州等的在建地铁隧道，都在使用盾构法进行施工。
与其它隧道施工方法不同，盾构施工法主要使用结构较为复杂的盾构机，在两个竖井中间一次性施工而形成隧道．其最大特点为：(a)盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、地下水条件、隧道断面大小、区问线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种条件的专用机械，也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。(b)盾构机在地下的施工是不可后退的。当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改，除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改．从这两点可知，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的最关键的环节，为了设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型工作。
1.2 盾构选型的原则和依据
盾构机的选择是保障工程项目顺利实施的前提条件与设备保障。盾构机的选择除满足隧道断面与外形尺寸外，还应包括盾构机类型、性能、配套设备、辅助工法等。
盾构机的选择主要根据工程地质条件与水文地质条件、隧道断面形状、隧道外形尺寸、隧道埋深、地下障碍物、地面建筑物、地表隆沉要求等因素，经过技术、经济比较后综合确定。
盾构选型主要依据招标文件、工程勘察报告、隧洞设计及相关标准和规范，针对工程特点和难点、隧洞设计参数、盾构施工工艺及进度要求等因素进行分析，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数和辅助设备的配置等进行研究，并邀请具有同类盾构制造经验的国际著名盾构制造商和国内外盾构设计、隧洞设计及盾构施工方面的专家共同参与。经过反复论证和研究，参照类似工程盾构的选型及施工情况，完成适应相应工程施工盾构的选型工作，确定盾构方案、主要功能、主要技术性能参数及辅助设备的配置。
（1）适用性原则
盾构机的断面形状与外形尺寸适用于隧道断面形状与外形要求，种类与性能要适用工程地质与水文地质条件、隧道断面形状、隧道外形尺寸、隧道埋深、地下障碍物、地下构筑物与地面建筑物安全需要、地表隆沉要求使用条件。若所选盾构机不能充分满足上述使用条件，应增加相应的辅助工法，如压气工法、注浆工法等，以确保开挖面稳定。
由于盾构机具有较长的使用寿命，可用于多项施工工程，因此应根据使用寿命期内预计的常用使用条件或最不利使用条件选择盾构机，以便具有较广泛的适用性。
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（2）技术先进性原则
技术先进性有两方面含义：一是不同种类盾构机技术先进性不同；二是同一种类盾构机由于设备配置的差异与功能的差异而技术先进性不同。
选择技术先进的盾构机，一方面为了更好地适应建设单位当前及今后的工程施工要求，提高施工单位的市场竞争力；另一方面在合理使用寿命期内保持技术先进性。
技术先进性要以可靠性为前提，要选择经过工程实践验证、可靠性高的先进技术。
当前，技术最先进的盾构机是加泥土压式与泥水式盾构机，随着盾构机的设计与制造技术不断完善与提高，技术上相互渗透、融合，其适用范围愈加广泛，已成为盾构隧道施工使用最多、最为广泛的盾构机。
（3）经济合理性原则
经济合理性是指所选择的盾构机及其辅助工法用于工程项目施工，在满足施工安全、质量标准、环境保护要求和工期要求的前提下，其综合施工成本合理。
盾构选型可分为基本条件整理、项目论证、施工方案论证比较、确定方案等4个阶段，而选型的原则是保证开挖面的稳定性，保证不对周围其它建筑物、构筑物、埋设物产生有害的影响和谋求最大限度的经济台理性。
在国内外盾构法施工运用实绩中闭胸式盾构已发展为主流。我国在土压平衡式盾构的使用方面已有一定的经验，但在使用时仍应注意在复杂地质条件下会产生的各种问题。
2 盾构机选型方法
2.1 根据地层的渗透系数进行盾构选型
地层的渗透性与盾构机选型的关系如下图3.2.22-1所示。通常，渗透系数大于10m/s时，选用泥水加压式盾构机；渗透系数小于10m/s时，选用土压平衡式盾构机。根据这种关系，若地层以各种级配富水的砂层、砂砾层为主时，选择泥水加压式盾构机是适宜的。其他的地层和地层组合采用土压平衡式盾构机是合理的选择。
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图3.2.22-1 地层的渗透性与盾构选型的关系
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2.2 根据岩土颗粒进行选择
岩土颗粒与盾构机选型的关系如下图3.2.22-2所示。大体上，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到35％以上时，通常会选择土压平衡式盾构机；相反的情况选择泥水盾构机比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。
图3.2.22-2 地层的岩土颗粒与盾构选型的关系
2.3 盾构机选型时必须考虑的特殊因素
盾构选型除根据上述原则外，在具体实施时，还需要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、地质和安全因素。
2.3.1 环保因素
对泥水盾构机而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等处理程序，可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过汽车、船等工具运输弃碴，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细粒土石颗粒仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形成了使用泥水盾构机的一大困难。降低污染保护环境是选择泥水盾构机面临的十分重要的课题。需要解决的是如何防止将这些泥浆弃置江、河、湖、海等水体中造成范围更大、更严重的污染。
当然，要把弃土泥浆彻底处理到可以作为固体物料运输的程度也是可以做到的，这种做法在国内外都有许多成功的事例，但做到这一点也并非易事，这是因为：（1）处理设备比较昂贵，增大了工程的投资；（2）用来安装这些处理设备需要的施工场地比较大；（3）处理的时间比较长。在理论上最合理的选择，往往并不是国内承包商最终的实际选择。
2.3.2 工程地质因素
盾构施工工程地质的复杂性主要反映在基础地质（主要是围岩）和工程地质特性的多变性的多变方面。在一个盾构施工段或一个盾构合同标段当中，某些部分的施工环境适合选用土压平衡式盾
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构机，但某些部分的施工环境又很适合选用泥水盾构机。然而，作为同一施工合同段，中途更换另一种盾构机的可能性很小。在这种情况下，只好选择同一类型的设备。此时，就要综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。
2.3.3 安全因素
从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，使用泥水盾构机要比土压平衡盾构的效果要好一些，特别是在江、河湖等水体下、在密集的建筑物或构筑物下及上软下硬的地层中进行盾构施工。在这些特殊的施工环境中，施工过程的安全性将是在进行盾构选型时的一项及其重要的选择因素。
3 盾构机对地质的适用性及选型的流程
3.1 盾构机对地质条件的适用性
根据当前盾构的技术水平，各种盾构机对地质条件的适用性如表3.2.22-1所示。
盾构机对地质条件的适应性一览表 表3.2.22-1
盾构机 土质 手掘式 适 分类 土质 N值 用 性 腐质土 粉土、 黏土 砂质粉土、砂质黏土 粉质黏洪积黏性土 土、黏土 黏质粉土、黏土 黏性岩、泥岩 混有粉砂质土 土、黏土的砂 松散砂
敞开式 半机械 挖掘式 适 用 性 3 3 3 △ ○ ○ ○ △ 注 意 点 地层 变形 地下水压 地下水压 机械 挖掘式 适 用 性 3 3 3 3 ○ ○ ○ △ 注 意 点 地层 变形 泥土堵塞 地下水压 地下水压 密闭式 泥土压式 适 用 性 △ ○ ○ ○ ○ ○ ○ △ 注 意 点 地层变形 刀具磨损 泥水式 适 用 性 △ ○ ○ ○ ○ ○ △ 注 意 点 地层变形 刀具磨损 4
注 意 点 地层 变形 地层 变形 地层 变形 开挖 机械 地下 水压 地下 0 0～2 0～5 5～10 10～20 15～25 25以上 50以上 3 △ △ △ ○ ○ △ 3 冲积黏性土 软岩 10～15 10～30 △ △ △ 3 △ ○ ○ ○ ○ △ 地下水压 密实砂 松散 砂砾 30以上 10～40 △ △ 地下 水压 地下 水压 △ △ 地下 水压 地下 水压 △ △ 水压 地下水压 地下水压 地下 水压○ ○ ○ ○ 固结 砂砾 40以上 △ 地下 水压 △ 地下 水压 △ 刀盘与刀具磨损 ○ 刀具磨损 ○ 刀具磨损 砂 砾、卵 石 混有卵石的砂砾 － 人员安△ 全、地下水压 地下水△ 压、超挖量 地下卵石、巨砾 砾石 － △ 破碎、地下水压 水△ 压、超挖量 △ △ 地下 水压刀盘与刀具磨损 刀具与螺 △ 旋输送机选择 ○ 刀具磨损 刀具选△ 择、送泥对策 砾石破△ 碎、送泥对策 注：1、表中符号○表示原则上适用；△表示必须进行辅助工法、辅助设备等充分论证后适用； 3表示原则上不适用。
2、选择敞开式盾构多同时采用压气、注浆等辅助工法，其适用性要经过充分论证。
3.2 盾构机选型的流程
盾构机选择正确与否，涉及能否正常掘进施工，特别是涉及施工安全，必须采取科学的方法，按照可行的程序，经过策划、调查、可行性研究、综合比选评价等步骤，科学合理选定。盾构选择流程参见图3.2.22-3。
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