第27卷第4期
2007年8月
隧道建设
Tunnel Construction
27(4):91～94
Aug.,2007
武汉长江隧道工程盾构机选型
刘金祥 ,赵运臣
(1.中铁隧道集团武汉长江隧道指挥部,武汉430062;2.中铁隧道集团科研所,河南洛阳471009)
摘要:根据武汉长江隧道工程的地质条件,周边环境以及隧道直径,隧道长度等条件,在详细资料调研及理论分析的基础上,从不
同盾构形式对地层性质,地层渗透性,地下水位等方面的适应性进行了综合分析,并考虑国内外类似工程盾构机选型的成功实例,
提出了适合武汉长江隧道工程的盾构机类型,对今后类似工程具有积极的借鉴意义.
关键词:盾构机选型;泥水盾构;土压平衡盾构
,中图分类号:U455;TU621 文献标识码:B
Type Selection of Shield Machines for Wuhan
Yangtze River Crossing Tunnel Project
LIU Jin—xiang ,ZHA0 Yun—chen
(1.Headquarters of Wuhan Yangtze River Crossing Tunnel Project,China Railway
Tunnel Group Co.,Ltd.,Wuhan 430062,China;2.Scientific Research Institute of China
Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Luoyang 471009,Henan,China)
Abstract:Based on the research on the relevant documents and theoretical analysis on the geological conditions,sur-
rounding environment,tunnel diameter and length of Wuhan Yangtze River Crossing Tunnel Project,this paper analyzes
the applicability of different types of shield machines to different stratum properties,stratum permeabilities and under-
ground water synthetically and puts forward the suitable shield machine types.This paper will have active reference sig—
nificance to future similar projects.
Key words:type selection of shield machines;slurry shield;EPB shield
0 前言
目前盾构工法是复杂地质条件下修建隧道,特别
是江河,海底隧道所采用的主要施工方法.盾构机是
盾构隧道施工的最重要的设备,盾构选型及设备参数
选择直接关系到隧道工程的成败.如果盾构机选型不
合适或设备参数设计不当,轻则影响施工速度,拖延工
期,造成经济损失;重则引起重大工程事故,甚至隧道
报废,出现人员伤亡.因此,盾构选型及设备参数选择
具有重要的意义.近年来我国大型过江,过海隧道项
目逐渐增多,地质条件越来越复杂,倾向于采用大直径
盾构施工的趋势越来越明显.然而,目前在我国越江隧
道工程中采用大断面盾构施工的实例很少,复杂地质条
件下,高承压水,局部地层软硬不均,盾构选型的研究多
是结合工程实例进行,缺乏系统研究.
武汉长江隧道工程是我国今后大型越江隧道的主
流建设模式,面对其地质条件复杂和高压富水的状况,
施工风险很大,盾构机选型关系到工程的成败.
l 工程概述
武汉长江隧道为"十一五"武汉市重点工程.工程
建设规模:设计双向四车道,隧道全长3 630m,其中盾构
隧道长2 550m,隧道直径11 m.该工程具有以下特点:
①盾构一次掘进距离长(长度约2 550 m).
②地质条件复杂.盾构主要穿越的地层为黏土,
砂土,粉质黏土,粉土,粉细砂,中粗砂,砂层积风化岩
层.所以在盾构设计时必须同时考虑对粘土层和砂土
地层的适应性问题,同时具备开挖风化岩层的能力.
③地下水位高.受长江影响,隧道中线以上最高
水位57 m(0.57 MPa).
④周边环境复杂.该工程位于武汉市中心城区,
拟建隧道及线路两侧50 m范围内的建筑物与地 管线
星罗棋布,道路交叉纵横,并分布有许多重要建筑,如武
九铁路,长江大堤,鲁兹故居(湖北省一级文物)等.
2 盾构机类型的确定
选择盾构形式时,应综合分析影响盾构机选型的
收稿日期:2007—03—29;修回日期:2007—07—02
作者简介:刘金祥,男,1988毕业于长沙铁道学院,工程机械专业,高级工程师,长期从事施工机械管理与研究工作.
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锺莲建巅 2007年8月第27卷
主要因素,如地质条件,地面情况,隧道断面尺寸,隧道
长度,隧道线路,工期以及施工过程的开挖和衬砌等问
题.在选择盾构形式时,最重要的是以保持开挖面稳
定为基点进行选择.为了选择合适的盾构形式,应对
地质条件,地下情况,周边用地和周围环境进行详细的
调查,并对安全性及经济性做充分的考虑.盾构选型
的基本程序见图1.
2.1 盾构形式与地层的关系
土压平衡和泥水平衡盾构所适应的地层条件不
同,根据日本的经验,不同盾构对地层的适应性见表1.
土压平衡式盾构可分为两种:土压式和泥土压式.
土压式盾构适用于含水量和颗粒组成比较适中的土
质,开挖面的土砂可以直接流入压力舱及螺旋输送机,
从而保持开挖面的稳定.土压平衡式盾构是根据土压
力的状况同时进行挖土和推进,通过检查土压力不但
可以控制开挖面的稳定性还可以减少对周围地基的影
响,一般不需要实施辅助工法,所以具有减小地表施工
沉降的优点.泥土压式盾构适用于砂粒含量较多而
不具有流动性的土质,需要通过添加水,泥水或其它
添加材料使泥土压力很好的传递到开挖面.泥土压
式盾构可以适用于冲积砂砾,砂,粉土,黏土等固结
度比较低的软弱地层,洪积地层以及软硬相间互层
等地层,对地层的适应性最为广泛.但在高水压的
地层中,仅用螺旋输送机难以保持开挖面的稳定,需
要安装保持压力的过滤器,连接压送泵,改良碴土等一
系列设备.
图1 盾构机选型的流程图
Fig.1 Flow chan of type selection of shield machines
表1 不同盾构对地层的适应性
Table 1 Applicability of different shield machines to different stratum
注:1)0一适合;△一使用时需要考虑辅助施工方法,辅助机械;x一一般不适用.2)所谓泥岩是强度比较低的风化泥岩.
泥水平衡盾构是通过施加略高于开挖面水土压力
的泥浆压力来维持开挖面的稳定.除泥浆压力外,合
理地选择泥浆的特性可以增加开挖面的稳定性.一般
比较适用于在河底,海底等高水压条件下隧道的施工.
具有高的安全性和良好的施工环境.对周围地基的影
响较小,既不会对地层产生过大的压力也不会受到地
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第4期 刘金祥等 武汉长江隧道工程盾构机选型
层的压力的反压.一般不需要辅助施工措施.
泥水平衡盾构适应于冲积形成的砂砾,砂,粉砂,
黏土层,弱固结的互层的地层以及含水率高而不稳定
的地层;洪积形成的砂砾,砂,粉砂,黏土层以及含水很
高的高固结松散易于发生涌水破坏的地层,是一种适
合多种地层条件的盾构形式.但是对于难以维持开挖
面稳定的高透水地层,砾石地层,有时也需考虑辅助施
工方法.
根据德国某盾构设备制造商的经验,常用的土压
与泥水平衡盾构选择应考虑的地层条件及颗粒尺寸因
素如图2所示.
根据详堪报告及设计文件,本工程盾构隧道主要
穿越④1～⑦3地层,其中④1为黏土,④3,④6为粉
土,④4,⑤6为粉质黏土,④5为淤泥质粉质黏土,⑤1,
⑤2,⑤3为粉细砂,⑤4,⑤5为中粗砂,⑥为卵石层,⑦
1,⑦2,⑦3为泥质粉砂岩夹砂岩页岩.武汉长江隧道
盾构段通过地层比例情况见表2.根据日本的经验,
土压平衡式中泥土压式盾构和泥水平衡式盾构均可适
应本工程的地质条件.同时考虑德国的经验,本工程
采用泥水盾构更合适.
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各种松散土壤粒径筛分曲线
图2盾构类型与地层条件之间的关系
Fig.2 Relationship between shield machine types and stratum
conditions
表2 盾构隧道通过的各种地层比例表
Table 2 Proportions of different types of stratum
地层序号 地层名称
2.2 盾构类型与地层渗透性的关系
地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的
因素.根据欧美和日本的施工经验,两种盾
应的地层渗水系数范围如图3所示.当地层
数小于10一 m/s时,可以选用土压平衡盾构;
的渗水系数在10 m/s和10 m/s之间时,朗
用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构;当
水系数大于10 m/s时,宜选用泥水盾构.
隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数
10圳～8.0×10一m/s,垂直渗透系数为3.0>c
9.0×10～m/s,地层的最大透水系数大于1C
从图3中可以看出,应采用泥水平衡盾构.
图3 地层渗透系数与盾构选型关系示意图
Fig.3 Relationship between shield machine types and S
2.3 盾构类型与水压关系
本工程穿越长江,同时地下水压力高(最
0.57 MPa),若采用土压平衡盾构,仅采用螺旋
很难保持开挖面的稳定,需要安装保持压力的j
连接压送泵,改良碴土等设备.而泥水盾构比
于在河底,海底等高水压条件下隧道的施工,具
的安全性和良好的施工环境.从安全角度考
程应采用泥水平衡盾构.
2.4 类似工程实例经验类比
与本工程地质条件,周边环境条件类似的
道,多采用泥水盾构.类似工程应用盾构实例见
表3 类似工程应用盾构实例
Table 3 Types of shield machines for similar project
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隧道建设 2007年8月第27卷
2.5 泥水平衡盾构与土压平衡盾构综合性能的对比
土压平衡盾构和泥水盾构在地质条件,隧道直
径,地下水压力,对地表影响程度,碴土处理,施工场
地等方面都有较大差异,针对不同的工程应综合考
虑其安全性与经济性.二种盾构进行综合对比分析
见表4.
表4 盾构类型特点对比表
Table 4 Comparisons between slurry shield and EPB shield
2.6 结论
综上所述,根据类似工程使用盾构的经验和通过
上述各项分析,采用泥水平衡盾构最适应武汉长江隧
道地质条件,施工总长度,隧道线路,隧道埋深及周边
环境条件等,是确保工程施工安全的关键条件之一.
3 结束语
针对武汉长江隧道工程地质条件复杂和高压富水
地层,周边环境复杂,环境保护要求高,隧道直径大,一
次掘进距离长等特点,通过对资料调研和理论分析初
步确定盾构选型.
目前,盾构隧道有向着断面大,一次掘进距离长,
施工速度要求高,适应复杂地质条件与周边环境条件
的方向发展的趋势.对盾构机选型及设备参数选择的
要求越来越高,施工难度越来越大.针对不同水文地
质条件和设计要求,选择恰当的隧道掘进机型式和施
工技术是至关重要的.
参考文献:
[1] [日]土木学会.盾构标准规范(盾构篇)及解说[M].朱
伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.
[2]项兆池,楼如岳,傅德明,等.最新泥水盾构技术[G].
上海:上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所科技
情报室,2001.
[3] 中铁隧道集团武汉长江隧道联合体.武汉长江隧道投标
文件,2005.
(上援90贞)
序.现场运输刀具必须使用专用工具,切忌粗暴搬运.
认真检查刀座,刀刃,紧固螺栓,磨损等,仔细清理刀具
的各装配面,并去毛刺,严格遵守安装工艺,按规定扭
矩拧紧螺栓,确保润滑和密封可靠.
④严格遵守更换刀具的技术原则.采取过渡刀方
法换刀,以及换边刀必须更换刀盘刮板;刀盘及刀座的
裂缝必须及时修复.
⑤刀具检验合格才能使用.不论是新刀,装配刀,
还是修理刀,每一把刀具都必须经调整,检验工序才能
使用;刀具的修理,检验,以及维修参数应根据刀具将
通过的岩体特性灵活调整,保证刀具的实用性.
⑥合理选择TBM掘进参数.操作司机启动与停
止旋转刀盘时,操作要刚柔相济,转速,推力和初始贯
人度要循序渐进,杜绝粗暴盲目.
⑦信息化管理.每把刀具都建立一个档案,记录
刀具全过程的使用,修理和配件消耗等相关情况,使得
每把刀具均能最充分的合理利用,从管理上确保每把
刀具的效益最优化.
3 结束语
经过几个工程项目的TBM施工,摸索总结了相关
的TBM刀具管理组织与经验,又在相关的TBM施工
项目中通过现场组织实践,并不断得到完善.证明在
TBM施工中,只要组织落实到位,刀盘刀具故障造成
的停机u,Tf~l可以降低不少,并取得良好的效果.
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