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目前中国制造的最大盾构机“聚力一号”为泥水加压平衡盾构机,直径达16.09m,长m,重吨。可以实现m长距离连续不换刀掘进,还能解决超大盾构机高水压下的渗漏水问题。而世界上最大直径的盾构机是日本制造的“贝莎(Bertha)”土压平衡式盾构机,直径达17.5m,长m,重约吨。针对地铁隧道(城市隧道)、过江隧道、山岭隧道,隧道水文、地质为高水压,破碎、软弱围岩需要用盾构机施工时,怎样对盾构进行选型,以满足地质、安全、质量及工程进度的要求?
盾构机的选择要满足:
必须确保开挖空间的安全和稳定支护。
确保盾构机械质量和施工安全。
保证隧道土体开挖稳定。
保证永久隧道衬砌的安装质量。
保证隧道开挖废土的清除。
确保盾构机械的作业可靠性和作业效率。
盾构机按掘进模式可以分为密闭式、开胸式。开胸式适应于地层条件自立性较好,且无地下水的地层,所以开胸式不适合有地下水的地铁。而密闭式掘进模式适用于地层自立性条件较差,地下水较丰富的地层,因为密闭式掘进可有效地保证开挖面的自立与稳定,保证施工安全。
密闭式盾构机分为泥水加压式、土压平衡式两种,代表了不同的出土方式和不同工作面土体平衡方式的特点。这两种盾构机是目前世界上最常用的最先进的两种盾构形式,但适应地质及范围有一定的区别。泥水加压盾构机价格相对较高,泥水加压式盾构施工需要产生大量的泥浆必须经过地面设备进行处理,泥浆处理设备较为庞大,占地面积较大,泥浆外运处理较困难。环保要求高、施工场地狭窄的城市地铁,由于场地限制,土压平衡盾构机是首选机型,也是目前在国内软土地层中,进行隧道掘进施工的一种较好的机型。土压平衡盾构机械能适应较大的土质范围与地质条件,能用于多种复杂的土层,施工速度较高,可以获得较小的沉降量,易于实现自动监测与控制。对于含砂量较大的土层,土压平衡盾构机的加泥装置可以根据土质选用膨润土、发泡剂等添加剂,将其注入开挖面和泥仓,通过搅拌机构将将添加材料与开挖土砂的强力搅拌,将开挖土砂变成塑性流动层、防渗性的泥土,这种泥土充满土室和螺旋输送机内,通过盾构液压油缸的推力使泥土受压,使与开挖面土压和水压平衡,能保证开挖面的稳定、减少周边土体的扰动,保护地面建筑物及地下管线的安全。
盾构机掘进施工时,一般需要最小覆土厚度为1.0D~1.5D(D为开挖直径),开挖区间的覆土厚度要符合要求,对个别地方覆土厚度偏低地段,要充分进行开挖面的压力管理和壁后同步注解浆管理,并根据地面监测情况,适时进行地面跟踪注浆,以尽量减少对地表面及地下管线的影响。盾构机各密封性能、壳体强度、扭矩、推力及辅助设备能满足埋深的要求。目前,中国制造的土压平衡盾构机采用国际先进技术,自动化程度较高。盾构机所有控制系统功能由可编程控制器完成,可进行数据的变更设定、程序设计;具有自动及手动控制模式,能自动控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速、出碴门开度等参数,并应带有故障自动诊断系统;同步注浆量及压力可以自动、手动控制,且能调整;安装在土仓中的土压传感器能及时正确地反映出开挖面的水土压力,自动土压控制系统可根据土仓中所安置的压力传感器的压力自动地调整出土系统(螺旋输送机转速),使量、速匹配,所以能有效地控制地面沉降(控制标准:+10mm,-30mm)的要求;各系统具有报警、连锁、安全保护等功能。
针对环保要求高、场地狭窄采用盾构施工的城市地铁(城市隧道),土压平衡盾构机是首选机型,再经过技术性能、产品价格、产品业绩、供货日期、厂家信誉等的综合调查研究,选定盾构机。其它需要盾构施工的隧道,可以参考以上分析,选用泥水平衡或土压平衡盾构机施工。