1,不同地層條件下的盾構(gòu)與TBM選型,中國工程院院士王夢恕,北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing,2,目前可選用的盾構(gòu)與TBM型式盾構(gòu)設(shè)計(jì)和施工應(yīng)重視的幾個(gè)新動(dòng)向不同地層應(yīng)選擇不同類型的盾構(gòu)不同地層應(yīng)選擇不同的刀盤結(jié)構(gòu)公路隧道盾構(gòu)的直徑確定TBM的考慮隧道支護(hù)型式選擇,主要介紹內(nèi)容,3,一、目前可選用的盾構(gòu)與TBM型式,1盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展盾構(gòu)作為一種安全、快速的隧道掘進(jìn)技術(shù)，歸納起來可以說經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：（1）以Brunel盾構(gòu)為代表的初期盾構(gòu)；（2）以機(jī)械式、氣壓式、網(wǎng)格式盾構(gòu)代表的第二代盾構(gòu)；（3）以閉胸式盾構(gòu)為代表（泥水式、土壓式）的第三代盾構(gòu)；（4）以大直徑、大推力、大扭矩、多樣化為特色的第四代盾構(gòu)。,4,2盾構(gòu)類型全開敞式盾構(gòu)：手掘式盾構(gòu)、半機(jī)械式盾構(gòu)、機(jī)械式盾構(gòu)半開敞式盾構(gòu)：擠壓式盾構(gòu)閉胸式盾構(gòu)：土壓平衡盾構(gòu)、泥水加壓平衡盾構(gòu),3TBM類型開敞式TBM軟硬地層均可護(hù)盾式TBM（半護(hù)盾式）靈敏系數(shù)1.0，調(diào)向困難；不能及時(shí)支護(hù)、易塌方,5,Brunel盾構(gòu),倫敦Blackwall盾構(gòu)隧道,原始盾構(gòu),6,網(wǎng)格式盾構(gòu),插刀盾構(gòu),開敞式盾構(gòu),7,輻條式盾構(gòu),面板式盾構(gòu),閉胸式盾構(gòu),8,復(fù)合式盾構(gòu),9,荷蘭14.87泥水盾構(gòu),易北河盾構(gòu)14.5m,大直徑盾構(gòu),10,開敞式TBM,護(hù)盾式TBM,11,4.TBM掘進(jìn)兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)開敞式TBM具有兩大特點(diǎn)1.靈敏度高、長度/直徑1，易精確調(diào)方向可在30mm內(nèi)。2.能夠及時(shí)對(duì)不良地層進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，時(shí)空效應(yīng)好，不易塌方。3.該機(jī)型又被工程實(shí)踐所證實(shí)。4.結(jié)論：開敞式TBM既適用于硬巖，也很適用于軟巖地層，已在大伙房供水工地87公里長推廣應(yīng)用。5.評(píng)為國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2005年）。,12,雙護(hù)盾、單護(hù)盾TBM具有兩大缺點(diǎn)1.靈敏度低，很難精確快速調(diào)整到位。2.由于后盾較長，不易及時(shí)支護(hù)，易塌方，如臺(tái)灣平林隧道。3.造價(jià)高，是開敞式TBM的1.3倍。4.結(jié)論：由于兩大缺點(diǎn)，建議取消這種類型的TBM。,13,二、盾構(gòu)設(shè)計(jì)和施工應(yīng)重視的幾個(gè)新動(dòng)向,盾構(gòu)分為有刀盤和無刀盤兩大類一、無刀盤盾構(gòu)無刀盤盾構(gòu)稱為開敞式簡易盾構(gòu)，人可以站在平臺(tái)上進(jìn)行地層開挖,1.開敞網(wǎng)格式用于地層自穩(wěn)較差，但降排水后還能自穩(wěn)。將工作面用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)支撐，盾構(gòu)刃腳插入地層0.5m左右，起超前支護(hù)作用。,14,15,16,17,2.開敞正臺(tái)格柵一般分為3個(gè)臺(tái)階,人可直立工作。,5.插刀式盾構(gòu)，單臂掘進(jìn)機(jī)開挖，地層較好，無水處采用。,3.CD開敞格柵式,4.雙CD開敞格柵式,18,19,20,(二)、無刀盤開敞式后部襯砌支護(hù)形式1.管片式2.壓縮混凝土式：邊推進(jìn)邊壓縮混凝土,(三)、無刀盤開敞式適用范圍1.水少之地，地層較能自穩(wěn)。2.降水后砂卵石地層，如成都地鐵、沈陽部分區(qū)段地鐵，降水后的黃土地層，如西安地鐵。3.性價(jià)比好，易國產(chǎn)化，造價(jià)比有刀盤便宜一半以上。,21,二、有刀盤盾構(gòu)有刀盤盾構(gòu)是指靠土壓、泥水壓、局部氣壓穩(wěn)定工作面的盾構(gòu)。,(一)有刀盤盾構(gòu)分類1士壓平衡式盾構(gòu)。2泥水平衡式盾構(gòu)。3泥水加局部氣壓平衡式盾構(gòu),22,(二)刀盤類型和設(shè)計(jì)刀盤是盾構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)隧道不同地層應(yīng)及時(shí)設(shè)計(jì)和調(diào)整刀盤的開口率和布刀方式。1.盤形刀盤：指硬巖地層，開口率僅在30左右。靠刀盤壓緊地層進(jìn)行穩(wěn)定，土壓力、泥水壓力僅部分穩(wěn)定工作面。2.輻條式刀盤：由于盾構(gòu)所穿地層松軟，扭矩較大、推力小、土壓、泥水壓易平衡工作面，應(yīng)予推廣。對(duì)刀盤刀具的磨耗也小。3.無水、少水之地不利于刀盤的壽命，應(yīng)改為無刀盤盾構(gòu)。4.適應(yīng)范圍：在流沙、富水及不穩(wěn)定的地層中應(yīng)用，但不能包打天下。因性價(jià)比差，不易國產(chǎn)化，但必須走向國產(chǎn)化，可在南方地鐵及不穩(wěn)定地層中應(yīng)用。江河水底隧道應(yīng)用。,23,三、不同地層應(yīng)選擇不同類型的盾構(gòu),1.少水地層、砂卵石地層宜選擇開敞式網(wǎng)格盾構(gòu),北京地鐵刀具磨損嚴(yán)重,少水或無水地層，地層具有較好的自穩(wěn)性，降水下沉量?。ㄈ缟蜿?、成都等地層），土體顆粒對(duì)刀盤刀具磨損也很大，選擇開敞式盾構(gòu)網(wǎng)格盾構(gòu)比較適宜。,24,2.土壓平衡盾構(gòu)不是全能的，應(yīng)同時(shí)考慮選用泥水盾構(gòu)與土壓盾構(gòu),泥水盾構(gòu),土壓盾構(gòu),25,（1）土壓平衡盾構(gòu)的考慮不穩(wěn)定的粉砂是最適合使用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。在含水的黃土地層，有時(shí)不需要水或只需要加很少量的水，通過攪拌形成塑性好的泥漿將刀盤全部糊死。該地層不適合土壓平衡盾構(gòu)，應(yīng)采用降水配合開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)。,（2）泥水加壓盾構(gòu)的考慮(a)泥水加壓盾構(gòu)對(duì)于不穩(wěn)定的軟弱地層或地下水位高，含水砂層，粘土以及沖積層以及洪積層等流動(dòng)性高的土質(zhì)，使用效果較好。(b)泥水加壓平衡盾構(gòu)具有土層適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周圍土體影響小、施工機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。,26,(c)在砂層中進(jìn)行大斷面、長距離推進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)，大多采用泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)。實(shí)踐證明，掘進(jìn)斷面越大，用泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)的效果越好。(d)泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)除在控制開挖面穩(wěn)定以減少地面沉降方面較為有利外，還在減少刀頭磨損、適應(yīng)長距離推進(jìn)方面顯示出優(yōu)越性。(e)泥水加壓盾構(gòu)存在盾尾的漏水以及難以確認(rèn)開挖面狀態(tài)等缺點(diǎn)，還需要較大的泥水處理場地。,27,四、不同地層應(yīng)選擇不同的刀盤類型,（1）開口面板式刀盤,（2）輻條式刀盤,28,刀盤特性比較,29,五、水底公路隧道盾構(gòu)直徑的確定,（1）雙向4車道11.4m左右的盾構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)最小國內(nèi)外成功的水底公路隧道盾構(gòu)直徑多在11.4m左右，實(shí)踐證明，制造、施工及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)較??；較經(jīng)濟(jì)（1.2億元/臺(tái)）。,（2）雙向6車道15m左右的盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)較大盾構(gòu)制造成本很高，價(jià)格昂貴（33.5億元/臺(tái)）；盾構(gòu)掘進(jìn)壓力平衡不易控制，施工風(fēng)險(xiǎn)大；管理、運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)較大；埋深加大，縱坡不利；空間浪費(fèi)，約80m2左右。,30,六、TBM的選擇考慮,（1）開敞式TBM適應(yīng)軟硬地層開敞式TBM轉(zhuǎn)向控制靈活、對(duì)地層能及時(shí)支護(hù)。開敞式TBM通過軟巖地層，采用先錨后噴及先噴后錨，并架設(shè)鋼拱架的一次支護(hù)，在磨溝嶺砂頁巖含水軟弱地層中實(shí)現(xiàn)了日掘進(jìn)快支護(hù)41.3m和月掘進(jìn)快支護(hù)574m快速施工水平，平均進(jìn)尺232m/月。在TBM上加裝錨桿機(jī)、混凝土噴射機(jī)、鋼拱架安裝機(jī)、以及超前鉆機(jī)，而且在確定刀間距、推力和扭矩的參數(shù)上以及撐靴的支撐力上，能適應(yīng)軟巖、硬巖的切削特性。,（2）半護(hù)盾、全護(hù)盾不適應(yīng)軟巖地層護(hù)盾式TBM轉(zhuǎn)向不靈活、控制較為困難軟弱破碎地層不能及時(shí)支護(hù),31,七、支護(hù)型式的考慮,1.管片襯砌廣泛應(yīng)用于軟土地層盾構(gòu)隧道的支護(hù)管片接頭部位是防水薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)研究接頭型式及防水材料管片形狀及分塊型式管片厚度及鋼筋配置與地層壓力的關(guān)系,32,管片襯砌,管片,33,2.噴混凝土襯砌應(yīng)用于開敞式TBM隧道，能及時(shí)支護(hù)，很好地適應(yīng)軟弱破碎圍巖，在秦嶺隧道及磨溝嶺隧道中得到了成功應(yīng)用。,噴錨支護(hù)情況,34,3.壓縮混凝土襯砌壓縮混凝土襯砌（ECLExtrudedConcreteLining），就是以現(xiàn)澆混凝土作襯砌來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管片襯砌。ECL工法的具有以下特點(diǎn)：ECL工法的筑造的襯砌質(zhì)量高；ECL極大地抑制了地層沉降，無須降低地下水；采用全機(jī)械化施工，節(jié)省人員、安全性高，作業(yè)環(huán)境好；ECL工法采用一次襯砌，材料用量少；不需要同步注漿；施工階段工序少，襯砌與拼裝同步進(jìn)行，加快了施工進(jìn)度，縮短了工期,35,壓縮混凝土襯砌,60年代初在北京進(jìn)行了1:5的盾構(gòu)擠壓混凝土襯砌的模擬試驗(yàn)，成功后，制造了7.34m的壓縮混凝土的網(wǎng)格式盾構(gòu)，并進(jìn)行了180m的掘進(jìn)試驗(yàn)。,36,二次模筑,薄管片,4、薄管片+二次模筑=復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。該型式耐久性好，強(qiáng)度高，適于鐵路隧道或重要通道。,37,盾構(gòu)在北京地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵、成都地鐵、西安地鐵、北京鐵路地下直徑線的教訓(xùn)：,1、無水地段、降水不產(chǎn)生、少產(chǎn)生沉降的砂卵石地層不應(yīng)采用土壓平衡盾構(gòu)，應(yīng)改用無刀盤開敞式網(wǎng)格盾構(gòu)。刀具、刀盤磨耗嚴(yán)重、大石頭出不來，嚴(yán)重影響進(jìn)度。,2、盾構(gòu)線路設(shè)在軟土和弱風(fēng)化巖交界面處，形成上軟下硬，施工相當(dāng)困難，選線標(biāo)高應(yīng)改，隧道最忌選在交界面標(biāo)高，深圳最突出。,38,3、泥水平衡盾構(gòu)在穩(wěn)定工作面方面優(yōu)于土壓平衡盾構(gòu)，氣墊式泥水平衡盾構(gòu)最好。土壓平衡盾構(gòu)泥土不可能在全斷面形成壓力，造成下沉量增大。如右圖所示：,4、土壓平衡盾構(gòu)刀盤應(yīng)采用幅條式；泥水平衡盾構(gòu)可采用面板式，TBM必須采用面板式。,5、管片襯砌壽命年限只有3040年，不是永久襯砌，應(yīng)增設(shè)二次模筑混凝土襯砌，增大盾構(gòu)直徑。,39,6、小直徑盾構(gòu)的開發(fā)應(yīng)配合采用壓縮混凝土襯砌，這也是共同溝的發(fā)展方向。,7、大直徑盾構(gòu)不是方向，將導(dǎo)致人為增加風(fēng)險(xiǎn)，長距離掘進(jìn)（2km）條件下，深埋盾構(gòu)施工是發(fā)展方向（如瓊州海峽隧道）。,8、TBM掘進(jìn)機(jī)不是盾構(gòu)，兩者原理、構(gòu)造相差很大。開敞式TBM可以通過各