盾构选型：软土盾构和复合盾构，施工成本综合分析

盾构的类型分为软土盾构和复合盾构两类，盾构的机型目前应用最广泛的是土压平衡盾构和泥水盾构两种。无论是适用于单一软土地层的软土盾构，还是适用于复杂地层的复合盾构，又包含有土压平衡盾构和泥水盾构两种机型。

（一）盾构选型的依据

盾构选型应以工程地质、水文地质为依据，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及工期、环保等因素，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，辅助设备的配置等进行研究。

1.工程地质

根据隧道工程地质资料，综合分析隧道岩性和围岩类别，选择合适的盾构类型，确保施工安全可靠，确保地面建筑物的安全，确保施工进度目标的实现。不同类型的盾构适应的地质范围不同，所选择的盾构应能适应地质条件，能保持开挖面稳定。

土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉土、粉质黏土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土壤的施工。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，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。盾构向前推进的同时，螺旋机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。当渣土中的含砂量超过某一限度时，泥土的塑流性明显变差，土仓内的土体因固结作用而被压密，导致渣土难以排送，需向土仓内添加膨润土、泡沫或聚合物等添加剂，以改善土体的塑流性。对于砂卵石地层，由于粉砂土及黏土含量少，开挖面在刀盘的扰动下易坍塌，采用一般的土压平衡盾构机已经不能满足这种地层的需要，必须采取辅助措施，注入足够数量的添加剂，进行渣土改良，或者选择泥水平衡式盾构机。

泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过泥膜表面扩张作用，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水平衡盾构机从某种意义上说在隧道掌子面平衡方面比土压平衡盾构机优越。

2.水文地质

隧道盾构施工另外一个重要选型依据就是隧道围岩水文地质因素，围岩渗水系数是盾构选型常用的一个参数指标。

对于渗水系数大的隧道采用土压盾构施工，螺旋输送机“土塞效应”难以形成，螺旋输送机出渣发生大量“喷涌”现象，这样对施工是非常不利的，同时引起的一个直接反映是土仓压力波动大，地面沉降不利控制，如果采用泥水平衡盾构，甚至采用气垫等措施，泥水仓压力波动可以控制在很小的范围内，欧洲设备采用气垫一般可以控制在0.2 bar 左右。

对于渗水系数较小的隧道如果采用泥水平衡盾构施工，主要制约因素是隧道渣土排放需要较长的管道，同时需要昂贵的泥水处理设备，在环境要求高的场合还必须采用渣土压滤设备，同时耗费大量的膨润土，这样工程造价是比较高的。

3.尽量少的辅助施工工法

对于盾构施工，一个重要概念即掘进快速、工序少、人员程序化施工。辅助工法的增多给隧道施工带来很多不便：材料耗费大、工序复杂、工人技术能力要求高、管理困难。因此进行盾构选型，应该综合分析施工成本，尽量采取少的辅助施工工法，保证隧道稳定高速掘进。

4.环保要求

对于现代化隧道施工，进行盾构机类型的选择，环保要求应该引起施工界的高度重视，比如盾构施工带来的有形污染物、噪声、水源污染等各个环节应综合考虑。

以上几个方面在主要满足工程地质和水文地质关键技术需要的情况下，同时兼顾尽量少地采用辅助工法、环保高要求等因素，多方面调研，综合确定适合工程的盾构类型。

（二）不同类型土质条件的盾构选型

1.软弱土层隧道盾构选型

（1）软弱土层基本特性。

这种土层主要由黏粒和砂粒组成，其黏粒含量高、含水量大、透水性较差、强度低，具有触变性。土层一旦受到扰动，强度显著降低。

（2）盾构选型。

在软弱土层中采用盾构施工，必须在盾构掘进过程中，始终保持盾构开挖面和盾构外围周边土层的稳定，避免和减少土层扰动，以防止地表变形，这是软弱土层隧道对盾构选型考虑的首要问题。软弱土层隧道施工可选用以下类型盾构：

① 普通型土压平衡盾构。适用于软弱黏性土，即使黏结较密实的泥土，在受到刀盘开挖扰动后，也会增加塑流性，能充填满刀盘泥土仓和螺旋输送机壳体的空间，通过调节螺旋机转速或盾构推进速度，就能使泥土仓内土压与开挖面静止土压保持平衡，以保持开挖面土层稳定。

② 泥水加压盾构。这种盾构适用土层类型很广，从软弱黏性土、砂性土以及砂砾层都可选用，但需要配备泥水处理分离设备，占地面积较大，费用较高。

③ 网格挤压盾构。适用于不能自稳、流动性大的软弱黏性土，尤其是对盾构掘进沿线地表变形无严格要求的工程，例如穿越江、湖、海底或沼泽地区的隧道工程。这种盾构具有结构简单、造价低、故障少等优点，因而可在地质条件和施工环境适当的情况下选用。

2.湿陷性黄土层隧道盾构选型

（1）湿陷性黄土基本特性。

湿陷性黄土在承受一定压力、同时处于浸水条件时会发生结构破坏而引起附加变形，这种变形具有突变性、非连续性和不可逆性。当建筑物或隧道建造在湿陷性黄土地区，一旦发生湿陷变形，必将产生结构破坏的严重后果。湿陷变形是在压力和浸水共同作用下产生的，相反，湿陷性黄土在干燥环境下形成的结构强度是相当高的，可直立不垮。

（2）盾构选型。

在湿陷性黄土层采用盾构法建造隧道是非常复杂和困难的，应力求避开。这种土层宜选用开敞型盾构，包括人工开挖盾构、半机械开挖和机械开挖盾构。但应特别提醒：通常盾构施工法要在隧道衬砌外表面和土层之间的缝隙中及时压浆充填，由于湿陷性黄土在外荷和水的共同作用下，会导致土体结构强度降低，使结构体系失稳而破坏，因此在湿陷性黄土层采用盾构法施工时，应改为向衬砌外围缝隙压注小直径固体砂砾骨料，以保证隧道结构的稳定。

3.红土层隧道盾构选型

（1）红土基本特性。

红土是一种中等压缩性、强度较高的黏性土，其流限较大、含水量较多，土体常处于硬塑和可塑状态。但浸水后强度降低，部分含黏粒较多的红土，湿化崩解明显。

（2）盾构选型。

根据红土的基本特性，采用土压平衡盾构是红土层隧道施工的最佳选型。对强度较高的红土，以选用加泥型土压平衡盾构为宜。盾构掘进时，可向密封泥土仓和螺旋输送机内注入泥浆或泡沫，使其与开挖下的泥土搅拌混合，提高泥土的塑流性，适应土压平衡盾构工作要求。

当红土层存有未风化、微风化岩层时，宜选用土压平衡复合型盾构；当盾构在一般性红土层中掘进时，可采用封闭型土压平衡盾构施工；当遇到岩石层时，就可转换成开敞型机械开挖盾构施工。

另外，有的红土黏结性极高，被开挖下的泥土，常常会牢固地黏结在刀盘进土口边沿或泥土仓隔板上，导致进土不畅、刀盘扭矩和盾构推力大增，影响盾构正常施工。为此，应采取以下措施：① 在刀盘和泥土仓钢板表面涂上润滑剂或粘贴减摩板材，以减小摩擦力；② 刀盘和泥土仓构造设计应尽量简化，减少死角，以使排土畅通；③ 刀盘采用中间梁支承，可对土体进行搅拌，并有利于避免泥土黏结；④ 适当加大刀盘和螺旋输送机传动功率，以备不测。

4.膨胀性黏土层隧道盾构选型

（1）膨胀性黏土基本特性。

膨胀性黏土具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性，并且具有再吸水再膨胀和再失水再收缩的可逆性变形特性。其在天然状态下，结构强度高、压缩性小、天然含水量低，土体处于硬塑或坚硬-半坚硬状态。而在干燥状态下，土质坚硬、易脆裂，一旦遇水则发生膨胀，强度显著降低。

（2）盾构选型。

这种土层在天然状态下土体可以保持稳定，一般可选用开敞型盾构，包括：人工开挖盾构、半机械开挖盾构和机械开挖盾构。但应禁止采用注水或注浆工艺。这种土层浸水后强度显著降低，宜选用土压平衡或泥水加压型盾构。

当盾构施工所穿越土层既有天然状态下膨胀性黏土，又有被水浸湿的土层时，就宜选用复合型盾构。

5.砂卵石地层盾构选型

（1）砂卵石地层基本特性。

砂卵石地层与水的结合能力小，呈现无黏聚力或小黏聚力的松散颗粒，不具有塑性。

（2）盾构选型。

① 砂砾层盾构选型。

在砂砾层采用盾构施工，应着重考虑对开挖土层的稳定措施，一般以采用封闭型盾构为宜。（a）泥水加压型盾构。利用压力泥浆支护开挖面土层，同时面板式刀盘与开挖面土层密贴接触，增加了土层的稳定，是砂砾层隧道施工的最佳选型。（b）土压平衡型盾构。可根据不同地质条件采取不同改良土质技术措施，使其符合土压平衡盾构施工要求，因而能广泛用于从软弱黏性土到砂砾层隧道施工，而且特别适应城市人口稠密地区工程施工。(www.xing528.com)

② 卵石及复合地层盾构选型。

一般卵石层强度变化较大，在强度大的卵石层施工应选用开敞型盾构：包括人工开挖、半机械化和机械化盾构。如果穿越地层含水砂砾层和卵石交互层，则应选用泥水加压型复合盾构。对于大块卵石，还应在盾构土仓内安设碎石机。

6.风化岩层隧道盾构选型

（1）风化岩层基本特性。

风化岩是新鲜岩在风化作用下形成的物质，可划分为全风化、强风化、中等风化和微风化。其中全风化和强风化岩石强度一般较低，而微风化和中等风化岩石强度较高。

（2）盾构选型。

随着地下工程建设事业的发展，不少隧道穿越的土层较为复杂，尤其是长度大的隧道具有软土和强、中、微风化岩层交互地层，在这种情况下，应选用复合型盾构，包括：泥水加压型、土压平衡型以及敞开型复合盾构。在进行具体选型时，还应着重根据所遇到的软土地层的施工要求加以考虑。

综上所述，盾构选型主要是根据土质特性和施工要求加以考虑，而在实际工程中，还有许多重要因素直接影响盾构选型的要求。例如某一工程从地质条件和施工环境考虑，选用泥水加压型盾构是最适宜的，但承包商考虑到另一条同直径隧道施工条件，要求采用土压平衡型盾构，为了使一台盾构能重复应用于多项工程，因此这项工程最后还是选用了土压平衡型盾构。

在实际工程中，到目前为止，国内在建和已建工程主要选用了以下几类盾构：① 土压平衡型盾构。主要用于城市市区建筑物和人口稠密地区隧道施工，如城市地铁区间隧道工程。② 泥水加压型盾构。主要用于地质条件恶劣或穿越江海隧道施工，如上海黄浦江多条过江隧道工程。③ 复合型盾构。主要用于风化岩多变地层隧道施工，如广州地铁二号线海珠广场至市二宫区间隧道工程。④ 网格挤压型盾构。主要用于软弱土层且地表变形无严格要求的空旷地区隧道施工，已广泛用于上海及浙江沿海沿江地区进排水隧道工程。

（三）盾构刀盘选型

1.刀盘结构形式的选择

盾构机的刀盘主要具有开挖、稳定掌子面的功能，对于土压平衡盾构和泥水平衡盾构还具有搅拌渣土和泥浆的作用。刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种，具体应用时应根据施工条件和土质条件等因素决定。泥水盾构一般都采用面板式刀盘，土压平衡式盾构则根据土质条件不同可采用面板式（见图18.22）或辐条式（见图18.23）。

图18.22　面板式刀盘

图18.23　辐条式刀盘

（1）面板式刀盘：面板式刀盘适用于风化岩及软硬不均地层，其优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，因而土压管理困难；由于受面板开口率的影响，渣土进入土仓不顺畅、易黏结和易堵塞，且刀盘负荷大，使用寿命短。对于土压平衡盾构，采用面板式刀盘时，由于泥土流经刀盘面板的开口进入土仓，盾构掘进时土仓内的土压力与开挖面的土压力之间产生压力降，且压力降的大小受面板开口的影响不易确定，从而使得开挖面的土压力不易控制。

（2）辐条式刀盘：辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止黏土附着，不易黏结和堵塞；由于没有面板的阻挡，渣土从开挖面进入土仓时没有土压力的衰减，开挖面土压等于测量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效地控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。刀具切削下来的土体直接进入土仓，没有压力损失，同时在辐条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制。因此辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘强；辐条式刀盘也能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层掘进时，也可采用辐条式刀盘。

2.刀具的选取

（1）滚刀。

滚刀分为齿形滚刀和盘形滚刀。齿形滚刀主要有球齿滚刀和楔齿滚刀两种，常用于软岩；盾构上应用较广的是盘形滚刀。盘形滚刀按刀圈的数量分有单刃、双刃、多刃等3 种形式（见图18.24）。

图18.24　盘形滚刀

在风化的砂岩及泥岩等较软岩地层时，一般采用双刃滚刀，软硬岩采用单刃滚刀。盘形滚刀按刀圈材质主要分为耐磨层表面刀圈、标准钢刀圈、重型钢刀圈、镶齿硬质合金刀圈等，并分别适应不同的地层。

① 耐磨层表面刀圈：适用于掘进硬度40 MPa 的紧密地层，硬度80～100 MPa 的断裂砾岩、砂岩、砂黏土等地层。

② 标准钢刀圈：适用于掘进硬度50～150 MPa 的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层。

③ 重型钢刀圈：适用于掘进硬度 120～250 MPa 的硬岩，硬度80～150 MPa 的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩、斑岩、蛇纹石及玄武岩等地层。

④ 镶齿硬质合金刀圈：适用于掘进硬度高达 150～250 MPa 的花岗岩、玄武岩、斑岩及石英岩等地层。

（2）切刀。

切刀安装在刀盘开口槽的两侧，也称刮刀。用来切削未固结的土壤，并把切削土刮入土仓中，刀具的形状和位置按便于切削地层和便于将土刮入土仓来设计，在同一个轨迹上一般有多把切刀同时开挖。切刀的宽度使得每把刀的切削轨迹之问有一定的重叠。目前最有效的切刀为双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发挥作用。同时在刀具的背部设有双排碳钨合金柱齿。切刀在刀盘上的安装采用背装式，可以从开挖仓内拆卸和更换。

（3）先行刀。

先行刀一般安装在辐条中间的刀箱内。采用背装式，可从土仓进行更换。先行刀超前切刀布置，使得先行刀超前先切削地层，从而保护切刀并避免其先切削到砾石或块石地层。先行刀主要有3 种形式：贝壳刀、撕裂刀、齿刀。日本盾构常采用贝壳刀，德国海瑞克公司盾构较常采用齿刀，加拿大罗威特公司和法国NFM 公司盾构较常采用撕裂刀。

先行刀在切刀接触地层之前特别是较硬的地层之前先松动地层。一般切削宽度较窄，从而使得先行刀在砾石地层等较硬的地层中有更高的切削效率。先行撕裂刀除先行将致密的土层松动外，同时还起着击碎砂卵石的作用，先行刀还能起到延长切刀寿命的作用。

先行撕裂刀也可采用双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，在第一排刀具磨损后，第二排刀具可以代替第一排刀具继续发挥作用。同时在刀具的背部设有双排碳钨合金柱齿。先行刀按刀盘双向转动设计，齿刀和撕裂刀可安装在一个特殊设计的刀箱中，允许根据刀盘的转动方向做适当的微动，这种微动的设计主要用来减少先行刀侧面的磨损。必要时，齿刀和撕裂刀的刀座可设计成与滚刀可互换的结构。

（4）周边刮刀。

周边刮刀也称铲刀，安装在刀盘的外圈，用于清除边缘部分的开挖渣土防止渣土沉积、确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。该刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一个双排碳钨合金柱齿，用于增强刀具的耐磨性，确保即使在掘进几千米之后刀盘仍然有一个正确的开挖直径。周边刮刀采用背装式，可从土仓内进行更换。对周边刮刀而言，单排连续碳钨合金刀齿是足够的，因为周边刮刀仅其端部切削地层，而切刀在整个宽度范围切削地层，如图18.25 所示。

图18.25　周边刮刀

（5）仿形刀。

仿形刀安装在刀盘的外缘上，通过液压油缸动作，采用可编程控制，通过刀盘回转传感器来实现。驾驶员可以控制仿形刀开挖的深度（即超挖的深度），以及超挖的位置。例如，决定要对左侧进行扩挖以便盾构向左转弯时，那么仿形刀只需在左侧伸出，扩挖左侧水平直径线上、下45° 的范围内便可以了。

3.刀盘驱动方式的选择

刀盘的驱动方式主要有液压驱动方式和电机驱动方式。在20 世纪60 年代，大扭矩液压马达还未研制成功，各种直径的硬岩全断面隧道掘进机中大多采用的是电动机直接驱动的方式。一般电动机为双速电机，刀盘只能选择两种转速进行切土破岩工作。20 世纪70 年代之后，大扭矩液压马达成功研制，由于可以很容易实现无级调速，逐渐取代了电动机直接驱动，在TBM 及盾构机中得到广泛应用。到了20 世纪90 年代，大功率交流异步电动机的变频调速技术发展迅速，由于变频电机体积小、效率高，并且可以无级调速，电动机直接驱动方式在盾构等隧道掘进设备中又得到广泛的应用。变频驱动和液压驱动的比较如表18.1 所示。

表18.1　刀盘驱动方式比较

续表

液压驱动具有调速灵活，控制简单、液压马达体积小、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。虽然目前的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。