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北京地层地铁盾构选型
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摘 要:对泥水盾构与土压盾构的优缺点进行了分析比较,根据北京地区的地质特点指出了适合北京各种地层的盾构类型及盾构选型的注意事项,以促进北京的地铁建设。（参考《建筑中文网》）
关键词:地铁,盾构,选型,地层
1 概述
近年来,北京地铁建设异军突起。由于大部分地铁线路都要求在2008年奥运会举行前通车,使得北京地铁的施工方法由以前的明挖法、浅埋暗挖法向盾构法转变。盾构工法属暗挖法,其主要优点有:对环境影响小、地表占地面积少,施工进度快、安全性高,适用地层范围宽等。根据工程需求(隧道尺寸、长度、覆盖土厚度、地层状况、环境条件需求等)选定盾构机类型(具体构造、稳定掘削面的方式、施工方式等等)的工作,简称盾构选型[1]。地铁隧道施工前要根据本地区地层的具体特点选择相应的盾构类型,使之在施工中能绝对保证掘削面稳定,确保施工进度与施工安全。
2 泥水盾构与土压盾构的优缺点比较[2]
2.1 泥水盾构的优缺点
2.1.1 泥水盾构的优点
1)对地层的扰动小、沉降小。由于泥水盾构利用泥水压对抗掘削地层的地下水压、土压,同时泥水渗入地层形成不透水泥膜,所以掘削土体对地层的扰动小,故地表沉降小。另需要化学注浆加固的部位的注入量小,故利于成本降低及减少环境污染。2)适于高地下水压,江底、河底、海底隧道施工。上述场合下,泥水盾构可选用面板型刀盘,所以增加了掘削的稳定性,加上泥水压对抗地下水压的作用,故掘削面的稳定性最可靠。3)适于大直径化。由于泥水渗入地层的浸泡作用,致使掘削地层不同程度有些松软,故盾构的刀盘掘削扭矩小,所以同样扭矩驱动设备的情况下,泥水盾构的直径可以做得大。目前最大直径的盾构(直径为14m~15m)均为泥水盾构,已有直径14.18m的泥水盾构通过市中心的施工实例问世。4)适于高速化施工。除组装管片期间停止掘进外,其他工序均可连续施工。5)适用土质范围宽。适用的土质范围为软粘土层、滞水细砂层、砂砾层、漂砾层、固结淤泥层及含甲烷气体的特殊地层等等。最适于在洪积层砂性土中掘进。6)掘进中盾构机体的摆动小。由于泥水的浸泡作用,地层对刀盘的掘削阻力小,故盾构机的水平、竖直摆动小。
2.1.2 泥水盾构的缺点
1)成本高。由于设置泥水管理系统、泥水处理系统,致使工序、设备复杂,成本高。2)排土效率低。由于通过泥水运出掘削土砂,故出土效率不高。3)地表施工占地面积大并影响交通、市容。由于泥水配制系统、泥水处理(3次处理)系统的存在,致使地表占地面积大增。有时受施工现场条件限制,无法满足该占地需求。征地费用大,影响交通、市容。4)不适于在硬粘土层中掘进。在粘度大的硬粘土层中掘进时,易出现粘土粘附面板、槽口及出土管道,致使刀盘空转、槽口及出土管道堵塞,导致地层隆起、沉降。5)不适于在松散卵石层中掘进。对松散的卵石层(孔隙率大、孔隙有效直径大)而言,因无法形成泥膜,泥水损失量大,致使泥水压低且不稳定,即掘削面不稳定。
2.2 土压盾构的优缺点
2.2.1 土压盾构的优点
1)成本低。因土压盾构工法无需象泥水盾构那样的泥水处理系统,故设备少、现场占地面积小、成本低。2)出土效率高。因排出的是泥土,故排土效率比泥水盾构工法高。3)适用地层范围宽。目前土压盾构工法几乎对所有地层均可适用。特别是大砾石、含砾率高、高水压的地层几乎其他盾构均失效,惟有硅溶胶等泥土盾构可以胜任。
2.2.2 土压盾构的缺点
1)掘削扭矩大。因添加材的相对密度大(1.4~1.6),故对掘削地层的浸渗作用小,所以掘削摩阻力大,即掘削扭矩大,致使盾构机的装备扭矩大、功耗大。2)地层沉降大。与泥水盾构工法相比,土压盾构工法对周围地层的扰动大,故地层隆起、沉降均较泥水盾构略大。不过近年来随着监测技术的进步,沉降量控制在几毫米的工程实例也有报道。3)直径不能过大。由于前两个缺点的原因,致使土压盾构的直径目前最大仅为11m。
选择盾构机时,必须综合考虑下列因素:1)满足设计要求;2)安全可靠;3)造价低;4)工期短;5)对环境影响小。盾构机机型正确与否是盾构隧道工程施工成败的关键。
盾构选型必须严守以下几项原则:1)选用与工程地质匹配的盾构机型,确保施工绝对安全。2)可以辅以合理的辅助工法。3)盾构的性能应能满足工程推进的施工长度和线形的要求。4)选定的盾构机的掘进能力可与后续设备、始发基地等施工设备匹配。5)选择对周围环境影响小的机型。
以上原则中以能绝对保证掘削面稳定、确保施工安全的机型为最重要。为了选择合适的盾构机型,除应对土质条件、地下水条件进行勘查外,还应对占地环境作充分的勘察。下面针对北京地区的具体地层进行盾构机选型分析。
3.1 第四纪洪冲积粘土地层
因粘土的N值较大,含水率低、掘削面能够自立。此外,因抗剪力大,变形小,故无需挡土隔板。可选以下的机型:
1)全敞式盾构机。在掘削面可以长时间自立的情况下,宜采用手式盾构、半机械式盾构、机械式盾构工法,通常辅以压气工法。
2)封闭式盾构机。一般全线掘削面都是洪积粘土的情况非常少,很多情况是夹层中有含水砂层,这时应选用封闭式盾构机。
3.2 砂质土地层
就砂质土而言,一般情况下泥水盾构和土压盾构均可选用。
1) 泥水盾构。由于北京作为我国的首都及国际化的大都市,地面交通非常繁忙,施工场地很有限,故在繁华市区一般不易选用泥水盾构。因为泥水配制系统和泥水处理系统使地表占地面积大增,影响交通和市容。在北京郊区场地开阔,地面交通不太繁忙的情况下可考虑选用泥水盾构。另外当砂层稳定性差,隧道直径过大(在11m以上)时应优先考虑泥水盾构。2)土压盾构。由于北京地区砂层稳定性较好,加上交通量大对市容要求较高,并考虑到费用问题,一般情况下土压盾构是合理的选择。
3.3 砂砾及巨砾层
因这种地层的渗水系数大,故必须选择封闭式盾构。掘削这种地层与前面介绍过的几种地层不同,因其砾石粒径大,若不预先采取粉碎措施直接通过排土设备排出,易发生排土系统堵塞和磨耗过大两个新问题。
4 结语
由于近年来土压盾构技术的飞速发展,涌现出各种不同特点适用于各种土质的泥土盾构机,这就使土压盾构的施工占地面积小、适用土质范围宽、排出泥土处理容易、出土效率高、工期短、成本低等优点得以充分发挥。目前,土压盾构除大断面不易都市市区使用外,大有取代泥水盾构之势。深信不久的将来,土压盾构将全面取代泥水盾构。
根据以上分析,对于北京地区盾构的选型要经过充分论证并在工程实践中不断总结经验和教训,综合考虑施工安全、环境影响、工程造价、工期要求等各方面的因素,经过方案比较选取适合北京地区工程地质与水文地质特点的盾构机型,大力促进北京的地铁建设。
参考文献:
[1]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.80-81.
[2]尹旅超,朱振宏,李玉珍,等.日本隧道盾构新技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.72-73.
[3]张凤祥,傅德明,杨国祥,等.盾构隧道施工手册[M].北京:人民交通出版社,2005.54-55. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/1195.htm
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