2021年一級(jí)建造師考試市政工程考點(diǎn)3：盾構(gòu)機(jī)選型要點(diǎn)
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2021年一級(jí)建造師考試市政工程考點(diǎn)3：盾構(gòu)機(jī)選型要點(diǎn)
一、盾構(gòu)類型與適用條件
(一)盾構(gòu)類型
(1)按支護(hù)地層的形式分類，主要分為自然支護(hù)式、機(jī)械支護(hù)式、壓縮空氣支護(hù)式、泥漿支護(hù)式、土壓平衡支護(hù)式5種類型(見(jiàn)圖1K413031-1)。
(2)按開(kāi)挖面是否封閉劃分，可分為密閉式和敞開(kāi)式兩類。按平衡開(kāi)挖面土壓與水壓的原理不同，密閉式盾構(gòu)又可分為土壓式(常用泥土壓式)和泥水式兩種。敞開(kāi)式盾構(gòu)按開(kāi)挖方式劃分，可分為手掘式、半機(jī)械挖掘式和機(jī)械挖掘式三種
(3)按盾構(gòu)的斷面形狀劃分，有圓形和異型盾構(gòu)兩類，其中異型盾構(gòu)主要有多圓形、馬蹄形、類矩形和矩形，目前在國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)中，已有雙圓馬蹄形、矩形和類矩形盾構(gòu)應(yīng)用。
(二)盾構(gòu)機(jī)的刀盤配置
盾構(gòu)的刀盤主要由刀盤體、刀具、磨損檢測(cè)器、攪拌棒、泡沫及膨潤(rùn)土管路等零部件組成。刀盤體由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，刀具可分為：滾刀、切刀、邊緣刮刀、仿形刀、保徑刀、先行刀、中心刀等。
刀盤是機(jī)械化盾構(gòu)的掘削部件，刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)適應(yīng)性的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適合圍巖條件，并保證開(kāi)挖面穩(wěn)定的前提下，提高掘進(jìn)速度。刀盤設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮刀盤的結(jié)構(gòu)形式、支承方式、開(kāi)口率、開(kāi)口大小和分布、刀具的布置等因素。
(三)各種盾構(gòu)對(duì)地質(zhì)條件的適用性
當(dāng)前，土壓平衡盾構(gòu)與泥水加壓盾構(gòu)已經(jīng)成為盾構(gòu)法隧道施工使用最多的盾構(gòu)。
1. 土壓平衡盾構(gòu)
(1)土壓平衡盾構(gòu)(Earth Pressure Balance Shield)，簡(jiǎn)稱EPB盾構(gòu)。土壓平衡盾構(gòu)是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，使土倉(cāng)和排土用的螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿切削下來(lái)的泥土，依靠推進(jìn)千斤頂?shù)耐屏o土倉(cāng)內(nèi)的開(kāi)挖土渣加壓，使土壓作用于開(kāi)挖面以使其穩(wěn)定。土壓平衡盾構(gòu)的支護(hù)材料是土壤本身。土壓平衡盾構(gòu)由盾殼、刀盤、刀盤驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、管片安裝機(jī)、人倉(cāng)、液壓系統(tǒng)等組成。
(2)土壓平衡盾構(gòu)的工作原理如下：刀盤旋轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖面的泥土，破碎的泥土通過(guò)刀盤開(kāi)口進(jìn)入土倉(cāng)，泥土落到土倉(cāng)底部后，通過(guò)螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的渣車上。盾構(gòu)在推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)。盾殼對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍地層的土壓、承受地下水的水壓，并將地下水阻隔在盾殼外面。掘進(jìn)、排土、預(yù)制管片拼裝等作業(yè)在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行。
(3)地質(zhì)適應(yīng)范圍：
土壓平衡盾構(gòu)主要應(yīng)用在黏稠土壤中，該類型土壤富含黏土、粉質(zhì)黏土或淤土，具有低滲透性。這種土質(zhì)在螺旋輸送機(jī)內(nèi)壓縮形成防水土塞，使土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生土壓力，來(lái)平衡掌子面的土壓力和水壓力。
土壓平衡盾構(gòu)用開(kāi)挖出的土料作為支撐開(kāi)挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，對(duì)作為支撐介質(zhì)的土料，要求其具有良好的塑性變形、軟稠度、內(nèi)摩擦角小及滲透率小。除軟黏土外，一般土壤不完全具有這種特性，需進(jìn)行改良。改良的方法通常為，加水、膨潤(rùn)土、黏土、 CMC(羧甲基纖維素鈉)、聚合物或泡沫等，根據(jù)土質(zhì)情況選用。
2. 泥水加壓盾構(gòu)
(1)泥水加壓盾構(gòu)也稱泥水加壓平衡盾構(gòu)(Slurry Pressure Balance Shield)，簡(jiǎn)稱SPB盾構(gòu)。 泥水盾構(gòu)是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，裝備刀盤及輸送泥漿的送排泥管和推進(jìn)盾構(gòu)的推進(jìn)油缸，在地面上還配有泥水處理設(shè)備。
(2)泥水盾構(gòu)的構(gòu)成，除了具有：刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、外加劑注入等土壓平衡盾構(gòu)具有的系統(tǒng)外，還具有以下系統(tǒng)：
1)可調(diào)整泥漿物理性質(zhì)，并將其送至開(kāi)挖面，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定的泥水循環(huán)系統(tǒng);
2)綜合管理排泥狀態(tài)、泥水壓力及泥水處理設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的綜合管理系統(tǒng);
3)泥水分離處理系統(tǒng)。
(3)泥水平衡盾構(gòu)的開(kāi)挖面支護(hù)原理：
泥水盾構(gòu)利用循環(huán)懸浮液的體積對(duì)泥漿壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，采用膨潤(rùn)土懸浮液(俗稱泥漿)作為支護(hù)材料。開(kāi)挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水室內(nèi)，在開(kāi)挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過(guò)該泥膜的張力保持水壓力，以平衡作用于開(kāi)挖面的土壓力和水壓力。開(kāi)挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過(guò)泥水處理設(shè)備進(jìn)行分離，分離后的泥水進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開(kāi)挖面。
(4)地質(zhì)適應(yīng)范圍：
泥水盾構(gòu)最初是在沖積黏土和洪積砂土交錯(cuò)出現(xiàn)的特殊地層中使用，由于泥水對(duì)開(kāi)挖面的作用明顯，因此在軟弱的淤泥質(zhì)土層、松動(dòng)的砂土層、砂礫層、卵石砂礫層、砂礫和堅(jiān)硬土的互層等地層中均適用。目前，泥水加壓盾構(gòu)工法對(duì)地層的適用范圍不斷擴(kuò)大，即使處于惡化的施工環(huán)境和存在地下水等的不良條件下，由于有相應(yīng)的處理方法，因而幾乎能適應(yīng)所有的地層。
二、盾構(gòu)選型依據(jù)與原則
(一)選型依據(jù)
盾構(gòu)選型依據(jù)應(yīng)包括下列內(nèi)容：
(1)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察報(bào)告。
(2)隧道線路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件。
(3)施工安全、工程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素、場(chǎng)地條件、環(huán)保要求。
(4)施工環(huán)境及其保護(hù)要求。
(5)工期條件。
(6)輔助施工方法。
(7)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)。
(二)選型的基本原則
1.適用性原則
盾構(gòu)的斷面形狀與外形尺寸適用于隧道斷面形狀與外形尺寸，種類與性能要適用工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、隧道埋深、地下障礙物、地下構(gòu)筑物與地面建筑物安全需要、地表隆沉要求等使用條件。若所選盾構(gòu)不能充分滿足上述使用條件，應(yīng)增加相應(yīng)的輔助工法，如壓氣工法、注漿工法等。
由于盾構(gòu)具有較長(zhǎng)使用壽命，可用于多項(xiàng)施工工程，因此應(yīng)根據(jù)使用壽命期內(nèi)預(yù)計(jì)的常用使用條件或最不利使用條件選型，以便具有較廣泛的適用性。
2.技術(shù)先進(jìn)性原則
技術(shù)先進(jìn)性有兩方面含義：一是不同種類盾構(gòu)技術(shù)先進(jìn)性不同，二是同一種類盾構(gòu)由于設(shè)備配置的差異與功能的差異而技術(shù)先進(jìn)性不同。
選擇技術(shù)先進(jìn)的盾構(gòu)，一方面為了更好地適應(yīng)建設(shè)單位當(dāng)前及今后的工程施工要求，提高施工單位的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;另一方面在合理使用壽命期內(nèi)保持技術(shù)先進(jìn)性。
技術(shù)先進(jìn)性要以可靠性為前提，要選擇經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證、可靠性高的先進(jìn)技術(shù)。
3.經(jīng)濟(jì)合理性原則
經(jīng)濟(jì)合理性是指，所選擇的盾構(gòu)及其輔助工法用于工程項(xiàng)目施工，在滿足施工安全、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境保護(hù)要求和工期要求的前提下，其綜合施工成本合理。
(三)盾構(gòu)選型的配置要求
三、盾構(gòu)選型的基本程序
盾構(gòu)選型應(yīng)遵循基本原則，采取科學(xué)的方法，經(jīng)過(guò)策劃、調(diào)查、可行性研究、綜合比選評(píng)價(jià)等步驟，按照可行的程序進(jìn)行。
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