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1、盾构施工技术概述及 盾构机选型,广铁七号线8标培训交流材料,中 交 隧 道 局 第 三 工 程 公 司 2014年3月6日,第一章 我局承建盾构项目简述 第二章 盾构施工技术概述 第三章 盾构机选型 第四章 盾构机选型案例分析 第五章 盾构施工后配套设备选型案例,目 录,第一章、 我局承建的盾构项目简述,我局自成立2005年成立至今，累计承建的盾构隧道项目13个，盾构隧道总长42430米，其中地铁盾构隧道38290米，大型公路隧道4140米。 目前我局共有土压平衡盾构机14台，包括：海瑞克5台，中交天和（石川岛）盾构机7台，中铁装备2台，其中有4台正在生产制造当中；超大直径泥水平衡盾构机（租赁
2、）1台， 盾构项目主要分布在上海、广州、北京、南昌、苏州、南京、宁波等地。 盾构穿越的地层主要有：淤泥质粘土、砂卵石地层、粉砂质泥岩地层、粉质粘土、冲洪积砂层、残积层、全风化层、强风化层、微风化层等。 隧道局盾构项目一览表,2.1 盾构法隧道的起源 2.2 盾构法隧道的概念及优缺点 2.3 盾构机分类及结构组成简介 2.4 泥水平衡盾构机简介 2.5 土压平衡盾构机简介（EPB） 2.6土压平衡盾构机各系统基本组成,第二章：盾构施工技术概述,2.1 盾构法隧道的起源,1788年英国人提出了在伦敦地下修建隧道横贯泰晤士河的设想，后因竖井挖不到足够深度而受挫；4年后Torevix决定在另一处建造横
3、断泰晤士河的隧道，但当工程掘进到最后30m时，开挖面急剧涌水，隧道被淹。,1802年英国采矿工程师阿贝尔马蒂厄提出了修建英吉利海峡隧道的设想，计划从英法两岸采用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，并在海峡地下通道的中间设计一个人工岛，隧道照明由油灯提供，而烟囱将提供通风，如图所示。,1806年，法国工程师布鲁诺尔（Brunel）在伦敦从蛀虫在船板上钻孔并用分泌物涂在孔的四周中得到启示，最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利。,1869年，英国人格瑞海德首次开发了圆形盾构，并第一次采用了铸铁管片。格氏圆形盾构后来成为大多数盾构的模型。,1874年，格瑞海德开发了液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流
4、，土料以泥浆的形成排出。,格瑞海德泥浆盾构,1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中首次将压缩空气方法与盾构掘进相结合使用。,1876年英国人荻克英森.布伦敦和姬奥基.布伦敦申请了第一个机械化盾构专利； 1896年，德国人哈姬在柏林为第一台德国盾构申请了专利。,1964年英国人摩特、安德森等申请了泥水加压平衡盾构的专利；1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用，这台盾构由三菱公司制造，其直径为3.1m。,1963年，日本Sato Kogyo公司首先开发出土压平衡盾构。1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用。,到20世纪80年代，盾构工法已经得到长足发展，形成并完善了圆形
5、断面的各种平衡方式的盾构工法挤压盾构（网格盾构）、压气盾构、土压盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，但以泥水盾构和土压盾构工法为主。,盾构机（Shield Machine）（简称盾构）：具有前部开挖，周边盾体支撑，管片永久性支护，推进式前进的全断面隧道施工机械设备。盾构机是既能承受地层压力、又能在地层中掘进的隧道专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。 以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法（简称盾构法） ，采用盾构法修筑的隧道称为盾构法隧道或盾构隧
6、道。,2.2 盾构工法的概念及优缺点,优点：,（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理的保证隧道安全施工。,（2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和信息化，掘进速度快，劳动强度低，安全性高。,（3）地面人文自然景观受到良好保护，周围环境不受盾构施工干扰，在松软地层中开挖埋深较大的长距离、大直径盾构隧道，在经济、技术、安全等方面具有优越性。,缺点：,（1）盾构机械造价昂贵，地铁隧道用盾构机价格在4000元5000万元左右，前期一次性投资成本费用较高，隧道较短时经济性较差。,（4）隧道衬砌、运输、拼装、机械安装等工
7、艺复杂，同时需要设备制造、衬砌管片预制、场地布置、盾构转移等不同施工技术的相互配合，系统工程协调复杂。,（2）盾构机针对性强，对于多变地层的适应性较差，且每台盾构机只能用于特定形状的开挖断面。,（3）隧道埋深太浅，则盾构法施工困难很大，地表沉隆很难控制；短距离隧道采用盾构工法不能发挥其优越性。,2.3盾构机分类及结构简介,2.3.1盾构与TBM的区别 2.3.2盾构机分类 2.3.3盾构机结构,2.3.1盾构与TBM的主要区别,TBM (Tunnel Boring Machine)又称为隧道掘进机，主要应用于山岭隧道、引水隧洞等工程，盾构机（Shield Machine)则主要应用于城市地铁隧
8、道工程，而在越江海隧道工程等场合中，两者所指往往相同。随着技术的不断进步，二者之间的界限越来越模糊，。,一是TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力，所以TBM主要用于岩石隧道开挖，要求土体自稳性要高。 二是TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴，所以盾构机主要用于软岩隧道开挖，土体自稳性要求不高,2.3.2盾构机分类,盾构的分类方法较多，可按盾构切削面的形状、挖掘土体的方式，掘削面的挡土形式，稳定掘削面的加压等方式，目前比较常见的分类方法是以开挖面的开挖面密封程度进行分类。,不同敞开程度的盾构,全敞开式,部分敞开式,密闭
9、式,能直接看到全部掘削面状况的形式。,在掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况。,只能看到部分掘削面状况的形式。,全敞开式盾构,掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高,特点：,根据机械化程度差异分三类：,人工挖掘式、半机械式、机械式。,适用地层：,适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、固结粉砂及粘土等），不适用于自稳性差的地层,部分敞开式盾构,主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。,适用范围：,利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力，达到开挖面的稳定。
10、,特征：,因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施工。在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。,因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。,上海排水隧道网格盾构,上海打浦路越江隧道网格盾构10.22m,密闭式盾构,泥水平衡式,土压平衡式,是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。,是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，
11、再由螺旋输料器旋转将土料运出，土仓内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。,用于我局广州地铁的直径6.280米土压平衡盾构机,用于我局南昌地铁的土压平衡盾构机,用于我局南京纬三路过江通道项目的14.93米大型泥水平衡盾构机,刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水盾构。,泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市
12、地铁而言无疑是十分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因之一。,泥水平衡盾构机,地面泥水处理系统,2.8 土压平衡式盾构的基本原理,土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同：泥水盾构对应的介质为泥水；土压盾构对应的介质为泥土。但是稳定掘削面的基本原理是一致的。,土压盾构推进时其前端刀盘旋转掘削地层、土体，掘削下来的土体涌入土舱，当掘削土体充满土舱时，由于盾构的推进作用，致使掘削土体即对掘削面加压。当该加压压力(削土土压)与掘削地层的土压+水压相等，随后若能维持螺旋输送机的排土量与刀盘的掘土量相等，把这种稳定的出土状态称为掘削面平衡，即稳定。,要想维持排土量与掘
13、土量相等，掘削土必须具备一定的流塑性和抗渗性。有些地层的掘削土仅靠自身的塑流性和抗渗性，即可满足掘削面稳定的要求。另外，多数地层土体的塑流性、抗渗性无法满足稳定掘削面的要求，为此须添加提高流塑性和抗渗性的改良材料，才能实现稳定掘削面，便于出土的目的。,土压盾构掘削面稳定的必要条件如下： 泥土压必须可以对抗掘削面上地层的土压和水压。 必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量。 对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材必须可使泥土(混入添加材的掘削土)的塑流性和抗渗性提高到满足掘面稳定要求的水准。,土压平衡主要组成部分示意图,盾构法隧道施工具有开挖安全，掘进速度快，施工劳动强度低；对地面建筑物
14、及地下管线的影响较小，穿越河道时不影响航运，施工中基本不受季节、风雨等气候条件影响等诸多优势，已经成为目前隧道施工的首选工法。盾构机作为盾构法隧道施工的主要设备，如何能选择一台适应性较强的盾构机是施工成败的关键，下面重点介绍土压平衡盾构机选型。,三、盾构机选型,3.1 盾构机选型依据 3.2 盾构机选型步骤 3.3 盾构机型式的选定 3.4 盾构机主要参数的确定 3.5 盾构选型案例分析,3.1 盾构机选型依据,盾构机作为盾构施工的核心设备，选择适合工程项目的盾构机是工程成败的关键，盾构选型是一个综合的课题，需要综合考虑各方面的因素，总体来说主要包含以下因素：,3.1.1隧道设计情况,隧道设计
15、对盾构选型具有重要的影响，在选型过程中需要考虑隧道断面型式、线路曲率（水平、垂直）、衬砌结构形式等因素。 （1）隧道断面型式决定了衬砌的结构形式，进而决定了盾构机主机的基本形状。 （2）线路曲率指的是隧道轴线曲率，一般分为水平曲率，垂直曲率，通常所说的转弯半径是指水平曲率，盾构机主机长度与直径的比值及盾尾间隙，综合决定了盾构机的转弯能力及纠偏能力，当转弯半径小的时候，一般选择铰接式盾构。 （3）衬砌结构形式：目前地铁盾构隧道多采用圆形管片，其主要参数有管片外径、内径、宽度、管片拼装形式，这主要决定了盾构机管片拼装机、推进千斤顶的主要结构形式及参数。,3.1.2工程条件,工程条件对盾构选型有决定
16、性影响，在盾构选型过程中需要考虑的工程条件包括，地质条件（抗压、抗拉、粒径、成分等）、地层渗透系数参数）土体的塑性流动性、地下水位、水压、开挖面稳定性（自立性能）、环境条件、隧道埋深、沿线构建筑物形式等。 （1）地质条件对盾构选型有决定性影响，土体的力学参数决定了盾构机刀盘及刀具、驱动能力的设计，土层的粒径大小、渗透系数决定了开挖面的平衡方式，出渣方式等，土体的塑性流动性决定了盾构机的土体改良系统、出渣系统及施工过程中的土体改良措施。 （2）隧道埋深、地下水位水压等决定了盾构机的密封能力及抗压能力，,2.1.3其他条件,其他条件包括项目工期、施工安排、造价、工程安全性、宜用的辅助工法、通用性、类似地层施工经验及案例、目前盾构机生产技术能力、经济性等条件。,（3）盾构选型时还应综合考虑环境条件，地层变形的允许程度，有无地下构建筑物、弃渣对环境的影响及弃渣的处理速度。 （4）还应考虑盾构施工的作业环境，隧道环境温度、通风效果及长度对盾构选型也有一定影响，,2.2盾构机选型步骤,2.2.1施工条件调查地质条件，工程环境 2.2.2隧道设计条件整理 2
