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1、土压盾构机施工技术 让 世 界 更 畅 通 Contents 目 录 一、盾构机简述 二、土压盾构机施工技术 三、土压盾构机施工风险控制 四、案例分析 一、盾构机简述 盾构机的选型三 盾构机的分类一 盾构机的基本构造及工作原理二 一、盾构机的分类 全 断 面 隧 道 掘 进 机 硬岩隧道掘进机(TBM) （软土、软岩 ） 1）通过土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。 2）通过螺旋输送机排放渣土。 1.土压平衡盾构机 主要用于软土、砂土、杂填土、粘土、粉质粘土、砂质粘土、淤泥质粘土、粉土、交杂少量砾石等地 层，如北京、上海、西安、南京、长春、苏州等地铁部分标段。 1）软土土压平衡盾构机 2）
2、 复合式土压平衡盾构机 主要用于长沙、昆明、南京、南昌、南宁等中风化、微风化砂质泥质板岩、中风化泥质粉砂岩、砾砂、角 砾、块石、圆砾、碎石等交互复合地层，及用于成都、兰州、广州、深圳等中粗砂、松散卵石、密实卵石 、上软下硬、岩层等地层。 2.泥水平衡盾构机 1）通过泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。 2）开挖的渣土以泥浆形式输送到地面，经过分离再循环至开挖面。 泥水平衡盾构机 日系泥水盾构常采用直控式，德系泥水盾构常采用气垫式。 日系德系 主机 尾盾中盾前盾拼装机抓取头防涌门 管片拼装机 托梁 刀盘 人舱 盾尾刷 螺旋机出土门 螺旋输送机 驱动部分 推进油缸 刀盘 二、
3、盾构机的基本构造及工作原理 1.土压平衡盾构 土压平衡盾构结构土压平衡盾构结构 刀 盘刀 盘 前前 盾盾 尾尾 盾盾中 中 盾盾 连接桥 皮带机 管片吊机轨道连接桥走道板 皮带机从动滚筒 管片吊机 连接桥 操作室 注浆系统 膨润土 液压站 油脂系统 配电柜 循环水系统 变电站 污水站 电线储存架 设备预留区 水管卷筒 1号台车2号台车3号台车4号台车5号台车6号台车 连接桥主机 盾尾密封盾尾密封 人员舱人员舱 螺旋输送机螺旋输送机 管片安装机管片安装机 土压平衡盾构渣土压力分布图 利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力 平衡开挖面水土压力 土压盾构工作原理 盾构法基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道
4、设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢组件在初步 或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组 件被称为盾构。 盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。 切削刀盘刀盘驱动马达排浆泵操作控制台 推进千斤顶 环片拼装机 密封油脂装置 气锁室 压力夹舱 密封隔舱板 刀盘及切口环支撑环前端支撑环后端盾尾 2. 泥水盾构 泥水平衡盾构机的主要结构泥水平衡盾构机的主要结构 泥水平衡盾构机的工作原理 进泥管 排泥管 气压调节 管 开挖泥水舱 气压调节舱 泥水盾构与土压平衡盾构的选择 武汉地区掘进地层主要为粘土、淤泥 及少部分角砾，故选择复合
5、式土压平衡盾 构机。 泥水盾构特点土压平衡盾机特点 场地要求较高； 施工费用相对多； 场地要求较低； 施工费用相对少； 三、盾构机的选型 面板式刀盘辐条式刀盘 面板式：优点是开口率较小，软土口开口率一般在45%左右，复合地层开口率在30%左右，面板开 口小，强度高，易于刀具布置，对正面土体支撑效果较好，土压波动小；缺点是传感器对正面土体 的压力反映不够准确，渣土进入土仓相对困难。 幅条式：优点是开口率大，渣土易进入土仓，不易形成泥饼，刀盘不易被堵，正面土压能较准确 的反映；缺点是正面土压波动较大，容易引起地表沉降，刀盘比较薄弱，不易满足复合地层刀具 的布置和刀盘本身刚度的要求。 刀盘选型 刀具
6、选型 滚刀 齿刀 刀具的布置方式需要充 分考虑工程地质情况，进 行针对性设计，不同的工 程地质特点，采用不同的 刀具配置方案，以获得良 好的切削效果和掘进速度 。 切削刀 仿行刀 刮刀 撕裂刀 目前市场上螺旋机主要分两种：轴式螺旋机（通过力小，强度大）；和带式螺旋机（通过力 大，强度小）； 螺旋机选型 带式螺旋机 轴式螺旋机 铰接系统选型 主动铰接：为减小铰接油缸受力铰接尽靠前，一般在中部往前。 被动铰接：盾尾通过铰接油缸挂在前部，无需专门操作。 主动铰接被动铰接 刀盘驱动系统选型 刀盘驱动一般分为：变频电机驱动和液压马达驱动，如下表： 驱动方式传动效率发热量 隧道内工作 环境 重量 短时冲击
7、和过载承受 能力 复合地层中 使用 调速范围 变频电机驱动高小好轻一般少宽 液压马达驱动较低较大较差较重略好多较宽 二、土压盾构机施工技术 盾构机的始发 二 准备工作 一 盾构机的掘进 三 盾构机的接收五 盾构机的过站四 盾构施工场地布置图 盾构施工场地布置： 龙门吊 设置渣土坑 管片堆放场地及材 料堆放场地 一座高压配电房 备用变压器 一座砂浆拌合站 一、准备工作 1、场地布置 2、端头加固 端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、 覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。方法主要有旋喷桩法、注浆法、SMW法、搅 拌桩法、冻结法、灌注桩法
8、、连续墙法。 旋喷桩法 对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层、但砂砾地基和粘着力的的粘土有 时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。 注浆法 主要适用于深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对 于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类 较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等 来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。 搅拌桩法 通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加 固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。
9、优点：工程造价低。 缺点：加固不连续，加固体强度偏低。 SMW工法 适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一 。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。 优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中0.51MPa，砂和卵石中0.53MPa），适用 于各类软土地层。 缺点：对于上软下硬地层不适应，造价偏高。 冻结法 适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度， 便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保 长期处于稳定状态。 连续墙法 始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层
10、相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需 要注意的是：1、连续墙上部的充填；2、夹层的处理。造价较高，需要专门的成槽设备，一般 适合与车站围护结构连续墙一起施工。 灌注桩法（钻孔桩、人工挖孔桩）主要适用适用于淤泥、粘土、强风化地层，到达端头采用灌注桩 ，由于灌注桩为素桩，没有拉力，容易中间断裂。 3、降水井施工 为防止盾构始发和接收过程中洞门漏 水、涌水，加固区施工完成后，对于地质 条件较差地层需要在端头设置降水井进行 减压降水，确保盾构始发接收前，端头加 固区水位降至底板底以下1m。 降水井在始发接收洞门凿除前15天正式 启动，确保水位降到地板底以下1m关闭，防 止地层失水过多对结构及管片造成影
11、响，降 水过程中加强降水水位的观测，同时加强对 加固体20m范围内管片和地面沉降的监测。 盾构始发所需准备工作如下： 始发基座安装就位，并安装临时轨道 盾构机吊装、组装完成并调试验收 测量控制点及监测点布设完成并测取初始值 始发反力架安装就位 始发洞门防水帘布安装完毕并完成始发洞门破除 安装始发基座 盾构吊装组装调试 安装反力架 安装洞门密封 凿除洞门 拼装负环管片 始发掘进，盾尾通过洞门压板加固 ，壁后注浆 二、盾构机的始发 盾构隧道盾构机始发时，需要一个稳定的导向基座，盾构机吊装至基座上，然后利用反 力架提供反向推力，盾构机按照掘进动作，拼装临时负环管片，盾构机在盾构基座上摩擦前进 ，盾构
12、机以设计姿态贯入洞门内的土体，完成盾构始发。 盾构基座首先需要给盾构机提供稳定搁置平台，然后给盾构机提供精准的姿态导向，还 要足够的刚度和较小的摩擦阻力，保证盾构机按照要求的姿态始发。 盾构始发基座工作原理 基座方案对比 始发基座的任务是可在其上组装盾构机和支承组装好的盾构机，并且可使盾构机处于理想的预定进发 位置(高度、方向)上，可确保盾构机的始发掘进稳定。所以要求基座的结构合理(可以确保组装作业的施工 性)；构件刚度好、强度高、不易损坏；与盾构井底板固定要牢靠、晃动变位小。 盾构始发基座一般有如下三种形式： 钢结构平底整体基座 钢筋混凝土基座组合式盾构基座 基座设计制作 （1）基座的结构布
13、置形式： 基座由若干榀桁架组成，桁架采用型钢及钢板焊接而成，通过轨道梁把桁架连系在一起。形成整体受力 结构。盾体作用在轨道梁上，由轨道梁传递荷载到桁架上，再由桁架传递到始发井底地基。轨道梁和桁 架采用螺栓、焊接形式连接。 基座设计图 （2）基座高度的确定： 以我部江城大道站左线始发井为例，盾构线路中心线与始发井底板距离为4020mm，考虑基座底面与 始发井底板的距离为200mm（便于垫设工字钢调节），盾构中心线与基座底面为4020-200=3820mm。 基座高度确定 （3）基座长度的确定： 以我部江城大道站左线始发井为例，隧道洞门到结构支撑面共计13500 mm，反力架厚 度510mm，反力
14、架至结构支撑面距离考虑1220mm，预留可调位置保证第一环管片进入盾 构隧道洞门230mm，反力架与始发架之间留有270mm可调位置，基座的长度=11000mm 。 基座布置图 盾构始发基座安装流程和要点 始发基座安装工艺流程 测量放线工字钢铺设连接基座下井基座安装位置粗调 复核测量基座位置细调测量再次复核基座固定焊接台车 及盾体下井 始发基座安装要点 u对始发基座固定前应按设计进行准确的定位，严格控制标高及 中心轴线等；始发基座中心线要与隧道中心线水平重合；盾构 机前端中心标高和隧道中心标高一致，尾端适当降低13cm， 保证抬头始发； 轨道布设 u站内轨道铺设 u盾构隧道内轨道铺设 站 内
15、轨 道 始 发 基 座 台车下井组装 连接桥吊装 螺旋机吊装 中盾吊装 前盾吊装组装 拼装机吊装连接 尾盾下井定位 螺旋机安装尾盾组装 刀盘下井安装 连接桥连接 盾构机下井吊装流程图 盾构机吊装组装 盾构机吊装组装调试要点 u吊装作业开始前进行试吊装，并检查起重机 的各项性能，待确认无误后，方可继续起吊 ； u对于机械部件的组装，组装前需要弄清其结 构及安装尺寸的关系、螺栓连接紧固的具体 要求等机械安装的基本常识，对配合精度要 求高的结合面必须进行清洗。 拼装系统调试验收连接完毕的管线路 双机抬吊油脂系统完成安装调试 盾构机调试步骤 通电消除报警 加注液压油 调试水、气系统 调试油脂系统 泵的试运行 设备启动 调试皮带机 盾构机现场调试是盾构机始发 的重要一个环节，在这里主要讨论 现场调试的空载调试阶段，旨在检 验设备技术和性能、盾构机各系统 的运行是否满足盾构正常掘进的要 求。 盾构始发反力架安装 反力架安装工艺流程 清理反力架安装区测量放线预埋钢板清理 反力架部件吊装定位微调焊接固定。 反力架安装要点 反力架在水平左右方向使反力架中心和隧道中 心重合，调整反力架与始发基座垂直，保证盾 构机始发时盾尾面与反力架面平行。 反力架安装之前复测反力架支腿处底板面高程 ，采取措施确保两支腿处底板面标高一致，确 保反力架底面水平。 反
