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1、 第一章 盾构隧道概述 第一节 盾构技术发展概况 1、盾构的历史及发展概况 隧道盾构工法施工起源于欧洲,于 1818 年由英国工程师布鲁诺尔(Brunel)发明，用于泰晤士河底下的隧道工程。此后，在 1887 年的南伦敦铁路隧道工程中，兼用了气压施工法的盾构推进，构筑了盾构工法的基础。本世纪初，盾构法在美国和苏联得到发展，二次世界大战后，特别是近二十年来，盾沟在欧洲和日本的发展速度很快。经过不断的发展，盾构技术己日趋完善，也越来超受到各国重视。自六十年代开始，英国首创泥水加压盾构后，日本在泥水加压盾构方面取得了很大进展，而且又出现了一种更新颖的土压平衡盾沟。在气压盾构基础上发展起来的局部气压盾
2、构，在美国、日本及西欧各国均取得了成功的施工经验，但最近几年已被泥水加压盾构及土压平衡盾构等密闭型盾构所取代，原来的敞开型盾构应用逐渐减少。 以下是密闭型盾构工法的开发情况： 图 1-1-1 密闭型盾构工法的开发情况一览图 盾构技术是目前国际上较为广泛采用的地下隧洞全机械化开挖的施工技术。随着一次掘进机增加盾构支撑、盾尾辅助设备和切削盘技术问题的解决，盾构技术已成为一个比较完善的施工方法，解决了在软岩、泥土、砂层中施工的技术难题。盾构技术应用于城市地下隧洞或海底、河底、穿越断层和地下水位较高的地下隧道施工，具有安全、可靠和进度快、一次推进距离长、对施工场地要求较低、对城市道路交通等环境的影响小
3、等其它方法不可取代的优点。因此近年来得到较快的发展，特别是在欧洲、美国、日本等发达地区得到了推广应用。从目前情况来看，日本、德国、法国等国的盾构施工技术及盾构机制造水平比较先进。 目前， 世界上最长的英法海底隧道 （长 37.2km） 承受 120m 深的海水压力(12bar大气压)， 日本东京湾海底隧道 （长 10km） 也是承受高水头(海面下约 60m、 海底面下约 30m)、高水压(约 6 bar 大气压)，但基本上是在均质硬岩中掘进，采用了许多当今世界上最先进的技术，所有电气和机械设备均考虑密封和防突然溃入的海水浸蚀。日本的盾构技术通过几十年的发展、顺应了高水压、长距离、高速施工和劳动
4、环境等方面的挑战，使信息化施工技术得以进步，并开和改善了机械设备，从而达到了世界顶级的水平。 从我国情况来看，与日本及欧洲等国家相比，我国使用盾构技术的历史较短，施工经验较少，因此在这一新技术的研究和应用中，有着较大的空间。国内盾构施工技术和盾构机制造水平最近几年也有了很大的提高，近年来在我国的地铁隧道、排污隧道、越江隧道的施工中开始了较为广泛的应用。上海、南京、广州等城市已成功地利用盾构技术完成了多条城市地铁、过江(河)隧道的施工，积累了大量的工程施工经验。如：北京、上海、广州、深圳、南京等城市地铁建设，上海的穿越黄浦江公路隧道，污水治理工程的排污隧道、西气东输南京三江口穿越长江隧道、重庆市
5、主城排水过江隧道、广州的地下电力隧道、武汉长江公路隧道等。而武汉、成都、大连、杭州、沈阳等大中型城市也正历兵秣马，准备采用盾构技术建设地铁。目前国内正在建设的最大直径的隧道是上中路隧道，盾构直径达14.87m,而即将开工的上海崇明越江隧道直径将达 15.2 米,将是目前世界最大直径的隧道。我国的盾构技术正以其高起点飞速发展,其先进性、高质量、高安全性和强环保性为国人所认同和推广。 2、盾构工法的多样化 由于密闭型盾构工法的实用化，对于开挖面的稳定和地基沉降等对周边环境的影响变小了，盾构工法成为对付地下铁道、上下水道、电力通信、道路、地下河渠等大规模的隧道工程施工条件不利情况下施工的主力军。 此
6、外，当进入到廿世纪八十年代的后半时期，成为对于这些隧道中对应的规模、形状、线形、自动化、省力化、降低成本等多种需要，开展了工程总承包商和制造商相互之间技术竞争的动力，主要表现在以下方面： 2.1、大断面化 在克服开挖面的稳定和物资、机械、材料组合的功效化课题，以 14.14m 的横贯东京湾道路为起点，所进行了大断面铁路、公路、地下河流等大直径隧道施工。 2.2、大深度化 由于城市中比较浅的地下空间皆为已设置的构筑物云集占据，要新建隧道必须变深，便成为要施工深度在下 6070m 的隧道，要提高盾构机和管片的承压性，耐久性，乃是往大深度、高水压施工的必要具备的条件。 2.3、长距离化 在过分密集的
7、市中心部分，对于难以保证竖井用地的情况下，通过对盾构机等功效的有效使用，把降低造价为目标，要求使用 1 台盾构机作长距离的掘进。在此情况下，成为盾构机的耐久性，切削刀头的更换技术，掘削土碴的处理设备，物资器材高速度输向开挖面的设备等课题。正在出现施工长度为 6.5km 的工程实绩。 2.4、断面的最佳化 通常，工程费用是与掘削断面呈正比例的，此外，受到用地的制约，求得兼能符合使用目的形状，尽量减少断面面积的隧道。根据这样的需要，就此不断地开发了 MF、DOT、H&V 等多圆形、自由断面、MMST、偏心多轴等异形断面和扩大、球体等的盾构工法应用到各种实际工程中。 2.5、隧道衬砌、地下对接技术
8、作为缩短工期、降低造价的技术开发之一，于是开发了不使用预制管片衬砌块，而是在盾构中直接设置模板，在现场就地浇筑隧道衬砌的 ECL 工法。此种场合下，从两侧方向掘进而至的盾构机，在地层中进行盾构的接合，并结合地层土冻结工法，开发出 MSD 工法。 3、今后的技术课题和展望 根据以英法海峡隧道，或者是横贯东京湾海底隧道为代表的大深度、大断面隧道掘削技术的发展，以及大城市圈内基础设施用地难以保障的背景，地下开发技术再一次引起人们的注意。 特别是对铁路、公路等地下的长大构筑物的盾构工法上的期待是很大的，今后，在确保质量、安全、高速度、低价格为目标的技术开发，主要将集中在如下几个方面的课题： 大深度(盾
9、构机等的密封、始发、到达方法、排土机构) 大断面化(盾构机的方向控制、管片接头、拼装方法) 长距离化(掘削土碴的搬运、管片的搬运、切削刀头的修补、更换、作业人员的安全卫生) 地层障碍物处置(原设构筑物的基础桩、流放木段等排除) 第二节 盾构法隧道的基本原理及特点 1、基本原理 目前常用的盾构机主要有土压平衡和泥水平衡盾构机，除了其出土（渣）的方式不同外，其基本的工作原理是一致的。 土压平衡盾构机出土（渣）的工作原理是：刀盘旋转开挖工作面的土体，挖掘下来的土料作为稳定开挖面的介质，土料由螺旋输送机旋转运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。 泥水平衡盾构机出
10、土（渣）的工作原理是：利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力， 切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。 盾构构机刀盘上的刀架与刀头，可根据岩土构成情况及其硬度，选择适当的材料和形状。对材料要求坚硬耐磨，便于装卸、更换。如有扩挖要求，还可在刀盘外绕，装配可调节的扩挖刀头。刀盘旋转动力一般为交流市电，有的用电动机带动液压泵驱动旋转。随着刀盘不断切削岩土，在沿圆周布置的若干强力液压千斤顶推力下，盾头不断向前推进。这些液压千斤顶皆以电力带动油泵供油来工作。 当盾构机向前推进一个管片的长度(沿洞轴
11、向)时，便可以用机械手将若干管片依从下而上的顺序拼装为管环，即洞身。一般每环分为 611 片(视洞径而定)，其中顶部有一块楔形片，它的安装使管环呈一挤紧的整体。盾构机上的机械手，有的是机械挂钩，用于插销固定管片；有的是用负压吸盘，将管片吸起。这些均由施工人员现场操作、拼装。随着管环的形成，盾构机立即在盾尾部位进行填充灌浆，沿盾层外周的灌浆管压出水泥砂浆，盾尾末端沿圆周内侧设有 23 道止浆圈， 与已成型管片压紧防止漏浆， 保持泥浆压力与质量。 2、盾构机的构造 因各种类型的盾构机型其部件和系统结构各有不同，但主要部件及其原理大同小异。因此本文主要介绍目前国际上应用最为广泛的土压平衡、泥水平衡盾
12、构机的主要部件及其相关的结构情况。 2.1、土压平衡盾构机的主要部件和系统结构介绍 其主要组成部分为： 刀盘切削系统：位于切口环内，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑系统组成。 推进系统：由若干组推进千斤顶组成。 加泥与注浆系统： 外加泥或水与切削下来的密封舱内土体充分搅拌， 使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大沉降。注浆系统分盾尾同步注浆和管片二次注浆,主要是保证地面沉降在允许范围内。 螺旋输送机系统： 将切削下来的土体输送到皮带机或编组列车内,是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键管片吊运系统。 管片拼装系统：
13、用于隧道管片拼装. 由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。 盾尾密封系统：是盾构形成密封的关键,结构型式为三排二室钢丝刷等结构形式。 皮带运输机系统：用来输送土体。 数据采集与监控系统：是盾构工作的控制系统. 可对挖掘数据进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。 后续台车系统：主要为盾构机各种后配套设备的台车编组。 2.2、泥水平衡盾构机的主要部件和系统结构介绍 与土压平衡盾构机相比，无加泥装置、螺旋输送机及其泥土输送编组列车等系统；但多了泥水分离系统和泥水输送管理系统,其他结构系统基本相同这里不再赘述。 3、盾构法隧道的优缺点 3.1、优点
14、 在盾构支护下进行地下工程的暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工； 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和施工远程信息化，掘进进度快，施工劳动强度低； 地面人文自然景观受到良好的保护，周围的环境不受盾构施工干扰；在松软的地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全等方面的优越性； 3.2、缺点 盾构机械的造价昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺复杂；在饱和和含水的松软地层中施工，地表的沉陷风险较大； 需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量场地布置、盾构转移等技术配
15、合，系统工程协调复杂； 建造短隧道时经济性差；对隧道施工半径过小或隧道埋深过浅时，施工难度教大。 第二章 盾构设备分类及选型 第一节 设备分类 1、基本种类及结构型式划分 盾构机根据其适用的土质及工作方式的不同可分为开胸式、压缩空气式、泥水式、土压平衡式、组合式、插板式、多断面式盾构机以及微型盾构机等。 目前国际上常用的盾构机械可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地质情况也可采用混合式盾构机械。 1.1、开胸式盾构机 它是工作面全部或大部分敞开的结构， 用于无地下水的地层开挖， 如开挖面不能稳定，则应采取辅助方法使之稳定。可采用人工、半机械或机械方法开挖。 1.2、压缩空气式盾构机
16、 在含水地层施工时，通过压缩空气来保持开挖面稳定，并防止地下水从开挖面涌入。压缩空气式盾构机还包括局部气压式盾构机。 1.3、泥水式盾构机 泥水加压式盾构机又称有压泥浆式盾构机，主要针对无粘聚力的滞水砂层、软塑性、流动性等特别松软地层中进行隧洞开挖而研制的， 目前较广泛应用于各种软弱地层的施工。 1.4、土压平衡式盾构机 通过挖掘下来的土料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室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。因此螺旋输送器的取土速度必须调节适度，与切削的速度相适应 土压平衡式盾构机适用于地层稳定性较好，地下水位不高的情况。 1.5、复合式盾构机（也称混合式盾构机） 在同一条隧洞中，往往由于地质情况差异大，地层变化复杂，施工中遇到不同的问题，这就需要采取多种类型盾构机的相互转换，以适应地质条件
