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1、盾构法隧道概述 1 概述盾构技术发展概况 : 用盾构法修建隧道开始于1818年 ，法国工程师布鲁诺尔； 1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ； 近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构； 我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构 ； 上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大盾构；,盾构隧道优点: 在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响，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
2、于城市地下隧道或海底、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等其它方法不可取代的优点。,盾构法隧道的基本原理及特点 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，
3、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
4、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
5、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：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
6、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 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 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
7、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
8、，施工难度教大。,泥水加压式盾构机技术 泥水加压盾构是应用封闭型平衡原理进行开挖的新型盾构：用泥浆代替气压支护开挖面土层，施工质量好、效率高、技术先进、安全可靠，是一种全新的盾构技术。 但由于泥水加压盾构，需要一套较复杂的泥水处理设备，投资较大（大概就占了整个泥水盾构系统的三分之一的费用） ；施工占地面积较大，在城市市区施工，有一定困难，然而在某些特定条件下的工程，如在大量含水砂砾层，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，以及超大直径盾构和对地面变形要求特别高的地区施工，泥水加压盾构就能显示其优越性。另外对某些施工场地较宽敞，有丰富的水源和较好泥浆排放条件或泥浆仅需进行 沉淀处理排放的工程，可
9、大幅度降低施工费用。,图 3-2-5 所示为泥水加压盾构的基本构造简图。主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构干斤项、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。概括地说，泥水加压盾构是在盾构前部增设一道密封隔舱板，把盾构开挖面与盾构后面和隧道空间截然分开，使密封隔舱板与开挖面土层之间形成密封泥水舱，在泥水舱内充以压力泥浆，刀盘浸没在泥水舱中工作，由刀盘开挖下的泥土进入泥水舱后，经刀盘切削搅拌和搅拌机搅拌后形成稠泥浆，通过管道排送到地面，排出的泥浆作分离处理，排除土碴，对余下的浆液进行粘度、比重调整，重新送入盾构密封泥水舱循环使用。,泥水加压盾构构造简图,3 盾构设备分类及选型 1、基本种类及结构型式划分
10、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。,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。 压缩空气式盾构机 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。 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
11、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
12、相互转换，以适应地质条件对机械的要求。 其工作方式及开挖面稳定方法可根据沿开挖洞线上土质情况的变化而进行转换，因此适应范围较广，如一种组合可根据需要从土压平衡工作方式转换到泥水加压式工作方式，土料输送由螺旋输料器转换到由泥浆泵及管道输送。,1.6、插板式盾构机 也称插刀式盾构机，它由许多插刀组成，可以组合出不同的断面形状和尺寸。其推进靠设在插刀和支承框架之间的液压缸，将插刀以单插刀或成组插刀方式进行组合。当所有插刀都推进到一个行程距离时，所有液压油缸同步收缩，把支承框架向前拖动。 1.7、多断面式盾构机 一般盾构机一次只能开挖一个断面的隧洞，当需要开挖平行相邻且直径相同的两个或多个隧洞时，普通
13、盾构机需施工两次或多次，而用一个大断面来包含以上两个或多个隧洞断面时，盾构机刀盘直径会过大，开挖时也存在浪费，而多断面盾构机，同一盾构机上有两个或多个(目前最多为 3 个)刀盘，两个刀盘之间有一小部分面积是重合的，这样一台盾构机的掘进即可同时挖掘出平行且相通的两个或多个隧道.,1.8、微型盾构机 对于一些输气、供排水和电缆隧道，直径较小，可用微型盾构机施工。微型盾构机从工作方式上也有土压平衡式和泥水式等多种，挖掘方式有机械刀具也有高压射流，由于洞径较小(一般从 0.252.5m左右)，衬砌不象大直径隧洞用管片拼装，而一般用预制管件由设在竖井处的顶管装置顶进，微型盾构机掘进时的推力也来自顶管装置
14、。,2、其他分类 除以上各种盾构机外，还有一些不常用的如刀盘可转向挖掘的盾构机(球体盾构机)，可一次性挖掘有 90拐角的隧洞。再比如可挖掘方形、矩形、椭圆形等非圆形断面隧洞的盾构机，其挖掘过程靠主、辅刀头的配合，从而最终挖出异形断面隧洞。 盾构机的分类还可按直径分为特大、大、中、小及微形盾构机；按控制方式分有地面遥控(微形盾构机)和随机控制的盾构机；按开挖方式分有人工、半机械、机械式开挖的盾构机；按开挖断面分有部分断面开挖和全断面开挖的盾构机等等。,盾构设备的选型综合盾构掘进机的特性与选型的依据，盾构掘进机选型的一般程序为首先要看该盾构掘进机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等
15、限制因素，同时，还必须将宜用的辅助工法加以考虑。 2.1、根据地质条件选择盾构掘进机类型 砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工；若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构；砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高；反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。,2.2、盾构掘进机选型的其他条件 除了地质条件以外，盾构掘进机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、场地条件等。 2.1、工期条件的制约 因为手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，
16、机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构掘进机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。 2.2、造价因素的制约 一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构掘进机低，主要原因是敞口式盾构掘进机不像密闭式盾构掘进机那样有复杂的后配套系统。在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑拟优先选用敞口式盾构掘进机,2.2.3、环境因素的制约 敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的盾构掘进机。 2.2.4、场地条件的制约 泥水平衡式的盾构掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统， 若需使用泥水平衡盾构机就必须有较大的地面空间。 2.2.5、设计路线、平面竖向曲线的制约 若隧道转弯曲
17、率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为 6m 的盾构，其长度为 67m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施工中转弯的灵活性。,3、辅助工法的使用 盾构掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注浆法等。前几种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主要是用于保证隧道开挖面的稳定，注浆法还能减少盾构掘进机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式盾构掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，若采用手掘式、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，但在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构掘进机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改变地层的物理力学指标，增加其自立性能，确保开挖面的稳定。冻结法的施工成本较高，一般情况下不采用，而在长距离隧道的盾构对接中使用。,
