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1、,盾构法施工技术大全 铁路工程隧道研究分院 2018-01-15,第三篇 盾构法隧道施工,目 录,1、绪论 2、盾构机选型与配套设备 3、盾构法施工 4、复合地层的盾构施工 5、特殊条件下的盾构施工 6、结语,1 绪 论,1.1 盾构法施工的概念与特点 盾构法是采用盾构机构筑隧道的暗挖施工方法。 在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构机安装就位。盾构机从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，沿设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进、构筑隧道，并有效地控制地面隆降。 盾构法施工具有自动化程度高、对环境影响小，施工安全、质量可靠、施工进度快等显著特点，广泛应用于城市及特殊条件下的隧道工程建设中。,（1）
2、 1818年Brunel提出盾构工法并获得专利； 1841年世界第一条盾构隧道-伦敦泰晤士河底隧道贯通； 20世纪6080年代盾构工法大发展各类平衡式盾构； （2） 1954、1957年我国阜新、北京采用盾构法修建疏、下水道（2.6 m）； 1963、1965年上海使用网格式挤压盾构修建隧道， 打浦路过江隧道（10.22 m -2761 m ）； （3） 近20年来盾构法隧道已在我国各行业广泛应用，盾构施工技术已具有国际先进水平；,1.2 盾构法隧道施工的发展与现状,公路：上海-崇明岛“南隧” （15.43 m 7.5 ）；（泥水） 武汉长江隧道（11.4 m-2538 m ）； （泥水） 南
3、京长江隧道（14.3 m-3825 m ）； （泥水） 铁路：北京站-北京西站地下直径线隧道（11.97m-7.3 ） 广-深-港客运专线狮子洋隧道（11.4 m-10.8 ） 莞-惠 ；长-株-潭 城际铁路（8.8 m；9.3m） 水利：南水北调、穿越黄河（8.8 m-4520 m ） TBM 市政：上海中山路地下通道14.27m（土压）； 共同管廊 电力：取水、电缆； 石油、天然气：管廊（3.0 m） 地铁：在建项目已投入600余台盾构；,盾构法施工在我国各行业应用情况,（4）盾构机国产化有了大的发展, 上海隧道股份公司、中铁隧道装备、北京华隧通等多家国内企业具有设计、制造能力。 多个合资
4、厂制造的盾构机国产化比例达50-70%； 许多厂家已能提供较高质量的部件、刀具及辅料； 1.3 对目前盾构法施工的认识 （1） 基本工法是成熟的、可靠的、先进的； （2） 在适应性及特殊条件下仍存在许多需研究的问题 （3） 盾构机仍需不断改进,1.3 盾构法隧道施工技术研究应把握的要点,（1） 系统性、综合性 （2） 地质特征、工程特点 （3） 盾构机选型与改进 （4） 充分的前期准备 （5） 特殊条件的技术方案 （6） 沉降理论与监控量测 （7） 复合型的技术人才,2. 盾构机选型与配套设备,2.1 盾构类型与构造 2.2 盾构工作原理 2.3 盾构选型 2.4 其他配套设备,2.1 盾构机
5、的类型与构造,盾构机是是一个能支撑地层压力而又能在地层中掘进的专用隧道施工设备。 主机是具有一定形状（园形、矩形等）的钢筒（箱）形结构。 设置各种类型的开挖土体、 推进、安装衬砌块等机构 。 主机后拖带安装有电气、液压、机械及辅助系统的配套台车。,2.1.1 盾构机,2.1.2 盾构机的型式,（1）开胸式盾构 盾构前部与掌子面无隔离，与岩土、地下水相通。采用机械方式部分支撑掌子面，采用人工或挖掘机械开挖的盾构。,设有密封的胸板结构，与盾尾密封等设置共同作用使得盾构及成型隧道内部与岩土、地下水隔离，形成安全的作业空间。 可建立气、泥水或土压力以稳定掌子面，采用刀盘开挖的盾构。有土压、泥水平衡两类
6、,（2）闭胸式盾构,闭胸式盾构,A、土压平衡盾构机 以刀盘切削下来的泥土为介质，经盾构推进、压缩，建立起稳定开挖面的土压，并通过控制开挖量与螺旋输送器的排土量之间的平衡，保持土仓的压力与开挖面的土、水压力平衡的盾构。 B、泥水平衡盾构机 以具有一定压力的特制泥水（泥浆）作为稳定开挖面土、水压力的介质，采用刀盘开挖，并通过对开挖量和泥水压力、流量的控制，保持盾构泥水仓压力与开挖面的土、水压力平衡的盾构。弃碴由泥浆携带通过管道输送至地面。,（掘进机类型简介）,（1）隧道掘进机一般分类 T B M 全断面岩石掘进机 （开敞式、单护盾、双护盾） 盾构机 一般指软岩、软土掘进机 （2）盾构机针对地层特征
7、的分类： 软土盾构 复合盾构 硬岩盾构 （3）复合式盾构机 既能适应软土掘进又要有相当破岩能力 复合地层的需求（交互、变化） 复合性能的适应,2.1.3 土压平衡盾构机,刀盘 、刀具（刮刀、滚刀）、喷口,前盾 : 主轴承、主密封、驱动系统（液压马达、减速箱）,中盾: 推进油缸、拼装机,前、中盾与盾尾：铰接油缸、盾尾密封、管片拼装空间,螺旋输送机：出土控制、土塞,1号台车：操作控制室、同步注浆系统,2号台车：电机、液压泵站,3号台车：电气控制柜、各类油脂注入泵,4号台车：变压器、压缩空气系统,5号台车：电缆、冷却水卷盘等,连接桥架 盾构主机与后拖台车连接、皮带输送机,管片拼装机,其他系统简介,电
8、气系统 电气系统是盾构机的重要组成部分，其设计依据盾构总体设计提供的盾构参数、设备配置、控制要求和工艺要求等，主要包含供配电、照明、控制、人机交互、数据采集等。 液压系统 盾构机液压系统为推进系统、铰接系统、螺旋输送机（回转、闸门）系统、管片拼装机（回转、抓取）系统、仿行刀系统、同步注浆清洗系统等系统提供动力源。,其他系统简介,导向系统 实时显示盾构的方向、姿态、掘进的蛇行线路 ，将有测量结果用图表在显示屏上表示显示，把握变化状态，引到掘进。 同步注浆系统 在盾构掘进的同时，通过注浆泵的泵压作用，把混合浆液灌入盾尾的管片环外间隙之中，达到填充管片环外空隙、固结管片环位置、减小地面沉降、充当环外
9、第一道防水线的目的,其他系统简介,集中润滑系统 集中润滑系统为密封、润滑消耗脂注入系统。系统采用间断补给压力油脂的方式，起到对该加注点进行润滑、密封保护的作用。 盾尾注脂系统 盾尾油脂密封系统是为盾构机盾尾加注、补充密封油脂而设计的高压注脂密封系统。,其他系统简介,冷却系统 添加材料注入系统 压缩空气系统,2.1.5 泥水盾构,泥水加压盾构,泥水加压盾构,泥水加压盾构整机运输,泥水盾构构造,2.1.6 特种、异形盾构,敞开式（矩形）,多园盾构,直角母子盾构,2.2 盾构工作原理,2.2.1 一般原理 钢结构盾壳支护提供安全的地下作业空间； 机械开挖掌子面土（岩）体； 采用机械的、自动的出碴运输
10、系统； 机械拼装预制衬砌块 ； 隧道开挖、衬砌一次构筑成型。 主要介绍采用刀盘（刀具）开挖土（岩）体，具有压力平衡性能的泥水、土压平衡盾构。,2.2.2 泥水盾构工作原理 （1）泥水循环系统原理图,（2）正常掘进泥水循环示意图,（3）泥水加压操作程序,（4）泥水式盾构排土量控制方法 A、容积控制法 检测单位掘进循环送泥流量Q1与排泥流量Q2，排土积Q3： Q3= Q2 -Q1 式中 Q3排土体积（m3） Q2排泥流量（m3） Q1送泥流量（m3） 对比Q3与Q，当QQ3时，一般表示泥浆流失（泥浆或泥浆中的水渗入土体）；QQ3时，一般表示涌水（由于泥水压低，地下水流入）。正常时，泥浆流失现象居多
11、。,B、干砂量表征土体或泥浆中土颗粒的体积,开挖土干砂量V按下式计算： V=Q.100/（Gs.w+100） 式中：V-开挖土干砂量（m3） Q-开挖土计算体积（m3） Gs-土颗粒密度 w-土体的含水量（%） 干砂量控制方法是，检测单位掘进循环送泥干砂量V1与排泥干砂量V2，按下式计算排土干砂量V3 V3=V2-V1=（G2-1）.Q2-(G1-1).Q1/(G1-1) 式中： V3-排土干砂量（m3） V2-排泥干砂量（m3） V1-送泥干砂量（m3） G2-排泥密度 G1-送泥密度 对比V3与V，当VV3时，一般表示泥浆流失；VV3时，一般表示超挖。,2.2.2 土压平衡盾构的三种模式,
12、（1）土压平衡盾构掘进作业具有土压平衡式、敞开式及半敞开式三种模式。 （2）为保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全并获得较高掘进效率，必须根据根据盾构机的类型、盾构隧道围岩的工程地质和水文地质条件、施工环境等因素，综合判断、选择不同的掘进模式。,土压平衡模式,盾构机刀盘旋转，由刀具切削下来的土体填充刀盘后面的土仓，并随盾构机的推进逐渐充满并建立起压力，直至与所处地层的土、水压力相平衡。通过对推进速度与螺旋机排土量的控制使所建立起的压力保持稳定，从而减少对地层的扰动，保证地层的隆降控制在一定的范围内。,半敞开式气压辅助模式,敞开式模式,盾构构造与原理演示,2.3 盾构机的选型,选
13、型程序 地质条件 基本类型 选型要点 主要参数,2.3.1 选型程序,2.3.2 选型与地层,2.3.3 基本类型选择,据对地层与地下水的初步认识，在粘土、粉土、淤泥及大部砂层、园砾、硬岩区间选用土压平衡盾构； 在既是全断面砂、园砾，上软下硬、变化频烦、差别大的地层，又是处于地面沉降要求严格等敏感区间， 应优先选择泥水盾构。 含大粒径卵石、无水、有一定稳定性的地层，可选择开胸式盾构；,2.3.4 选型要点,（1） 外形与基本尺寸： 内外置注浆管；开挖直径；盾尾外径（管片外径、盾尾间隙、盾壳厚度）； （2） 主轴承：寿命、直径； （3） 主密封、铰接密封、盾尾密封：结构形式与性能 ； （4） 扭
14、矩：驱动系统（变频电机、液压）、减速器、转速； （5） 推力：油缸布置、行程、控制分组；推进速度 ； （6） 铰接：方式（主动、被动）、转角；,选型要点,（7） 刀盘（辐条、面板；开口率、注入口）；刀具（滚刀、刮刀、先行刀；形状尺寸、刀间距）； （8） 螺旋输送机：（驱动功率、扭矩；有轴、无轴；） （9） 同步注浆：储存与注入能力； （10）液压、电气控制系统：（可靠性、便于操作）； （11）测量、导向系统 ； （12）人闸及其他,刀盘、刀具 针对主要的地层条件选择刀盘、刀具,（1）对粘土，尤其是全断面砂、园砾、卵石地层，刀盘结构设计应有利于碴土通过，开口率应在4060%之间。 （2）除个别有
15、较硬岩层区间外，均不做配置滚刀的考虑。边缘区设滚刀以减少磨损、减小扭矩似有作用。 （3）先行刀、贝壳刀等应体量大（刀宽250300mm、厚度也要相适应）、外形园钝，以耐冲击、耐磨损。 （4）耐磨设计必须到位。重点是刀体、刀盘外圈、螺旋及螺旋机内腔等，关键是耐磨材料要确保质量。,复合刀盘,软土刀盘,主要参数及重点配置推荐（以6m盾构为例）,（1）刀盘额定扭矩：50006000 kNm; 驱动功率：变频电机驱动不小于750 kw、液压驱动不小于900kw。 （2）螺旋输送机内径800mm为宜，扭矩120 kNm以上，驱动功率200 kw以上。 （3）主轴承直径3 m左右为宜。 （4）最高转速1.5
16、3rpm即可。 （5）人行闸必须设置在上方。 （6）膨润土注入能力强。,2.3.5 选型采购的主要环节,（1） 盾构机的基本型式与参数 （2） 拟选厂家盾构机的使用情况与问题 （3） 盾构机的国产化与零部件的代用 （4） 设计联络 （5） 工厂监造 （6） 工厂组装验收,盾构直径与推力关系, 盾构软土中掘进的推力计算： F= F1+ F2+ F3+ F4+ F5 F1外壳与土体间的摩擦力 F2刀盘上水平推力 F3切土所需要的推力， F4盾尾与管片之间的摩阻 F5后方台车的阻力。 盾构硬岩中掘进时推力计算： F=mF力F1F4 F F力单个滚刀贯入岩石力 m刀盘盘形滚刀的数量,2.3.6 主要参数计算 （1）推力,盾构机扭矩特性曲线, 软土中掘进时扭矩计算： M=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8+M M1刀具的切
