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1、广东地铁泥水盾构及土压平衡盾构施工技术详细解读 中交第二公路工程局 陕西 摘 要：21世纪是隧道及地下空间大发展的时代，中国作为世界最大的隧道及地下工程施工市场，前景广阔。目前，我国的城市轨道交通建设正面临着史无前例的高潮，截至2015年，全国39个城市正在建设地铁。北京、上海、广州等城市已经开通运营了多条地铁线的基础上，仍以每年数百亿的投资速度推进。 以北京市为例，北京市城市轨道交通2020年线网30条线组成，总长度为1177公里，远景年网由35条线路组成，总长度1524公里，2015年2021年将建设12个项目，总长度262.9公里，计划总投资为2122.8亿元。 关键词：土压、泥水盾构机
2、施工技术引言随着我国工程建设领域法制和法规的完善、环境保护意识的提高，在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地形区段普遍要求采用浅埋和盾构法。从北京、广州等已建成地铁的工程实际来看，浅埋暗法施工在地面环境保护、地表沉降控制及造价、工期等方面具有一定的竞争力和很大的灵活性。随着近年来国内盾构施工技术水平和国产盾构技术的不断提高，盾构法施工也显出强大的优势，应用越来越广泛。因此，笔者结合参与中交二公局承建的佛山轨道交通地铁2号线工程施工经验，通过对盾构机的原理、分类、土压平衡盾构机及泥水盾构机施工特点等，撰写本篇论文，希望与读者一起探讨共同学习，不足之处，望多多指教。1 盾构机的发展概要1.1 盾构的概
3、念盾构，是一种利用隧道暗挖施工，具体金属外壳，壳内装有整体及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，从而构筑隧道，并使隧道一次成型的特征施工机械，如图1-1所示。图1-1 盾构外形及其结构盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、气、传感、信息技术于一体，具有开挖削切土体、输送杂土、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，可实现隧道施工的工厂化作业。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路市政、水电隧道工程。1.2 盾构的工作原理盾构机的工作原理：一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进，对土壤进行掘进。整个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出、未衬砌的隧道段起临时支
4、护的作用，承受周围土层的压力、承受地下水的压力，并将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。“盾”“保护”，指盾壳；“构”“构筑”，指管片拼装（如图1-2）。盾构隧道（施工期间） 盾构隧道（运营期间） 图1-2盾构隧道施工运营成型1.3 盾构的分类(1) 按照平衡开挖面的方式分类为：A、插板式;B、挤压网格式;C、土压平衡式;D、泥水加压式;E、加泥式/加水式，如图1-3所示。图1-3 盾构开挖面形式分类(2)按照机械化程度分类为： A、人工；B、机械化；C、全自动化(3)按照施工过程中的运输方式，分类为： A、皮带传送；B、泥浆泵；C、手工挖小车推；（4） 按照掌子面敞
5、开程度，分类为： A、全敞口； B、半敞口；C、全封闭（面板式、幅条式）如图1-4所示。图1-4 盾构掌子面敞开分类（5） 断面形式，分类为： A、单圆； B、双圆； C、三圆； D、矩形； E、球形；如图1-5所示。 图1-5 盾构断面形式分类2 典型盾构机介绍国内常用的盾构机主要分为三种：（1）土压平衡式盾构机（2）泥水加压式盾构机（3）土压平衡加泥式盾构机按照盾构机制造厂家主要分为3个地区：(1)日本（小松，川崎，日立等厂家）(2)欧洲（德国海瑞克，维尔特等厂家）(3)北美（罗宾斯）按照国内管片尺寸，盾构机分为2种尺寸：外径6.2米管片，盾构机刀盘尺寸一般在6.35米-6.4米（主要在上
6、海及长三角地区使用，以及天津等）外径6米管片，盾构机刀盘尺寸一般在6.14-6.25米（主要在北京，西安，郑州，武汉，广州，南昌，长沙，广东地区等）2.1 土压平衡式盾构机简介 图2-1 土压平衡盾构压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土渣加压，使土压作用于开挖面以使其稳定。土压平衡盾构的支护材料是土壤本身。土压平衡盾构由盾壳、刀盘、刀盘驱动、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、人仓、液压系统等组成，见图2-1。2.1.1土压平衡式盾构机的工作原理及工艺流程工作原理土压平衡式盾构机是利用安装在盾构机最前面的全断
7、面切削刀盘，在刀盘扭矩力和推进油缸推力的作用下，将盾构机向前推进。随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，将正面的土体切削下来通过刀盘上的开口，进入到刀盘后面的土仓内，通过配备的泡沫、膨润土系统对充满土仓的切削土体进行改良，形成具有流动性的膏状土体。并使仓内具有适当的压力与开挖面的土压力和水压压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降。与此同时，安装在土仓下面的螺旋输送机进行连续排土作业，螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道一次成型。土压平衡式盾
8、构施工工艺流程，见图2-2。图2-2 土压平衡式盾构施工工艺流程2.2.2盾构机的组成盾构机主要以下系统组成，分别是推进及铰接系统、刀盘及驱动系统、管片拼装系统、排土系统、同步注浆系统、泡沫及膨润土系统、集中润滑系统、盾尾密封系统、水冷却系统、工业用气系统、土仓保压系统、电气及中央控制系统、数据采集系统、SLS-T隧道激光导向系统，这些系统分别安装在盾构机的盾体和车架上，见图2-3。图2-3 土压平衡式盾构组成(1)盾体盾体是由刀盘、前盾、中盾和盾尾通过螺栓连接组成的（图2-4 ）。图2-4 盾体组成部分(2) 刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部，用于切削土体。刀盘也是
9、盾构机上直径最大的部分（见图2-5）。刀盘驱动可以使刀盘在顺时针和逆时针两个方向无级变速转动。图2-5 刀盘(3)前盾 前盾的外型像一个圆筒,在其内部安装有用于支撑刀盘主驱动装置和螺旋输送机的钢结构。排土系统中的螺旋输送机的安放位置是向上并与水平轴线有一个角度，一直延伸到盾尾，直到皮带运输机。在前盾中还安装有土仓保压系统的人行闸，它的作用是当掘进过程中刀具磨损，工作人员进入到土仓检察及更换刀具时，要使用人行闸（见图2-6）。图2-6 前盾(4) 中盾 前盾和中盾用螺栓固定，并焊接在一起。在中盾安装有推进系统的推进油缸（见图2-7），以及起连接盾尾作用的铰接油缸(这种铰接连接可以使盾构机易于转向
10、)。图2-7 中盾(5) 盾尾 盾尾具有足够的长度满足开挖和衬砌管片安装的工作空间。盾尾密封由二道钢丝刷和一道钢板刷组成（见图2-8；2-9），在施工中通过盾尾油脂压注系统向管片和盾尾密封之间充填油脂来保证密封效果和减少摩擦力。通过注浆管路压入浆液，充填建筑间隙，防止漏水和地面沉降。 图2-8 盾尾 图2-9盾尾 (6) 管片拼装机 在盾尾里还安装有管片拼装机系统，见图2-10。管片拼装机是用来拼装管片的设备，拼装手可以使用有线的或遥控的控制器操作管片拼装机，在盾尾的保护下，用来拼装管片。我们采用的是1.5m长的通用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、两块临接块和一块封顶块。 见图
11、2-10 管片拼装机(7) 排土机构在盾体中还安装有排土机构，主要包括螺旋输送机和皮带输送机（见图2-11）。碴土由螺旋输送机从土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输至台车的尾部，落入等候的碴土车的土箱中，土箱装满后，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井，龙门吊将土箱吊至地面，并倒人碴土坑中。图2-11 排土机构(8) 车架部分盾构机的车架部分主要由以下几部分组成：连接桥、五节车架及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等（见图2-12）。图2-12 车架部分（1）1号台车安装有盾构机的中央操作室、注浆设备、运送管片的电
12、动吊车。盾构机中央操作室中有盾构机操作控制台、控制电脑、盾构机PLC自动控制系统、VMT隧道掘进激光导向系统电脑及螺旋输送机后部出土口监视器。盾构机操作室的作用是用来操作盾构机，实现盾构机的各种功能。注浆设备主要包括两个注浆泵、浆液箱及管线（见图2-13）。盾构机掘进时，注浆泵泵出的浆液被同步注入隧道管片与土层之间的环隙中，浆液凝固后就可以起到稳定管片和地层的作用。图2-13 1号台车(2)2号台车安装有包含液压油箱在内的液压泵站、膨润土泵和膨润土箱。液压油箱及液压泵站作用是为整个盾构机的液压设备提供压力油。膨润土装置作用是用来改良土质，以利于盾构机的掘进(见图2-14)。图2-14 2号台车
13、(3)3号台车装有盾尾密封油脂泵及润滑油脂泵（见图2-15），泡沫系统，一组配电柜及一台二次风机（见图2-16）。盾尾密封油脂泵作用是在盾构机掘进时将盾尾密封油脂盾尾壳体与管片之间的腔室中，以防止注射到管片背后的浆液进入盾体内。 润滑油脂泵作用是将油脂给刀盘驱动齿轮箱、螺旋输送机齿轮箱及刀盘回转接头中进行润滑。 泡沫系统的作用是产生泡沫，并向盾构机土仓中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支撑介质的土在加入泡沫后，其塑型、流动性、防渗性和弹性都得至U改进，可减少盾构机掘进驱动功率和刀具的磨损。二次风机用来给盾构机提供良好的通风。 图2-15 油脂泵 图2-16 风机及泡沫系统等（4）4台车图2-
14、17 电缆卷筒 图2-18 空压机 2-19 储气罐装有变压器、电缆卷筒、两台空压机、一个1立方米贮气罐。变压器、电缆卷筒的作用是将主供电电缆安装在电缆卷筒上，10kV的高压电由地面通过高压电缆沿隧道输送到与之连接的主供电电缆上，接着通过变压器转变成400V的低压电进人配电柜，再通过供电电缆和控制电缆供盾构机使用（见图2-17；2-18）。 空压机是用来给整个盾构机各个用气部件及装置提供压缩空气（见图2-19）。 （5）5号台车图2-20 电缆卷筒 图2-21 空压机 2-22 储气罐装有供水系统（供水泵、水管卷筒）见图2-20、风管盒。供水系统的用途：给盾构机的液压油箱、驱动装置、空压机、配
15、电柜中的电器部件及刀盘驱动的变速箱提供冷却功能（见图2-21），为泡沫剂的合成提供用水（见图2-22），提供给盾构机及隧道清洁用水。2.2 泥水加压式盾构机简介 泥水盾构也称泥水加压平衡盾构（slurry pressure balance shield），简称SPB盾构，见图2-23。泥水盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，装备刀盘及输送泥浆的送排泥管和推进盾构的推进油缸。同时在地面上还配有泥水处理设备。图2-23 泥水式盾构结构图泥水盾构主要由盾壳、刀盘、密封泥水舱、盾构干斤顶、管片拼装机以及铰接密封、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
