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1、地铁盾构隧道 施工技术简介,1、1 盾构掘进机的特点 1、2 盾构技术的发展,主要内容,1、概述,2、盾构机选型,2.1盾构分类,3、盾构施工组织,2.2适用范围,4、组装、调试；进出洞,2.3选型特点,2.4 盾构机选型及定购依据,2.5刀盘面板分类,3.1 场地与交通疏解,3.2 掘进速度与施工长度,3.3 盾构与车站施工干扰,3.4 盾构管片供应,3.5 盾构通过特殊地段,3.6 盾构铺轨基地,4.1组装及调试流程,4.2 盾构进、出洞,5、盾构掘进技术,5.1泥水平衡盾构掘进,5.2 土压平衡盾构掘进,6、盾构管片制作应用举例,1.1盾构掘进机的特点,1、概述,盾构掘进机（简称盾构）是
2、地面下暗挖施工隧道的专用工程机械，具有一个可以移动的钢结构外壳(盾壳)，内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业一体化施工，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设。目前，在欧美等工业发达国家使用盾构机进行施工的城市隧道占90%以上。,1.1盾构掘进机的特点,1、概述,现代盾构掘进机集液压、机电控制、测控、计算机、材料等各类技术于一体，属于技术密集型产品，其生产主要集中在日本、德国、英国、美国、加拿大等少数发达国家，其中又以德国、美国、日本技术最为先进。 盾构施工法与矿山法相比具有的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要
3、作业都在盾构保护下进行，工艺技术要求高、综合性强（土建、机械)。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，经历了四个发展阶段： 以布鲁诺尔（Brunel，1818)盾构为代表的初期盾构； 以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构； 以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构； 以异型化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第一代盾构:,Brunel盾构,伦敦Blackwall盾构隧道,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第二代盾构:,网格式盾构,插刀盾构,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第二代盾构:,网格式盾构可分
4、为干出土与水力出土两种类型，结构简单、操作方便，便于排除正面障碍物。基本构造分为：盾构壳体、推进系统、拼装系统及出土系统、控制系统等。 水力出土特点： 网 格：适合水力冲刷的网格和封板组成切口支承形式。 泥水舱：盾构切口后部的隔墙板与网格间为泥水舱，该舱可供土体冲刷成泥水，舱底设置泥水排出管口。 冲刷水枪：用于冲刷土体的旋转水枪。 水力输送机具：舱内的泥水通过管路进行输送排放。,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第三代盾构:,土压平衡盾构,泥水平衡盾构,1.2 盾构技术的发展,1、概述,第四代盾构:,复合式盾构,任意截面盾构,2.1 盾构分类,2、盾构机选型,全开敞式盾构：手掘式盾构、半机械式
5、盾构、机械式盾构 半开敞式盾构：挤压式盾构、网格盾构 封 闭 式盾构：土压平衡盾构、泥水加压平衡盾构,盾构机的机型种类很多。根据地层条件和具体施工方法的不同，隧道盾构机可分为硬岩隧道掘进机(即TMB)、软岩隧道盾构机。而按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和封闭式。,2.1 盾构分类,2、盾构机选型,开敞式又可细分为人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构；半开敞式有挤压盾构和网格盾构之分，而封闭式则可进一步分为泥水加压平衡盾构(含直接控制型、间接控制型两种)、土压平衡盾构(包括普通型、加泥型、加水型、泥浆型等种类)。还有将两种类型复合在一起的复合型，也包括泥水型、土压型、敞开型等多种
6、，此外，还有适用于城市地下工程，如市政供排水、电缆管道建设的微型盾构。而目前作为主流技术的，主要有泥水加压平衡盾构机、土压平衡盾构机、复合型盾构机、TMB掘进机和微型盾构机五种。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,泥水加压平衡盾构机 泥水加压平衡盾构由盾壳、开挖机构、推进机构、送排泥浆机构、拼装机构及附属装置组成。是目前各种盾构中最复杂、价格最贵的一种。 适用范围较大，多用于含水率高的软弱土质中，是一种低沉降、较安全的施工机械，对稳定的地层优点尤为明显，其工作效率要高于土压平衡盾构机，但随着土砂百分比的增加，会出现泥水分离难度增大的不足。 泥水平衡盾构机的主要生产厂商有：日本川崎重工、
7、三菱重工、小松盾构以及德国的海瑞克公司等。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,土压平衡盾构机 土压平衡盾构是在泥水加压盾构基础上开发的一种新型盾构。主要由盾壳、开挖机构、推进机构、排土机构、拼装机构及附属装置组成。土压平衡盾构通过对压管理，保持土压或土碴量的相对平衡与稳定来进行工作。 广泛适用于对冲积粘土、洪积粘土砂质土、砂、砂砾、卵石等地质的施工，不需分离装置，占地面积少，施工时的覆土层可相对较浅。 主要生产厂商有：日本川崎重工、德国海瑞克公司、加拿大罗浮特 (lovat)公司等。,2.2 盾构机的适用范围,2、盾构机选型,组合式盾构机：组合式盾构机开挖面稳定，施工方法可视土质情况的
8、变化而转换，因此适应范围较广，根据需要可以从土压平衡转换为泥水加压方式，土料输送可由螺旋输料器转为泥浆及管道输送。有一定知名度的产品有川崎重工推出的直径为10.2m组合式盾构机产品；德国的海瑞克出品的直径为14.2m的盾构机。 全断面硬岩掘进机（TBM掘进机）：全断面硬岩掘进机是由盾构技术发展而来。通常适用于硬基地层。特点是稳定性良好、施工速度快、隧道成型好、对周围环境影响小。 微型盾构机：行业内通常把直径小于3m的盾构称为微型盾构。主要用于市政供排水管道，电缆管道等的建造。,2.3盾构选型的特点,2、盾构机选型,1、与其它隧道施工方法不同，盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、地下水条件、隧
9、道断面大小、区间线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种特定地质条件的专用机械。也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。,2.3 盾构选型的特点,2、盾构机选型,2、盾构机在地下的施工是不可后退的。当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改。除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改。 由此可见，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的关键环节。为了设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型工作。,2.4 盾构机选型及
10、定购的依据,2、盾构机选型,土质条件、岩性 开挖面稳定 隧道埋深、地下水位 设计隧道的断面 环境条件、沿线场地 衬砌类型 工期；造价 辅助工法 设计路线、线形、坡度 电气等其他设备条件,盾构机选型流程图,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,盾构机选型流程图,续上图,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,2.4 盾构机选型及定购的依据,盾构机选型流程图,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,盾构选型与地层关系,（1）少水地层、砂卵石地层宜选择开敞式网格盾构 少水或无水地层，地层具有较好的自稳性，降水下沉量小（如沈阳、成都等地层），土体颗粒对刀盘刀具
11、磨损很大，选择开敞式盾构网格盾构比较适宜。,刀具磨损严重,2.4 盾构机选型及定购的依据,2、盾构机选型,盾构选型与地层关系,（2）渗透系数与岩性、粒径,面板式刀盘 辐条式刀盘,2、盾构机选型,2.5刀盘面板分类,刀盘特性比较,刀盘型式的选择,2、盾构机选型,2.5刀盘面板分类,3.1 盾构施工场地与交通疏解,3、盾构施工组织,一台盾构始发场地面积约25003000 m2 ，两台盾构始发场地面积40005000 m2 ，接收场地8001000 m2 左右。 看似合理的施工组织方案，有时因没有合适的施工场地而改变。盾构井一般是沿线路中线设置的，在城市中心区因交通疏解要求往往导致场地较小，过小时影
12、响施工场地的合理布置如弃土场、注桨材料储存、管片堆场、施工人员的生产生活安排等，降低劳动生产率。因交通疏解、管线等条件限制盾构井设置在线路中线一侧时，盾构机始发周期延长，弃土、管片等洞内运输作业效率下降。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构掘进速度与工程地质条件、盾构机选型、掘进管理水平、地面建（构）筑物保护要求等因素密切相关。地铁区间隧道多采用（加泥）土压平衡盾构机，在目前的施工技术水平条件下，正常的平均掘进速度已达到每天79环，按1.2m或1.5m管片环宽计可达每天812m,综合考虑始发和到达掘进、通过建筑物保护段的沉降控制、地层性质与均质性、弃土与材料运输时间限制等因
13、素的影响，施工组织的平均指标一般按68m控制，当地层适于盾构施工且均质性好，环境限制条件少，一次掘进距离长时，掘进指标可按810m。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,以下情形采用实际指标或偏低的掘进指标： 穿越江河段选用泥水平衡盾构机时； 穿越硬岩段选用复合式盾构机时； 连续穿过建（构）筑物保护区段； 长距离曲线地段特别是小半径曲线地段； 盾构施工多个短区间； 盾构机有超前钻探或超前注浆作业； 长距离砂层地段； 盾构井不在线路正上方； 与车站、铺轨施工工期重叠时间较长。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构隧道土建费用主要由盾构机、掘进、衬砌三部分组成。 有
14、效降低造价的手段之一是在满足工期的条件下尽量加大盾构机的掘进长度，降低盾构机摊销费用。 考虑土建工期的限制，盾构施工经济长度一般控制在34km。,3.2 盾构掘进速度与施工长度,3、盾构施工组织,盾构机制造时间约需9个月，下井安装始发1个月。 盾构隧道一般会先行招标以方便设备采购，与始发井的提供时间是匹配的，必要时要求始发井提前开工。,3.3 盾构与车站施工干扰,3、盾构施工组织,盾构井一般设置于线路正上方，不仅影响交通疏解方案，与车站施工场地有干扰，盾构机采用起吊方案时影响车站封顶时间，采用过站方案时正值车站施工期，站台需过站后施工。不论过站还是起吊，管片、材料和弃土运输均与车站施工有干扰，
15、特别是盾构后配套需在车站站台层折返作业时。 规模较大的车站包括换乘站要对盾构与车站施工干扰进行分析。 施工招标时车站与区间合标即几站几区间一个标，规模过大时，也可区间与始发站或第一个过站站合标，是减少施工干扰、方便施工协调、有利人员安排的办法之一。,3.4 盾构管片供应,3、盾构施工组织,盾构隧道施工组织应综合考虑管片厂的位置和沿线交通运输条件，全线盾构机同时开始掘进，管片供应过于集中，意味着盾构机数量增加，需要增加模板套数或管片堆场面积，直接或间接增加盾构隧道工程造价，也会引起年度工程投资的不均衡。而盾构施工长度增加，盾构机台数减少，模板套数自然减少，但工期相应延长。 根据施工组织确定的盾构
16、机数量，对模板套数和管片厂提出具体要求。,3.5 盾构通过特殊地段,3、盾构施工组织,盾构通过曲线特别是小半径曲线地段时，盾构机推进易损伤管片，纠偏导致盾尾空隙加大，注浆量增加，即使使用中间铰接带弯曲机构的盾构机，其姿态的不断调整也会使掘进速度放慢；盾构通过需控制地面沉降的建筑物地段时，需要调整盾构机的推力、掘进速度、出土量等施工参数，减少盾构的超挖与欠挖，保持掘进与出土的平衡以控制压力变化，改善盾构前方土体的坍塌沉陷或挤密隆起现象；盾构通过砂层时，掘进面的压力平衡较难控制，容易产生地面沉降。所以， 盾构机在长距离曲线地段、长距离建筑物保护地段、长距离砂层地段掘进时，盾构掘进指标必须降低。 盾构掘进通过硬岩、孤石、地下障碍物时，应编制风险预案。,3.6盾构铺轨基地,3、盾构施工组织,盾构铺轨基地与轨排井（有时是在地面）的数量与铺轨长度有关，一般有23处。盾构施工应与盾构井的设置匹配，盾构施工应向背离轨排井的方向施工。 铺轨不一定要在盾构施工全部完成后才开始，当盾构过站或起吊施工下一
