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1、结合深圳轨道交通4号线二期工程小议盾构机工作原理刘飞灵 助理工程师港铁轨道交通（深圳）有限公司摘要 深圳市轨道交通4号线工程是深圳市轨道交通网络中一条重要的南北干线，线路全长20.4公里，共15座车站。其中莲花北站至上梅林站区间采用盾构施工，从盾构始发井的开挖，盾构机的吊装，盾构机的掘进，管片的安装，结合4号线二期工程采用的土压平衡式施工工法，介绍盾构机的工作原理及相关注意事项。 关键字轨道交通 深圳轨道交通4号线 轨道扣件1、 工程简介深圳轨道交通4号线二期工程铺轨工程从少年宫（一期工程终点）向北伸延，线路下穿莲花山、沿中康路向北穿越大脑壳山后，在梅林检查站沿龙华二线拓展区的规划上塘路一直向
2、北，而后右转和平路向东至清湖站，二期工程线路总长约15.939km/双，其中地下线约5.089km/双，高架线约10.336km，其它是地面线及车站。本工程共设车站10座。其中莲花北、上梅林为地下站，民乐站为地面站，白石龙站、龙华火车站、红山站、龙塘站、龙胜站、龙华中心站、清湖站为高架站，平均站间距为1771m，最大站间距为2907.601m，最小站间距为1060.124m。在布龙路与和平路的交会处设车辆段一处。2、 盾构施工工法概述盾构施工法于19世纪初在英国开始使用，经过反复摸索，在近3040年间取得了飞速发展，现在，该施工法已同矿山法一起成为城市隧道施工的两大主要施工方法。20世纪90年
3、代该项技术被引进我国，主要集中应用盾构技术来进行上、下水道、电力通讯隧道、人防工事、地铁隧道等施工。目前在上海、广州、深圳、南京等城市已经开始采用盾构法来施工地铁隧道，盾构法在国内逐渐开始发展普及。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作业都在盾构保护下进行，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。其主要施工程序为：1、建造盾构工作井2、盾构机安装就位3、出洞口土体加固处理4、初推段盾构掘进施工5、隧道正常连续掘进施工6、盾构接收井洞口的土体加固处理7、盾构进入接收井解体吊出 盾构施工与矿山法施工具有以下优点：1、地面作业少，隐蔽
4、性好，因噪音、振动引起的环境影响小；2、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；3、因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；4、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围可不受施工影响；5、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候影响；6、对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；7、在费用和技术难度上不受覆土深度影响。 盾构法施工也存在一些缺点：1、一次性投入大，施工设备费用较高；2、覆土较浅时，地表沉降较难控制；3、用于施作小曲率半径（R20D）隧道时掘进较困难。3、 盾构机的选型盾构施工法大体上分为开放式和封闭式两种。开放式就是没有隔墙而工作面开放的盾构，考虑到确保工作面
5、稳定、高压气下的作业环境等问题，目前已基本上不再采用这个方法。封闭式盾构是一个设有隔墙且用土或者泥水充满其室内，使土或者泥水保持一定的压力，以获得稳定的工作面的机械挖掘式盾构，即使在复杂围岩条件下，原则上也不需要实施辅助施工方法。由于可以控制工作面的稳定，所以对周围地基的影响小，目前，在施工中使用的绝大部分都是封闭式盾构。根据工作面保持方法的不同，封闭式盾构又分为土压式盾构和泥水式盾构。另外，根据是否有将挖掘出的沙土泥土化的添加剂注入装置，又将土压式盾构细分为土压盾构和加泥式土压平衡盾构。加泥式土压平衡盾构适用的土质为冲积砂砾、水、淤泥、粘土等固结度较低的软地基、洪积地基以及软硬相叠地基等，从
6、土质面积来看它的适用范围最广。但是，在高水压地基中，仅仅用螺旋输送机往往难以满足施工要求，所以有必要考虑安装各种压力送料装置、改良挖掘地质的性状等措施。泥水式盾构，其泥水压管理比较容易。由于可以通过选择不同的土质范围比较广，比如冲积砂砾、沙、淤泥、粘土层或者叠层中地基结构松软层、含水量较高而工作面不稳定层、以及洪积砂砾、沙、淤泥、粘土层，或者相叠层中水分较多，有可能由涌水引起地基崩坍层等。但是，在透水性较高的地基、巨砾地基中，工作面的稳定往往比较困难，所以有必要考虑采用辅助施工法。另外，还需要一定的基地面积，以保证安放泥水处理设备。盾构分类表按开挖方式分按挡土形式分按工作面加压方式分1、 手掘
7、式2、 半机械式3、 机械式1、 开放式2、 密闭式1、 气压式2、 泥水式3、 土压平衡式（削土、加泥）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。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。从这两点可知，盾构机的设计、制作从根本上
8、决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的最关键的环节。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。可根据下述流程图进行考虑：根据设计断面选择盾构根据衬砌类型选择配套系统装配式衬砌挤压式砼衬砌砼供给系统衬砌安装机械系统工作面稳定不好时讨论工作面是否稳定测定水压、松弛土层或围岩压力现场原位地层工作面稳定程度辅助工法种类及适用性的校核：压气工法；降水法；化学注浆法；冻结法。地质条件以外的条件：工期；外径、机长；造价；环境因数；沿线条件；基地条件；设计线路，线型条件；给排水条件及通风条件。机种及辅助工法的综合比较分析盾构的选定在国内，由于受工程造价及竖井用地面积和挖掘土处理的影响，大部分
9、都选用加泥式土压平衡盾构。根据本工程的复杂的地质条件和狭小的施工场地等原因，轨道交通4号线二期工程莲上盾构区间选择了德国海瑞克公司土压平衡盾构机(6250mm)。4、 土压平衡盾构机 盾构主体组成盾构机主要由刀盘、主盾体、螺旋输送机、管片拼装机、液压系统、皮带输送机、操作系统、四节后配套台车组成。A. 刀盘设计如同一个切削盘体带有大的进料槽。刀盘面开口率为33。一个很厚的法兰板带3根支承条辐臂用来连接刀盘体与主驱动部件。3根支承条辐臂为厚壁管筒，八根泡沫剂管通过支承条辐臂连到刀盘面板上。B. 盾体由三部分管形筒体组成：前盾体；中盾体；尾盾。 前体和与之焊在一起的承压隔板作为刀盘驱动的支承，压力
10、通过前体作用到开挖面以起到支撑开挖面的作用。前体部分也起到平衡由刀盘作用于土层而产生的力，前盾土仓侧装有五个土压传感器，盾构机掘进时在操作室中可以随时观察到土仓中土体的压力。用于驱动刀盘的八个液压马达安装在前盾上，八套三级液压驱动变速齿轮箱带有齿轮油注入孔及水冷却系统。前盾装有气闸，可以使工作人员从承压隔板上的门进入开挖室检查或更换刀具。 中体上安装30个推进千斤顶，油缸都沿圆周装于中体前法兰上，顶杆侧支承端装有橡胶垫。推进千斤顶在与管片接触端装有支承靴，通过支承靴作用一环的管片环上，它们可以通过单个控制或分组控制以达到调整掘进方向的功能。 尾盾焊接成一个整体，通过被动跟随的14个铰接式油缸与
11、主盾体相连。尾盾后端焊有三排钢丝刷环，三排钢丝刷环围成两个密封室。钢丝刷环的内径比管片的外径小很多，这样在盾构机掘进时钢丝刷环压在管片外表面，钢丝刷环之间不断地被注入密封油脂形成一道完整的密封，防止地下泥水侵入盾体里。二号台车上装有活塞泵，用于泵入尾盾密封用油脂。C. 螺旋输送机斜穿盾体，前部由连接法兰装于前盾承压隔板上，从土料仓底部进料到与皮带机连接处的出料口倾斜安装，倾角为约17度。螺旋壳体上设有总共3个R2的连接件，用于泡沫剂、水等注入。根据螺旋体及中心轴尺寸，单边通过最大块体尺寸为270毫米。D. 管片拼装机位于尾盾。管片安装机安装在盾尾区域，用来安装衬砌管片。安装机所具有的各种动作进
12、行了专门调节以使管片精确就位。管片安装机能拼装通用环管片和普通环类型的管片。它主要的运动构件的功能均可通过比例控制来实现。所有方向的运动均进行了可靠的计算，保证足够功率，以使各管片达到精确安装。管片安装机由以下构件组成：悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头。E. 皮带运输机用来把螺旋输料机排出的土料运至运料车。皮带运输机做成一个整体部件，包括电驱动单元。橡胶输送带装有横向滚轮。皮带运输机的主要组成部件为：带式结构；排料段；拉紧装置。F. 后配套台车门架台车系统主要由以下部分组成：移送管片的电动葫芦；轨道；4节门架台车，上面安装盾构操作所需的液压、电气部件，还有运料车装料站、高压电缆卷盘、软管卷筒
13、、通风管、操纵室、壁后注浆设备、泡沫与加泥装置。 加泥型土压平衡式盾构机的主要特点结构先进，自动化程度高，采用了国际盾构最新技术。开挖、出渣、衬砌均以液压为动力，易于控制、调整各种作业。施工效率与可靠性高；安全性能好。装备各种监控、传感、控制装置。设备的控制、仪表及监控系统均在盾构控制室内控制。控制室控制台有良好的视野，便于观察刀盘出料、管片安装。设有水平侧滚监控系统，甲烷气体监测报警系统等。采用防爆电机等电气防护措施。设有铰接液压油缸、超挖刀，盾构可以在垂直、水平方向上进行各种调整，能按设计要求完成曲线开挖。刀盘为混合式结构，既可适应较硬地质，也适应软土地层。机器功率强大、结构牢固、操作方便
14、、安全可靠，适应地质条件范围广。 盾构机关键技术参数计算A. 计算原理盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力。这些推进阻力主要有：盾构四周与地层间的摩阻力或粘结力；盾构切口环刃口切入土层产生的贯入阻力；开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力；在盾尾处盾尾板与衬砌间的摩阻力；盾构后面台车的牵引阻力。以上各种推进阻力的总和用下式表示，在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的富余量，即为盾构千斤顶的总推力。B. 盾构千斤顶的总推力 盾体的摩擦力WM:WM2rl(pvph) 0.5Gs其中，摩擦系数0.25(经验值); 盾构半径r3.125m；盾体长度l7.8m;垂直荷载pv（k
15、N/m）;水平荷载ph（kN/ m）;盾构自重Gs 37000 kN；盾体上分布的荷载包括垂直土压力pv和水平土压力ph；pv（285297）/2291 kN/mph205 kN/m;WM0.2523.1257.8(291205)0.53700 10420 kN。 刀盘推力WBA48把刮刀，34把滚刀（相当于68把刮刀）和8把铲刀（相当于64把刮刀），每把可承受9.4 kN。WBA（4868864）9.41692 kN。 盾尾在管片上的拉力Fs Fs10 kN/m(经验值) 则Fs23.010189 kN。 后配套系统拉力FNL取FNL750 kN。 开挖面支撑压力FSPFSP400（6.25/2）12272 kN。 油缸推力FF104201692
