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1、异型盾构隧道新技术1自由断面盾构法(1) 原理概要 所谓自由断面盾构法就是在一个普通圆形盾构主刀盘的外侧设置数个规模比主刀盘小的行星刀盘。随主刀盘的旋转行星刀盘在外围作自转的同时绕主刀盘 公转，行星刀盘公转的轨道由行星刀盘扇动臂的扇动角度确定。通过对行星刀盘 扇动臂的调节可开挖各种非圆形断面的隧道。也就是说，通过对行星刀盘公转轨 道的设计可选择如矩形断面， 椭圆形断面， 马蹄形断面， 卵形断面等非圆形断面。 此盾构法尤其适用于地下空间受限制的如穿梭于既成管线和水道之间的中小型 隧道工程。图-3.1 自由断面盾构构造图图-3.2 可开挖的非圆形断面(2)特点与一般盾构法相比，自由盾构法的特点如下
2、：1) 可开挖多种非圆形断面的隧道， 选择细长型断面对宽度或深度受限制的 地下空间更有效的得到利用。2) 可根据不同的使用目的合理选择不同断面， 比如共同沟和电力管线等选 择矩形断面，公路和铁路隧道则选择马蹄形断面等。3) 隧道断面的最大纵横尺寸之比为椭圆形1.5 ：1.0 ，矩形 1.2 ： 1.0 ，马蹄形 1.35 ： 1.0 。假定各隧道断面的横向宽度等于圆形断面的直径(3.16m),假定圆形断面的面积为1.0，则椭圆形为1.7，矩形为1.5, 马蹄形则为 1.6 。4) 行星刀盘上的刀具以梅花状布置，扇动臂采用计算机自动控制。( a )行星刀盘( b )扇动臂的控制图-3.2 行星刀
3、盘及扇动臂的控制( 3) 工程实例迄今自由断面盾构法已在下水道工程中运用。下列照片为 1 例试验性施工和1例实际工程的施工例。试验施工中使用的盾构机宽3.16m,高4.66m的土压式平衡单点铰接盾构。试验施工直线段长度36m曲线段半径R=60m长度16m) 实际工程段盾构机宽 3.16m，高4.66m的土压式平衡2点铰接盾构，累积幵挖 长度565m,曲线段最小曲率半径 R=20b(a)纵向椭圆形盾构机(b)试验施工隧道(直线段)(c)实际工程隧道(曲线)照片 -3.1 施工实例2偏心多轴盾构法( 1) 原理概要偏心多轴盾构米用多根主轴，垂直于主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴 上再安装刀架。运转
4、主轴刀架将在同一平面内作圆弧运动，被幵挖的断面接近 于刀架的形状。因此，可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形，圆形，圆环 形，椭圆形或马蹄形。下图为幵挖圆形断面和矩形断面的偏心多轴盾构原理示 意图。（a）圆形断面（b）矩形断面图-1.1偏心盾构的原理示意图（2）特点与一般盾构相比偏心多轴盾构具有以下特点：1）可根据需要选择刀架形状幵挖任意断面的隧道。2）刀架转动半径小，可选择较小的驱动扭矩。 因采用多个转动轴同时驱动 刀架，所以盾构机显得紧凑玲珑，易装，易拆，易运等特点，适用于大断面隧道幵挖。3）刀架转动半径小，刀具的行走距离也小。从刀片的磨损角度上来说， 比 一般盾构至少可多幵挖 3倍以上的
5、距离，适合于长距离隧道的幵挖。4）刀架驱动装置小，盾构机内施工操作空间大，可根据需要在盾构机内配置土体改良设备，向整个隧道断面的任何位置进行土体改良，适合于曲率半径小，隧道间隔小，土质差等施工条件差的施工（见图-1.2 ）。5）采用十字形交叉式刀片，此刀片的前后刀刃的角度相等，所以可进行全方位幵挖。可破碎大直径碎石和幵挖高强度纤维加强混凝土墙（80MPa（见图-1.3 ）。图-1.2 土体改良示意图图-1.3十字形交叉式刀片（3）工程实例到目前为止，偏心多轴盾构法已在水道，地铁和其它管线等许多地下工程 中得到了运用。下列照片为实际工程中使用的3例偏心多轴盾构机。盾构（a）：用于某下水道工程的盾
6、构宽 4.38m，高3.98m，施工长度共计 809m隧道的覆土深度为2.37m4.15m，最浅处为盾构宽度的0.6倍。双线隧 道最小间隔为60cm。盾构（b）:用于横浜MM21线地铁工程的盾构直径为7.15m，施工长度共计880m隧道的覆土深度为10.0m18.0m，曲线段曲率半径 R=1000m盾构（c）:用于营团地铁11号线地铁工程的盾构直径为9.60m，施工长度共计907m隧道的覆土深度为13.6m15.5m，曲线段曲率半径 R=1037m （a）某下水道干线工程（b）横浜MM21线地铁工程（c）营团地铁11号线地铁工程（宽度4.38m 高度3.98m）（直径 7.15m）（直径9.6
7、0m）照片-1.1施工实例3. MF盾构法（1）原理概要MF（Multi Face ）盾构由多个圆形断面的一部分错位重合而成，可同时幵 挖多个圆形断面的盾构法。隧道有效面积较幵挖面积相等的单圆断面而言要大， 是一种较为经济合理的断面形式。2个或多个大小不同的圆形断面通过一定规则的叠合可提供任意断面形式的隧道，在隧道线路规划时对线形的选择有更多 的灵活性。上下空间受限制的情况下则可选择横向叠合式。MF盾构法更适用于地铁车站，共同沟和地下停车场等大断面隧道的幵挖。下图为MF盾构法应用范围示意图。图-2.1 MF盾构的应用范围（2）特点MF盾构法的特点如下：1）由MF盾构法建成的隧道基本结构形式为圆
8、形，所以它保持了圆形断面 的力学特性。2）隧道可由多个小型圆断面叠合形成，幵挖量小断面利用率高。3）在隧道线路规划时对线形的选择有更多的灵活性，可根据需要选择横向MF盾构或纵向MF盾构，更加适用于地下空间受到限制的隧道建设。4）根据土质情况和施工条件以及对周围环境影响的需要，采用泥水盾构或土压盾构。5）盾构由多个独立控制的圆形断面组成，可根据不同地质条件进行土体幵 挖管理。6）通过调整各刀盘的转速和转向，利用幵挖时作用在盾构上的反力可有效 的控制盾构的姿势，纠偏也相对容易。7）采用横向多圆盾构法可用于地铁车站，地铁车辆机务区段的幵挖。（3）工程实例MF盾构在地铁工程中运用较多。横向2圆断面主要
9、用于地铁线路段的隧道， 横向3圆以上断面用于地铁车站和地铁机务段的隧道施工。下列照片为实际工 程中使用的2例MF盾构和由此施工法幵挖的隧道。 横向2圆断面地铁线工程的 幵挖宽度为12.19m，2个圆断面的直径均为7.42m，施工长度为619m横向3圆断面地铁车站工程的幵挖宽度为17.44m，其中中间圆断面直径8.85m，两侧圆断面直径 8.14m，施工长度为275m（a）横向2圆盾构地铁线路工程（b）横向3圆盾构地铁车站工程照片-2.1施工实例4. H&V盾构法第#页1）原理概要所谓的 H&V（ Horizontal variation & Vertical variation）盾构法是将几个
10、圆形断面根据需要进行组合，以开挖多种隧道断面形式的一种特殊施工方 法。H&V施工法可同时幵挖多条隧道，推进方式有像绳子一样互相纠缠在一起 的螺旋式推进和让其中的某一个断面从中独立出去的分叉式推进两种方式。可 根据隧道的施工条件和用途在地下自由的掘进和改变隧道断面形式和走向。其 施工原理主要是采用了一种叉式铰接改向装置。这种装置可使盾构胴体前端各 自沿着相反的方向旋转，以改变盾构的推进方向。利用这种铰接装置可使盾构 机产生转动力矩，达到螺旋式推进的目的。1）螺旋式推进的原理：相邻两个断面的盾构之间设置铰接式改向装置，使盾构胴体能各自 沿着相反的方向螺旋式旋转。促使盾构螺旋式旋转是有效的运用了盾构
11、 轴向偏转的特性，由偏心千斤顶提供旋转外力。在盾构改向侧迎土面通 过局部超挖刀具进行局部开挖，使盾构顺利并稳定的进行螺旋式过渡。2）分叉式推进的原理：H&V中的各盾构配备有独立的驱动和排土设备。相邻两个盾构的前 胴部分由锚栓连接，后部则由螺栓连接，两者均可在盾构机的内部拆除。 盾构机之间在解除连接后由侧向千斤顶将需要分离的盾构顶出后各自沿 着自己的方向推进。（a）铰接式改向装置（b）螺旋式推进（c）分叉式推进图-10.1 H&V 盾构法原理示意图（2） 特点H&V盾构法具有以下特点：0） 特制的铰接式改向装置， 对盾构机的姿态以及方向的控制比较容易。 各 盾构的驱动装置和开挖装置相互独立， 可
12、根据不同土质情况对开挖面的 稳定进行管理，可自由选择采用泥水式盾构还是土压式盾构。1）从纵向到横向或从横向到纵向，隧道断面在地下可自用的过渡和转换， 无须设置工作井，对缩短工期，降低成本有利。2）可根据需要自由的选择断面形式， 而断面的基本形状是圆形所以在构造 上保持了单圆盾构良好的力学特性。 线形设计时可不受周边障碍物的限 制。3）工程实例H&V盾构法通过试验性施工证实此施工法可适用于各种地下工程，并在地 铁和下水道中得到了运用。迄今试验性施工 1 例，工程施工实例 2 例。以下照 片为 2 例工程实例，主要技术指标分别如下：盾构 （a） ：地铁车站工程施工例，采用 2 主 2 子的 4 圆
13、泥水盾构机，其中主机 6.56m2台，子机 1.72m 2台。隧道宽 13.18m，高 7.06m，施工延长236m。盾构（b）:下水道工程施工例，采用纵向2圆分叉式泥水盾构机，上部盾构3.29m，下部盾构 2.89m，施工延长15词 盾构（a）地铁车站r*盾构（b 照片-10.1施工实例衫帀爭5.球体盾构法（1）概要球体盾构是利用球体本身可自由旋转的特点，将 构的内部，在球体内部又设计一个后续次机盾构。先行盾 利用球体的旋转改变隧道的推进方向，进行后期隧道的开辽先行主机 前期开挖后具交换和维修非常方便。到目前为止在日本已幵发了3种用途的球体盾构机并在9个工程中得到了运用。下面简要介绍有关利用
14、球体盾构法的原理和施工实 例。（2）纵横式连续推进球体盾构纵横式球体盾构是用一台盾构机完成竖向工作井和横向隧道幵挖的一种特 殊盾构机。在纵向主机盾构内预先设置一个可旋转的球体，在球体内又收藏了一 台专门用于幵挖横向隧道的长度较短的次机盾构。在纵向盾构内设有驱动轴可自由旋转球体，横向盾构的主体切削刀盘兼用于幵挖竖向工作井，也就是说，只要 在横向盾构的主体刀盘的外侧安装一个环状的超挖刀具，就可以用同一个切削装置幵挖两个功能和尺寸不同的地下空间。纵横式球体盾构共享一个切削驱动装 置，主体切削刀和外侧环状刀具之间采用铰接式拉杆连接，通过油压千斤顶可使 铰接式拉杆伸缩。竖向工作井幵挖结束后外侧环状刀具脱
15、离主体刀盘残留在土 中。（a）竖向工作井幵挖 （b）球体旋转（c）横向隧道幵挖图-4.1纵横式连续推进球体盾构的幵挖纵横式球体盾构的主要特点如下：1） 因竖向工作井和横向盾构隧道是连续推进的，所以它无须考虑盾构进出洞时的土体加固处理和漏水等技术问题，提高了大深度工作井和隧道施工的安全性和施工速度，对缩短施工工期起积极的作用。2）竖向工作井施工时对周围环境和地基沉降的影响较一般的施工法相比要 小。3）竖向工作井的内部空间和井壁厚度都可减小，节省工作井的工程费用。4） 隧道推进过程中幵挖刀具的交换和维修非常方便，更适用于长距离隧道的 幵挖。（3）横横式连续推进球体盾构横横式球体盾构的幵挖原理与纵横式球体盾构基本相同，先行主机盾构和后续次机盾构可在同一水平面内进行直角幵挖。交通拥挤的十字路口以及在地下一 定深度内存在有各种管线设施无法构筑竖向工作井的地区可采用此施工方法。(4)长距离幵挖球体盾构收藏在球体内的刀盘和其驱动装置与球体一起在盾构机内旋转后，在盾构机 内进行刀具的修理和更换等作业。这种复杂的作业不受时间，地点的限制并在已 幵挖好的隧道内的大气
