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盾构施工技术介绍目录一、盾构施工发展二、盾构机选型三、盾构施工主要技术常用隧道施工方法明挖法矿山法掘进机（TunnelBoringMachine）常用隧道施工方法TBM硬岩掘进机盾构一、盾构施工发展一、盾构施工发展1802年，英国采矿工程师阿贝尔•马蒂厄提出修建英吉利海峡隧道的计划，设计从英法两岸用一种有掩体结构的挖掘机修筑隧道，每侧各挖掘18.7km，最后在瓦恩•班克浅滩对接贯通。1803年，爆发英法战争，使该计划未能实施。阿贝尔·马蒂厄设计的隧道起源盾构机问世至今已有近180多年的历史，其源于英国，发展于日本、德国等。一、盾构施工发展起源1818年，法国工程师布鲁诺尔（MareIsambardBrunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。后来，布鲁诺尔完善了构思，注册了专利。布鲁诺尔注册专利的盾构一、盾构施工发展起源布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用这种盾构,设想成为现实。矩形盾构断面尺寸为11.3m×6.7m。泰晤士河下的隧道工程始于1825年，施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上特大洪水后，直到1843年才全部完工。泰晤士河底隧道施工时涌水一、盾构施工发展其后随着盾构机的设计、制造能力的逐渐发展，盾构施工得到了快速的发展和广泛的应用就其开挖断面不同，发展的有单圆盾构、双园盾构、三圆盾构、矩形盾构、异形盾构、自由断面盾构等。分类就其稳定掌子面介质的不同，分为土压平衡盾构、泥水平衡盾构。其中土压平衡盾构根据地层条件可采用敞开式（大气压力）、气压平衡式（压缩空气）、土压平衡式（改良后的碴土）三种模式掘进。一、盾构施工发展三圆盾构掘进机分类（按开挖断面不同）单圆盾构掘进机一、盾构施工发展异型盾构掘进机矩形盾构开挖成型隧道分类（开挖断面不同）一、盾构施工发展分类（稳定掌子面介质）泥水平衡盾构根据平衡开挖面平衡介质（出渣方式）可分为土压平衡盾构和泥水平衡盾构。土压平衡盾构一、盾构施工发展土压（泥水）平衡原理土压（泥水）平衡模式是在盾构开挖时，利用土仓内的土压（泥水压）或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式。二、盾构机选型类型选择二、盾构机选型从国内外施工实例来看，主要从土压平衡盾构和泥水盾构中选择比较项目土压平衡式盾构机泥水加压式盾构机设备费用6.3m直径约0.3～0.5亿元6.3m直径约0.45～0.65亿元施工场地施工场地较小。需泥浆处理场，施工场地较大。对周围环境影响渣土运输对环境产生一定影响泥浆处理设备噪音、振动及渣土运输对环境产生影响较大。开挖面稳定能力通过排（进）土量控制，较好。通过泥浆压力及流通控制，好。开挖效率加入合适的添加剂后增加流动性和止水性，可提高掘进效率；添加剂管理容易。泥浆循环分离费时，泥浆管理难。泥土输送方式螺旋机出土，皮带机、轨道车辆运输，输送间断不连续，相较泥水式速度慢泥水管道输送，可连续输送，输送速度快而均匀；占用隧道空间小，但设备故障影响很大。两种机型比较类型选择土压平衡盾构对地质条件的要求地层颗粒级配与地层含水量细颗粒含量：对于土压平衡盾构机来说，最能适应的土层就是含有足够细颗粒的地层。理想的颗粒尺寸的地层包括粘土、淤泥、砂，并且含有25-30%的水分。当地层中没有足够的细颗粒含量时，例如砂卵石地层，应采取辅助的处理措施，比如注射泡沫、聚合物或非常高浓度的泥浆帮助解决细颗粒问题。以便使土压平衡盾构机能适应这种地层。二、盾构机选型类型选择二、盾构机选型土压平衡盾构对地质条件的要求地层颗粒级配与地层含水量类型选择土压平衡盾构对地质条件的要求上图左边白颜色区域为卵石砾石粗砂区，为泥水平衡盾构机适用的颗粒级配范围。右边蓝颜色区域为细砂淤泥粘土区，为土压平衡盾构机适用的颗粒级配范围。级配图说明细颗粒含量多则碴土能形成不透水的塑流体，容易并能够充满土仓的每个部位，以便建立压力并传递到切削面支撑土体，而又不发生堵仓。可以实现土压平衡。粗颗粒含量高的碴土不能形成具备这种功能的碴土，因而不能实现土压平衡机理。只能借助于大比重的泥浆悬浮，传递压力并被输送。从掘进的角度，泥水平衡盾构机也适用于细颗粒土层，但细颗粒浆液的泥水分离难度大，设备需要多，除非场地条件非常优越和必须使用泥水平衡方式，否则不会在细颗粒地层采用泥水平衡方式。因此，图中的区域划分考虑了综合因素。地层颗粒级配与地层含水量类型选择土压平衡盾构对地质条件的要求地层的渗透系数地层的渗透系数大于10-4m/s且地下水压力大，地下水量丰富的地层不适合于采用土压平衡盾构掘进。在此种条件下，即使采用平衡模式，带压力的地下水会稀释泡沫效果，渣土失去流塑性在螺旋机中不能形成土塞止水作用而发生喷涌，土仓不能维持压力，输送带斜坡段不能向上输送渣土，导致施工不能正常进行。此时可以采用高浓度膨润土浆液、高分子聚合物进行改良保持渣土的流塑性，但膨润土浆液实施难度大、高分子聚合物价格高昂，实际上很难作为常规手段。类型选择土压平衡盾构对地质条件的要求地层的渗透系数主要部件选型土压平衡盾构主要组成部件及工作原理简介刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，掘进一环管片的长度后停止掘进，在盾壳的掩护下安装管片衬砌。1、刀盘2、主轴承3、推进油缸4、压力仓5、螺旋输送机6、管片安装机7、闸门8、管片小车9、管片吊机、10、皮带输送机11、后配套约20个系统和装置二、盾构机选型二、盾构机选型土压平衡盾构主机工作原理主要部件选型刀盘——刀盘结构面板式辐条式二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型二、盾构机选型主轴承主要部件选型主驱动——刀盘驱动方式变频电机驱动定速电机驱动液压驱动驱动部外形尺寸中大小后续设备少少较多效率0.950.90.65起动力矩大较小较大起动冲击小大较小转速微调控制好不能无级调速好噪声小小大盾构温度低较低较高维护保养易易较复杂二、盾构机选型二、盾构机选型主要部件选型刀具主要部件选型二、盾构机选型盾体按照铰接方式分为2种：1）主动铰接：铰接油缸和推进油缸均有调向功能，铰接缸在推进缸前面，可直接迫使刀盘转向。调向时可采用主动转向方式也可采用被动转向方式。调向性能好，但结构较复杂，造价较高。2）被动铰接：铰接油缸随动，结构较简单，造价较低。二、盾构机选型主要部件选型人仓按照舱室数量分为2种：1）双仓：主仓和副仓，副仓也称为材料仓。主仓和土仓在不减压状态下，通过副仓的独立降压升压，分别与主仓隔断和连接，完成进仓作业过程中外部刀具材料的运进，提高作业有效时间和效率。结构复杂。2）单仓：结构简单，但带压进仓作业的有效时间短，效率低。主要部件选型螺旋输送机螺旋输送机由筒体、驱动装置、螺旋轴、出碴闸门组成。是土压平衡盾构的排土装置，主要有以下三个功能：1）碴土在螺旋机内向外排出的过程中形成密封土塞，碴土压力从前至后依次递减。2）在保持土仓土压的同时，将盾构土仓内的土体向外连续排出。3）将土仓内的土压值自动与螺机转速值进行比较，随时调整向外排土的速度，实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。二、盾构机选型二、盾构机选型主要部件选型螺旋输送机按照螺旋轴结构分为2种：1）带式螺旋轴：在相同的筒体直径下，可输送更大粒径的卵石或石块，但止水密封效果较差。2）轴式螺旋轴：在相同的筒体直径下，输送的粒径小于带式轴，但止水密封效果好。主要部件选型皮带输送机皮带输送机，将碴土从螺旋输送机的出碴口运到碴车内。二、盾构机选型右图：塑流状的碴土二、盾构机选型主要部件选型皮带输送机右下图：改良不佳的砂质碴土左下图：改良不佳的砂质碴土发生喷涌主要部件选型管片安装机管片安装机在盾尾内部拼装管片。有4~6个自由度动作，包括旋转、提升、纵向移动、XYZ三个轴向的摆动。管片抓取有2种方式。①机械抓取式②真空吸盘式地铁盾构一般采用机械抓取式二、盾构机选型主要部件选型同步注浆系统同步注浆系统的目的主要有以下四个方面：1、及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩土，控制地表沉降；2、凝结的浆液作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，防止地下水或地层的裂隙水向管片内泄漏；3、保证管片环周向的均匀受力，形成受力拱壳，为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化。4、限制隧道结构蛇行变化，有利于盾构姿态的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。二、盾构机选型主要部件选型同步注浆系统安装在后配套拖车上的注浆泵及砂浆罐二、盾构机选型主要部件选型盾尾密封系统盾尾止水一般采用钢丝刷密封装置，是集弹簧钢板、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂泵向每道钢丝刷密封之间的腔室提供压力油脂，以提高止水性能。二、盾构机选型主要部件选型测量导向系统导向系统由激光全站仪、ELS靶（前视棱镜）、后视棱镜、控制盒及显示屏等组成。控制有效距离200m，控制精度2秒。二、盾构机选型主要部件选型测量导向系统盾构姿态显示屏二、盾构机选型主要部件选型泡沫系统和膨润土添加系统`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱泡沫及膨润土系统示意图`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱泡沫及膨润土系统示意图`膨润土系统接口M回转机构刀盘土压传感器M盾壳压缩空气螺旋输送机水泵泡沫剂泵泡沫发生器盾构后配套泡沫剂箱水箱泡沫及膨润土系统示意图该系统是实现土压平衡最重要的系统，大部分地层都不具备天然适于土压平衡掘进需要的碴土特性，需要通过添加泡沫膨润土或高分子聚合物对碴土进行改良，使之具有塑流性，充满土仓传递压力；具有止水密封性能，在螺机内形成土塞；较低的剪切力能够被刀盘搅拌；较好的润滑性避免在刀盘及土仓结构粘附；二、盾构机选型主要部件选型膨润土添加系统和泡沫系统二、盾构机选型三、盾构施工主要技术三、盾构施工主要技术盾构掘进施工主要模式敞开掘进模式敞开模式掘进的基本条件：在埋深合适、地层能够自稳、地层无地下水、地面无建筑物或地表下无地下各类管线的条件下，可以采用敞开模式掘进。例如在弱风化岩微风化岩地层中，岩体整体性良好，岩体能够形成承力环，开挖面在一定时间内保持自稳不发生坍塌等。敞开模式掘进的优点：敞开式模式掘进时，土仓渣土处于半仓甚至小半仓状态，刀具的二次磨损大为减少；刀盘的搅拌力矩减少，驱动扭矩可降低到满仓掘进时的50%以下；泡沫注入基本停止；由于土仓在常压下工作，主轴承油脂的用量可以减少、推力荷载将减少300~900t（1bar~3bar时）左右；等，因此在地质条件允许时采用敞开模式掘进比较有利。三、盾构施工主要技术盾构掘进施工主要模式气压掘进模式气压模式掘进的基本条件：在埋深合适，地层渗透系数小，或隧道顶板上部存在较厚的不透气隔离层、地面上没有重要建筑物和重要危险管线时，可采用气压模式，通过向土仓进行气体加压保压方式来掘进。此时土仓渣土至少是半仓以上，同时必须向土仓加水及泡沫，保持渣土流塑状态以便在螺旋机内形成土塞止水保压作用。采用气体保压模式掘进时，工程师必须确保或证实地层的渗透性弱，气体向地层的渗透较少，空压机的排量有足够的能力补偿气体向地层的泄漏量。同时空压机需要连续工作的时间在有效掘进时间的50%以下。三、盾构施工主要技术盾构掘进施工主要模式气压掘进模式气压模式掘进的优点：气压式模式掘进时，土仓渣土可处于半仓状态，刀具的二次磨损减少；刀盘的搅拌力矩减少，驱动扭矩可降低；由于气体对传感器压力作用比较均衡，传感器反映的土仓压力比较准确，有利于掘进沉降的控制；由于气体的可压缩性大，当出土过快或过慢时气体的压缩和膨胀可容让或弥补土仓渣土容积的变化保持土仓压力的恒定，有利于掘进沉降的控制；三、盾构施工主要技术盾构掘进施工主要模式平衡掘进模式平衡模式掘进的优点：平衡模式是