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1806年，法国工程师麦克·布鲁内尔发现船的木板中，有一种蛀虫（船蛆）钻出孔道，船蛆是一种蛤，头部有外壳，在钻穿木板时，分泌出液体涂在孔壁上形成坚韧的保护壳，用以抵抗木板潮湿后的膨胀，以防被压扁。在蛀虫钻孔的启示下，布鲁内尔发现了盾构掘进隧道的道理，并在英国注册了专利。一、盾构机的简介1、盾构的起源1825年布鲁内尔开始在伦敦泰晤士河下修建高6.8m，宽11.4m的矩形盾构隧道，历时18年，到1843年布鲁内尔完成了全长370m的隧道，隧道经历了5次特大涌水牺牲了6人。（具体请看视频：《盾构的起源》）迄今为止，盾构主要分为四代盾构机：第一代是手掘式盾构机、第二代是半机械式盾构机、第三代是闭胸式盾构机、第四代大断面、高智能化、断面多样化盾构机。根据工作原理分为土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构和复合式盾构，我们项目部目前所用的是土压平衡式盾构，今天重点讲述土压平衡式盾构。2、盾构的主要分类1974年在日本东京使用了第一台土压平衡式盾构，外径为3.72m。土压平衡式盾构机的工作原理是盾构掘进时，其前端刀盘旋转掘削土层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面实现平衡，即保持舱内的压力与掌子面的土的压力和掌子面上的水的压力保持平衡，通过刀盘不断的切削掌子面的土体，慢慢向前掘进。盾构机从前至后依次由刀盘、切口环（前盾）、支撑环（中盾）、盾尾。盾尾后是连接桥，连接桥与1#台车相连，1#台车后依次为2#台车、3#台车、4#台车、5#台车。3、盾构机的主要构造组成各主机大件的基本参数如表所示名称直径（mm)长度（mm)重量（T）备注刀盘628074055前体625017092中体6240258031.4盾尾62303285261）刀盘刀盘包括焊接结构件和刀架。刀盘表面焊接有耐磨层，圆周区域有耐磨格栅构成的镶边。通过旋转，挖出的渣土被运到刀盘的8个开口。刀盘的后部开口向内倾斜，这样的结构使渣土易于流动而容易流向螺旋输送机。焊接的搅拌臂可以使土质改良添加剂和挖出的渣土在刀盘后面进行搅拌。2）前盾前盾又称切口环，它里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。螺旋输送机从盾尾斜向连接着皮带机。前盾前沿呈锲形，以防止渣土粘结和促进渣土流到底部的螺旋输送机。压力隔板将前盾的开挖舱和主舱分离开来。隔板上面的门可以让人进入开挖舱进行保养和检查工作。此外，隔板有几个开口，可以控制渣土改良的程度和以及作为修理时输电线的接线盒接头。通过安装的隔板上的四个搅拌器，水、膨润土或泡沫被运输至开挖舱。搅拌器均匀分布使土仓内的渣土可以被充分搅拌。3）中盾中盾又称支撑环，前盾和中盾是用螺栓上紧并焊接在一起的。在中盾内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中盾。为稳定岩石和用掘进设备进行试掘进，在中盾的盾壳上焊接了带球阀的超前钻机孔。中盾和盾尾之间使用的是预紧密封。如果密封出现问题，虽然有脂润滑，水还是能够进入盾壳；那么铰接密封有一个可膨胀的应急气囊密封临时保护，防止水的进入。气囊最大膨胀压力为10bar。注意：如用气囊应急密封时，则不允许掘进。4）盾尾盾尾通过14个铰接油缸和中盾相连。在盾尾的保护下用管片拼装机安装管片；而在盾尾尾部和已装好的管片之间用盾尾刷密封。4、盾构机内部的主要构造1）刀盘和刀盘驱动刀盘的旋转靠位于盾壳中心的轴承。主轴承分为内齿圈、外圈和中间的三排圆柱滚柱，外圈通过法兰和盾壳联接，内齿圈和刀盘通过螺栓联接。八个液压马达通过行星齿轮驱动小齿轮，八个小齿轮共同驱动内齿圈进行旋转，进而驱动刀盘和刀具转动。2）推进油缸推进缸主要用于推进和安装管片，盾构机的向前的推力靠推进油缸提供，盾构机上一共有30个油缸，单个油缸的最大推力为1,140KN，油缸的最大行程为2000mm。3）管片拼装机管片拼装机用法兰连接安装在盾尾保护下的支架上，管片拼装机由拖架梁、旋转架、移动架、带夹紧系统的十字梁组成。管片拼装机主要用于安装管片，如果需要进行超前钻探时可在管片安装机的适配器板上安装超前钻机设备。管片拼装机的运动情况是根据现有的条件而特别设计的，它可以对管片进行精确定位。伸缩、旋转和移动等功能都是比例控制的，所有这些移动功能的设定压力可以使其对各元件进行精确定位。管片拼装机通过安装在拖架梁上的伸缩油，在盾尾和管片输送小车之间移动。在用手将起吊螺杆拧进管片后，管片由管片输送机抓起并运到盾尾。4）螺旋输送机螺旋输送机用于渣土的运输，前盾的底部安装有螺旋输送机，螺旋输送机从隔板到台车沿中心线上的仰角为230°。5、盾构机各组件参数表见附表16、盾构机后配套系统后配套系统总共包括2辆电瓶车和5个独立的台车，每个台车上都装有盾壳前进所需要的辅助装置。另外，盾构机工作所需的冷却水、新鲜空气、压缩空气和高压电缆都通过台车管线输送进去，而升温后的冷却水和脏水从盾构机的盾壳底部被运送出去。台车连接在管片安装机的托架梁上，随着盾构机的掘进沿掘进方向运动。拖车在铺设的轨道上行走。台车的结构可以使电瓶车进入第二台台车，电瓶车运输管片、砂浆、备件和其它油料。①出土、管片存放隧道正式推进前，施工场地先平整、硬化、维护。分别在车站端头井处设置集土坑、管片存放场地、车辆保洁设施和挖掘机的场地。组织专用运土车辆，按照规定的时间、路线以及弃土场地运输渣土。二、盾构的施工准备1、地面施工准备②浆液制备每环同步注浆量为6.1m3，根据实际需要设两套拌浆系统，供盾构推进时注浆用。为减少砂浆的运输距离，拌浆设备设在井口旁，拌浆设备采用30m3/h全自动砂浆搅拌站，为减轻劳动强度及减少灰尘飞扬，采用散装水泥、粉煤灰及膨润土、另外搅拌站旁还设外掺剂仓库、砂堆场，20m3贮水箱。③集土坑隧道施工时分别在盾构左右始发井旁各设一集土坑，集土坑上设置倒土架；根据实际经验每环出土量为70方左右，假设每班最多可完成9环，集土坑容积要至少需要700m³，才能满足施工的连续性。④垂直运输如果左右线的工作面间距不超过23m,可以考虑设置一台龙门吊，若工作面间距大于23m，超过龙门吊最大跨度，应考虑用2台龙门吊，主要考虑龙门吊出土方便及垂直运输管片方便。使用2台龙门吊时，在架设龙门吊时，要考虑龙门吊之间的间距，要保证2台龙门吊吊运互不影响，不得出现龙门吊“打架”现象。⑤进、始发口土体加固为保证盾构安全始发、接收，隧道进、出口土体必须有良好的自立性和密实性，使洞口土体在盾构经过该段时不坍塌，地下水不涌入端头井内，为此必须对洞口土体进行加固。加固方法一般采用旋喷桩加固和冷冻法加固。1）发射架安装发射架作为台车下井过渡工具以及盾构机的载体，必须先于盾构机以及后配套到场安装完。发射架的安装应注意始发段隧道所处的线路平、纵面曲线条件，确保盾构中心轴线的坡度与隧道设计轴线坡度相适应，考虑到隧道后期沉降因素，盾构中心轴线可比设计轴线略抬高10~20mm，特别注意在对始发基座固定前应按设计进行准确的定位，严格控制标高及中心轴线等。定好位后对发射架加设支撑加固和固定，防止其移动。盾构发射架应具有足够的刚度和强度，导轨必须顺直。2、井下施工准备发射架俯视图发射架侧视图发射架正视图发射架详图2）盾构安装与调试在车站范围内盾构掘进相反方向80米铺设盾构机台车行走钢轨，并将钢轨延伸到始架上。发射架安装完毕后，在其上方放置路基箱板和轨枕，车站底板和发射架二者之间使用钢轨及连接板连接之后，台车依次吊入始发井，放置在始发托架的钢轨上，拖入车站内。台车下井完毕后，拆除发射架上的钢轨、轨枕以及路基箱板，供盾构机下井。盾构分段吊入井下，并在井下始发托架上进行正确组装就位，并连接台车，完成后由专业技术人员对整机调试验收。注：盾构下井吊装顺序：组装下井的顺序依次是5#台车→4#台车→3#台车→2#台车→1#台车→连接轿→管片运输车→螺旋输送机→中盾→前盾→刀盘→管片安装机→盾尾。3）后盾系统安装盾构机的后盾系统应满足盾构推进所需要的强度、刚度和平整度。后盾系统由钢立柱、后座基座、天窗式反力架、负环衬砌组成。负环管片根据实际情况，随盾构的推进逐环拼装。为预留出碴口，负环管片一律采用封顶块位于正上方的拼装模式，并且第-8至第-3环负环管片只拼装下部三块。同时，为保证给盾构机提供足够的反力并确保施工的安全，在第-3环负环管片加设144°弧形钢环，并以钢支撑将其支撑于负环钢管片上。为保证管片点位的准确，拼装第-8环负环管片时一定要精确控制好底部标准块的位置。另外，半钢环后的钢管支撑必须焊接牢固，确保后盾系统的可靠性。半钢环－2－3－4－5－6－7－8半钢环－1－2－3－4－5－6－7－8－1上上下下后盾系统详图•盾构基座4）盾构就位姿态的测量复核在盾构开始掘进前对盾构的姿态进行测量，测量内容包括：纵向坡度、横向旋转角、平面偏离值、高程偏离值、切口里程，盾构姿态的偏差应满足标准要求，并将测量结果报监理工程师审查。5）洞门密封装置安装由于工作井洞圈直径与盾构壳体存在环形的建筑空隙，为防止盾构始发和施工期间土体从该空隙流失和渗漏水，为保证盾尾通过后能立即进行背衬注浆填充，车站施工时在洞门圈预埋环形钢圈，盾构始发前在洞门圈借助预埋的钢圈安装由帘布橡胶板、圆环板、翻板和连接销等组成的始发密封装置，以起到施工阶段临时的防泥水、防漏浆的作用。1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位3、出洞口土体加固4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工7、接收井洞口土体加固8、盾构进入接收井，并运出地面三、盾构推进施工工艺1、盾构始发准备工作：•盾构掘进施工的竖井始发工作井:满足盾构掘进机安装和出洞施工的要求接收工作井:盾构隧道掘进完成后进入接收井,满足盾构拆卸或转场吊装移位的工作空间要求竖井施工方法:沉井法、地下连续墙围护、钢板桩围护•盾构掘进施工的竖井•⑴凿除洞门混凝土施工流程：搭设脚手架→开孔检验加固效果→凿除洞门第一层混凝土→安装橡胶帘布板和翻板→安装防磕头装置。•盾构始发前需在洞门上开16个观察孔，观察是否有渗漏水现象，若有渗漏水现象，马上封堵观察孔，采用冷冻法加固的洞门，继续冷冻，延长冻结时间。采用旋喷桩加固的洞门，采用注浆法止水，直至观察孔不再渗漏水为止。⑴工作井已按设计要求完成并通过验收，其标高、轴线、结构强度等各项技术参数符合设计和规范要求并能满足盾构施工各阶段受力要求（端头井结构尺寸和洞门中心已复核且符合设计要求）；⑵盾构推进、始发／到达施工方案已通过专家评审，评审意见已予落实或整改，监理细则已编制审批；⑶测量、监测方案已审批，监测控制点已按监测方案布置好，且已测取初始值；•当现场满足以下要求时开始始发：•⑷井下控制点已布设且固定；⑸要求的各项端头措施（端头加固、降水、冷冻等）已经完成，各项指标已经达到设计要求并有检测报告；⑹洞门探孔已打，未发现异常情况并满足始发／到达要求；⑺始发／接收托架架已经设计验算，结构强度满足要求；⑻对盾构隧道沿线的建（构）筑物、管线等设施现有状况及其承受变形的能力已完成调查，并且制订好切实可行的防御措施；⑼施工现场技术交底（含各施工工艺和步骤）已按要求完成；⑽人员、机械、材料按要求到位（盾构以及大型起重设备拼装就位，并通过相关部门验收）；⑾对本工程潜在的风险进行辩识和分析，有针对性、可操作性的应急预案编制完成并落实抢险设备、材料、人员、方案等；⑿已落实设计、专项施工方案及规范规定的其它要求。（2）盾构始发①在洞圈内侧沿发射架轨道直线方向焊接2块防磕头装置，高度与钢轨保持一致。②盾构初期掘进时前期出土及管片下井由车站预留出土孔进行。当台车完全进入隧道后，出土及管片下井转至端头井开口环处进行。洞圈正面图防磕头装置防磕头装置侧视图•防磕头装置详图③当盾构进入洞圈立即进行洞圈帘布的整理工作。盾构机通过防磕头装置时不旋转刀盘。④初始发时盾构平推，用刀盘切削土体。由于位于加固区域内，土体较硬，为控制轴线、保护刀盘，土压力应略低于理论值，保持在0.15MPa，推进速度不宜过快，宜小于2.0cm/min；并在推进时按土体加固的情况在盾构的正面加入发泡剂，以减少