1、2022年6月3日星期五1第第4 4章章 盾构施工技术盾构施工技术2022年6月3日星期五2 盾构一词的含义在土木工程领域中为盾构一词的含义在土木工程领域中为遮盖物遮盖物、保护物保护物。 盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、作业空间组成的组合体。盾构机是一种既能支承地层压力，又能作业空间组成的组合体。盾构机是一种既能支承地层压力，又能在地层中推进的施工机具。在地层中推进的施工机具。 使用盾构机在地下掘进，使用
2、盾构机在地下掘进，在护盾在护盾的保护下，在机内安全地进行的保护下，在机内安全地进行开挖和衬砌作业，从而开挖和衬砌作业，从而构筑构筑成隧道的施工方法，称为盾构施工法成隧道的施工方法，称为盾构施工法盾构隧道示意图盾构隧道示意图 盾构掘进机盾构掘进机(Shield)是是这种施工方法中最主要的这种施工方法中最主要的施工机具，它是一个既能施工机具，它是一个既能支撑地层压力又能在地层支撑地层压力又能在地层中推进的钢筒结构体。中推进的钢筒结构体。 由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机
3、构以及检测导向中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个部分组成。机构等几个部分组成。 2022年6月3日星期五4 盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片拼装机构、附属机构等部件）和专用机构组成。专用机构因管片拼装机构、附属机构等部件）和专用机构组成。专用机构因机种的不同而异。机种的不同而异。 盾构的外形主要有：圆形（如左图）、双圆搭接形、三圆搭盾构的外形主要有：圆形（如左图）、双圆搭接形、三圆搭接形、矩形（如右图）、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特接形、矩形（如右图）、马蹄形、半圆形或与隧
4、道断面相似的特殊形状等，但绝大多数为传统的圆形断面。殊形状等，但绝大多数为传统的圆形断面。 盾构隧道施工主要工序盾构隧道施工主要工序n在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；n盾构在起始端工作井内安装就位；盾构在起始端工作井内安装就位；n依靠盾构千斤顶推力依靠盾构千斤顶推力(作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上)将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出；将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出；n盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装衬砌管片；衬砌管片；
5、n及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置；及时地向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置；n盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。向前推进。2022年6月3日星期五61、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位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8、盾构进入接收井，并运出地面7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固技术要点2022年6月3日星期五7 盾构机大多为圆形，外壳由钢筒组成，盾构机大多为圆形，外壳由钢筒组成，钢筒直径稍大于钢筒直径稍大于隧道衬砌的外径隧道衬砌的
6、外径。在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开。在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段内沿周边安装顶进所需的挖土体的装置，在钢筒中段内沿周边安装顶进所需的千斤千斤顶顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道数环拼成的隧道衬砌环衬砌环。在盾构推进过程中不断从开挖面。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下排出适量的土方。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体压注浆体，以防止
7、隧道及地面下沉。，以防止隧道及地面下沉。 技术要点2022年6月3日星期五8 盾构在地下穿越，要承受各种压力，推进时，要克服盾构在地下穿越，要承受各种压力，推进时，要克服正面正面阻力阻力，故要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板，故要求盾构具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板（单层厚板或多层薄板）制成。大型盾构考虑到水平运输和垂（单层厚板或多层薄板）制成。大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接
8、成型。 盾构的基本构造主要由壳体、切削系统、推进系统、出土盾构的基本构造主要由壳体、切削系统、推进系统、出土系统、拼装系统等组成。系统、拼装系统等组成。 一、盾构壳体组成：切口环、支承环、盾尾三部分1、切口环（1）位置盾构最前端， 切入土层，掩护开挖 作业，长度2m； （2）形状 （3）设备挖土设备（刀盘、挖土机）、排土设施、挡土千斤顶、活动平台等）（4）气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构，在切口环与支承环之间设置密闭隔板。垂直形刀盘开挖，稳定土层手掘倾斜形较不稳定土层手掘阶梯形不稳定土层手掘2、支承环（1）位置是连接切口环与盾尾的中间部分；（2）结构盾构结构的主体，较强刚性的圆环结构。设环向
9、、水平、竖直支撑； 承受荷载：地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等施工荷载；（3）设备推进千斤顶（沿结构外沿布置）、操纵控制室、衬砌拼装机；（4）长度取决于推进千斤顶长度，一般为衬砌环宽加0.20.3m。3、盾尾（1）结构盾构外壳钢板延长，掩护隧道管片拼装；（2）盾尾装置密封装置，防地下水、加压泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道； 密封材料性能要求：富弹性、耐磨损、 耐撕裂、耐压力、止水好。 密封装置类型：橡胶密封：L形、U形钢丝束密封：弹簧钢板、钢丝束、密封油脂二、推进系统 组成液压系统（液压站、控制系统）、 千斤顶群。 作用盾构的前进、方向调整(克服推进阻力) 千斤顶布置在支承环周圈布置，
10、 单台推力，1000kN2000kN， 行程比管片宽度长1020cm。 推进速度：50100mm/min 油压：3040MPa(高液压系统)三、拼装系统 管片拼装机把管片按设计位置和形状进行拼装的机械装置； 组成由举重臂和真圆保持器组成；四、出土系统1、皮带输送机 用于手掘式或半机械化盾构；2、螺旋输送机 用于土压平衡盾构 或手掘式、半机械化盾构；3、泥浆泵 用于泥水加压平衡盾构。半机械化盾构土压平衡盾构土压平衡盾构螺旋输送机出土土箱运土井口土箱吊运管片吊运下井管片水平运输泥水平衡盾构泥水平衡盾构2022年6月3日星期五29n盾构机的外径盾构机的外径 式中式中 管片外径，管片外径，mm；n x
11、 盾尾间隙，盾尾间隙，mm；n t 盾尾外壳的厚度，盾尾外壳的厚度，mm。 n盾构机的长度盾构机的长度 盾构长度主要（盾构长度主要（L）取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、出）取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、出土方式及衬砌形式等多种因素。土方式及衬砌形式等多种因素。 盾构机的尺寸盾构机的尺寸)(20txDDe0DTGCLLLL2022年6月3日星期五30n 切口环的长度。对全（半）敞开式盾构而言，应根据切口贯入掘削切口环的长度。对全（半）敞开式盾构而言，应根据切口贯入掘削地层的深度、挡土千斤顶的最大伸缩量、掘削作业空间的长度等因素地层的深度、挡土千斤顶的最大伸缩量、掘削作业空间
12、的长度等因素确定；对封闭式盾构而言，应根据刀盘厚度、刀盘后面搅拌装置的纵确定；对封闭式盾构而言，应根据刀盘厚度、刀盘后面搅拌装置的纵向长度、土舱的容量或长度等条件确定；向长度、土舱的容量或长度等条件确定；n 支承环的长度，取决于盾构千斤顶、排土装置、举重臂支承机构等支承环的长度，取决于盾构千斤顶、排土装置、举重臂支承机构等设备的规格大小，不应小于千斤顶最大伸长状态的长度；设备的规格大小，不应小于千斤顶最大伸长状态的长度；n 盾尾的长度，可按下式确定盾尾的长度，可按下式确定n n 盾构千斤顶撑挡长度，盾构千斤顶撑挡长度，m；n管片的宽度，管片的宽度，m；n组装管片的富余量，组装管片的富余量，m。
13、通常取（。通常取（0.250.33）；）；n包括安装尾封材在内的后部富余量，包括安装尾封材在内的后部富余量，m。CLGLTLRFSTCCBLLBSLFCRC2022年6月3日星期五31 通常把盾壳总长通常把盾壳总长 与盾构外径与盾构外径 之比之比 称为盾构的灵称为盾构的灵敏度，敏度， 越小，操作越方便。一般在盾构直径确定后，灵敏度越小，操作越方便。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考：值有一些经验数据可参考：小直径盾构（小直径盾构（ 3.5m） =1.21.5（多取（多取1.50）中直径盾构（中直径盾构（ ） =0.81.2（多取（多取1.00）大直径盾构（大直径盾构（ 6m）
14、=0.70.8（多取（多取0.75）LeDeDeD3.5mDe 6m2022年6月3日星期五32 优点：优点：u对环境影响小对环境影响小u施工不受地、地貌、江河水域等地表环境的限制施工不受地、地貌、江河水域等地表环境的限制u地表占地面积小，征地费用少地表占地面积小，征地费用少u隧道的施工费用受埋深的影响不大，适宜于建造覆土较深的隧道。在隧道的施工费用受埋深的影响不大，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性优越性u施工不受风雨气候条件影响施工不受风雨气候条件影响u修筑的隧道抗地
15、震性好修筑的隧道抗地震性好u对地层的适应性宽，软土、砂卵石、软岩直至岩层均可对地层的适应性宽，软土、砂卵石、软岩直至岩层均可 因此，盾构法已在城市隧道（地铁隧道，污水排放隧道，引水、供因此，盾构法已在城市隧道（地铁隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建造中确定了绝对的统治地位，有人将其称为城市隧道工法。造中确定了绝对的统治地位，有人将其称为城市隧道工法。2022年6月3日星期五33 缺点：缺点：u当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。u在陆地建造隧
16、道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工；当在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆工；当在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。土。u竖井施工时有噪声和振动，需有解决的措施。竖井施工时有噪声和振动，需有解决的措施。u盾构施工中采用全气压方法疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施盾构施工中采用全气压方法疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。工条件差。u盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止
17、，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内。软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内。u在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。的技术要求较高。u用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。2022年6月3日星期五34盾构分类表盾构分类表全开敞式全开敞式手掘式手掘式半机械式半机械式机械式机械式半开敞式半开敞式挤压式挤压式泥水式泥水式土压式土压式密封式密封式
18、土压式土压式泥土加压式泥土加压式泥土加压式泥土加压式泥浆式泥浆式全开敞式全开敞式 n全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。n根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半机械化式及机械根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。式三种。n这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行有压气施工法、地层超前加不能自稳的地层时，则需进行有压气施工法、地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。 手掘式盾手掘式盾构
19、构 手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。 手掘式盾构机的适用范围手掘式盾构机的适用范围n适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。砂和粘土。n对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施
20、工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如采用压气施工法、时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如采用压气施工法、改良地基、降低地下水位等措施改良地基、降低地下水位等措施n目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。特殊场合，而且应用逐渐减少。半机械式盾构半机械式盾构 半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机
21、械。开挖与出碴双重功能的机械。 机械式盾构机械式盾构 机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机，围岩能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机，围岩开挖和排土可以连续进行开挖和排土可以连续进行 。半开敞式盾构半开敞式盾构 特点是在隔墙的某处设置可调节开口特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排土口，盾构机正面贯入围岩面积的排土口，盾构机正面贯入围岩向前推进，使贯入部位土砂流动，由向前推进，使贯入部位土砂流动，由孔口部位绞出，进行排土。孔口部位绞出，进行排土。 半开敞式是指挤压式
22、盾半开敞式是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设的切口环与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运。入盾构内，然后装车外运。半开敞式盾构机的适用范围半开敞式盾构机的适用范围n开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻力，使千斤顶推力和开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻力，使千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现的。开挖面土压达到平衡来实现的。n适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂围岩
23、，而不适适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂围岩，而不适用含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过用含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过大，也不能获得稳定的开挖面。大，也不能获得稳定的开挖面。n由于适用地质范围狭窄，最近采用这种盾构机的工程很少。由于适用地质范围狭窄，最近采用这种盾构机的工程很少。密封式盾构密封式盾构 n在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内，由泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳墙间的刀盘腔内，由泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。定的压力。n密封式
24、盾构机又分成（气压式）、泥水平衡式和土压平衡式。密封式盾构机又分成（气压式）、泥水平衡式和土压平衡式。土压平衡盾构机土压平衡盾构机n土压平衡式盾构机的前端有一个全断面切削刀盘，土压平衡式盾构机的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。料的注入设备。
25、土压平衡盾构机组成土压平衡盾构机组成n1.1.切削刀盘切削刀盘2.2.开挖室开挖室3.3.承压隔板承压隔板4.4.压缩空气闸室压缩空气闸室5.5.推进推进千斤顶千斤顶6.6.尾盾密封尾盾密封7.7.管片管片8.8.带式输送机带式输送机9.9.管片拼装机管片拼装机10.10.刀盘驱动刀盘驱动11.11.螺旋输送机螺旋输送机 12 34567891011土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机的主要部件土压平衡盾构机的主要部件 n切削刀盘切削刀盘n轴承和驱动部件轴承和驱动部件 n开挖室开挖室n螺旋输送机螺旋输送机n塑流化材料注入器塑流化材料注入器n土压传感器土压传感器 切削刀盘形式切
26、削刀盘形式 花板型花板型辐条型辐条型砾石破碎型砾石破碎型 用于切削土体，同时将切削下来的土体搅拌混合，以改善切削土用于切削土体，同时将切削下来的土体搅拌混合，以改善切削土体的流动性。体的流动性。 在刀盘的正面装有切削刀具，其中齿形刀适用于软弱在刀盘的正面装有切削刀具，其中齿形刀适用于软弱地层，盘形刀适用于坚硬地层。刀盘背面装有搅拌翼片。为了在曲地层，盘形刀适用于坚硬地层。刀盘背面装有搅拌翼片。为了在曲线上施工，刀盘周边还装有齿形的超挖刀线上施工，刀盘周边还装有齿形的超挖刀 。 切削刀盘主轴形式切削刀盘主轴形式 中空轴式中空轴式 中间支承式中间支承式 周边支承式周边支承式 中空轴式构造简单，搅拌
27、效果好，适用于中小直径盾构；中空轴式构造简单，搅拌效果好，适用于中小直径盾构；中间支承式的强度和搅拌效果好，适用于大直径盾构；周中间支承式的强度和搅拌效果好，适用于大直径盾构；周边支承式强度高，消除砾石容易。边支承式强度高，消除砾石容易。 轴承和驱动部件轴承和驱动部件n分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。n中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘是一种比较简单中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘是一种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物，的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物，可以从盾构机上接触到，易于修复。缺点是盾构中心被切可
28、以从盾构机上接触到，易于修复。缺点是盾构中心被切削刀盘部件占满，使螺旋输送安装坡度特别小，导致盾构削刀盘部件占满，使螺旋输送安装坡度特别小，导致盾构机的加长。机的加长。n非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱动轴承的直非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱动轴承的直径约为盾构直径的一半。切削刀盘有单独的支架支承。优径约为盾构直径的一半。切削刀盘有单独的支架支承。优点是稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并点是稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构区域接近密封系统。可以从盾构区域接近密封系统。开挖室开挖室n土压平衡盾构机的刀盘切面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖土
29、压平衡盾构机的刀盘切面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室。室。 n挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑性土浆，保证在开挖挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑性土浆，保证在开挖面有稳定的支撑压力。面有稳定的支撑压力。n开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流到螺旋输送机中。到螺旋输送机中。 螺旋输送机螺旋输送机 n从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；在渗水土层中从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。密封有压水；通过控制开挖
30、土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。n螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转的螺旋叶片和静止螺螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转的螺旋叶片和静止螺旋叶片外壳组成。螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计旋叶片外壳组成。螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没有中心轴，以便在中心输送较大的石块。成没有中心轴，以便在中心输送较大的石块。塑流化材料注入器塑流化材料注入器n用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。n常用的添加剂有两类：一类为泥浆材料；另一类为化学发泡剂，这常用的添加剂有两类：一类为泥浆材料；另一类为化学发泡剂，这种材料可以
31、在土体内形成大量泡沫，使土壤颗粒分开，从而降低了种材料可以在土体内形成大量泡沫，使土壤颗粒分开，从而降低了土体的内摩擦角和渗透性。土体的内摩擦角和渗透性。 土压传感器土压传感器n用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，前者是判定开挖面是用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，前者是判定开挖面是否稳定的依据，后者用来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固否稳定的依据，后者用来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固结、阻塞等。结、阻塞等。土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理 n依靠依靠密封舱内密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力塑流状土体作用在开挖面上的压力(P)(它包括泥土
32、自重产生的土压力与盾构推进过它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力程中盾构千斤顶的推力)和盾构前方地层的静止和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力土压力与地下水压力(F)相平衡的方法。相平衡的方法。土压平衡式盾构维持开挖面稳定示意图土压平衡式盾构维持开挖面稳定示意图 n螺旋输送机排土量大时，密封舱内土压力螺旋输送机排土量大时，密封舱内土压力P P就减小，就减小，当当F F P P时，开挖面可能坍方而引起地面沉降；相反，时，开挖面可能坍方而引起地面沉降；相反，排土量小时，排土量小时，P P值就加大，一旦值就加大，一旦F F P Pmaxmax，地面将会隆起。，地面将会隆起。F
33、PGLFFPminF=PF PmaxPmaxQPminQmaxFQmin土压式盾构机稳定开挖面的特征土压式盾构机稳定开挖面的特征 n使刀具切下的土砂呈塑性流动，充满于土室内以控制开使刀具切下的土砂呈塑性流动，充满于土室内以控制开挖面；挖面；n用螺旋输送机和排土调整装置来调整排土，使之与切削用螺旋输送机和排土调整装置来调整排土，使之与切削土量保持平衡，并使土室内的土砂有一定压力，以抵抗土量保持平衡，并使土室内的土砂有一定压力，以抵抗开挖面的土压力、水压力；开挖面的土压力、水压力；n用土室内和螺旋输送机内的土砂用土室内和螺旋输送机内的土砂获得止水效果。获得止水效果。泥水加压式盾构泥水加压式盾构机机
34、n泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。挖面方法和排碴方式有所不同。n在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘( (花板型花板型) )浸没在泥浆中工作。浸没在泥浆中工作。n对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。作用。 泥水加压式盾构泥水加压式盾构机类
35、型机类型n泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型为直接控制型( (日本型日本型) )和间接控制型和间接控制型( (德国型德国型) )两种基本类型。两种基本类型。 直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统泥水室泥水室大刀盘大刀盘清水槽清水槽泥浆调整槽泥浆调整槽密度计密度计流量计流量计供浆管供浆管排浆管排浆管伸缩管伸缩管V Vp p2 2p p3 3p p4 4p p1 1P1为供泥泵，供入泥浆比重在为供泥泵，供入泥浆比重在1.051.25之间之间 ；P2、P3、P4为排泥泵，为排泥泵，排出泥浆比重在
36、排出泥浆比重在1.11.4之间。之间。P2是自动调速的，当是自动调速的，当P2泵达到最大扬泵达到最大扬程时，再加程时，再加P3、P4接力泵。接力泵。 间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制n泥水加压式盾构的泥浆压力控制由泥水加压式盾构的泥浆压力控制由空气和泥水双重系空气和泥水双重系统实现统实现。在盾构的密封舱内，装有半道隔板，将密封。在盾构的密封舱内，装有半道隔板，将密封舱分隔成两部分。在隔板的前面充满压力泥浆，隔板舱分隔成两部分。在隔板的前面充满压力泥浆，隔板后面盾构轴线以上部分充满压缩空气，形成气压缓冲后面盾构轴线以上部分充满压缩空气，形成气压缓冲层，在隔板后
37、面的泥浆上表面作用有空气压力。层，在隔板后面的泥浆上表面作用有空气压力。n在两者的接触面上气压和液压相等，仅需调节空气压在两者的接触面上气压和液压相等，仅需调节空气压力，就可确定全开挖面上的支护压力。力，就可确定全开挖面上的支护压力。间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统空气管空气管半隔板半隔板间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制n在盾构推进时，由于泥浆流失或盾构推进速度变化，进、出泥在盾构推进时，由于泥浆流失或盾构推进速度变化，进、出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面的位置就会发生上下波浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面
38、的位置就会发生上下波动现象。通过液位传感器，即可根据液位变化来控制供泥浆泵动现象。通过液位传感器，即可根据液位变化来控制供泥浆泵的转速和流量，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压的转速和流量，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时，供泥浆泵自动停止；力的稳定。当液位达到最高极限位置时，供泥浆泵自动停止；当液位达到最低极限位置时，排泥浆泵则自动停止。当液位达到最低极限位置时，排泥浆泵则自动停止。间接控制型泥水加压盾构的优点间接控制型泥水加压盾构的优点n密封舱空气室的空气压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定密封舱空气室的空气压力是根据开挖面需要的支护泥浆
39、压力而确定的。不论盾构是否掘进或液面位置产生波动，空气压力终究可以通的。不论盾构是否掘进或液面位置产生波动，空气压力终究可以通过空气调节阀使压力保持恒定。过空气调节阀使压力保持恒定。n空气缓冲层有弹性作用，在液位波动时，也不会影响开挖面的支护空气缓冲层有弹性作用，在液位波动时，也不会影响开挖面的支护液压。液压。n和直接控制型泥水加压式盾构相比，控制系统更为简化，对开挖面和直接控制型泥水加压式盾构相比，控制系统更为简化，对开挖面地层的支护更为稳定，即使在盾构推进时，支护压力也不会产生脉地层的支护更为稳定，即使在盾构推进时，支护压力也不会产生脉动变化，对地面沉降的控制更为有利。动变化，对地面沉降的
40、控制更为有利。混合盾构混合盾构 混合盾构是近几年在欧洲发展起来的一种新型盾构。混合盾构是近几年在欧洲发展起来的一种新型盾构。这种盾构本机可以构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构这种盾构本机可以构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构或土压平衡式盾构，当地层条件变化时，可更换刀具和调或土压平衡式盾构，当地层条件变化时，可更换刀具和调整面板的开口率。整面板的开口率。 既能适用于土层，又能适用于风化岩既能适用于土层，又能适用于风化岩层。层。2022年6月3日星期五多圆盾构多圆盾构 多圆盾构是近年日本开发的新型盾构，其中的双圆多圆盾构是近年日本开发的新型盾构，其中的双圆盾构可以用来修建区间隧道，一次开挖完成双
41、线区间隧盾构可以用来修建区间隧道，一次开挖完成双线区间隧道，可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工道，可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工10%10%，减，减少开挖面积少开挖面积15%15%。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道，。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道，拆下中间盾构后又成为两个单独盾构，可以修建区间隧拆下中间盾构后又成为两个单独盾构，可以修建区间隧道。道。 2022年6月3日星期五盾构掘进机选型依据盾构掘进机选型依据n土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）n开挖面稳定（自立性能）开挖面稳定（自立性能）n隧道埋深、地下水位隧道埋
42、深、地下水位n设计隧道的断面设计隧道的断面n环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）n衬砌类型衬砌类型n工期工期n造价造价n辅助工法辅助工法n设计线路、线形、坡度设计线路、线形、坡度n电器等其他设备条件电器等其他设备条件盾构掘进机选型盾构掘进机选型的一般程序的一般程序 盾构掘进机的选型盾构掘进机的选型首先考虑开挖面的稳首先考虑开挖面的稳定，其次才考虑环境、定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因工期、造价等限制因素，同时考虑宜用的素，同时考虑宜用的辅助工法。辅助工法。根据地质条件选择盾构掘进机类型根据地质条件选择盾构掘进机类型n对砂质土
43、类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施对砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工；工；n地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；衡盾构；n对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构；n砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。敞口机械式盾构施工。根据地质条件选择盾构掘进机类型（续）根据地质条件选择盾构掘进机类型（续）n针对地下水条件，若其压力值较高（大于针对地下水条件，若其
44、压力值较高（大于0.1MPa），就应优先），就应优先考虑使用密封型的盾构，条件许可也可采用降水或气压等辅助方考虑使用密封型的盾构，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。法。n对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，一除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，一般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构，须增加一个碎般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构，须增加一个碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。工期条件的制约工期
45、条件的制约n手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，机械化程度低，施手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，机械化程度低，施工进度慢。工进度慢。n其余各类型盾构掘进机都是机械化掘进和运输，掘进速度快。其余各类型盾构掘进机都是机械化掘进和运输，掘进速度快。造价因素的制约造价因素的制约n一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构掘进机低，一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构掘进机低，主要原因是敞口式盾构掘进机不像密闭式盾构掘进机那主要原因是敞口式盾构掘进机不像密闭式盾构掘进机那样有复杂的后配套系统。样有复杂的后配套系统。n在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，宜优先选在地质条件允许的情况下，从降低
46、造价考虑，宜优先选用敞口式盾构掘进机。用敞口式盾构掘进机。环境因素的制约环境因素的制约n敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网格式盾构，敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的盾构掘进机。更大于密闭式的盾构掘进机。基地条件的制约基地条件的制约n泥水平衡式的盾构掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，泥水平衡式的盾构掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，若需使用泥水平衡盾构开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。若需使用泥水平衡盾构开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。设计线路、平面竖向曲线形状的制约设计线路、平面竖向曲线形状的制约n若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接
47、的盾构。例如若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为直径为6m的盾构，其长度为的盾构，其长度为67m，如将其分为前后铰接的两，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施工中转弯的灵活性。段，显然增加了施工中转弯的灵活性。辅助工法的使用辅助工法的使用n注浆法主要是用于保证隧道开挖面的稳定，减少盾构掘进机开挖过程注浆法主要是用于保证隧道开挖面的稳定，减少盾构掘进机开挖过程中引起的地表沉降，一般密闭式盾构掘进机使用最多的是注浆法。盾中引起的地表沉降，一般密闭式盾构掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。n在地层自立
48、性能差的情况下，若采用手掘进、半机械式或网格式掘进在地层自立性能差的情况下，若采用手掘进、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，但机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，但在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。n当盾构掘进机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改当盾构掘进机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改变地层的物理力学指标，增加其自立性能。变地层的物理力学指标，增加其自立性能。n冻结法的施工成本较高，一般情况下不采用，而在长距离隧道的盾构冻结法的施工成本较高，一般
49、情况下不采用，而在长距离隧道的盾构对接中使用。对接中使用。4.34.3盾构法施工盾构法施工第五节盾构法施工盾构法施工的主要步骤盾构法施工的主要步骤 (1)在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作竖井； (2)盾构机在始发井内安装就位； (3)依靠盾构千斤顶推力将盾构从始发井的墙壁开孔处（封门）推出。 (4)盾构在地层中沿隧道设计轴线推进，同时不断出土和安装衬砌管片； (5)及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环的位置； (6)盾构进入到达井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。2022年6月3日星期五施工准备工作施工准备工作修建始发井和到达井修建始发井和到达井盾构拼装盾构拼
50、装洞口地层加固洞口地层加固2022年6月3日星期五2022年6月3日星期五78n盾构施工需先施工工作基坑或工作井，并在工作井或基坑施工的同时将隧道盾构施工需先施工工作基坑或工作井，并在工作井或基坑施工的同时将隧道口预留出来。为确保洞口暴露后正面土体的稳定和盾构能够准确进、出洞，口预留出来。为确保洞口暴露后正面土体的稳定和盾构能够准确进、出洞，必须设置洞门并临时封闭。必须设置洞门并临时封闭。临临时封门时封门 封门方案封门方案 浇钢筋混凝土封门浇钢筋混凝土封门钢板桩封门钢板桩封门预埋预埋H型钢封门型钢封门2022年6月3日星期五79 （a）钢板桩封门）钢板桩封门 （b） 地下连续墙式封门地下连续墙
