1、u城市地铁的建设已经从北京、上海、广州、深圳等一线城市及大部分省会城市地铁的建设已经从北京、上海、广州、深圳等一线城市及大部分省会城市，并向二级城市快速发展，随着国家地铁审批权的下放，三四线城市轨道交城市，并向二级城市快速发展，随着国家地铁审批权的下放，三四线城市轨道交通也在计划和规划中通也在计划和规划中u各主要经济圈等主要城市之间的轨道交通，城迹铁路也正在或者即将兴建，各主要经济圈等主要城市之间的轨道交通，城迹铁路也正在或者即将兴建，在在“十三五十三五”时期甚至未来半个世纪地下轨道交通工程将是国内建筑业中的一个时期甚至未来半个世纪地下轨道交通工程将是国内建筑业中的一个巨大市场巨大市场u截止截
2、止20162016年年9 9月，包括月，包括北京北京、上海、上海、天津天津和重庆和重庆4 4个直辖市个直辖市; ;深圳、厦门、深圳、厦门、宁波、宁波、青岛青岛、大连、大连5 5个计划单列市个计划单列市; ;大部分的省会城市大部分的省会城市( (除拉萨外，海口也在申报除拉萨外，海口也在申报););以及主要经济发达二三线城市。以及主要经济发达二三线城市。u以省份统计以省份统计 含南京、苏州、无锡、常州、徐州和南通共含南京、苏州、无锡、常州、徐州和南通共6 6个个; ;广东共有广广东共有广州、深圳、佛山和东莞共州、深圳、佛山和东莞共4 4个个; ;浙江共有杭州、宁波和绍兴浙江共有杭州、宁波和绍兴3
3、3个个; ;福建、山东、辽宁、福建、山东、辽宁、安徽、河南、内蒙各有安徽、河南、内蒙各有2 2个个u很多城市有兴建地铁的设想，如四川很多城市有兴建地铁的设想，如四川 的绵阳、南充、宜宾、泸州等。还的绵阳、南充、宜宾、泸州等。还有些城市有些城市 如县级城市都如县级城市都 统计在地市统计在地市 级城市之内。级城市之内。国内在建拟建地铁工程中，对于区间隧道主要采用国内在建拟建地铁工程中，对于区间隧道主要采用三大类施工方法，明挖法、浅埋暗挖法以及盾构法。三大类施工方法，明挖法、浅埋暗挖法以及盾构法。根据国内已建地铁工程的调研结果，盾构法隧道以根据国内已建地铁工程的调研结果，盾构法隧道以单圆盾构为主，以
4、城市地铁为例单圆盾构为主，以城市地铁为例85%85%以上采用土压盾构以上采用土压盾构方法，只有少部分如成都、广州、上海、南京、武汉等方法，只有少部分如成都、广州、上海、南京、武汉等穿越江河或者长距离穿越砂层才选用泥水盾构。穿越江河或者长距离穿越砂层才选用泥水盾构。随着盾构制造技术与施工技术的发展，城市拆迁难随着盾构制造技术与施工技术的发展，城市拆迁难的现实，将来采用异型盾构或者盾构加暗挖的方法也会的现实，将来采用异型盾构或者盾构加暗挖的方法也会成为更多地铁车站修建的方法之一或者说主流。成为更多地铁车站修建的方法之一或者说主流。1818年布鲁内尔观察小虫腐蚀木船底板成洞，提出盾构工法，并取得专利
5、。1825年泰晤士河水底（隧道11.4X6.8）矩形1874年格瑞海德发现并开发了液体支撑工作面的盾构，以泥浆形式出土；1887年Great使用盾构和气压组合工法施工隧道获得成功，为现在的盾构工法奠定了基础19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美、法、德、日等国家。1963年土压盾构由日本sato kogyo（佐藤）公司开发形成，1974年首台土压平衡盾构由IHI设计，3.72外径；我国首条盾构掘进机施工的隧道-1956年东北阜新煤矿疏水隧道-直径2.6m，采用手掘盾构。1965年上海 5.8m网格挤压盾构；66年10.2同网格挤压盾构。20世纪6080年代随着机械、液压、气压、密封技术的进
6、步以及计算机、测量技术的发展，更职能化的多功能实现的复合式盾构机诸如气泡式、泥水式、复合土压式盾构相继问世并成为主流。n 国内盾构生产现状国内盾构生产现状 盾构隧道逐渐长距离化、大直径化、高水压、盾构隧道逐渐长距离化、大直径化、高水压、复合地层等特征；盾构逐渐多样化，如矩形、椭复合地层等特征；盾构逐渐多样化，如矩形、椭圆形等多种异圆断面盾构等；施工与控制的高度圆形等多种异圆断面盾构等；施工与控制的高度自动化，如出现了管片供给、运送、组装自动化自动化，如出现了管片供给、运送、组装自动化装置等。装置等。 细节技术有待完善及改进，如出泥、出土的速细节技术有待完善及改进，如出泥、出土的速度等参数优化选
7、取、排出泥水的分离处理等；多度等参数优化选取、排出泥水的分离处理等；多种特殊盾构工法相继问世，扩展了盾构工法的应种特殊盾构工法相继问世，扩展了盾构工法的应用范围；大直径、异型断面、长距离、高速度、用范围；大直径、异型断面、长距离、高速度、抗高水压、抗高风险施工等施工技术措施、施工抗高水压、抗高风险施工等施工技术措施、施工设备的研发仍为当前应用所迫切需求。设备的研发仍为当前应用所迫切需求。特点特点技术技术n 国内盾构生产现状及方向国内盾构生产现状及方向上海隧道股份、北方重工、秦治通联、中铁工重工、中铁建装备、中交天和、三三重工、中信重工、徐工凯宫等等 其中中铁重工、中铁建均为其中中铁重工、中铁建
8、均为5050至至7070台量级，中交天和也于今台量级，中交天和也于今年年 达到达到 5252台。台。可以说国产盾构已经能够满足国内施工的需求。可以说国产盾构已经能够满足国内施工的需求。西雅图隧道联合体签订了一份14亿美元合同，拟在市区西雅图高架AlaskanWay道路改建为1.7英里长双层隧道日立造船公司供货巨型17.52米直径土压平衡盾构来挖掘该隧道。大型化，异型化，高水压、复合地层、多功能双模复合型、智大型化，异型化，高水压、复合地层、多功能双模复合型、智能化、无人化进舱作业、标准化施工作业、高难度。能化、无人化进舱作业、标准化施工作业、高难度。 对失败的恐惧是制约国产化和国内技术进步的对
9、失败的恐惧是制约国产化和国内技术进步的冏冏境。境。国内国内厂商厂商技术技术冏境冏境n 西雅图隧道的昨天与明天 2012年12月，日立造船公司宣布北美最大土压盾构掘进机“贝莎”号制造完成。其直径17.5米，长约100米，重量约为7000吨; 2013年年末，在开挖1000英尺后，施工团队被迫停止掘进。为了维修盾构机，承包商STP公司建造了120英尺深的维修井，对盾构机进行了拆卸和维修;至2015年10月，STP公司和日立公司才开始重新组装盾构机，12月重新施工。由于漫长的维修时间，隧道工程的完工日期被迫由原定的2016年11月推迟到了2018年4月。 一旦通车，将是光芒四射，只会记得技术的进步，
10、当然进步就是昨天的曲折换来的。辉煌辉煌技术技术无耐无耐n 西雅图隧道按掘进机的头部形状分：刀盘式、网格式、手掘按掘进机的头部形状分：刀盘式、网格式、手掘式、插刀式；式、插刀式；按盾构机的工作面稳定支撑方式：敞开式、泥水按盾构机的工作面稳定支撑方式：敞开式、泥水盾构、土压盾构、气压盾构（现在气压式多与土盾构、土压盾构、气压盾构（现在气压式多与土压形成压形成复合式多功能复合式多功能）；）；按盾构机的盾壳的数量分：单护盾、双护盾；按盾构机的盾壳的数量分：单护盾、双护盾；按盾构机机体与推进机构是联合一体还是分成二按盾构机机体与推进机构是联合一体还是分成二部分：整机式、分体式。部分：整机式、分体式。 首
11、台盾构首台盾构：布鲁诺：布鲁诺尔尔BrunelBrunel盾构盾构18251825年泰晤士年泰晤士河底隧道河底隧道国内首台水底网格盾国内首台水底网格盾构构19661966打浦路隧道打浦路隧道土 压 平 衡 式 盾 构 机 泥泥 水水 式式 盾盾 构构 机机异型断面异型断面盾构机盾构机 很适合北京无水很适合北京无水砂卵孤石地层砂卵孤石地层矩矩 形形 盾盾 构构 机机硬岩掘进机硬岩掘进机TBMTBMn 盾构机的掘进盾构机的掘进刀盘驱动方式两类型：液压马达或者变频电机刀盘驱动方式两类型：液压马达或者变频电机驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前
12、推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾构井口垂直运至地面。构井口垂直运至地面。n 掘进中控制排土量与排土速度掘进中控制排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当开挖面被切下的渣土
13、经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起不致坍塌或隆起 这时只要保持从螺旋输送机和这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。顺利进行。n 管片拼装管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装单层衬砌
14、管片，使隧道一次成型通缝或错缝拼装单层衬砌管片，使隧道一次成型刀盘刀盘、盾体盾体、推进系统、驱动系统、螺旋输送机系、推进系统、驱动系统、螺旋输送机系统、皮带输送机系统、管片拼装系统、集中润滑系统、皮带输送机系统、管片拼装系统、集中润滑系统、盾尾密封油脂系统、同步注浆系统、管片吊运统、盾尾密封油脂系统、同步注浆系统、管片吊运系统、人行闸、数据采集系统、自动测量系统、系统、人行闸、数据采集系统、自动测量系统、后后配套台车配套台车、排污系统、冷却系统、电气系统和辅助、排污系统、冷却系统、电气系统和辅助设备等设备等土压平衡盾构机土压平衡盾构机的组成的组成n 刀盘刀盘将盾构机前方的土体进行切削、搅拌，将
15、盾构机前方的土体进行切削、搅拌， 便于排土，同时也起到减小盾构推进阻力、保持便于排土，同时也起到减小盾构推进阻力、保持开挖面土体稳定等重要作用开挖面土体稳定等重要作用一般采用辐条式、面板式两种大的类一般采用辐条式、面板式两种大的类型，驱动采用电驱动或液压驱动型，驱动采用电驱动或液压驱动n 刀盘刀盘示例示例n 刀盘轨迹刀盘轨迹n 刀盘轨迹刀盘轨迹n 刀盘刀盘关键部件关键部件周边刮刀周边刮刀先行刀先行刀滚刀滚刀中心齿刀中心齿刀刀具高差设计刀具高差设计三楞刮刀三楞刮刀鱼尾刀鱼尾刀超挖刀超挖刀刮刀刮刀 盾体盾体 隧道的形状因其使用要求不同而形成不同的盾隧道的形状因其使用要求不同而形成不同的盾构外形。盾
16、构的外形就是指盾构的断面形状，绝大构外形。盾构的外形就是指盾构的断面形状，绝大多数盾构采用的是圆形。多数盾构采用的是圆形。盾构在推进过程中，不但要承受各种压力，同盾构在推进过程中，不但要承受各种压力，同时还要克服各种阻力，所以，盾构整体要求具有足时还要克服各种阻力，所以，盾构整体要求具有足够的强度和刚度。够的强度和刚度。前盾含主驱动和与之焊在一前盾含主驱动和与之焊在一起的承压隔板使泥土仓与后起的承压隔板使泥土仓与后面的工作空间相隔离面的工作空间相隔离中盾与前盾通过法兰以中盾与前盾通过法兰以螺栓连接、含推进油缸螺栓连接、含推进油缸、人闸、支承架、人闸、支承架中盾后部是尾盾。这种铰接连接中盾后部是
17、尾盾。这种铰接连接方式使盾构机易于转向。方式使盾构机易于转向。 推进系统推进系统主要功能为以已拼管片作为支撑点，切削土主要功能为以已拼管片作为支撑点，切削土层所需要的每把刀具上的推力、克服盾构机前方土层所需要的每把刀具上的推力、克服盾构机前方土体压力及其他阻力与摩擦力，是盾构机向前进的动体压力及其他阻力与摩擦力，是盾构机向前进的动力。力。推进系统以液压为动力、通过液压油缸产生推进系统以液压为动力、通过液压油缸产生向前的推进力。向前的推进力。 螺旋输送机系统螺旋输送机系统 主要功能：将刀盘切削下来的土从土仓内排主要功能：将刀盘切削下来的土从土仓内排出，并且通过自动控制螺旋机转速、开口度来控制出，
18、并且通过自动控制螺旋机转速、开口度来控制出土量，与掘进速度相适应从而达到控制土仓内土出土量，与掘进速度相适应从而达到控制土仓内土压平衡的目的。压平衡的目的。螺旋机结构：有轴式和无轴式两种螺旋机结构：有轴式和无轴式两种控制重点：控制重点：螺旋机转速、开口度、添加剂注螺旋机转速、开口度、添加剂注入入目标：形成压力梯度目标：形成压力梯度螺 旋螺 旋输 送输 送机 压机 压力 梯力 梯度 达度 达到 平到 平衡衡P2P2从P2至P1压力降低到0，形成相对均匀的压力梯度降，则为正常出碴，否则会出现喷涌皮带输送机系统皮带输送机系统主要功能是将从螺旋输送机内排出的泥土输送主要功能是将从螺旋输送机内排出的泥土
19、输送至施工单位配备的运碴土箱内。至施工单位配备的运碴土箱内。皮带输送系统可以说是盾构机的生命线，其关皮带输送系统可以说是盾构机的生命线，其关键是不掉或者少掉泥水、日常维护从防止跑偏、过键是不掉或者少掉泥水、日常维护从防止跑偏、过度磨损。度磨损。管片拼装机系统管片拼装机系统主要功能是通过拼装机上一般具有的主要功能是通过拼装机上一般具有的4 4个自由度个自由度动作进行管片的拼装。动作进行管片的拼装。管片拼装机的回转驱动方式采用液压驱动，并管片拼装机的回转驱动方式采用液压驱动，并配备失压刹车，其他动作采用液压油缸驱动。配备失压刹车，其他动作采用液压油缸驱动。 平移机构平移机构回转机构回转机构提升机构
20、提升机构支承调整机构支承调整机构 超挖刀系统超挖刀系统主要功能为可以根据需要配合刀盘进行局部的主要功能为可以根据需要配合刀盘进行局部的超挖。仿形刀安装在刀盘的侧面超挖。仿形刀安装在刀盘的侧面驱动采用液压油缸形式，结合刀盘旋转的位置驱动采用液压油缸形式，结合刀盘旋转的位置传感器在传感器在360360范围内的任意位置进行伸和缩。范围内的任意位置进行伸和缩。 根据转弯地层，分为仿形刀与滚刀两种类型。根据转弯地层，分为仿形刀与滚刀两种类型。 集中润滑系统集中润滑系统主要功能除在盾构机主要油脂润滑部位进行自主要功能除在盾构机主要油脂润滑部位进行自动注脂外，还对盾构前土砂密封进行自动注脂，确动注脂外，还对
21、盾构前土砂密封进行自动注脂，确保前土砂密封的密封性和润滑性。保前土砂密封的密封性和润滑性。自动控制方式有压力和时间控制两种。自动控制方式有压力和时间控制两种。 盾尾密封油脂系统盾尾密封油脂系统主要功能为在各道盾尾密封刷之间的空腔内充主要功能为在各道盾尾密封刷之间的空腔内充填盾尾密封油脂，防止盾尾外部的水和泥浆进入至填盾尾密封油脂，防止盾尾外部的水和泥浆进入至盾构内部来。盾构内部来。控制方式有手动控制和自动控制，自动控制又控制方式有手动控制和自动控制，自动控制又分为压力控制和时间控制。分为压力控制和时间控制。 同步注浆系统同步注浆系统主要功能为在盾构掘进过程中，注入浆液充填主要功能为在盾构掘进过
22、程中，注入浆液充填管片脱出盾尾后产生的建筑空隙，减少地面沉降。管片脱出盾尾后产生的建筑空隙，减少地面沉降。注浆方式：单液、双液两种注浆方式：单液、双液两种控制方式有手动控制和自动控制，自动控制又控制方式有手动控制和自动控制，自动控制又分为压力控制和流量控制。分为压力控制和流量控制。关注与协调重点：关注与协调重点：盾尾油脂、土舱压力盾尾油脂、土舱压力防止堵管防止堵管 管片吊运系统管片吊运系统主要功能为将管片从管片运输小车上吊下运输主要功能为将管片从管片运输小车上吊下运输至管片拼装位置。至管片拼装位置。管片吊运系统在车架内采用单梁电动葫芦，在管片吊运系统在车架内采用单梁电动葫芦，在盾构机本体与车架
23、之间采用双梁电动葫芦；有盾构机本体与车架之间采用双梁电动葫芦；有的盾构厂商配备有方便使用的喂片机，对提高的盾构厂商配备有方便使用的喂片机，对提高功效非常有用。功效非常有用。 人行闸人行闸主要功能为在盾构本体前方发生意外情况，需主要功能为在盾构本体前方发生意外情况，需要施工人员进入到刀盘正面时，必须通过人行闸。要施工人员进入到刀盘正面时，必须通过人行闸。由于施工过程中，盾构土仓内有一定的土压力，由于施工过程中，盾构土仓内有一定的土压力，所以施工人员进入人行闸后，关上闸门，对人行闸所以施工人员进入人行闸后，关上闸门，对人行闸进行充气，使其建立一定的气压，以抵消土仓内的进行充气，使其建立一定的气压，
24、以抵消土仓内的土压力。土压力。 人闸舱土舱 数据采集系统数据采集系统主要功能为将盾构各系统的主要参数采集并保主要功能为将盾构各系统的主要参数采集并保存在电脑中，同时通过通信电缆将这些数据传输至存在电脑中，同时通过通信电缆将这些数据传输至地面管理人员的电脑中，在施工过程中作为参考。地面管理人员的电脑中，在施工过程中作为参考。这些数据也可作为盾构发生故障后分析原因的这些数据也可作为盾构发生故障后分析原因的重要依据。重要依据。 地质是基础 盾构机是关键 人是根本（管理）世界首条盾构隧道，也是水下，18年建成，水淹两次，彻底改造后才建成！中国第一台完全知识产权盾构水下隧道也有周折，4年建成！进入90年
25、代，技术与装备革命带来国外自动化盾构机的出现，不愿承担风险，在上世纪末本世纪前7年期间，国外盾构霸居国内市场！随着不同盾构风险事故的对比，对风险理解转变：主要在于前期：选型、设计协调、监造、方案对策筹划一些前辈与同行们为国产化一直在努力探寻、呼吁，国家政策、进口盾构同样的风险事故倒逼下，国产盾构突飞猛进，终于占据主流市场！国产盾构已能够满足国内工程的基本需求；盾构的选型重点是适应地质条件与周边环境、满足特对接殊功能、技术与设计协调、监造关键、使用策划。盾构机的合理选择要保证开挖面的稳定性，具盾构机的合理选择要保证开挖面的稳定性，具有良好的掘进性能，结合衬砌的类型防止渗漏和坍有良好的掘进性能，结
26、合衬砌的类型防止渗漏和坍塌，而且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。塌，而且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。根据调研分析，归纳总结了盾构机选型为核心根据调研分析，归纳总结了盾构机选型为核心的各因素的影响及其相互作用关系，如下图所示。的各因素的影响及其相互作用关系，如下图所示。分析总结归纳盾构机的选型的影响因素共计九方面： 工程地质相匹配、各种地层所占比例，是确定盾构机选型的首要依据。 土的塑性流动性、土的渗透系数等，为碴土改良系统提供依据。 水源、地下水的含量及水压。土压盾构仅能适用于低水压地层。 砂、卵石颗粒分布直接影响到刀盘与刀具的配制、人闸配制。 土层的粒径分布曲线，也关系到盾构机的碴土
27、改良设备进行配制。 隧道平面参数、线形和转弯半径关系本体长度、盾尾间隙以及铰接设计。 地层与岩性的分布比例，直接与刀盘、刀具选型密切相关。 周边建构筑物分布、状况及保护等级，是选型重要因素之一。 河流、湖泊、池溏，以及底部地层情况是盾构机选型时应考虑的重要因素之一。 盾构法对主要地层的适应性分析及选型要求盾构法对主要地层的适应性分析及选型要求1 1）洪积黏土）洪积黏土洪积黏土一般洪积黏土一般N N值大，含水率低，掘削面能够自值大，含水率低，掘削面能够自立，此外抗剪强度较大，变形小，可无需挡土隔板。立，此外抗剪强度较大，变形小，可无需挡土隔板。这类地层，可先根据掘削面稳定理论公式推算判这类地层，
28、可先根据掘削面稳定理论公式推算判断掘削面的自立状况。洪积黏土层刀盘宜采用条幅式；断掘削面的自立状况。洪积黏土层刀盘宜采用条幅式；如能够长时间稳定，宜采用人工式、半机械式或机械如能够长时间稳定，宜采用人工式、半机械式或机械式全敞式盾构机；如果稳定性较差，或者有少量夹层式全敞式盾构机；如果稳定性较差，或者有少量夹层粉砂可辅以压气工法，以达到对工作面的支撑作用。粉砂可辅以压气工法，以达到对工作面的支撑作用。2 2）砂质土）砂质土 根据国内已完成工程调查资料显示，砂质土如果渗透系数根据国内已完成工程调查资料显示，砂质土如果渗透系数K K大于大于1010-2-2cm/scm/s、74mm74mm以下的微
29、细颗粒含量低于以下的微细颗粒含量低于10%10%、不均匀系、不均匀系数数UcUc小于小于1010，地下水位高于，地下水位高于2 2至至3 3barbar时，若采用土压盾构时，时，若采用土压盾构时，会出现涌沙现象，掘削面易坍塌，很难确保掘削面稳定。会出现涌沙现象，掘削面易坍塌，很难确保掘削面稳定。土压盾构的使用范围拓展土压盾构的使用范围拓展有研究表明，对传统碴土改良装置进行改进，同时喷入有研究表明，对传统碴土改良装置进行改进，同时喷入膨润土溶液与泡沫，增大碴土中的微粒径的比例，在全断面膨润土溶液与泡沫，增大碴土中的微粒径的比例，在全断面长距离富水砂层采用土压盾构，没有发生喷涌现象和地面过长距离富
30、水砂层采用土压盾构，没有发生喷涌现象和地面过度沉降，取得了成功。度沉降，取得了成功。因此，对于水压力小于因此，对于水压力小于3bar3bar全断面含水砂层可以采用土全断面含水砂层可以采用土压盾构，是对土压盾构应用范围的一种拓展，但需采用同时压盾构，是对土压盾构应用范围的一种拓展，但需采用同时喷入膨润土与泡沫的碴土添加系统。对于水压力大于喷入膨润土与泡沫的碴土添加系统。对于水压力大于3bar3bar全全断面富水砂层或者穿越河、湖的富水砂层则需要采用泥水盾断面富水砂层或者穿越河、湖的富水砂层则需要采用泥水盾构机。构机。3 3）砂砾、卵、漂石地层）砂砾、卵、漂石地层该种地层重点考虑两方面的因素：该种
31、地层重点考虑两方面的因素：一是地下水，对于地下水位稳定在开挖底部以下一是地下水，对于地下水位稳定在开挖底部以下的砂砾、卵、漂石地层，可采用土压盾构机；对于富的砂砾、卵、漂石地层，可采用土压盾构机；对于富含地下水地层则必须采用泥水盾构机。含地下水地层则必须采用泥水盾构机。二是砂砾石层重点考虑刀具刀盘的耐磨设计，而二是砂砾石层重点考虑刀具刀盘的耐磨设计，而卵、漂石地层则重点考虑刀具的抗冲击非正常破坏与卵、漂石地层则重点考虑刀具的抗冲击非正常破坏与耐磨设计。对于大粒径漂石存在的地层，要考虑采用耐磨设计。对于大粒径漂石存在的地层，要考虑采用带式螺旋输送机。带式螺旋输送机。4 4）泥岩与砂岩地层）泥岩与
32、砂岩地层对于裂隙节理不发育地层，采用对于裂隙节理不发育地层，采用OpenOpen工作模式；工作模式；而对于断层破碎带无地下水发育地层采用而对于断层破碎带无地下水发育地层采用EBPEBP工作模工作模式；式；对于裂隙发育带、具有一定自稳能力、且地下对于裂隙发育带、具有一定自稳能力、且地下水发育地层则采用水发育地层则采用Semi-OpenSemi-Open工作模式。工作模式。全岩质隧道掘削面能够自稳全岩质隧道掘削面能够自稳对于泥岩地层，对于泥岩地层，有两方面关键技术难题：其一有两方面关键技术难题：其一为泥饼的形成，为掘进带来困难；其二为刀具配制，为泥饼的形成，为掘进带来困难；其二为刀具配制，强度较低
33、，可采用软土刀具，但掘进效率较低；而强度较低，可采用软土刀具，但掘进效率较低；而采用滚刀则会产生偏磨。采用滚刀则会产生偏磨。对于砂岩地层，可采用面板式刀盘，全断面长对于砂岩地层，可采用面板式刀盘，全断面长距度砂岩需配备滚刀；对于短距离砂岩地层，岩石距度砂岩需配备滚刀；对于短距离砂岩地层，岩石强度大于强度大于20MPa20MPa以上的宜采用滚刀，而小于以上的宜采用滚刀，而小于20MPa20MPa以以下的则采用软土刀具。下的则采用软土刀具。对于对于砂岩地层，如果石英含量高，则对刀具磨砂岩地层，如果石英含量高，则对刀具磨损较快，是盾构机刀具配制方面的关键技术问题损较快，是盾构机刀具配制方面的关键技术
34、问题。 盾构机选型的计算依据盾构机选型的计算依据 工程地质、水文地质工程地质、水文地质颗粒分析及粒度分布颗粒分析及粒度分布，单轴抗压强度单轴抗压强度，含水率、，含水率、砾石直径砾石直径，液限及塑限，液限及塑限，N N值，粘聚力值，粘聚力C C、内摩擦角、内摩擦角、相对密度、孔隙率，地层反力系数，压密特性，、相对密度、孔隙率，地层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最渗透系数，地下水位（最高、最低、平均）高、最低、平均），地下水的流速、流向、，地下水的流速、流向、地层与地层与河床变迁情况河床变迁情况等。等。盾构机选型时计算的主要依据盾构机选型时计算
35、的主要依据 设计参数设计参数隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数。等设计参数。 周围环境条件周围环境条件地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况，布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况，施工场地条件，气候条件，水电供应情况等。施工场地条件，气候条件，水电供应情况等。 隧道施工工况筹划隧道施工工况筹划工期、进度指标。工期、进度指标。 主要参数表主要参数表主要技术参数对比表(澄清后）设备系统和部件名称参数名称规格、参数值天津天成 中交天和湖北天地HK华隧通
36、盾构机主体开挖直径 mm62706300614062606290总体长度 mm7570013455116906600076000盾体长度 mm87008805994075008435管片外径6000mm60006000600060006000管片内径5400mm54005400540054005400总体重量 kg447964341800450000388000430000盾体总重量kg338093246800242000300000后部拖车总重kg10987195000146000130000刀盘结构型式辐条式辐条式辐条式辐条辐条+面板复合式分割块数 块67114空隙（开口）率65%62%6
37、8%4036.2%（中心部49.3%）开口幅宽 mm2500520480420400归纳总结九种端头加固方法 1.降水法 适用于富含地下水地层，有涌水突水风险。 2注浆加固法 封堵地下水，加固地层。 3.搅拌桩施工法 第四系淤泥质、粉质土地层，也可细砂地层或者粘土地层 4.旋喷桩施工法 旋喷桩多适用于第四系沉积层，稳定性能好，加固效果好。 5.地层冻结法 在无水或者少水的淤泥质地层，采用竖向冻结法 对于地下水丰富的地层则在盾构周边冻结形成止水冰冻墙6.素混凝土墙法 主要用于施工场地小、地下管线密集、地面交通繁忙、距离地面建筑物基础比较近的工程场地。 7.双重钢板桩与SMW工法 适用于具有一定稳
38、定能力、无水或者少水的第四系沉积地层，用于提供洞门凿除后支撑工作面的稳定。 8.NOMST工法与SEW工法 适用于配备硬岩切削刀具的盾构机，地下水少或者无水的地层，更有利于减少由于洞门凿除而带来的安全风险。 9.密闭装备方法 采用钢套筒方法 10.其它方法 可在到达井中充满水或者用砂浆充填，象正常掘进，再清除钢套筒方法 土压盾构工作面稳定控制技术土压盾构工作面稳定控制技术土压平衡式盾构主要通过泥土压力来抵抗掌子土压平衡式盾构主要通过泥土压力来抵抗掌子面释放的荷载，掘进过程中其稳定掌子面的机理如面释放的荷载，掘进过程中其稳定掌子面的机理如下图所示。下图所示。当采用土压平衡模式掘进时，需通过推进速
39、度与当采用土压平衡模式掘进时，需通过推进速度与排土速度的不断调节使土压维持在设计范围内，从而排土速度的不断调节使土压维持在设计范围内，从而达到对土压的适时管理。达到对土压的适时管理。通常根据地层特性和地面环境确定一个土压上限通常根据地层特性和地面环境确定一个土压上限和下限值。和下限值。 是被动土压力、水压力、预备压力是被动土压力、水压力、预备压力的和，的和， 是主动土压力、水压力的和。是主动土压力、水压力的和。 是静土压力、水压力的和。是静土压力、水压力的和。以上值加上以上值加上0.020.02就是通常我们说的各值的取值标就是通常我们说的各值的取值标准。同时当是砂土层时水压力（或者有才预以计算
40、。）准。同时当是砂土层时水压力（或者有才预以计算。）上限上限下限下限中间中间说明说明土压管理的目标反映在数据上，应使得地层的水土压力土压管理的目标反映在数据上，应使得地层的水土压力P(P(两者的合力两者的合力) )和压力舱内的泥土压力和压力舱内的泥土压力P0P0相当，当地层水、土相当，当地层水、土压力之和压力之和P P与土舱内泥土压力与土舱内泥土压力P0P0相当时，开挖面相对比较稳定。相当时，开挖面相对比较稳定。 螺旋输送机能否顺畅排土是实现泥土压力管理的前提，螺旋输送机能否顺畅排土是实现泥土压力管理的前提，必要时需对切削下来的土和砂进行改良，保证螺旋输送机顺必要时需对切削下来的土和砂进行改良
41、，保证螺旋输送机顺畅排土，并建立合适的压力梯减梯度。畅排土，并建立合适的压力梯减梯度。 土舱压力值：重点关注中部压力表值与中间值的匹配，土舱压力值：重点关注中部压力表值与中间值的匹配，上部不得超过上限值，上部不得超过上限值，否则会隆起否则会隆起。推进时可以就下限，如果不是流砂或者是渗水量大的地推进时可以就下限，如果不是流砂或者是渗水量大的地层可以更小；拼管模式（停推）应向上限靠近。层可以更小；拼管模式（停推）应向上限靠近。停机时的保压是多么的重要！停机时的保压是多么的重要！ 技巧技巧管理管理 渣土改良技术渣土改良技术渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀渣土改良就是通过盾构机配置的专用装置向
42、刀盘面、土仓内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润盘面、土仓内或螺旋输送机内注入水、泡沫、膨润土浆液、高分子材料土浆液、高分子材料TACTAC溶液或它们的混合物，利用溶液或它们的混合物，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合。旋转搅拌使添加剂与土碴混合。 使盾构切削下来的碴土具有好的流动性、合使盾构切削下来的碴土具有好的流动性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。在不同地质条件下盾构掘进可达到理想的工作状况。主要目的主要
43、目的 1 1）砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩）砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。一般采取分别向刀盘面和土舱内注降低刀盘扭矩。一般采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行碴土改良，必要时可向螺旋输送入泡沫的方法进行碴土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。机内注入泡沫。 2 2）硬岩地段）硬岩地段主要是降低对刀具、螺旋输送机的磨损，防止主要是降低对刀具、螺旋输送机的磨损，防止涌水，一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内涌水，一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫为主。注入含
44、水量较大的泡沫为主。 3 3）富水地段和其他含水地层）富水地段和其他含水地层主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆，并增输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输泥浆，并增输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应。送机形成土塞效应。 4 4）富水砂土地层）富水砂土地层需要注入膨润土溶液；有安全同时注入泡沫与需要注入膨润土溶液；有安全同时注入泡沫与膨润土溶液；而当为非含水砂层时则主要是保持土膨润土溶液；而当为非含水砂层时则主要是保持土舱内的压力平衡，以稳定开
45、挖面，并控制地层沉降，舱内的压力平衡，以稳定开挖面，并控制地层沉降，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来达到改良碴土拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来达到改良碴土的目的，泡沫注入量根据具体情况确定。的目的，泡沫注入量根据具体情况确定。 5 5）均质淤泥质地层或者粉土地层）均质淤泥质地层或者粉土地层加入水即可加入水即可 6 6）粉细砂地层）粉细砂地层可加入泡沫或者比重为可加入泡沫或者比重为1.051.05以下的膨润土溶液。以下的膨润土溶液。使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；控制地表沉降；使碴土具有较好的止水性，以控制地下水流失；使
46、碴土具有较好的止水性，以控制地下水流失；使切削下来的碴土顺利快使切削下来的碴土顺利快 速进入土舱，并利于螺速进入土舱，并利于螺旋输送机顺利排土；可有效防止土碴黏结刀盘而产旋输送机顺利排土；可有效防止土碴黏结刀盘而产生泥饼；生泥饼；可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；可防止或减轻螺旋输送机排土时的喷涌现象；可有效降低刀盘扭矩，降低对刀盘、刀具和螺旋输可有效降低刀盘扭矩，降低对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。送机的磨损。渣土改良的具体作用渣土改良的具体作用同步注浆示意图之背衬注浆二次注浆注浆孔与注浆连接之背衬注浆之背衬注浆 背衬注浆的方法及适用范围背衬注浆的方法及适用范围目的扩散机理机具设备工艺
47、及应用同步注浆充填盾尾空隙填充盾构机的注浆系统通过盾尾的注浆管注浆，注浆与掘进同步进行，注浆速度与掘进速度相适应，多用于自稳能力较差的地层。即时注浆充填盾尾空隙填充盾构机的注浆系统通过管片上的注浆孔（吊装孔）注浆，注浆滞后于掘进一定时间，多用于自稳能力较强的地层。补强注浆提高背衬注浆层的防水性及密实度渗透劈裂双液注浆泵通过管片上的注浆孔，采用凝结速度快、固结效果好的水泥-水玻璃浆按一定的配比进行补充注浆，起到补充充填和堵水的作用，多用于注浆不足的地方和富含水地段。之背衬注浆 背衬注浆的浆液类型背衬注浆的浆液类型浆液类型优点缺点惰性浆液凝结时间长，不易堵管，注浆效率高，成本低防水效果差，对控制地
48、面沉降或约束管片不利，强度较低活性浆液凝固后能增强隧道的防水性，对地面沉降控制和管片约束有利凝结时间短，易堵管，成本较高单液浆设备简单，成本低；若用活性浆液，后期强度高，堵管易清理凝结时间长，注浆效果发挥慢；浆液易流失，对盾尾密封性能要求高双液浆凝结快，利于尽早发挥注浆的功效；浆液易流失设备较复杂，成本高；后期强度不高，堵管时不易清理；水玻璃易伤害人员或污染环境，对施工管理要求较高之背衬注浆 现常用的同步注浆材料浆液的主要技术指标： 1、胶凝时间：初凝35h，终凝412h，对于特殊地层初凝时间可缩短至45min。 2、固结体强度：对于软土地层略大于围岩强度，对于硬质围岩1天不小于0.3MPa，
49、28天不小于2.5MPa。 3、固结率：95%，即固结收缩率5%。 4、稠度：812cm。 5、浆液稳定性：静置不沉淀、不离析或在胶凝时间内静置沉淀离析少。倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。 6、防稀释性：在压力地下水作用下，浆液具有较好的防水稀释性能。之背衬注浆 注浆参数与沉降控制的关系 注浆的目的是填充环向间隙，但其根本目的还是控制地层损失造成的沉降。 地层损失： 其一为由于失水而产生的地层水与细粒径的流失 其二是由于地层失稳局部坍陷而造成的地层损失 浆液要向工作舱内流失 注入率要求在130%-215%之间。 优化注浆参数主要还是调整注入率的大小，当地层处于稳定性地层或者
50、无水情况时，其地层损失将会非常微小，可以向小值优化和调整，如广州部分地层注入率最小可到125%；而当地层处于不稳定地层或者有水时，容易形成超挖或者小的坍陷，因此则需要向大值优化和调整，如上海淤泥质地层，则有时甚至要达到230%；而当盾构机穿越重要构筑物时，则需要将注入率调高，如在穿越广州机杨高速公路时，注入率基本维持在160200%之间。之盾构隧道施工穿越既有构筑物 对既有建筑物形式进行分类归纳 盾构穿越既有隧道、铁路（地铁）线盾构穿越既有隧道、铁路（地铁）线 盾构穿越地面建筑物（包括古建筑物）盾构穿越地面建筑物（包括古建筑物） 盾构穿越重要管线盾构穿越重要管线 盾构穿越桥梁盾构穿越桥梁 盾构
