土压平衡盾构技术

1、土压平衡盾构机工作原理土压平衡盾构机工作原理 土压平衡就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注土压平衡就是在盾构开挖时，利用土仓内的土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。如图所示，在盾构开挖时土仓内的压力掘进模式。如图所示，在盾构开挖时土仓内的压力P2P2和掌子和掌子面上的压力面上的压力P1P1相平衡，其中相平衡，其中P2P2包括土仓内碴土的压力和注入包括土仓内碴土的压力和注入材料的压力，这种掘进模式即为土

2、压平衡模式，材料的压力，这种掘进模式即为土压平衡模式，P1P1等于土柱等于土柱压力和水柱压力的总和。压力和水柱压力的总和。一、土压平衡盾构机简介一、土压平衡盾构机简介土压平衡盾构主机结构组成土压平衡盾构主机结构组成刀盘、刀具刀盘、刀具（刮刀、滚刀）、喷口（刮刀、滚刀）、喷口前盾：前盾：主轴承、主密封、驱动系统（液压马达、减速箱）主轴承、主密封、驱动系统（液压马达、减速箱）中盾中盾: 推进油缸、拼装机推进油缸、拼装机前、中盾与盾尾：前、中盾与盾尾：铰接油缸、盾尾密封、管片拼装空间铰接油缸、盾尾密封、管片拼装空间螺旋输送机：出土控制、土塞1号台车：号台车：操作控制室、同步注浆系统操作控制室、同步注

3、浆系统2号台车：号台车：电机、液压泵站电机、液压泵站3号台车：号台车：电气控制柜、各类油脂注入泵电气控制柜、各类油脂注入泵4号台车：号台车：变压器、压缩空气系统变压器、压缩空气系统5号台车：号台车：电缆、冷却水卷盘等电缆、冷却水卷盘等连接桥架连接桥架 盾构主机与后拖台车连接、皮带输送机盾构主机与后拖台车连接、皮带输送机管片拼装机管片拼装机 （1 1）土压平衡盾构掘进作业具有土压平衡式、敞开式及半）土压平衡盾构掘进作业具有土压平衡式、敞开式及半敞开式三种模式。敞开式三种模式。 （2 2）为保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建）为保证开挖面稳定、有效控制地表沉降及确保地面建筑物安全并获得较

4、高掘进效率，必须根据根据盾构机的类筑物安全并获得较高掘进效率，必须根据根据盾构机的类型、盾构隧道围岩的工程地质和水文地质条件、施工环境型、盾构隧道围岩的工程地质和水文地质条件、施工环境等因素，综合判断、选择不同的掘进模式。等因素，综合判断、选择不同的掘进模式。 土压平衡模式敞开模式半敞开模式二、土压平衡盾构的三种模式二、土压平衡盾构的三种模式土 仓 压力 分 布 . 类 围 岩 、 断 层 及 其影 响 带 、 敏 感 建 筑 物土压平衡模式土压平衡模式 盾构机刀盘旋转，由刀具切削下来的土体填充刀盘后面的土盾构机刀盘旋转，由刀具切削下来的土体填充刀盘后面的土仓，并随盾构机的推进逐渐充满并建立起

5、压力，直至与所处地仓，并随盾构机的推进逐渐充满并建立起压力，直至与所处地层的土、水压力相平衡。通过对推进速度与螺旋机排土量的控层的土、水压力相平衡。通过对推进速度与螺旋机排土量的控制使所建立起的压力保持稳定，从而减少对地层的扰动，保证制使所建立起的压力保持稳定，从而减少对地层的扰动，保证地层的隆降控制在一定的范围内。地层的隆降控制在一定的范围内。半敞开式半敞开式气压辅助模式气压辅助模式土仓压力分布部分类围岩,重要建筑物压缩空气敞开式模式敞开式模式土仓压力分布.类围岩、部分类围岩1）选用一台适应于拟建隧道地质、设计、环境等条件的盾构机。）选用一台适应于拟建隧道地质、设计、环境等条件的盾构机。 2

6、）盾构施工场地、盾构工作井具备条件）盾构施工场地、盾构工作井具备条件 ，组装、调试盾构机。，组装、调试盾构机。3）根据地层和地面构造物情况，选定适宜的掘进模式和推力、）根据地层和地面构造物情况，选定适宜的掘进模式和推力、扭矩、推进速度、刀盘转速、土压力值等掘进参数。扭矩、推进速度、刀盘转速、土压力值等掘进参数。4）在盾构前部的旋转机构与推进油缸的共同作用下，带动装有）在盾构前部的旋转机构与推进油缸的共同作用下，带动装有适应不同岩土条件刀具的刀盘旋转推进，挤压破碎、刮削岩土适应不同岩土条件刀具的刀盘旋转推进，挤压破碎、刮削岩土进入土仓并予搅拌使之便于输送，经过运输系统将弃土输送至进入土仓并予搅拌

7、使之便于输送，经过运输系统将弃土输送至地面及土场，从而使盾构机向前掘进一段距离（大于一环管片地面及土场，从而使盾构机向前掘进一段距离（大于一环管片的宽度）。的宽度）。 三、土压平衡盾构的工法概要三、土压平衡盾构的工法概要5）管片拼装机械手将已预制好且嵌有止水条的数块管片）管片拼装机械手将已预制好且嵌有止水条的数块管片按序安装成环，形成隧道的永久衬砌结构，并给盾构机按序安装成环，形成隧道的永久衬砌结构，并给盾构机的推进提供反力。的推进提供反力。6）在掘进的同时，利用同步注浆系统足量注浆，填充开）在掘进的同时，利用同步注浆系统足量注浆，填充开挖直径与管片外径之间的空隙，以弥补地层损失，根据挖直径与

8、管片外径之间的空隙，以弥补地层损失，根据需要利用管片吊装孔进行二次注浆以补充和加强。需要利用管片吊装孔进行二次注浆以补充和加强。 三、土掘进施工程序三、土掘进施工程序土压平衡操作程序土压平衡操作程序模式选择模式选择 掘进参数掘进参数 方向姿态方向姿态 同步注浆同步注浆 监控量测监控量测 设备维护设备维护四、掘进技术管理四、掘进技术管理确定土压力确定土压力 （计算（计算- -类比类比- -实验）实验）土压平衡控制土压平衡控制 （掘削与排土量的平衡的控制）（掘削与排土量的平衡的控制）碴土塑流性能管理碴土塑流性能管理 （必要条件、碴土改良（必要条件、碴土改良- -塑流、抗渗）塑流、抗渗）出土量管理出

9、土量管理（1 1）模式选择）模式选择-土压平衡模式土压平衡模式 部分掘进参数建议值部分掘进参数建议值（2 2）正确管理掘进参数）正确管理掘进参数 土仓压力、推力、扭矩、速度土仓压力、推力、扭矩、速度 、转速、同步注浆等参、转速、同步注浆等参数数（3 3） 盾构机掘进过程中的沉降变化规律盾构机掘进过程中的沉降变化规律 盾构推进过程中，开挖及管片脱出盾尾时，是沉降变盾构推进过程中，开挖及管片脱出盾尾时，是沉降变化最快的阶段，因此掘进施工要连续进行，否则地层变形化最快的阶段，因此掘进施工要连续进行，否则地层变形最大的阶段的时间将变长，导致沉降量可能变大，尤其在最大的阶段的时间将变长，导致沉降量可能变

10、大，尤其在较差地层中掘进时更要注意。较差地层中掘进时更要注意。86535测点沉降曲线测点沉降曲线-30-25-20-15-10-502003.05.082003.05.28.10:502003.05.3016:02003.06.01.08:402003.06.02.15:302003.06.03.23:002003.06.04.2003.06.06.10:002003.06.07.16:002003.06.08.08:302003.06.08.16:302003.06.09.1:002003.06.09.10:002003.06.09.16:302003.06.09.2:302003.06.1

11、0.14:002003.06.10.21:302003.06.11.8:002003.06.11.21:302003.06.12.10:302003.06.12.20:002003.06.13.10:302003.06.13.21:30时 间沉降值(mm) 3D3D 3D=6m D 表示隧道外径隧道D86531-D865312 横横断断面面地地面面沉沉降降曲曲线线-30-20-100点 位埋深10.5m主动土压力挤压区隧道隧道管片扰动土再固结被动土压力盾构机身主动土压力滑裂面刀盘剪切区卸荷区1 1）与掌子面稳定的相关问题）与掌子面稳定的相关问题五、盾构施工的地层隆降五、盾构施工的地层隆降 A

12、A、地层应力状态、地层应力状态扰 动 土 再 固 结滑 裂 面地 面 荷 载压 力 拱盾 构 机 身隧 道 管 片刀 盘被 动 土 压 力滑 动 土 体挤 压 区剪 切 区卸 荷 区主 动 土 压 力A、地层应力状态地层应力状态B、掌子面平衡状态分析掌子面平衡状态分析 PT-掌子面极限状态临界力；掌子面极限状态临界力；PD-盾构刀盘压力盾构刀盘压力 刀盘压力地面 PTPD 平衡状态平衡状态，但棱柱体但棱柱体S-BBCC-DDGG具有下滑趋势，作用于楔形体具有下滑趋势，作用于楔形体S-ABC PTPD地面沉降曲线剪切面剪切面刀盘压力 PTPD刀盘压力剪切面剪切面地面沉降曲线C C、盾构施工开挖面

13、稳定的理论方法、盾构施工开挖面稳定的理论方法 极限平衡法极限平衡法-筒仓理论筒仓理论 稳定系数稳定系数法法D、土拱效应土拱效应 松散体（包括土、砂）介质中：松散体（包括土、砂）介质中： HD2.02.5 “拱拱”效效应存在应存在 H 埋深埋深 D 洞径洞径E、沉降槽与沉降曲线沉降槽与沉降曲线 3D3D 3D=6m D表示隧道外径隧道D86531-D865312横横断断面面地地面面沉沉降降曲曲线线-30-20-100点位埋深10.5m（2 2） 盾构掘进中地层沉降原因分析：盾构掘进中地层沉降原因分析：A、地层损失地层损失 盾构机开挖土体体积大于隧道实体体积。盾构机开挖土体体积大于隧道实体体积。

14、对地层扰动后的土体主、次固结。对地层扰动后的土体主、次固结。B、特殊部位特殊部位 始发与到达掘进时土压尚未建立或失压。始发与到达掘进时土压尚未建立或失压。 隧道与洞门结合部薄弱易发生水土流失隧道与洞门结合部薄弱易发生水土流失。C、不良地质条件不良地质条件 上软下硬。上软下硬。 富水砂层、断裂破碎带易发生喷涌。富水砂层、断裂破碎带易发生喷涌。D、掘进技术参数与盾构机控制失误掘进技术参数与盾构机控制失误 掘进模式选择错误、土压等参数未及时调整适应、掘进模式选择错误、土压等参数未及时调整适应、未同步足量注浆和及时二次注浆未同步足量注浆和及时二次注浆 盾构机姿态不当、盾构机较长时间停顿且措施不当盾构机

15、姿态不当、盾构机较长时间停顿且措施不当沉降原因分析沉降原因分析（3 3） 基本对策基本对策 首先把握盾构施工的特点、盾构机自身特点与首先把握盾构施工的特点、盾构机自身特点与能力，能力， 去克服问题。去克服问题。 通过实验确定适宜的土压力、掘进速度等通过实验确定适宜的土压力、掘进速度等掘进参数掘进参数 加强同步注浆、适时二次注浆以弥补地层加强同步注浆、适时二次注浆以弥补地层损失；损失； 采取特别措施，增加辅助设备及添加剂采取特别措施，增加辅助设备及添加剂 （1 1）选择适宜的浆液、凝结时间、）选择适宜的浆液、凝结时间、 配合比等配合比等 （2 2）计算注浆量，在软土区应以控制注浆量为准，）计算注

16、浆量，在软土区应以控制注浆量为准，在硬岩区应以注浆压力为主要控制参数。在硬岩区应以注浆压力为主要控制参数。 （3 3）对造浆、运输过程的管理要到位，注浆手要）对造浆、运输过程的管理要到位，注浆手要精心操作，发生堵管要采取措施及时疏通。精心操作，发生堵管要采取措施及时疏通。六、同步注浆的控制六、同步注浆的控制同步注浆同步注浆 合理掘进参数的选择，是通过预测、监测、反馈、分合理掘进参数的选择，是通过预测、监测、反馈、分析等一系列过程验证，确定的。这就要求实施作为土建工析等一系列过程验证，确定的。这就要求实施作为土建工程施工科学化发展重要表证的信息化施工管理。程施工科学化发展重要表证的信息化施工管理

17、。 盾构机自动采集的信息和人工通过监测、测量采集盾构机自动采集的信息和人工通过监测、测量采集信息的相互校核，更好的指导施工，提供安全、质量的保信息的相互校核，更好的指导施工，提供安全、质量的保证。成立以项目总工程师任组长的信息化领导小组，加强证。成立以项目总工程师任组长的信息化领导小组，加强信息化施工的组织与管理。信息化施工的组织与管理。序号职务人员配置主要职责1综合组2 人负责信息分析，提出对策(其中一人为地质工程师)2监测组8 人负责监测方案的实施，资料的整理3测量组6 人负责测量方案的实施，数据的分析4盾构信息组2 人汇集、分析盾构机所采集的信息六、预测、监测与信息化施工六、预测、监测与信息化施工激光棱镜导向机构激光棱镜导向机构 对反馈数据的分析、判断、调整掘进参数对反馈数据的分析、判断、调整掘进参数