盾构机及施工技术简介

1、 1.1.盾构的发展、支撑基本原理及分类盾构的发展、支撑基本原理及分类 1.11.1盾构机的发展历程盾构机的发展历程 1、采用一个与隧道开挖直径大小的圆形钢质构件，沿着隧道轴线向前推进挖掘渣土修建隧道，形成了早期手工盾构施工的基本原理。 2、1828年在英国泰晤士的隧道建设中首次提出了使用压气支撑原理建议，1886年在盾构掘进过程中引入了压气施工工法，将盾构施工推进至压缩空气盾构时代。 3、1960年膨润土悬浮液支撑技术应用，第一台泥浆盾构建成了排水隧道，压缩空气盾构逐渐降低了它在隧道盾构施工领域的主导地位。 4、由于泥浆盾构的泥浆制备及渣浆处理占地面积大且污染环境，1974年第一台土压平衡盾

2、构机在东京成功应用，土压平衡盾构机发展十分迅速，很快成为世界上盾构机的主流产品。 5、目前压气止水技术及平衡原理仍然在泥浆盾构和土压平衡盾构中继续使用。 6、盾构工法经过120年来的发展，取得的业绩被世人瞩目，目前盾构机还吸收了TBM硬岩掘进机的优点，增强了对地质条件的适应性，已成为当今隧道施工中的重要设备。1.2盾构工作面支撑基本原理盾构工作面支撑基本原理 1、盾构施工隧道时，为了防止工作面土体 坍塌和地下水入侵，工作面的支撑方式 有： -自然支撑 -机械支撑 -压缩空气支撑 -泥浆支 撑 -土压平衡支撑。 2、自然支撑靠土体的自然斜坡稳定开挖面，不需要任何稳定机构及介质。 3、机械支撑是依

3、刀盘及盾构机的强大推进力，稳定并切割开挖面，是机械化敞开式掘进盾构的原始初形。 4、压缩空气支撑、泥浆支撑和土压平衡支撑式盾构是分别依靠空气、泥浆和改良后渣土为支撑介质，求得隧道工作面的压力平衡。 5、泥浆和改良好的渣土做支撑介质时，均提出了泥浆和改良好的渣土的基本性质要求，这些要求与可靠支撑关系重大，切记。 1.3盾构机分类盾构机分类 按盾构应用特定工程地质及水文地质按盾构应用特定工程地质及水文地质条件，流行的盾构机分类及定义如下：条件，流行的盾构机分类及定义如下： 1、敞开式盾构 2、压缩空气盾构 3、泥浆盾构 4、土压平衡式盾构 5、组合盾构 6、叶片（插扳）盾构 7、多工作面圆盾构 8

4、、小型盾构（顶管） 思考题：简单叙述盾构机发展、支撑原理及分类。2、各类盾构工作原理及特点、各类盾构工作原理及特点 2.1敞开式盾构工作原理及主要特敞开式盾构工作原理及主要特点点 1、自然支撑和机械支撑式盾构是最先出现的敞开式盾构 2、敞开式盾构施工时，在工作面上没有抑制土压和水压的调节系统。 3、该盾构只能用在无地下水地层或事先降低地下水位的地层掘进。 4、由于工作面支撑方式简单，因此，盾构的结构及施工工艺也就相对简单。 5、下图是手工盾构、机械式盾构和土压平衡盾构敞开掘进模式示意图。 思考题：简述敞开式盾构的支撑原理及主要特点。 6、该类盾构具有高度灵活性，由于敞开式盾构不可能在地下水丰富

5、的地下掘进隧道，只能通过井点降水、注浆止水或者冻结法处理后才能掘进。 7、敞开式盾构机优点是安全性好，敞开式掘进是盾构掘进的最经济方法。 8、敞开式盾构机常用于较小的断面，如顶管等。 9、敞开式盾构不可能在地下水丰富的地下掘进隧道，只能通过井点降水、注浆止水或者冻结法处理后才能通过。 思考题：为什么敞开式盾构不可能在地下水丰富的地下掘进隧道？ 2.2压缩空气式盾构的工作原理压缩空气式盾构的工作原理及特点及特点 1、利用压缩空气使整个盾构能防止地下水的侵入，它可使用在游离水体以下或在水位以下运行。 2、空气压力与地下水的静水压力保持平衡，气闸将压缩空气区与大气压区隔离开，压气站保证供各种情况需要

6、的压力和空气量。 3、气闸设计成钢制或钢筋混凝土结构，试验压力是正常工作压力的1.5倍，一般按人员闸和材料闸分开设置。 4、人员闸-必须为每个人提供0.75m3的空间，人员的供应管线都要保证有气密的连接。 5、医务闸-施工现场的空气压力大于1bar时，必须提医务闸，它包括一个医务舱和一个压缩、解压舱。 6、材料闸-可设计成与渣车、输送带、传输管道等一起使用，大直隧道中可同时使用几个闸。 思考题：简述压缩空式盾构与敞开式盾构的原则区别、工作原理及主要问题。 2.3 泥水盾构的工作原理及特点泥水盾构的工作原理及特点 1、是用加压的泥浆支撑隧道工作面的盾构，这类盾构也被称为膨润土悬浮液式盾构，可用于

7、有水压的砂质地层下开挖隧道。 2、 在压气盾构经过近八十年的使用、改进后，1959/60年研制了第一台泥浆盾构并建成了第一条直径问3.35m的排水隧道。 3、泥水盾掘进隧道己被证明是一种具有低沉降且安全的施工方法，它可适用于各种松散地层，有无地下水均可，优点甚多。 4、泥水盾构开挖面支持压力分部见下图 5、 泥水盾构开挖面支持压力分部泥水盾构开挖面支持压力分部 1 泥浆 Pl空气压力 2 泥浆液位 Pso顶部悬浮液压力 3 压缩空气气垫 Psu底部悬浮液压力 4 压力挡板 悬浮液密度 5 分隔仓板 D 盾构直径 6 支撑区域 hl 承压仓高度 7 处于外界压力下的区域 hId2534176PP

8、d hSUII PIPPhSOII 6、 传统的泥水盾构的泥水压力由进、排泥水系统的流量控制阀控制，泥水压力变化较大见图，容易使隧道开挖面不稳而塌陷。7、当今有代表性的混合式泥水、当今有代表性的混合式泥水盾构外观盾构外观 8、混合式泥水盾构采用气垫原理控制泥浆压力，空气压力波动由气压调节组件控制。由于调压组件反应灵敏，使泥浆的压力波动小，能够准确控制隧道开挖面的压力，保持开挖面稳定，防止塌陷。 9、泥水盾构施工的掘进面稳定管理程序10、泥水盾构施工系统构成示意图、泥水盾构施工系统构成示意图泥水盾构机液压台车排泥泵（P2台车）中继排泥泵中继排泥泵中继泵启动盘P2泵启动盘中继泵启动盘送泥管离心泥水

9、泵中央监视盘r线密度计中间槽送泥泵（P1）传送带振动筛网土砂漏斗斜臂流体离心机门吊排泥管泥水槽电磁流量计11、土、砂振动筛和湿式离心机组合、土、砂振动筛和湿式离心机组合 处理水集水路湿式离心机泥水第一供水箱第二供水箱土砂振动器传送带循环槽离心泵土砂振动筛和湿式离心机组合处理例12、泥水盾构施工的送排泥浆压力控制系统、泥水盾构施工的送排泥浆压力控制系统IMNVP2IMVStP送 泥 水 压 指 示调 整 装 置掘 削 面 水 压 指示 调 整 装 置掘 削旁 路 或 停 止掘 削 水 压 调 整 阀旁 路 或 停 止掘 削送 泥 水 压流 量 计掘削面水压排 泥 流 量 指 示调 整 装 置送

10、排 泥 机 构 控 制 系 统 13、泥水盾构施工的掘削土量管理图 思考题：分析泥浆盾构上述各统的原理及主要作用；简述泥浆盾构的优缺点及应用范围。计算值掘削土密度计流量计行程计送泥排泥排泥流量 Q排泥干砂量 V排泥水相对密度G土粒相对密度 Gs掘削量 Q3掘削干砂量 V3土粒相对密度 Gs计算值送泥流量 Q1送泥干砂量 V1送泥相对密度 G1土粒相对密度 Gs掘削土量 Q掘削干砂量 V含水率 W土粒率相对密度GsStD 14、泥水盾构机施工的泥浆制备和处理系统泥水处理系统概况图泵油压单元无机凝集剂槽高分子溶解槽粘土溶解槽放流滤结块脱水槽过滤压榨高分子注入泵混合凝集槽增稠剂 高压泥浆泵滤水接收槽

11、滤水回收泵补给水中和单元静水槽二次稀释水泵一次稀释水泵泥水移送泵污泥槽污水水泵CMC溶解槽密度一次分离机CMC泵调整器取样泵剩余泥水泵剩余泥水槽调整槽送泥水泵一次分离砂砾离心泵排泥水泵盾构 2.4土压平衡盾构工作原理及特点土压平衡盾构工作原理及特点 1、土压平衡盾构是在压缩空气盾构和泥浆盾构基础发展起来的盾构机，它适用范围广，污染小，是目前使用最多盾构机。 2、采用刀盘上的刀具切割下来的渣土经改良后成为密水性、流动性好的土压平衡支撑介质，即所谓渣土改良技术。 3、用于渣土改良的添加剂有泡沫、粘土、泡沫聚合物和膨润土，泡沫用之于粘性土体改良，泡沫聚合物、粘土和膨润土主要用之于含水量大的砂质土体改

12、良。 4、盾构机在不断地推进切土和螺旋机排土过程中保持土压平衡，即土压平衡技术。5、S266土压平衡盾构机外观土压平衡盾构机外观 6、土压平衡盾构的主要特点：、土压平衡盾构的主要特点： （1）在不良且富水的地层中施工时，盾构机土仓中以改良后的渣土为介质，在渣土仓中形成土压与开挖面上的水土压力保持平衡。 （2）在硬岩富水地层中施工时，可以向土仓中注入压空气止水的支撑平衡方式掘进。 （3）在硬岩含水地层中，土压平衡式盾构也可象TBM一样，实行敞开模式掘进。 （4）在确保施工隧道地面沉降不超过允许值时，为了节省动力和减少机器的磨损，土压平衡盾构机常设定为欠土压掘进。 （5）土压平衡掘进工作原理示意图

13、）土压平衡掘进工作原理示意图 思考题：简述土压平衡盾构原理、关键技术及优缺点。（6）开挖仓和螺旋输送机内渣土压力分布图（7）有开螺旋输送机（螺旋带开）（8） 土压平衡盾构机的适应土压平衡盾构机的适应地层地层范围范围 思考题：根据成都地铁人思考题：根据成都地铁人-天区间隧道地质条件，分别说明选用泥天区间隧道地质条件，分别说明选用泥浆盾构机和选用土压平衡盾构机施工的理由，在此基础上充分认识人浆盾构机和选用土压平衡盾构机施工的理由，在此基础上充分认识人-天区间现选用土压平衡盾构机的功能及施工中的重难点问题。天区间现选用土压平衡盾构机的功能及施工中的重难点问题。12345678911121013141

14、8171516192021232224251 刀盘2 前盾3 人舱4 超前注浆孔5 推进缸6 中盾7 铰接密封8 盾尾9 盾尾密封10 管片安装机11 管片12 保压泵碴装置13 螺旋输送机14 管片转运小车15 皮带输送机16 刀盘驱动马达17 主驱动减速箱18 主轴承19 单刃滚刀20 切刀21 刮刀22 中心滚刀23 仿形刀24 窄齿刀25 中心齿刀图中黄色表示开口部分（9）人）人-天区间盾构机的主要特点天区间盾构机的主要特点（1）刀盘采用中心支撑系统，十字形刀盘梁+面板结构，刀盘开口率28%左右。 （2）刀盘梁及刀盘面板上装有32把单刃滚刀，中心装有4把双刃滚刀，多把强力宽刮刀及边缘刮

15、刀等。 （3）盾构机根据0.30MPa的水土压力假设进行设计。 （4）盾尾处安装了3排钢线刷，每排线刷之间都注入盾尾润滑脂以保证良好的密水性。 盾尾刷、盾尾注脂管、同步注浆管的布置示意见下图。间距30 mm保护钢条管管片片尾密封护盾灌浆管道灌浆管道尾注脂管道紧急灌浆管道（10）双螺旋排土控制喷水涌沙双螺旋排土控制喷水涌沙人人-天区间土压平衡盾构天区间土压平衡盾构重型刀盘（11） 土压平衡式盾构的掘进技术土压平衡式盾构的掘进技术 开挖时，切割的渣土通过刀盘开口进入土仓，天然水或添加剂的水的混合物与渣土混合、搅拌，以改良碴土并设定平衡土压。 开挖过程中，通过螺旋输送机调节进碴量和排碴量的平衡，保持

16、设定的土压力稳定。 通过各种手段监测和控制盾构掘进姿态，始终确保盾构机在正确方向上掘进，以减小对周围土体的扰动，从而有效地控制地表隆降量。 盾尾的可靠密封和同步注浆技术使盾构通过后，不会因开挖直径与管背之间存有空隙而引起土体塌陷。 （12）土压平衡盾构渣土改良添加剂）土压平衡盾构渣土改良添加剂注入系统注入系统 （13）盾构管片拼装机）盾构管片拼装机 将预选管片运到并按次 序放置 在储存小车上， 方便管片拼装机提取。 管片拼装机械手必须具 备6个自由度（活动度）， 确保找到管片的准确位置 拼装。 机械手的起重能达5t以 上。机械手的操纵有无线 和有线操纵形式。管片拼 装机外观见下图。n 管片安装

17、机结构示意图管片安装机结构示意图（14）盾尾处的可靠密封及同步注浆）盾尾处的可靠密封及同步注浆 盾尾密封可将切割隧洞与拼装管片外圆组成的环形空间（宽140mm）隔开，是各种盾构的重要组成部分，从100多年前盾构机出现开始就不断地研究、改进，目前各厂家都采用这种钢丝刷+注脂密封方式。本机在盾尾设置3排密封刷，在密封刷之间的空间内压注密封油脂，封密压力可达1MPa。 本机采用三排密封刷结构形式，见下图。（15）同步注浆系统）同步注浆系统（16）同步注入双液浆泵）同步注入双液浆泵n图图3.9-5 QZB-75/6型液压泵型液压泵（17）激光导向系统）激光导向系统 （18） 盾构始发到达时方向控制应按

18、照始发、到达掘进的有关技术要求做好测量定位工作；切换刀盘转向时，切换速度不宜过快； 蛇行纠正时应缓慢进行；正确的管片选型，使端面尽可能与计划掘进方向垂直； 推进千斤顶油压调整不宜过快、过大等。激光导向系统指示图激光导向系统指示图 （19）刀具的破岩机理及保护设计刀具的破岩机理及保护设计 刀盘中可布置硬岩或软岩的刀具，其破岩机理如下： 盾构机采用滚刀进行滚压破碎硬岩，滚压破碎岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。 软岩的切削刀具主要是各种刮刀，它直接对土层进行刮切破坏来进行切削。 滚刀刀刃距刀盘面板的高度为175mm，各种类刮刀

19、距刀盘面板的高度为140mm，这样在硬岩地段可有效的保护刮刀。 （20）盾构机关键参数经验校核）盾构机关键参数经验校核 （1） 盾构机刀盘推力按经验公式计： F=Ax（950-1200）kN 式中A刀盘面积m2。 （2）盾构机刀盘扭矩T推荐按下式计算 T=D3（kNm） 。 式中： 刀具扭矩系数，土压平衡盾构1423 （3）刀盘驱动功率P按下式计算 PTxN/9555 式中： T 刀盘驱动最大额定扭矩（N. m） N刀盘最大额定扭矩时的转速（r/min） 作业：简要计算人作业：简要计算人-天区间盾构机的总推力、刀盘扭矩和刀天区间盾构机的总推力、刀盘扭矩和刀盘驱动功率的经验值。盘驱动功率的经验值

20、。2.5组合式盾构的工作原理及特点组合式盾构的工作原理及特点 1、组合盾构也称通用盾构，其机械原理和特殊的支撑方式在隧道开挖中依工程地质和水文地质条件的改便而变化。 2、组合1是压缩空气盾构与敞开式盾构的组合。 3、组合2是泥浆盾构与敞开式盾构的组合。 4、组合3是土压平衡式盾构与敞开式盾构的组合。 5、组合4是泥浆盾构和土压平衡式盾构的组合。 6、组合5是敞开式盾构和土压平衡式盾构再与土压平衡式盾构的组合。 7、1985年Wayss和Freytag与海端克公司共同申请了一台组合盾构专利，属泥浆盾构与土压平衡盾构的组合式盾构。8、它是用Wayss和Freytag公司的泥浆盾构采用独特的沉浸隔板

21、/压力仓板布置，可将泥浆盾构转换成土压平衡式盾构或压缩空气盾构的组合盾构。9、为了转换成不同运行模式的重要设计是刀盘的空心驱动装置和在球形大轴承上浮装的刀盘。9、组合盾构目前主要用于泥浆盾构和土压平衡式盾构、之间的组合。10、该盾构在德国杜伊斯堡地铁TA7标段和TA8a标段使用获得成功。11、多功能盾构也是组合式盾构，只是名称差异。它是一台泥浆盾构和土压平衡盾构之间的转换，将泥浆盾构的排泥管道拆除并安装螺旋输送机和皮带运输机即可。12、目前也有将TBM硬岩掘进机与土压平衡盾构机在隧道施工过程中实现功能的相互转换实例，增强了TBM的适应能力。 思考题：简述组合盾构及其特点。 特长隧道（15km以

22、上）施工中，请分析硬岩TBM与土压平衡盾构的组合可能条件？该组合有什么意义？2.6叶片盾构工作原理及特点 1、叶片盾构、叶片盾构是有特殊的盾壳设计，即盾壳前设有多片式插扳刀，可单片地或成组地向前推进插入土体，保护开挖作业安全和保持开挖面的稳定。 2、叶片盾构的工作面支撑通常遵循自然支撑原则，大直径盾构中采用多层中间平台。 3、由于叶片之间间隙的密封问题，则隧道地下水采用井点降水或者冻结法固结处理。 4、使用叶片盾构的隧道工程一般衬砌与开挖分开，因此，采用叶片盾构施工的隧道衬砌可使用下面三种衬砌形式。 （1）与现浇混凝土衬砌组合的叶片盾构 （2）与喷射混凝土衬砌组合的叶片盾构 （3）与挤压混凝土衬砌组合的叶片盾构2、7多工作面圆盾构的工作原理及特点多工作面圆盾构的工作原理及特点 1、多工作面圆盾构、多工作面圆盾构是由两个或更多塔接圆组成的特殊断面形式，便于用一台机器掘进两条或更多的隧道，如三圆盾构可将车站的上、下行隧洞及站台隧洞一次成型。 2、地铁区间上、下行隧道可采用一台双圆盾构，一次将两隧洞建成。 3、多圆盾构尽管工艺复杂，但其扁的几何形状断面是一个主要优点，所占空间小