城市地铁盾构施工技术及辅助施工工法

1、城市地铁盾构施工技术及辅助施工工法二一七年十二月目 录一、盾构机定义二、盾构法施工及其特点三、盾构隧道的历史及发展四、盾构机分类及型式五、盾构机造型六、典型盾构机介绍七、盾构配套设施八、盾构施工主要工序九、盾构盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工、具有金属外壳、壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、推进和管片安装等作业，而使隧道一次成型的工作机械。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、量测导向纠偏等功能。一、盾构机定义二、盾构法施工及其特点盾构机是一种既能支撑地层压力、又能在地层中掘进的施工机具

2、.盾构机头部可以安全地开挖地层 ,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。盾构机推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶。 以盾构为核心的建造隧道的施工方法称为盾构工法.盾构法施工优点安全性、高效率、危害小、环境影响小、经济性盾构法施工缺点重复利用率低、施工复杂、适用性受限、工作条件差、地表变形不易控制 二、盾构法施工及其特点盾构法施工的难点盾构机对地质变化高度敏感，地质适应性要求高。盾构机对维修保养要求高，重要部件更换难度大。在复杂地层，盾构机操作控制难度大。 盾构法施工对环境造成的不利影响仍不可避免。二、盾构法施工及其特点三、盾构隧道的历史及发展用盾构法修建隧道开始于1818年 ，法

3、国工程师布鲁诺尔；1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ；近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构 ； 上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大盾构；2010年开通的南京长江隧道，左右线盾构隧道的总长度为6042米，开挖直径14.96m，采用泥水平衡盾构机；上海长江隧道，2000年通车，隧道全长8.95公里，盾构一次性掘进距离长达7.5公里，盾构直径达15.43米 。三、盾构隧道的历史及发展 盾构机作为一种安全、快速的隧道掘进设备，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：以布鲁诺尔（1818年）盾

4、构为代表的初期盾构 ；以机械式、气压式、网格式盾构代表的第二代盾构；以闭胸式（土压式、泥水式）盾构为代表的第三代盾构； 以异形化、多功能、综合化为各自特色的第四代盾构。 盾构技术的发展1. 按断面形状分类单圆盾构；复圆盾构（双圆和三圆）；非圆盾构（椭圆形盾构、矩形、马蹄形、半圆形），也称异形盾构。四、 盾构机分类 双圆和多圆盾构四、 盾构机分类异型盾构四、 盾构机分类多联盾构四、 盾构机分类子母盾构四、 盾构机分类 转向盾构四、 盾构机分类2. 按盾构机的尺寸大小分类 按盾构机的尺寸大小，盾构机可分为超小型、小型、中型、大型、特大型、超特大型。超小型盾构系指D（直径）1m的盾构，小型盾构系指1

5、mD3.5m的盾构，中型盾构系指3.5mD6m的盾构，大型盾构系指6mD14m的盾构，特大型盾构系指14mD17m的盾构，超特大型盾构系指D17m的盾构四、盾构机的分类16四、盾构机的分类盾构机敞开式封闭式土压平衡式泥水平衡式纯土压平衡式加泥型土压平衡式（泡沫、膨润土等3. 按掘削面的挡土形式分类TBM和盾构机的具体区别？TBM分敞开式、单护盾式、双护盾式。TBM和盾构机的具体区别？1.适用的工程不一样，TBM用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。2.两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。3.TBM比盾构技术更先进，更复杂。 其实 TBM和盾构除了这些本质的差别外，笼统的来说，都是一样，都是隧道全断面

6、掘进。只是不同的工作环境应用不同的机械构造罢了。盾构机选型主要是确定盾构类型、外形尺寸、驱动形式、铰接方式、推力、扭矩、刀盘、刀具配置、开口率、密封方式、同步注浆配置、螺旋机功率等等。五、盾构机的选型20五、盾构机的选型 隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比较、地面施工场地大小等因素是盾构选型的基本依据。根据施工要求及地质条件作好盾构选型工作21五、盾构机的选型六、典型盾构介绍目前常用的盾构机可分为泥水加压式和土压平衡式两大类，遇到较复杂的地质情况也可采用混合式盾构机械。 泥水平衡盾构土压平衡盾构复合盾构1、土压平衡盾构优点成本低出土效率高适用土质地层范围广掘进中盾构机体的摆动小六、典

7、型盾构介绍土压平衡盾构机2、土压平衡盾构缺点掘削扭矩大地层沉降大直径不能过大六、典型盾构介绍土压平衡盾构机 通过挖掘下来土料作为稳定开挖面介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土室土料增加，再由螺旋输送机旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输料器出土量(旋转速度)进行调节。 土压平衡式盾构机适用于地层稳定性较好，地下水位不高的情况。 土压平衡式盾构机原理六、典型盾构介绍土压平衡盾构26土压平衡盾构机工作原理水 土压+ 压=土仓压力力 力 刀盘切削系统：位于切口环内，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑系统组成。 推进系统：由若干组推进千斤顶组成。 加泥与

8、注浆系统：外加泥或水与切削下来的密封舱内土体充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大沉降。螺旋输送机系统：将切削下来的土体输送到皮带机或编组列车内,是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键管片吊运系统。土压平衡盾构机的主要部件和系统结构介绍六、典型盾构介绍土压平衡盾构机管片拼装系统：用于隧道管片拼装. 由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。 盾尾密封系统：是盾构形成密封的关键,结构型式为三排二室钢丝刷等结构形式。 皮带运输机系统：用来输送土体。数据采集与监控系统：是盾构工作的控制系统. 可对挖掘数据

9、进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。后续台车系统：主要为盾构机各种后配套设备的台车编组。土压平衡盾构机的主要部件和系统结构六、典型盾构介绍土压平衡盾构机刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡平衡；土压传感器：控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速。排土量：由螺旋输送机的转速和出土闸门的开度来调节土压平衡盾构开挖面的稳定由下列各因素综合作用而维持：土仓内的土压力平衡地层压力和水压力。螺旋输送机调节排土量。适当保持泥土的流动性，根据需要调节添加剂的注入量 土仓内的泥土压力与地层压力与水压力。开挖面稳定机理六、典型盾构介绍土压平衡盾构机六、典型盾构介绍土压

10、平衡盾构机六、典型盾构介绍土压平衡盾构机六、典型盾构介绍土压平衡盾构机33隧道盾构掘进示意图开挖衬砌出土运输土压平衡盾构机(earth pressure balance EPB盾构) 一. 基本配置1.刀盘 刀具的三大功能：开挖功能、稳定功能、搅拌功能 土压平衡式盾构的刀盘有两种形式：板式面和辐条式，其中面板式安全性高，但易堵塞;辐条式开口率大，不易堵塞，但不能安装滚刀，安全性差，费用高，需加固土体。2.刀盘的驱动方式 变频电机驱动、液压驱动、定速电机驱动3.刀盘支承 中心支承方式（中小型盾构）、中间支承方式（中大型）、周边支承方式（小型盾构）六、典型盾构介绍土压平衡盾构机4.膨胀土添加系统和

11、泡沫系统5.螺旋输送机6.皮带输送机7.同步注浆系统 作用：防地表沉降、防水、与围岩一体8.盾尾密封系统 铰接式盾构：铰接密封、盾尾密封9.管片安装机：机械抓取式、真空吸盘式10.数据采集系统11.导向系统（VUT导向系统和PPS导向系统）六、典型盾构介绍土压平衡盾构机土压平衡盾构（面板式和辐条式）六、典型盾构介绍土压平衡盾构机泥水平衡盾构优点对地层的扰动小、沉降小适用于高地下水压，如江底、河底、海底隧道施工适用大直径盾构施工适用土质范围广掘进中盾构机体的摆动小六、典型盾构介绍泥水平衡盾构机泥水平衡盾构缺点成本高排土效率低地表施工占地面积大，并影响交通和市容不适于在硬粘土层中掘进不适于在砂卵石

12、地层中掘进六、典型盾构介绍泥水平衡盾构机利用泥水室的泥水压力来平衡切削面的土、水压力，切削下来的土体与泥水室内的泥水充分混合后,由泥水输送系统输送到泥水分离系统进行分离,废弃渣土,泥水经改良后,再次由管路输送回泥水室循环使用。 泥水平衡盾构机工作原理六、典型盾构介绍泥水平衡盾构机40泥水平衡盾构机工作原理水 土压+ 压=切口水压力 力与土压平衡盾构机相比，无加泥装置、螺旋输送机及其泥土输送编组列车等系统；但多了泥水分离系统和泥水输送管理系统,其他结构系统基本相同。 土压平衡盾构机的主要部件和系统结构六、典型盾构介绍泥水平衡盾构机采用盾构法掘进长距离隧道，会遇到复杂多变的地质条件，往往用一种类型

13、的盾构难以完成施工任务，因此出现了复合型盾构。 所谓复合型盾构，就是在软土盾构的刀盘上安装切削岩层的各式刀具，有的还在盾构内安装碎石机，这种硬岩开挖工具与软土隧道盾相机械相结合，能在硬岩和软土地层交替作业。复合型盾构刀盘上安装的刀具，应根据不同岩层条件而定。 软土地层：主要采用割刀，安装在刀盘进土槽口两侧； 硬岩地层：主要采用盘式滚刀，对于更坚硬的地层，应安装牙轮形和镶嵌碳化钨珠形的滚轮刀；软硬混合交替夹层：应采用不同形式的刮刀取代滚刀(如撕裂刀)，其开挖方法是刮下块状石块，使其对软塑土层更有效地开挖。 上述各种刀具，应能相互调换，以便随岩层的变化进行有效选择。 六、典型盾构介绍复合盾构机 泥

14、水加压型复合盾构 以泥水加压盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，对大块卵石、块石应在盾构内安装碎石机。当盾构在软土层施工时，可按封闭型泥水加压盾构进行施工；当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具即能快速转换成敞开型机械盾构施工，而碴土排送仍采用水力管道排送。 土压平衡型复合盾构 以土压平衡盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，当盾构在软土层施工时，可按封闭型土压平衡盾构进行施工；而当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具就能快速转换成敞开型机械盾构施工，为了排送尺寸较大的石块，可选用带式螺旋输送机. 敞开型复合盾构 以普通机械开挖盾构为基型，与硬岩开挖技术相结合，施工时只要

15、根据遇到的不同土层条件，及时转换安装适当的刀具，就能使施工继续进行。 复合型盾构主要有以下三种类型：六、典型盾构介绍复合盾构机 地面监控室浆液搅拌站龙门吊管片堆场碴土堆放场水平运输系统隧道通风系统隧道排水系统 七、盾构后配套设施盾构后配套设施主要有：配套设施 盾构的四大要素：1、开挖面稳定2、掘进及排土3、管片衬砌4、壁后注浆。 八、盾构法隧道施工盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、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8、盾构进入接井7、接收井洞口土体加固3、盾构机安装就位八、盾构法隧道施工1、土压力的平衡（开挖过程控制）2、进尺与出土量的平衡（即时控制）

16、3、注浆量与建筑孔隙量的平衡（填充控制）4、盾构掘进参数变化量的平衡（掘进参数控制）5、盾构与管片两者各项姿态间的平衡（轴线控制）通过盾构施工控制达到五种平衡状态八、盾构法隧道施工49盾构法隧道施工三阶段1 .盾构始发（出洞）阶段2 .盾构试掘进和正式掘进阶段 3 .盾构接收（进洞）阶段 八、盾构法隧道施工50(一 )、盾构始发(出洞)阶段 盾构始发（出洞）阶段是控制盾构掘进施工的首要环节。在盾构始发（出洞）前、后各项准备工作中需要做好充分的技术、人员、材料、设备准备，并对盾构是否具备出洞条件予以审查，确保盾构在安全可靠的前提下能顺利出洞。(一）、盾构始发(出洞)阶段 1. 盾构出洞土体加固针

17、对土体加固应重点关注以下三方面： 加固土体与地墙间隙封闭 加固土体的强度 加固土体的均匀性52（一）、盾构始发(出洞)阶段 2.盾构始发基座设置 盾构始发前需将盾构机准确的搁置在符合设计轴线的始发基座上，盾构始发基座应定位准确，固定牢固。53盾构机主体（全长8.5M)(一）、盾构始发(出洞)阶段54（一）、盾构始发(出洞)阶段 3.盾构机后盾支撑系统反力架安装 （一）、盾构始发(出洞)阶段 4.洞门围护结构凿除 56（一）、盾构始发(出洞)阶段5.盾构机始发(出洞)装置安装 57(二)、盾构试掘进和正式掘进阶段 盾构施工掘进两个阶段 1 . 100环试推进寻求最佳施工参数 2 . 正式掘进阶段

18、.58(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 盾构机施工参数管理 土压力 出土量 掘进速度 千斤顶推力 刀盘扭矩和转速(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 土压力管理 超土压掘进-地面隆起 欠土压掘进-地面沉降 土压平衡掘进- 零沉降(+10-30mm)规范要求60 出土量 进土量=出土量(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 不同地层条件下进尺与出土量的平衡（即时控制），及时进行土质状态记录与分析，并及时调整每环总出土量，保证掘进过程中进尺与出土量的对应统一。出碴控制(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 施工参数和开挖面稳定控制的好坏直接影响地表沉降大小、地下管线和地表建筑物的安全。因此施工中应对开挖面的稳定进

19、行严格控制。 为了保证盾构机顺畅排土，需对掘削下来的土砂加泥或加化学泡沫等添加剂以控制土仓内土砂的塑性、流动性处于适当的范围内，以保证盾构机能够顺畅排土。开挖面稳定控制(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段63 掘进速度 (二）、盾构试掘进和正式掘进阶段盾构施工中应根据实际土层地质、推力、刀具的扭矩、刀盘转速和周边环境等，确定掘进速度；盾构推进速度必须与同步注浆速度相匹配；盾构机设计推进速度为08cm/min之间；正常情况下，推进时速度宜控制在25cm/min之间；过重要建、构物等特殊区段时掘进速度宜控制在23cm/min，匀速推进；加固区内掘进以推力及刀盘扭矩控制为主，速度一般控制在1cm以内。盾

20、构外表面与四周地层的摩阻力；盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力；盾构切口部分刃口切入土层的阻力；盾构切口环切入土层时的正面阻力；开挖面正面支撑阻力；以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力板阻力等。 盾构推进过程中的阻力(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段65千斤顶推力/行程 3600T/2000mm千斤顶分组 4组(上下左右)(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段1. 渣土改良材料多为水、泡沫、膨润土、高分子聚合物等添加剂。2. 渣土改良的作用：（1）减少盾构机机械的磨损。（2）降低碴土的透水性。（3）改善土体的流动性。（4）降低切削土体内摩擦力，降低刀盘扭矩。3. 泡沫剂主要适用砂

21、性土层和粘土土层。4. 膨润土主要效果为改善渣土流动性，主要适用砂土土层。5. 高吸水性树脂主要效果为防止喷涌，适用于高水位或含水量高的砂土土层。碴土改良(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段67 规范规定允许偏差均为50mm 。 发现偏离应逐步纠正，不得猛纠硬调。 盾构掘进姿态控制(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 通过施工测量以及盾构设备的自动导向系统，实时取得盾构的当前姿态，再通过盾构操作系统调整掘进控制，使盾构姿态保持在要求的偏差范围内； 管片拼装前测量已经成环的管片姿态，根据盾构隧道曲线方向、推进千斤顶的行程差、盾尾间隙等条件合理选择管片类型，拼装过程中要注意保证管片的拼装质量满足要求。管理

22、重点：盾构姿态；成环管片姿态；管片选型。隧道轴线控制(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段1. 盾构姿态控制分为水平控制、竖直控制、盾构侧滚控制。2. 盾构施工轴线偏差应尽量保持在50mm以内，当轴线偏差超过30mm时，应分析原因并采取纠偏措施。3. 盾构掘进姿态控制主要通过调整4个区域千斤顶的推力及油压，调整四个区域千斤顶的使用数量，形成推力差来达到纠偏目的。4若通过调整千斤顶压力无法满足纠偏要求，还可采用粘贴石棉片和拼装转弯环的方式调整管片法面、盾尾间隙，从而达到纠偏的效果。盾构纠偏要随偏随纠、勤纠小纠，必须防止过量纠偏而损坏已拼装管片和盾尾密封。5. 若发现盾构机侧滚较大，及时采用改变盾构刀盘

23、旋转方向、施加反向旋转力矩的方法，纠正滚动偏差。6. 推进过程中如出现盾构姿态、管片法面、盾尾间隙均不理想时，应优先保证盾尾间隙，再调整管片法面，最后为盾构机姿态。盾构姿态控制与纠偏(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段CCR盾构掘进纠偏施工过程已建隧道设计轴线盾构机纠偏曲线盾构方位纠偏曲线隧道(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 止水条安装 根据管片接缝防水设计要求一般需粘贴防水密封垫。(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段拼装型式一般有通缝拼装、半错缝拼装和全错缝拼装三种类型。纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理。 纵缝互相错开的 称错缝，其优点

24、在于能加强圆环接缝刚度，使圆形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错缝拼装容易使管片顶碎。半错缝拼装，即封顶块一般位于隧道拱顶正上方侧方，两侧相互交替，隧道线型拟合也是通过直线环与左右转弯环的组合实现。全错缝拼装，即管片均为通用楔形环，利用楔形环的钟点特征（不同点位下管片楔形量的变化），16个点位选点组合来实现隧道线型拟合。(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段管片选型原则正常情况盾构机沿着设计轴线走，管片随着盾构机走，线形控制为首要工作内容。特殊情况下盾构机掘进要保护管片，同时注意隧道不能超限；盾尾间隙控制为主，线形控制可以为辅，全面考虑，统筹抉择。也就是所谓盾构随着管片走。

25、(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段74 管片拼装控制 管片拼装是盾构法施工的关键工序，质量好坏直接影响到隧道结构的安全和使用功能。 1.安装前对管片安装区进行清理，保证安装区及管片相接面的清洁。 2. 管片拼装应按工艺要求逐块进行。必须由下而上，左右对称，按标准块邻接块封顶块的顺序进行。 3. 千斤顶应按拼装管片的顺序相应缩回。 4. 管片拼装结束后，及时拧紧螺栓。推进下一环时及管片脱出台车架后，必须再复拧一次。(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段75隧道管片拼装现场(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 同步注浆作业 同步注浆的作用：填充管片周围的空隙， 稳定管片外侧土体控制管片及地表沉降增强隧道的防水

26、功能注浆量：理论缝隙量1.52倍注浆压力 为0.10.3MPA同步注浆浆液类型主要有惰性浆液、可硬性浆液及新型浆液厚浆三种(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 地表沉降控制是盾构施工的重点，及时的进行壁后注浆是有效控制地表沉降的措施之一。在壁后注浆施工中，采取以注入压力控制为主，兼顾注入量的方法进行注浆管理。注浆参数控制-注浆压力及注浆量平衡注浆材料选用 浆液应具备以下性能： 1.具有良好的长时间稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。 2.具有良好的充填性能。 3.在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。 4.浆液在地下水环境中，不易产生稀释

27、现象。 5.浆液固结后收缩率小，泌水率低。 6.原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。 7.浆液无公害，价格合理。 79同步注浆材料及配比三种类型浆液配合比 浆液类型水泥粉煤灰黄砂膨润土水硝石灰减水剂惰性浆液040066810034000可硬性浆液505127265050000厚浆03001180502852853注浆材料选用 二次注浆作业 二次注浆的作用：补足同步注浆未充填的部分补充同步注浆收缩引起的体积减小以防止周围地层松弛范围扩大为目的的补充一般采用水泥浆液，必要时采用化学浆液二次注浆从管片的吊装孔施作二次注浆以控制沉降、保护周边建筑物为目的时，要多次、少量(二）

28、、盾构试掘进和正式掘进阶段 在施工中实时进行施工数据采集，建立完善的信息化施工模式： 1、盾构机掘进参数的采集 2、盾构机导向数据的采集 3、施工监测系统 4、人工控制测量数据 盾构施工类似工厂流水线作业，施工中要求各环节紧密衔接，任何一道工序发生滞后，都将直接影响施工工效，或导致施工停止。因此应进行信息化施工管理，收集各阶段的施工参数，通过分析、归纳，在施工中不断对各种参数的设定进行优化，将会提高施工的质量、效率。盾构掘进参数控制-即信息化施工82(二）、盾构试掘进和正式掘进阶段 1.盾构小半径曲线施工（规范要求曲率半径小于300m ，实际施工中，当地铁隧道曲率半径小于450m时，均要按小半径曲