盾构机掘进控制技术

盾构掘进控制技术一、盾构基本工作简述1、盾构机描述盾构是一个具备多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。不同形式的盾构其主机结构特点及配套设施也是不同的，对盾构来说，盾构施工的过程也就是这些功能综合作用、合理运用的过程。一、盾构基本工作简述①刀盘②土仓③螺旋输送机④土仓隔板⑤推进油缸⑥衬砌管片⑦盾尾密封刷2、土压平衡盾构基本工作状态土压平衡式盾构的基本原理，由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土仓，土仓内的泥土与掌子面水土压力取得平衡的同时由螺旋输送机出土，通过控制螺旋输送机转速使出土速度与刀盘掘削速度相匹配，持续保持压力平衡并连续出土。土压平衡关键参数即为土仓压力的确定，一般取1.2P0，但土仓压力P<Pk时，地表下沉，当P>Pp时，地表隆起。碴土改良、碴土管理、掘进参数管理、同步注浆、刀具管理等。土压平衡盾构可节省泥水盾构中所必须的泥水平衡及泥水处理装置的大量费用，主要适用于粘性土或有一定粘性的粉砂土。现已有加水或加泥、加泡沫的新型土压平衡盾构，使用范围更加广泛。一、盾构基本工作简述3、土压平衡盾构的三种掘进模式根据地质条件、水位和压力情况，盾构机有敞开、闭合（EPB式）和半敞开三种掘进模式。敞开式：在前方掌子面足够稳定并且涌水能够被控制，可以采用“敞开式”作业。半敞开式：用于含水，且水压为1～1.5bar，掌子面可以稳定的地层中。半敞开式作业时隧道掘进速度近似于敞开式作业。EPB模式：用于围岩不稳定、水压压力高、水量大时。采用EPB模式施工时，可以用泡沫系统改善碴土的流动情况。1、控制系统二、盾构主要系统及功能控制系统为盾构的中枢神经系统，它通过各种传感器、PLC以及控制电脑收集、处理各项数据，并按照操作要求发出指令。使盾构按照掘进司机的意图进行掘进作业。主控制室工业控制电脑方向控制电脑二、盾构主要系统及功能开口率：28％中心刀：6把（双刃盘型中心刀×3）正滚刀：16把双刃盘型刮刀：16把切刀：64把四环扩孔刀：1把开口率：34％中心刀：8把（双刃盘型中心刀×4）正滚刀：31把单刃盘型滚刀刮刀：16把切刀：64把四环扩孔刀：1把盘形滚刀圆弧刮刀齿刀目前盾构使用较多的两种刀盘型式2、刀盘与刀具人员仓是在土仓保压期间，人员出入土仓进行维修和检查的转换通道，出入土仓的工具和材料也由此通过。其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能够保持土仓中的土压人员仓包括主仓和准备仓，准备仓和主仓横向连接，准备仓的作用是准备作业需要的材料和工具等，也可作为出现紧急情况时人员出入通道。三、盾构主要系统及功能3、人仓系统人仓结构二、盾构主要系统及功能管片安装机安装在盾尾，由一对举重油缸、大回转机构(200度)、抓取机构（或真空吸盘）和平移机构等组成。管片安装机通过这些机构的协同动作把管片安装到准确的位置。隧道支护即为管片拼装。管片吊机将预制好、运抵后配套拖车的管片砼，吊运到管片转运小车上，由管片转运小车将管片送至管片安装机下部，管片安装机抓取管片，旋转拼装成形。4、管片安装机构管片小车管片安装机二、盾构主要系统及功能盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力。推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区域分为五组（也有分四组的，或不等数量油缸分组），每组六个油缸。通过调整每组油缸的不同推进速度（通过调整油压实现）来对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。5、推进系统推进油缸分布右转向，左大右小上坡，下大上小6、出碴系统二、盾构主要系统及功能螺旋输送机安装于前体的底部，螺旋输送机从隔板到拖车沿中心线的上仰角约为23°。在掘进时，开挖的碴土在底部。刀盘切削到土仓内的碴土，先由泡沫泵注入泡沫，改良碴土的流动性，然后由螺旋输送从土仓内输出到皮带输送机上，再由皮带输送机将碴土输送到后配套后端的编组碴土车中。二、盾构主要系统及功能

盾构的液压系统包括主驱动、推进系统（包括铰接系统）、螺旋输送机、管片安装机及辅助液压系统。主驱动系统和螺旋输送机液压系统共用一个泵站，安装在二号拖车上。主驱动系统和螺旋输送机液压系统各自为一个独立的闭式循环系统，这样可以保证液压系统的高效率及系统的清洁。推进系统和管片安装机泵站安装在盾壳内。7、液压驱动系统液压系统主轴承及驱动马达二、盾构主要系统及功能8、注脂系统注脂泵站

注脂系统包括三大部分：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量（次／分），并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。

二、盾构主要系统及功能盾构机配有两套碴土改良系统：泡沫系统和膨润土系统。两者共用一套输送管路，在1号拖车处相接。1．泡沫系统盾构机配有一套泡沫发生系统，用于对碴土进行改良。泡沫系统主要由泡沫泵、高压水泵、电磁流量阀、泡沫发生器、压力传感器、管路组成。（粘性土层）2．膨润土系统盾构机还配有一套膨润土注入系统。在确定不使用泡沫剂的情况下，关闭泡沫输送管道，同时将膨润土输送管道打开，通过输送泵将膨润土压入刀盘、碴仓和螺旋输送机内，达到改良碴土地目的。根据实际需要，可以把膨润土箱内装入泥浆注入土仓内。（砂层、地下水丰富地段）9、碴土改良系统管路图泡沫泵站膨润土泵站二、盾构主要系统及功能盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。注浆泵10、注浆系统11、激光导向系统激光导向系统提供盾构机的三维坐标和定向的连续的动态信息。由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表格显示出来，使盾构机的位置一目了然。操作人员可以及时的根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，保证盾构掘进方向的正确。

二、盾构主要系统及功能二、盾构主要系统及功能激光导向工作情况演示PDV数据采集系统可采集、处理、储存、显示、评估与盾构机有关的数据。所有测量数据都通过被时钟脉冲控制的测量传感器连续的采集和显示。所有必须记录的测量值都以图形的形式显示在PDV的监测器上。屏幕上的每个内容均按功能分组如下：

●掘进●螺旋输送机/（泥水管线）/泡沫●油脂/注浆●温度●其它●错误信息

掘进司机可在这些屏幕页之间切换并从中获取需要的数据。通过PDV数据采集系统收集到的信息，可以实现对盾构机状态的实时信息化管理。通过互联网、电话拔号网以及PDV的计算机可以将当前的盾构机掘进状态数据传送至业主、监理、设计及施工等相关部门，为整个工程的信息化管理提供重要信息来源。二、盾构主要系统及功能12、PDV数据采集系统数据采集系统构成示意图

其它配套系统主要指配合盾构机施工的出碴（相对于土压平衡盾构机）、进料的垂直、水平运输系统和背衬同步注浆浆液制备系统等。出碴进料水平运输系统一般采用电瓶机车牵引编组列车有轨运输进行，编组列车一般包括碴车（泥水平衡盾构机不需要）、砂浆车和管片运输车等。垂直运输系统一般采用大吨位门式起重机进行。泥水平衡盾构机还需配备满足施工要求的泥水分离系统。13、其它辅助设备三、盾构主要系统及功能泥水分离系统水平运输列车碴车砂浆站牵引机车垂直运输门吊1、盾构机主控室操作面板介绍三、盾构操作技术1）电机及液压泵起动控制2）刀盘旋转控制3）出碴系统控制4）推进油缸分组控制5）泡沫、油指注入系统控制6）其它设置或参考数据三、盾构操作技术电机及液压泵的起动顺序：先风水，再辅助，最后主驱动三、盾构操作技术三、盾构操作技术三、盾构操作技术2、盾构主司机掘进前的注意事项1）水、风2）液压油3）泡沫、油脂4）电缆5）砂浆6）轨道三、盾构操作技术3、盾构掘进过程中的注意事项1）盾构机姿态2）刀盘扭矩3）推力4）螺旋机扭矩5）速度6）碴土温度7）土仓压力三、盾构操作技术4、盾构掘进完成后的注意事项1）伸缩油缸的压力2）土仓压力3）出碴量三、盾构操作技术5、盾构掘进的一般情况1）掘进速度V：V<15mm/min微风化或中风化岩层

15mm/min<V>35mm/min强风化岩层

V>35mm/min黏土或砂层2）刀盘扭矩

P<160Bar强风化岩层或黏土或砂层

P>180Bar微风化或中风化岩层3）出碴状态

连续、流塑状

泥水分离三、盾构操作技术6、盾构掘进中异常的情况1）如果掘进当环地质为6#、7#地层，推力800T，刀盘扭矩170bar，，土仓上部压力(5#)为0.4bar，螺旋机正常旋转出碴，掘进速度30mm/min。当掘进到1000mm时，突然出现土仓上部压力(5#)迅速上升，上升到0.9bar时放慢。为什么会出现这样的情况？此时应该采取那些措施？2）如果在掘进较硬的地层(如8#、9#)时，刀盘扭矩波动最大达40bar，出的碴土以碎石为主，偶乐也有较大的石块。此时对掘进速度有什么要求？该如何选择掘进参数？为什么？3）如果掘进时，土仓压力达1.6bar，刀盘扭矩190bar，刀盘转速1.80r/min，碴土温度50度左右，掘进速度V<10mm/min。应如何选择/调整掘进参数？什么的情况会出现这样的现象？4）当碰到掘进喷碴时，如何控制掘进与出碴的关系？如何保证不多出碴？四、深大银桦斋地表塌陷险情分析1、工程概况

深大－桃园区间隧道为浅埋至深埋，CK21+000～CK21+800隧道上方地面有建筑物，层高2～8层。其中区间盾构段下穿建筑物有粤海门公寓（8层）、粤海门村家属楼（2～3层）、深圳大学银桦斋（6层）、深大医院（3～4层）、深圳大学学生活动中心（2～3层）、深大教学楼（4层）、办公楼（6层），这些既有建筑物均为浅基础，盾构施工时必须确保既有建筑物的安全。其他建筑物位于隧道上方的两侧。四、深大银桦斋地表塌陷险情分析四、深大银桦斋地表塌陷险情分析2、塌陷情况

2008年8月21日晚10：00，深圳地铁1号线3标左线盾构机掘进到第205环时，地面建筑深大银桦斋附近发生塌陷。塌陷处位于刀盘上方，塌陷坑内有电缆、钻机和直径100mm的供水管，供水管在塌陷处断裂并一直在往塌陷处流水。刚发现塌陷时，塌陷范围为直径2m、深1.5m的坑洞，后扩展为直径4.5m、深3m的坑洞。塌陷地面位置距深大银桦斋宿舍楼边角约1m，此建筑物为6层学生宿舍楼，基础为箱形基础，基础埋深2.6米，修建于1988年。盾构隧顶埋深11米左右，塌陷的洞身为砾质粘性土，洞身下方靠近刀盘中心处存在孤石，隧顶上方从下到上依次为砾质粘性土、素填土。四、深大银桦斋地表塌陷险情分析四、深大银桦斋地表塌陷险情分析

8月21日晚上10：50分发现深大银桦斋附近出现一处塌陷，此塌陷处位于刀盘上方。塌陷坑内有电缆、钻孔时没及时运走的钻机和直径100mm的供水管（断裂），11点50左右供水管水源被关闭。凌晨2：40分左右完成混凝土填充，共计填充混凝土86方，上部1.2米采用土方回填。8月23日下午14：25发生第二次塌陷，塌陷面积2平方米，发生塌陷后立即采取混凝土回填措施，共回填6方混凝土。四、深大银桦斋地表塌陷险情分析四、深大银桦斋地表塌陷险情分析3、塌陷前盾构施工情况

8月17日，左线盾构掘进第203环到1377mm左右时，发现遇到孤石，此时掘进速度在5-8mm/min，推进到1455mm时，盾构机已无法前进。掘进时，可间断的听到土仓内有尖锐的声音，且转动刀盘时震动很大，地面建筑物深大银桦斋及地表道路有明显震感。经分析，此处存在孤石，且刀盘正面刀具全部为齿刀（羊角刀），无法破岩。经讨论，于8月20日开仓检查孤石情况及更换刀具。开仓后，发现刀盘正前方形成一个坍塌的空腔，空腔最大处离刀盘约1米左右，刀盘下部约1/3被泥浆盖住，无法判断被泥浆盖住的地方有无孤石。因地质不良，更换8把正面双刃滚刀后关仓恢得掘进。四、深大银桦斋地表塌陷险情分析四、深大银桦斋地表塌陷险情分析4、塌陷原因分析及预控措施

1）出碴量失控，严重超挖；

2）工序转换施工参数未及时调整；

3）地表监测未能有效反映沉降量；

4）刀盘破孤石对地层扰动，自稳性差；1）有效碴土控制管理

碴土的改良根据地层、地质情况确定控制的每环出碴量出碴量与掘进速度、掘进进尺的匹配控制的手段四、深大银桦斋地表塌陷险情分析喷涌易发生的地层及危害喷沙、喷泥和喷水开挖面失稳，地层塌陷压力失控，无法施工粘性土层易出现的问题

不能出土；扭矩、推力上升

土粘性大，流动性差

加剧刀盘、刀头磨损闭塞严重时，无法施工四、深大银桦斋地表塌陷险情分析理论出碴量及实际出碴量与地层的关系每环理论出碴理的计算：

Q环=π/4×(D2H)k=3.14/4×6.282

×1.5×1.6=74.3m3式中：盾构开挖截面D=6.28m，每环掘进H=1.5m，碴土松散系数k=1.6盾构掘进出碴一般采用编组碴车出碴，每组有5个碴车，每个碴车装碴约18m3

，即一列编组能装碴约90m3