盾构法施工的特点及盾构机选型

盾构法施工的特点及盾构机选型

盾构及掘进技术国家重点实验室

2017年3月盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室

汇报提纲一

盾构的起源及发展概述

二

盾构法施工的特点

三

盾构法施工工艺流程

四

盾构机工作原理简介

五

盾构机选型2盾构及掘进技术国家重点实验室3一

盾构的起源及发展概述盾构及掘进技术国家重点实验室1.盾构的起源和发展

1818年，法国的工程师布鲁诺尔(M.I.Brune1)受船蛆钻孔原理的启发，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，布鲁诺尔是盾构隧道的发明人，并于1825年在伦敦泰晤士河下构筑出世界首条矩形盾构工法隧道。在此后一百多年间里，因盾构机掘进速度快、质量优、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点，相继在美、法、德、日和苏联等发达国家获得了广泛应用，盾构制造设计技术和盾构工法也随之日趋成熟。盾构法隧道首创者布鲁诺尔（M.I.Brunel）

4盾构及掘进技术国家重点实验室

1825年，马克•布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m，

宽11.4m的矩形盾构修建第一条盾构法隧道。

矩形盾构由多个邻接的框架组成，每一个框架分成若干个工作舱，每

个舱可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。

每个工作舱都牢固地装在盾壳上，当掘进完一段隧道后，由螺杆将鞍

型框架向前推进，紧接着后部砌砖。

施工中遇到了坍方和水淹，1828年1月12日，第一次出现洪水停工,

在

经历了5次特大洪水后，历经18年直到1843年才完成了这条全长458m

的隧道。（6人）5盾构及掘进技术国家重点实验室

1869年，英国人詹尼斯•亨利•格瑞海德（Janes

Heary

Greathead）用圆

形盾构再次在泰晤士河底修建了一条外径为2.18m，长402m的隧道，

并第一次采用了铸铁管片。

1874年，詹尼斯•亨利•格瑞海德（Janes

Heary

Greathead）开发了液体

支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，土料以泥浆的形成排出。

（泥

水盾构的雏形）6泥水盾构的雏形圆形盾构盾构及掘进技术国家重点实验室

第一个机械化盾构的专利是1876年英国人约翰•荻克英森•布伦敦（John

Dickinson

Brunton）和姬奥基•布伦敦（George

Brunton）申请的专利。

这台盾构采用了半球形旋转刀盘，开挖土碴落入径向装在刀盘上的料

斗中，料斗将土碴转运到皮带输送机上。

1896年，英国人普莱斯（Price）开发了一种幅条式刀盘机械化盾构，

并于1897年起成功地应用在伦敦的粘土地层施工中。它第一次将格瑞

海德圆形盾构与旋转刀盘结合在一起，在幅条式刀盘上装有切削工具，

刀盘通过一根长轴由电机驱动。7盾构及掘进技术国家重点实验室

1896年，德国人哈姬（Haag）在柏林为第一台德国盾构申请了专利。

这是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖仓密封作为压力仓的盾构。

1964年英国摩特·亥（Mott·Hay）和安德森（Anderson）及约翰·巴勒特

（John·Bartlett）申请了泥水加压平衡盾构的专利。

1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用，

这台盾构由三菱公司制造，其直径3.1m。8盾构及掘进技术国家重点实验室

1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用，该盾构由日本IHI（石川

岛播磨）公司制造，其外径为3.72m。9盾构及掘进技术国家重点实验室国外盾构经历了四个发展阶段：一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化为特色的第四代盾构。10盾构及掘进技术国家重点实验室一、手掘式盾构11

日本三菱10.92m手掘式盾构

该盾构具有液压式伸缩工作搁架和用于机械支撑工作面的胸板，可由上而下进行开挖，并按顺序调换正面支撑千斤顶。开挖出来的土从下半部用皮带运输机装入出土车，其开挖土方量为全部隧道排土量。手掘式盾构形成的断面，既可以是圆形，也可以是矩形或马蹄形盾构及掘进技术国家重点实验室12手掘式盾构特点（1）适用范围广，从砂性土到粘性土地层均能适用。（2）由于正面是敞开的，便于观察地层和清除障碍，易于纠偏，但若遇正面坍方，会危及人身及工程安全。（3）盾构造价低廉，发生故障也少，但掘进速度较低、效率低、劳动强度大、噪声大、劳务费用高。

目前，由于不依靠辅助施工的闭

胸式盾构的广泛使用，除个别特

殊场合（如采用机械化或半机械

化盾构掘进不经济的短程隧道、

开挖面有巨大砾石等障碍物）和

部分发展中国家外，手掘式盾构

已基本被淘汰。

伦敦泰晤士河‐布鲁诺尔盾构及掘进技术国家重点实验室二、机械式、气压式盾构13

与手掘式盾构相比，机械式盾构造价高，不宜用于短隧道。机械式盾构与手掘式盾构主要用于开挖面以自稳的洪积地层中；对开挖不易自稳的冲积地层也应结合压气施工、地下降水、注浆加固等辅助工法使用，目前也已基本被淘汰。盾构及掘进技术国家重点实验室三、闭胸式盾构14

主要以泥水式、土压式盾构为代表的第三代盾构盾构及掘进技术国家重点实验室四、大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构15

φ17.52

m土压盾构

美国西雅图正在修建一条长2.8

Km的超大直径地下道路隧道，把原高架道路改为地下道路，为上下双层二来二去四车道隧道。盾构隧道直径为φ16.5

m，采用了日本日立造船公司制造的φ17.52

m土压盾构掘进施工，该盾构是世界最大土压平衡盾构。盾构及掘进技术国家重点实验室16φ17.6

m泥水平衡盾构大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构

我国香港屯门—赤蜡角长

4.2km海底公路隧道工程（隧

底水压达0.5MPa）再次打破盾

构直径记录。这台混合盾构直

径为17.6m，该盾构是目前世界最大泥水平衡盾构拟建的白令海峡海底隧道长103

Km，可以从俄罗斯的西伯利亚连接美国的阿拉斯加。海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道，海底隧道将由俄罗斯和美国、加拿大共同修建，拟采用φ19.2

m盾构掘进机施工。隧道建成后将形成从伦敦到纽约跨越四分之三个地球的终极铁路盾构及掘进技术国家重点实验室2.我国盾构机的发展历程

我国盾构的开发与应用始于1953年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。17盾构及掘进技术国家重点实验室

1965年3月，江南造船厂制造了2台直径5.8m的网格挤压盾构。

1966年5月，中国第一条水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工

程由江南造船厂制造的直径10.22m网格挤压盾构施工。18盾构及掘进技术国家重点实验室

1986年，中铁隧道集团开始研制半断面插刀盾构，并成功用于修建北

京地铁复兴门折返线。

半断面插刀盾构在盾构壳体和尾板的保护下，进行地铁隧道上半断面

的开挖。19盾构及掘进技术国家重点实验室

1987年，上海隧道股份研制了一台φ4.35m加泥式土压平衡盾构

。

1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国

FCB公司制造的φ6.34m土压平衡盾构。20盾构及掘进技术国家重点实验室

1996年，上海延安东路隧道南线工程，总长1300m，采用从日本引进

的11.22m泥水加压平衡盾构施工。21盾构及掘进技术国家重点实验室

2001年，国家科技部将盾构国产化列入国家“863”计划。

2004年7月15日，中铁隧道集团研制的刀盘及刀具、液压系统成功用于

上海地铁2号线进行工业试验

。

2004年10月下旬，上海隧道工程股份有限公司制造了一台φ

6.3m土压

平衡盾构（先行号）应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。22先行号土压盾构中铁隧道集团研制的上海地铁2号线刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室

2005年12月，中铁隧道集团又研制出了适用于北京地铁砂砾复杂地层

的土压平衡盾构刀盘，并成功应用于北京地铁4号线19标颐和园～圆明

园区间。23北京地铁刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室

中铁隧道集团有限公司承担了国家863课题“大直径泥水盾构消化吸收

与设计”，完成了国外大直径泥水盾构技术的消化吸收，

设计了9m

的泥水盾构，完成了泥水盾构控制系统模拟试验台的设计和制造，模

拟盾构直径为2.5m，是具有自主知识产权的国内唯一的实物模拟盾构

试验平台。24盾构及掘进技术国家重点实验室

2008年4月，中铁隧道集团完成863课题“复合盾构样机的研制”，成

功研制了国内首台复合盾构。25盾构及掘进技术国家重点实验室尤其值得一提的是，随着盾构制造技术的发展和隧道施工技术水平的提高我国在大直径的盾构建设中积累了丰富的经验：

上海上中路隧采用了1台φ14.89m泥水盾构；

上海长江隧道采用了2台φ15.43m泥水盾构；

南京纬七路长江隧道采用2台φ14.9m泥水盾构；

上海外滩道路隧道采用1台φ14.27m土压盾构；

杭州钱江隧道采用1台φ15.43m泥水盾构；

上海长江西路隧道采用1台φ15.43m泥水盾构；

上海虹梅南路隧道采用1台φ14.9m泥水盾构；

南京纬三路长江隧道采用2台φ14.9m泥水盾构；

扬州瘦西湖隧道采用1台φ14.9m泥水盾构；

汕头苏埃通道工程采用2台φ

15.06m泥水盾构26盾构及掘进技术国家重点实验室27盾构及掘进技术国家重点实验室3.我国盾构产业化发展情况及面临问题

城市化进程的不断推进促进了我国盾构产业化的发展，截止2015年，全国39个城市正在建设地铁。保守估计截止至21世纪中叶，中国至少有20个城市将逐步建成多平面多层次的城市高速交通网络

北京、上海、广州等城市在已经开通运营多条地铁线的基础上，仍以每年数百亿元的投资速度推进。以北京市为例，北京市城市轨道交通2020年线网由30条线组成，总长度为1177公里；远景年线网由35条线路组成，总长度1524公里；2015～2021年将建设12个项目，总长度262.9公里，计划总投资为2122.8亿元。28盾构及掘进技术国家重点实验室（1）盾构装备制造领域

在巨大的盾构市场需求拉动下，国内盾构制造企业迅速崛起。

国内已有中铁工程装备集团有限公司（简称“中铁装备”）、中国铁

建重工有限公司（简称“铁建重工”）、上海隧道工程股份有限公司

机械制造分公司（简称“上海隧道”）、中交天和机械有限公司（简

称“中交天和”）、北方重工、三一重工、大连重工-起重、二重、广

重、北京华隧通、首钢、天地重工、杭州锅炉厂、上海沪东厂、上海

重型机器厂、资阳南车集团、江苏凯宫隧道、安徽凯盛重工、重庆大

安重型钢结构公司等近30家企业涉足盾构制造业。

其中最具竞争优势的是中铁装备、铁建重工、上海隧道、中交天和4家

企业29盾构及掘进技术国家重点实验室

中铁装备：盾构年产100台套，先后被列入国家火炬计划高新技术产业，

工信部品牌培育示范企业，以及河南省10家创新方法示范企业，50家

重点培育的装备制造企业，盾构TBM市场占有率连续3年保持国内第一，

建有“河南省盾构成套装备工程技术研究中心，”参与建设“盾构及

掘进技术国家重点实验室”。30盾构及掘进技术国家重点实验室

铁建重工：盾构年产100台套，在湖南长沙、株洲、四川隆昌、甘肃兰

州、新疆乌鲁木齐等地建立了多个制造基地，在长沙、北京、兰州等

地建立了11个研究院，先后多次承担和参与国家“863”计划、国家科

技支撑计划项目、国家重点新产品计划及多个省市科技重大专项，率

先在隧道装备行业中通过国家级企业技术中心认定，组建了“国家级

企业技术中心”和湖南省地下掘进装备工程技术研究中心”。31盾构及掘进技术国家重点实验室

中交天和：中国交通建设有限公司成员公司，2010年4月建址江苏常熟，

具备年产盾构40台套的生产能力；江苏省高速技术企业，建有“江苏

省盾构关键技术工程技术研究中心”。

北方重工：盾构年产50台套，2007年并购法国NFM公司后，成为跨国

经营企业，建有“全断面掘进机国家重点实验室”。32盾构及掘进技术国家重点实验室（2）盾构施工领域

在国内盾构施工领域中，中铁隧道集团有限公司是国内盾构机保有数

量和涉及制造商最多、种类最齐全的专业集团，使用的盾构主要有中

铁装备、海瑞克、NFM、小松、罗威特、维尔特、铁建重工等品牌。

中铁隧道集团有限公司盾构包括用于武汉长江公路隧道；北京铁路地

下直径线隧道；广深港铁路客运专线狮子洋隧道使用的大直径泥水盾

构；长株潭城际铁路湘江隧道使用的大直径土压平衡盾构；北京、广

州、深圳、成都、重庆、长沙、武汉、西安、郑州、杭州、天津、沈

阳等城市地铁使用的土压平衡盾构或泥水盾构等。

中铁隧道集团有限公司目前各品牌盾构保有共计70台（不含TBM）。33盾构及掘进技术国家重点实验室34（3）盾构行业发展面临问题

20世纪60~80年代盾构工法逐渐发展完善，国际上产生了多种新型盾构工法，并以泥水式、土压式盾构工法为主。这期间国内盾构技术也获得了快速发展，部分技术指标接近或达到国际同类水平。虽然我国的隧道及地下工程建设取得了很大的成就，但在环境保护、地下空间资源开发的管理、施工管理信息化水平、盾构基础理论研究、关键零部件国产化研究和盾构前沿技术研究方面存在一些亟待解决的问题，具体表现在：

（1）地下空间资源开发管理问题突出，地下空间资源开发建设没有统一

规划。

（2）盾构相关基础理论知识薄弱，缺乏准确可靠的理论分析计算方法和

模型。

（3）缺乏系统的符合中国国情的设备适应性设计理论。

（4）整体装备水平低，关键零部件及软件系统无法自主加工（或开发）。

（5）信息化建设水平落后。盾构及掘进技术国家重点实验室354.盾构机的分类

按断面形状分类

盾构根据其断面形状可分为：单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”盾构及掘进技术国家重点实验室

中铁工程装备集团有限公司为蒙华铁路白城隧道制造的马蹄形盾构，

盾构刀盘呈倒“U”形，远观形似马蹄而因此得名。该台马蹄形盾构刀

盘高10.95

m、宽11.9

m。36构盾构及掘进技术国家重点实验室37盾构直径4.盾构机的分类

0.2~2m

2~4.2m

4.2~7m

7~12m12m以上微型盾构小型盾构

一般的城市中型盾构

地铁

长株潭城际大型盾构

铁路

佛莞城际铁超大型盾

路新狮子洋

隧道现在也有将φ14m的盾构机叫作大直径盾构机，将φ（16~17）m级的叫作超大直径盾构机盾构及掘进技术国家重点实验室佛莞城际铁路项目泥水盾构，开挖直径13.6m38盾构及掘进技术国家重点实验室日本东京湾海底隧道工程

世界上第一个直径大于φ14m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程。隧道长9.4

Km，采用8台φ14.14

m泥水盾构掘进施工，于1996年竣工39东京湾道路隧道φ14.14

m泥水盾构盾构及掘进技术国家重点实验室40

4.盾构机的分类

按支护地层的形式分类

盾构按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式五种类型。4.盾构机的分类

按开挖面与作业室之间隔板构造分类41

土压平衡式：适用于含水量和颗粒度组成比较适中，开挖面土砂可直接

流入土仓及螺旋输送机内，形成压力梯度，维持开挖面稳定；

加泥式土压平衡盾构：针对砂粒含量较多而不具有流动性的土层，需添

加水、泡沫、膨润土等材料进行土体改良，改善渣土流塑性。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类

按按施工环境分类

按施工环境，可分为软土盾构和复合盾构两类。其中：

1）软土盾构：是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩条件下的一类盾构，其主要特点是刀盘仅安装切削软土用的切刀和刮刀，无需滚刀。

2）复合盾构：是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构，主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层，其主要特点是刀盘既安装有用于软土切削的切刀和刮刀，又安装有破碎硬岩的滚刀，或安装有破碎砂卵石和漂石的撕裂刀42盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类

目前，敞开式和半敞开式盾构已逐步被淘汰，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。43手掘式网格式机械式半机械式盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类44土压平衡盾构机泥水平衡盾构机盾构及掘进技术国家重点实验室455.

盾构发展新技术介绍

20世纪80年代后，盾构技术发展的主流主要从两个方面延伸“一方面是针对城市地下空间利用率问题，开发出不同几何形状的异形盾构；另外一方面是针对地层复杂多变问题，研究能适合不同地层的多功能盾构技术”。（1）自由断面盾构扇动臂行星刀盘钢外壳盾尾同步注浆装置管片拼装机管片尾部止水板主刀盘

人孔人孔伸缩装置盾构及掘进技术国家重点实验室465.

盾构发展新技术介绍

自由断面盾构法是在一个普通圆形盾构主刀盘的外侧设置数个规

模比主刀盘小的行星刀盘。随主刀盘的旋转行星刀盘在外围作自转的

同时绕主刀盘公转，行星刀盘公转的轨道由行星刀盘扇动臂的扇动角

度确定。通过对行星刀盘扇动臂的调节可开挖各种非圆形断面的隧道。

也就是说，通过对行星刀盘公转轨道的设计可选择如矩形断面，椭圆

形断面，马蹄形断面等非圆形断面。此盾构法尤其适用于地下空间受

限制的如穿梭于既成管线和水道之间的中小型隧道工程。马蹄形断面盾构盾构及掘进技术国家重点实验室475.

盾构发展新技术介绍（2）偏心多轴盾构曲柄轴曲柄轴转动中心刀架驱动轴

刀片

固定轴旋转式传送带

刀架

固定轴

驱动轴

刀片旋转式传送带

偏心盾构的原理示意图偏心多轴盾构采用多根主轴，垂直于主轴方向固定一组曲柄轴，在曲柄轴上再安装刀架。运转主轴刀架将在同一平面内作圆弧运动，被开挖的断面接近于刀架的形状。因此，可根据隧道断面形状要求设计刀架是矩形，圆形，圆环形，椭圆形或马蹄形盾构及掘进技术国家重点实验室485.

盾构发展新技术介绍（3）MF（Multi‐Face）盾构

MF盾构由多个圆形断面的一部分

错位重合而成，可同时开挖多个圆形

断面的盾构法。隧道有效面积较开挖

面积相等的单圆断面而言要大，是一

种较为经济合理的断面形式。2个或

多个大小不同的圆形断面通过一定规

则的叠合可提供任意断面形式的隧道，

在隧道线路规划时对线形的选择有更多的灵活性。上下空间受限制情况下则可选择横向叠合式。MF盾构法更适用于地铁车站，共同沟和地下停车场等大断面隧道的开挖。MF盾构的原理示意图

横向MF盾构法隧道

已建隧道/管线纵向MF盾构法隧道

<纵向MF盾构法>

已建隧道/管线<横向MF盾构法>49

构机产生转动力矩，达到螺旋式推进的目的。盾构及掘进技术国家重点实验室

铰接改向

螺旋HV盾构法是将几个圆形断面根据需要进行组合，以开挖多种隧道断面形式的一种特殊施工方法。HV施工法可同时开挖多条隧道，推进方式有螺旋式推进和让其中某一个断面从中独立出去的分叉式推进两种方式。可根据隧道的施工条件和用途在地下自由的掘进和改变隧道断面形式和走向。其施工原理主要是采用了一种叉式铰接改向装置。这种装置可使盾构前端各自沿着相反的方向旋转，以改变盾构的推进方向。利用这种铰接装置可使盾

5.

盾构发展新技术介绍（4）HV盾构

螺旋50日本球形盾构

5.

盾构发展新技术介绍（5）球体盾构

球体盾构是利用球体本身可自由旋转的特点，将一球体内藏于先行主机盾构的内部，在球体内部又设计一个后续次机盾构。先行盾构完成前期开挖后，利用球体的旋转改变隧道的推进方向，进行后期隧道的开挖。

（a）

竖向工作井开挖

（b）球体旋转盾构及掘进技术国家重点实验室（c）横向隧道开挖515.

盾构发展新技术介绍（6）双圆盾构

双圆盾构属于MF盾构工法的一种，以2只圆形盾构机的切削刀盘，

前后错开，并使一部分重叠，构筑多圆形断面的隧道工法，对圆形进行

各种组合，可以构筑多种断面的隧道，而双圆盾构工法是利用泥水加压

盾构的切削器轮辐形状，将2个切削器用同一个平面内的齿轮装配成盾构

机来筑造隧道的工法，邻接的切削器不产生接触冲突，相互之间按相反

的方向旋转，进行同步控制盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室52二

盾构法施工的特点盾构及掘进技术国家重点实验室531.盾构法施工概述

盾构法施工是指使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安

全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。

盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。盾构及掘进技术国家重点实验室2.土压平衡盾构施工工法

土压平衡盾构施工工法就是采用土压平衡盾构进行隧道施工的方法。

工序原理：

由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机排出，同时渣土在螺旋输送机内形成压力梯降，以稳定土仓压力，使开挖面保持稳定；

盾构机向前推进的同时，螺旋输送机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面始终保持稳定。排土量通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。

从螺旋输送机出来的渣土通过皮带机输送转运，皮带将渣土卸到下方的渣土车。渣土车通过电瓶车牵引运至盾构隧道竖井，通过地面上的门吊将渣车吊到地面，并将渣土卸在渣坑内，使用挖掘机将渣土装至自卸卡车外运。掘进作业完成后进行管片拼装，管片拼装完成后再进行掘进作业，依次循环，直至完成隧道施工。54盾构及掘进技术国家重点实验室

3.泥水平衡盾构施工工法

泥水平衡盾构施工工法就是采用泥水平衡盾构进行隧道施工的方法。

工序原理：送泥泵从设置在地面上的调浆池抽取泥水（水与膨润土的混合物），经送泥管送入到泥水盾构的泥水仓；

在泥水仓内，充满压力的泥水灌入地层若干厘米，使膨润土嵌入到土粒间的缝隙，形成一层“泥膜”，从而使开挖面的土层变得稳定和不透水。通过泥水盾构刀盘的旋转，将开挖面的泥膜切削下来，与泥水仓内的膨润土浆液混合后，通过排泥泵和中继泵，经由排泥管送至地面的泥水分离站，泥水分离站将开挖的渣土从膨润土浆液中分离出来，分离后的泥水进行质量调整后循环使用，再通过送泥泵送入盾构的泥水仓。55盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构法施工的优点一、盾构法隧道施工不受地面自然条件的影响

在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。

如上海长江隧道、南京长江隧道等在建设时不影响航道的通行，天气情况对盾构施工组织影响不大，便于合理安排工期。苏埃通道工程附近有汕头国际集装箱码头，施工时不影响码头正常运行。56盾构及掘进技术国家重点实验室二、盾构法施工隧道机械化、自动化程度高

盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。57盾构及掘进技术国家重点实验室1）信息化的监控方式58

天津地下直径线盾构施工采用了当时国内最先进的信息化技术，能够远程监控盾构机的各种掘进参数，及时调整和优化，对于整个工程的安全和质量控制，起到了很好的辅助作用。盾构及掘进技术国家重点实验室59控制盒地面监控计算机2）精确的激光导向系统

盾构采用先进的VMT激光导向系统来控制隧道的掘进方向，这在隧道的

方向控制上也是比较前沿的高端技术。在激光导向系统的引导下，广

深港狮子洋隧道实现双向掘进、盾构机洞中对接，缩短了盾构工期，

降低了施工成本。

调制解调器调制解调器打印机盾构主控室管

片激光全站仪ELS

靶激光定位仪工业计算机黄盒子显示屏盾构机推进油缸盾构及掘进技术国家重点实验室60盾构及掘进技术国家重点实验室3）盾构施工远程信息化管理系统61盾构及掘进技术国家重点实验室62三、地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰

扬州瘦西湖隧道穿越瘦西湖风景区（AAAAA级景区）

该工程位于扬州市5A级瘦西湖景区核心地段，穿越瘦西湖和宋夹城河两

个水系，东侧连接瘦西湖路、漕河路，西侧接扬子江北路、杨柳青路，主

线隧道全长2630米,包括盾构段1275米,匝道518米，接线道路2277米和风塔

等。设计为单管双层双向四车道,设计车速60公里/小时。采用一台直径

14.93米的泥水平衡盾构机进行盾构掘进施工。工程穿越全断面硬塑粘土

地层，该地质条件在泥水平衡盾构施工领域尚属首次。

63盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室64

天津地铁3号线穿越瓷房子（价值连城的“中国古瓷博物馆”）盾构及掘进技术国家重点实验室作为国内首个采用单管双层六车道横断面隧道工程，上海外滩通道工程南起南外滩老太平路，下穿外滩历史建筑保护区，盾构段全长1098m，采用日本三菱公司设计制造的Ф14.270m土压平衡盾构进行施工。65盾构及掘进技术国家重点实验室四、施工时能够降低对周边环境的影响，满足“绿色、文明”的施工理念

城市地铁、干线道路采用盾构施工，避免了对地面交通的干扰，能够有效控制渣土、泥浆的排放，施工场地占用较少，有效避免在城市中“开膛破肚”式的施工，是开发城市地下空间的有效方式。

郑州红专路下穿中州大道隧道工程采用矩形盾构施工，施工期间主干道中州大道的交通基本不受影响，与其它施工方式相比降低了粉尘、噪音对周边居民的影响。66盾构及掘进技术国家重点实验室5.盾构法施工的缺点

盾构机造价昂贵，属于非标设备，盾构的拼装、转移等较复杂，建造

短于750m的隧道经济性差；（一次性投入的成本高）

需要隧道衬砌管片预制、运输、衬砌、衬砌结构防水及堵漏、施工测

量、场地布置、机械安装等施工技术的配合；（系统工程协调复杂）

施工过程中断面尺寸变化困难；（盾构、管片已经定型）

管片内径小于盾构外径，所以盾构一旦开始施工，就无法后退

当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，掘进较为困难；（不适合小

半径掘进）直径长度比小于1的盾构盾体上有铰接密封，便于小半径掘进，大直径盾构（直径大于12m），直径长度比接近或大于1，无铰接密封

在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大；67盾构及掘进技术国家重点实验室5.盾构法施工的缺点

盾构需要“量身定做”

设计难度大。盾构是适合于某一区间隧道的专

用设备，必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、围岩的基本条件

进行设计、制造或改造。当将盾构转用于其它区间或其它隧道时，必

须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相

同。如有差异时还要进行针对性改造，以适应其地质条件。

区别于一般土木工程，盾构施工对精度的要求非常之高。例如，管片

制作精度几乎近似于机械制造精度；由于断面不能随意调整，对隧道

轴线偏离、管片拼装精度也有很高要求。68适用地质一般适用于从岩层到土层的所有地层，但对于某些特殊复杂地质条件应进行认真细致的分析和论证，包括但不限于如下几种地层：整体性较好的硬岩地层、岩溶地层、高应力挤压破损地层、膨胀岩、含坚硬大块石的土层、卵砾石层、高粘性土层或可能存在不明地下障碍物的地层等。地下水措施隧道埋深最小覆盖深度一般大于隧道直径；压气施工、泥水加压施工要注意地表的喷涌。断面形状一般为圆形，使用特殊盾构可以构筑半圆形、复圆形和椭圆形等异形断面隧道；一般难以在施工中期改变隧道断面形状。急转弯施工在现有施工实例中，存在曲率半径与盾构外径之比达到3的急转弯隧道。对周围影响接近既有建筑物（或结构物）施工时，有时需要采用辅助施工措施；除竖井部外极少产生影响到交通的噪声，且振动只发生在竖井口，可用防音墙处理。盾构及掘进技术国家重点实验室6.盾构法施工的适用性分析69闭胸式盾构一般不需要辅助措施，而敞开式盾构需要辅助措施。盾构及掘进技术国家重点实验室70三

盾构法施工工艺流程盾构及掘进技术国家重点实验室始发井交付

使用盾构机再次安装、调试盾构机再次

初始掘进盾构托架就

位盾构机到达

中间站

正常掘进盾构机下井、

安装、调试

正常掘进

盾构机到达

终点站

试掘进负环拆除及

其它调整盾构机解体

外运隧道清理准

备验收711.盾构总体施工流程盾构及掘进技术国家重点实验室72盾构及掘进技术国家重点实验室2.盾构机掘进流程准备工作转动刀盘启动次级运输系统（皮带机或泥

浆环流系统）启动推进千斤顶启动首级运输系统（螺旋机）或

泥浆环流出渣停止掘进安装管片回填注浆准备下一环掘进73盾构及掘进技术国家重点实验室74四

盾构机工作原理简介盾构及掘进技术国家重点实验室1.土压平衡盾构

土压平衡盾构机（Earth

Pressure

Balance

Shield，简称EPB盾构）是一种利用土仓压力来平衡掌子面水土压力的盾构机，主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠土层中施工。在掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋输送机输出，在螺旋输送机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。75土仓压力=地下水压力+掌子面土压盾构及掘进技术国家重点实验室

土仓压力动态平衡控制措施

控制盾构机的推进速度和螺旋输送机的转速，来分别控制进入土仓的渣土量和排出土仓的渣土量，最终控制土仓内渣土的总量，实现土仓压力与掌子面压力的动态平衡。76盾构及掘进技术国家重点实验室

土压平衡盾构掘进模式

土压平衡盾构有三种掘进模式：敞开模式，局部气压模式和土压平衡模式，每种模式具有各自特点和适用条件。77敞开模式局部气压模式土压平衡模式盾构及掘进技术国家重点实验室敞开式•

适用于能够自稳、地下水少的地层，刀盘切削下的渣土进入

土仓后即刻被螺旋输送机排出，土仓基本处于清空状态。以

滚刀破岩为主，推进时刀盘转速高、扭矩低局部气压模式•

也称为半敞开式，土仓内保持2/3左右的渣土量，适用于具有

一定自稳能力和地下水压不太高的地层，防地下水渗入取决

于压缩空气的压力，在上软下硬地层施工时多采用此模式土压平衡模式•

用于地层稳定性不好或有较多地下水的软质岩层，根据前面

地层状况，保持不同的土仓压力78盾构及掘进技术国家重点实验室

渣土改良

渣土改良的目的：渣土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦阻力。

土体改良的方法：通过盾构配置的专用装置向刀盘前面、土仓及螺旋输送机内注入添加剂，如泡沫、膨润土或聚合添加剂等79刀盘区域的泡沫喷射改良后的渣土盾构及掘进技术国家重点实验室2.泥水平衡盾构机

泥水平衡盾构机（Slurry

Pressure

Balance

Shield，简称SPB盾构）是一种通过控制泥水仓压力来平衡掌子面水土压力的盾构机。适用于冲积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层、弱固结的土层以及含水率高开挖面不稳定的地层；洪积形成的砂砾、砂、粉砂、黏土层以及含水率高、固结松散、易于发生涌水破坏的地层。80盾构及掘进技术国家重点实验室

分类

泥水盾构按照其发展历程分为日本历程、英国历程和德国历程三种。目前，仅保留有日本和德国两个主要发展体系。其中，以日本的泥水盾构为基础开发出了土压平衡盾构，而德国的泥水盾构则导致混合型盾构的开发。

按照控制开挖面泥浆方式的不同又可以分为二类：一种是日本体系的直接控制型；另一种是德国体系的间接控制型（气压复合控制型）。81刀盘送泥管搅拌器排泥管推进油缸盾尾管片安装机日系：直接控制型该型盾构在机械式盾构的前部设置密封隔板，并配置刀盘和推进油缸；所述隔板与开挖面之间形成泥水舱，内部充满泥浆盾构及掘进技术国家重点实验室82刀盘进泥管排泥管压缩空气

连通管

泥浆

泥模

形成

区地层

分类

间接控制型泥水盾构在泥水舱内插装一道半隔板；在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后盾构轴心线以上部分充以压缩空气，以形成空气缓冲层；气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上；由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力

气压仓泥水室盾构及掘进技术国家重点实验室83直接控制型泥水盾构开挖仓内的泥水压力波动较大，一般在0.05~0.1MPa之间变化间接控制型泥水盾构是通过调节气垫仓压缩空气的压力来控制泥水压力，控制精度高，开挖仓内的泥水压力波动小，一般在0.01~0.02MPa之间变化。掌子面压力的变化被迅速、准确的平衡，降低了对地层的扰动。盾构及掘进技术国家重点实验室

泥水平衡原理

泥水稳定掌子面的方法源于地下连续墙的泥浆护壁原理，其基本原理是通过在支撑环前面隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，在开挖面形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在正面的刀盘切削土体表面泥膜，与泥水混合后，形成高密度泥浆。84

当泥水压力大于地下水压力时，泥水按照达西定律渗入土体，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，这些颗粒被捕获并积聚于土体与泥水的接触区，逐渐形成泥膜。当泥膜抵抗力远大于正面地层压力时，产生泥水平衡效果。盾构及掘进技术国家重点实验室85泥膜的类型

泥皮泥膜泥水几乎不渗透，只形成泥膜

无

泥

膜泥水全部渗透，不产生泥膜

渗透泥膜介于前二者之间，即渗透又形成泥膜86泥膜的类型泥皮泥膜

泥水几乎不渗透，只形成

泥膜盾构及掘进技术国家重点实验室泥皮泥膜：泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失量小，一般用于开挖面的静态支护。缺点是失水易开裂和剥落。易形成在渗透系数小的黏性土层；盾构及掘进技术国家重点实验室87泥膜的类型渗透泥膜介于前二者之间，即渗透又形成泥膜渗透泥膜：渗透泥膜的建膜速度快，对泥浆指标变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖面的动态支护，缺点是泥浆滤量大。易形成在砂质土层中。盾构及掘进技术国家重点实验室88五

盾构机选型1.盾构机选型主要原则

盾构的“型式”涉及盾构的“型”和“操作模式”，其中：盾构的“型”是指盾构的类型和机型，是在施工前决定的；操作模式”则是在施工过程中根据具体的施工环境由操作人员实时决策的。盾构选型应从安全适应性（也称可靠性）、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构形式要能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件，同时还要综合考虑以下因素：

（1）可以合理使用辅助施工法如降水法、气压法、冻结法和注浆法等；（2）满足本工程隧道施工长度和线形的要求；（3）后配套设备、始发设施等能与盾构的开挖能力配套；盾构及掘进技术国家重点实验室1.盾构机选型主要原则1）适用性原则

断面形状与外形尺寸应适用于隧道断面形状与外形尺寸；

种类与性能应适用工程地质与水文地质条件、隧道埋深、地下障碍

物、地下构筑物与地面建筑物安全需要、地表隆沉要求等使用条件；

考虑辅助工法以提高适用性。2）技术先进性原则

一是不同种类盾构机技术先进性不同；

二是同一种类盾构机由于设备配置的差异与功能的差异而技术先进

性不同3）经济合理性原则经济合理性原则是指在满足施工安全、质量标准、环境保护要求和工期要求的前提下，所选择的盾构机及其辅助工法用于工程项目的综合施工成本合理。89盾构及掘进技术国家重点实验室2.盾构机选型依据盾构机选型依据按其重要性排列如下：

土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各项参数）

开挖面稳定（自立性能）

隧道埋深、地下水位

设计隧道的断面

环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）

衬砌类型

工期

造价

宜用的辅助工法

设计路线、线性、坡度

电气等其他设备条件90高

各

因

素

的

重

要

性低2.盾构机选型依据1）依据地层渗透系数选型91

通常当地层的渗透系数小于10‐7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当

地层的渗透系数在10‐7m/s和10‐4m/s之间时，即可以选用土压平衡盾构也

可以选用泥水式盾构；当地层的渗水系数大于10‐4m/s时，宜选用泥水盾

构。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室

渗透系数较大的隧道采用土压平衡盾构施工时，螺旋输送机“土塞效

应”难以形成，螺旋输送机出渣会经常发生喷涌现象，这对施工是非

常不利的，会直接导致土舱压力大幅波动，不利于控制地面沉降，如

果采用带气垫加压式泥水盾构，泥水舱的压力波动范围就可以控制在

很小的范围内，一般气垫加压式泥水盾构压力控制精度在0.05bar左右。

渗透系数较小的隧道，如果采用泥水盾构施工，主要不利因素是隧道

渣土排放需要较长的管道，同时需要昂贵的泥水分离设备，在环境要

求高的场合还必须采用渣土压滤设备，同时耗费大量的膨润土，工程

造价较高。（难以进行泥水分离）92盾构及掘进技术国家重点实验室2.盾构机选型依据2）依据隧道围岩的颗粒级配关系选型93

卵石砾石粗砂区为泥水盾构适用的颗粒级配范围，细砂淤泥粘土区为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围。盾构及掘进技术国家重点实验室

粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等黏稠地层的细颗粒含量多，

渣土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个位置，便于在土仓

中建立压力，来平衡掌子面的水土压力；

卵石、砾石、粗砂、细砂地层有利于泥浆中细小颗粒的渗透，便于在

掌子面建立一层不透水的泥膜，泥水压力作用在泥膜上来平衡掌子面

水土压力。94盾构及掘进技术国家重点实验室2.盾构机选型依据3）依据地下水压进行选型

水压大于0.3MPa时，宜采用泥水平衡盾构。若此时采用土压平衡盾

构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在其排土闸门处易发生

喷涌现象，引起土仓压力下降，导致开挖面坍塌；

水压大于0.3MPa时，若因地质原因需采用土压平衡盾构，则需要增

加螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋输送机，或采用保压泵。95盾构机土质敞开式密闭式手掘式半机械挖掘式机械挖掘式泥土压式泥水式分类土质N值适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点冲击黏性土腐殖土0×××△地层变形△地层变形粉土、黏土0-2△地层变形××○○砂质粉土、砂质黏土0-5△地层变形××○○5-10△地层变形△地层变形△地层变形○○盾构及掘进技术国家重点实验室3.典型地层对应的盾构机类型96符号○表示原则上适用;△表示必须进行辅助工法、辅助设备等充分论证后适用;×表示原则上不适用盾构机土质敞开式密闭式手掘式半机械挖掘式机械挖掘式泥土压式泥水式分类土质N值适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点洪积黏性土粉质黏土黏土10-20○△泥土堵塞○○黏质粉土、黏土15-25○○○○○25以上△开挖机械○○○○软岩黏土岩、泥岩50以上×△地下水压○○刀具磨损○刀具磨损砂质土混有粉土黏土的砂△地下水压△地下水压△地下水压○○松散砂△地下水压×△地下水压○○密实砂30以上△地下水压△地下水压△地下水压○○盾构及掘进技术国家重点实验室3.典型地层对应的盾构机类型97盾构机土质敞开式密闭式手掘式半机械挖掘式机械挖掘式泥土压式泥水式分类土质N值适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点适用性注意点砂砾、卵石松散砂砾△地下水压△地下水压△地下水压○○固结砂砾40以上△地下水压△地下水压△刀盘与刀具磨损、地下水压○刀具磨损○刀具磨损混有卵石的砂砾—△人员安全、地下水压△地下水压超挖量△刀盘与刀具磨损、地下水压○刀具磨损△刀具选择送泥对策卵石、巨砾—△砾石破碎、地下水压△地下水压超挖量△△刀具与螺旋机选择△砾石破碎送泥对策3.典型地层对