盾构机基本原理及盾构施工技术简介

盾构机基本原理及盾构施工技术简介

1.盾构的发展、支撑基本原理及分类

1.1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

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：

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、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

2.1敞开式盾构工作原理及主要特点

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压缩空空气式盾构的的工作原理及及特点1、利用压缩空气气使整个盾构构能防止地下下水的侵入，，它可使用在在游离水体以以下或在水位位以下运行。。2、空气压力力与地下水的的静水压力保保持平衡，气气闸将压缩空空气区与大气气压区隔离开开，压气站保保证供各种情情况需要的压压力和空气量量。3、气闸设计计成钢制或钢钢筋混凝土结结构，试验压压力是正常工工作压力的1.5倍，一一般按人员闸闸和材料闸分分开设置。4、人员闸-必须为每个个人提供0.75m3的空间，人员员的供应管线线都要保证有有气密的连接接。5、医务闸-施工现场的的空气压力大大于1bar时，必须提提医务闸，它它包括一个医医务舱和一个个压缩、解压压舱。6、材料闸-可设计成与与渣车、输送送带、传输管管道等一起使使用，大直隧隧道中可同时时使用几个闸闸。思考题：简述述压缩空式盾盾构与敞开式式盾构的原则则区别、工作作原理及主要要问题。2.3泥水水盾构的工作作原理及特点点1、是用加压压的泥浆支撑撑隧道工作面面的盾构，这这类盾构也被被称为膨润土土悬浮液式盾盾构，可用于于有水压的砂砂质地层下开开挖隧道。2、在压气气盾构经过近近八十年的使使用、改进后后，1959/60年研研制了第一台台泥浆盾构并并建成了第一一条直径问3.35m的的排水隧道。。3、泥水盾掘掘进隧道己被被证明是一种种具有低沉降降且安全的施施工方法，它它可适用于各各种松散地层层，有无地下下水均可，优优点甚多。4、泥水盾构开挖挖面支持压力力分部见下图图5、泥水盾盾构开挖面支支持压力分部部1泥泥浆浆Pl空气压压力2泥泥浆液液位Pso顶部部悬浮液压力力3压压缩空空气气垫Psu底部部悬浮液压力力4压压力挡挡板悬浮液密度5分分隔仓仓板D盾构构直径6支支撑区区域hl承承压仓高度7处处于外外界压力下的的区域6、传统的泥水盾盾构的泥水压压力由进、排排泥水系统的的流量控制阀阀控制，泥水水压力变化较较大见图，容容易使隧道开开挖面不稳而而塌陷。7、当今有代代表性的混合合式泥水盾构构外观8、混合式泥泥水盾构采用用气垫原理控控制泥浆压力力，空气压力力波动由气压压调节组件控控制。由于调调压组件反应应灵敏，使泥泥浆的压力波波动小，能够够准确控制隧隧道开挖面的的压力，保持持开挖面稳定定，防止塌陷陷。9、泥水盾构施工工的掘进面稳定管管理程序10、泥水盾构施施工系统构成示意意图11、土、砂振动动筛和湿式离心机机组合12、泥水盾构施施工的送排泥浆压压力控制系统13、泥水盾构施施工的掘削土量管管理图思考题：分析泥浆浆盾构上述各统的的原理及主要作用用；简述泥浆盾构构的优缺点及应用用范围。14、泥水盾构机机施工的泥浆制备备和处理系统2.4土压平衡盾盾构工作原理及特特点1、土压平衡盾构构是在压缩空气盾盾构和泥浆盾构基基础发展起来的盾盾构机，它适用范范围广，污染小，，是目前使用最多多盾构机。2、采用刀盘上的的刀具切割下来的的渣土经改良后成成为密水性、流动动性好的土压平衡衡支撑介质，即所所谓渣土改良技术术。3、用于渣土改良良的添加剂有泡沫沫、粘土、泡沫聚聚合物和膨润土，，泡沫用之于粘性性土体改良，泡沫沫聚合物、粘土和和膨润土主要用之之于含水量大的砂砂质土体改良。4、盾构机在不断断地推进切土和螺螺旋机排土过程中中保持土压平衡，，即土压平衡技术术。5、S266土压压平衡盾构机外观观6、土压平衡盾构构的主要特点：（1）在不良且富富水的地层中施工工时，盾构机土仓仓中以改良后的渣渣土为介质，在渣渣土仓中形成土压压与开挖面上的水水土压力保持平衡衡。（2）在硬岩富水水地层中施工时，，可以向土仓中注注入压空气止水的的支撑平衡方式掘掘进。（3）在硬岩含水水地层中，土压平平衡式盾构也可象象TBM一样，实实行敞开模式掘进进。（4）在确保施工工隧道地面沉降不不超过允许值时，，为了节省动力和和减少机器的磨损损，土压平衡盾构构机常设定为欠土土压掘进。（5）土压平衡掘进进工作原理示意图图思考题：简述土压压平衡盾构原理、、关键技术及优缺缺点。（6）开挖仓和螺旋旋输送机内渣土压压力分布图（7）有开螺旋输输送机（螺旋带开开）（8）土压平衡衡盾构机的适应地地层范围思考题：根据成都都地铁人-天区间间隧道地质条件，，分别说明选用泥泥浆盾构机和选用用土压平衡盾构机机施工的理由，在在此基础上充分认认识人-天区间现现选用土压平衡盾盾构机的功能及施施工中的重难点问问题。123456789111210131418171516192021232224251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-天区间间盾构机的主要特特点（1）刀盘采用中心心支撑系统，十字字形刀盘梁+面板板结构，刀盘开口口率28%左右。。（2）刀盘梁及刀刀盘面板上装有32把单刃滚刀，，中心装有4把双双刃滚刀，多把强强力宽刮刀及边缘缘刮刀等。（3）盾构机根据据0.30MPa的水土压力假设设进行设计。（4）盾尾处安装装了3排钢线刷，，每排线刷之间都都注入盾尾润滑脂脂以保证良好的密密水性。盾尾刷、盾尾注脂脂管、同步注浆管管的布置示意见下下图。（10）双螺旋排土控制喷喷水涌沙人-天区间土压平平衡盾构重型刀盘（11）土压平平衡式盾构的掘进进技术开挖时，切割的渣渣土通过刀盘开口口进入土仓，天然然水或添加剂的水水的混合物与渣土土混合、搅拌，以以改良碴土并设定定平衡土压。开挖过程中，通过过螺旋输送机调节节进碴量和排碴量量的平衡，保持设设定的土压力稳定定。通过各种手段监测测和控制盾构掘进进姿态，始终确保保盾构机在正确方方向上掘进，以减减小对周围土体的的扰动，从而有效效地控制地表隆降降量。盾尾的可靠密封和和同步注浆技术使使盾构通过后，不不会因开挖直径与与管背之间存有空空隙而引起土体塌塌陷。（12）土压平衡衡盾构渣土改良添添加剂注入系统（13）盾构管片片拼装机将预选管片运到并并按次序放置在储储存小车上，方便管片拼装机提提取。管片拼装机械手必必须具备6个自由度（活活动度），确保找到管片的准准确位置拼装。机械手的起重能达达5t以上。机械手的操纵纵有无线和有线操纵形式。。管片拼装机外观见下图。管片安装机结构示意图（14）盾尾处的的可靠密封及同步步注浆盾尾密封可将切割割隧洞与拼装管片片外圆组成的环形形空间（宽140mm）隔开，是是各种盾构的重要要组成部分，从100多年前盾构构机出现开始就不不断地研究、改进进，目前各厂家都都采用这种钢丝刷刷+注脂密封方式式。本机在盾尾设设置3排密封刷，，在密封刷之间的的空间内压注密封封油脂，封密压力力可达1MPa。。本机采用三排密封封刷结构形式，见见下图。（15）同步注浆浆系统（16）同步注入入双液浆泵图3.9-5QZB-75/6型液压泵（17）激光导向向系统（18）盾构始始发到达时方向控控制应按照始发、、到达掘进的有关关技术要求做好测测量定位工作；切切换刀盘转向时，，切换速度不宜过过快；蛇行纠正时应缓慢慢进行；正确的管管片选型，使端面面尽可能与计划掘掘进方向垂直；推推进千斤顶油压压调整不宜过快、、过大等。激光导向系统指示图（19）刀具的破岩机理及及保护设计刀盘中可布置硬岩岩或软岩的刀具，，其破岩机理如下下：盾构机采用滚刀进进行滚压破碎硬岩岩，滚压破碎岩是是一种破碎量大、、速度快的机械破破岩方法，其特点点是靠工具滚动产产生冲击压碎和剪剪切碾碎的作用达达到破碎岩石的目目的。软岩的切削刀具主主要是各种刮刀，，它直接对土层进进行刮切破坏来进进行切削。滚刀刀刃距刀盘面面板的高度为175mm，各种类类刮刀距刀盘面板板的高度为140mm，这样在硬硬岩地段可有效的的保护刮刀。（20）盾构机关关键参数经验校核核（1）盾构机刀刀盘推力按经验公公式计：F=Ax（950-1200）kN式中A——刀盘面积m2。（2）盾构机刀盘盘扭矩T推荐按下下式计算T=α×D3（kN·m）。式中：α—刀具扭矩系数，土土压平衡盾构α＝14～23（3）刀盘驱动功功率P按下式计算算P＝TxN/9555式式中：T―刀盘驱动最最大额定扭矩（N.m）N―刀盘最大额定定扭矩时的转速（（r/min）作业：简要计算人人-天区间盾构机机的总推力、刀盘盘扭矩和刀盘驱动动功率的经验值。。2.5组合式盾构构的工作原理及特特点1、组合盾构也称称通用盾构，其机机械原理和特殊的的支撑方式在隧道道开挖中依工程地地质和水文地质条条件的改便而变化化。2、组合1是压缩缩空气盾构与敞开开式盾构的组合。。3、组合2是泥浆浆盾构与敞开式盾盾构的组合。4、组合3是土压压平衡式盾构与敞敞开式盾构的组合合。5、组合4是泥浆浆盾构和土压平衡衡式盾构的组合。。6、组合5是敞开开式盾构和土压平平衡式盾构再与土土压平衡式盾构的的组合。7、1985年Wayss和Freytag与海海端克公司共同申申请了一台组合盾盾构专利，属泥浆浆盾构与土压平衡衡盾构的组合式盾盾构。8、它是用Wayss和Freytag公司的泥泥浆盾构采用独特特的沉浸隔板/压压力仓板布置，可可将泥浆盾构转换换成土压平衡式盾盾构或压缩空气盾盾构的组合盾构。。9、为了转换成不不同运行模式的重重要设计是刀盘的的空心驱动装置和和在球形大轴承上上浮装的刀盘。9、组合盾构目前前主要用于泥浆盾盾构和土压平衡式式盾构、之间的组组合。10、该盾构在德德国杜伊斯堡地铁铁TA7标段和TA8a标段使用用获得成功。11、多功能盾构构也是组合式盾构构，只是名称差异异。它是一台泥浆浆盾构和土压平衡衡盾构之间的转换换，将泥浆盾构的的排泥管道拆除并并安装螺旋输送机机和皮带运输机即即可。12、目前也有将将TBM硬岩掘进进机与土压平衡盾盾构机在隧道施工工过程中实现功能能的相互转换实例例，增强了TBM的适应能力。思考题：简述组合合盾构及其特点。。特长隧道（15km以上）施工中中，请分析硬岩TBM与土压平衡衡盾构的组合可能能条件？该组合有有什么意义？2.6叶片盾构工工作原理及特点1、叶片盾构是有特殊的盾壳设设计，即盾壳前设设有多片式插扳刀刀，可单片地或成成组地向前推进插插入土体，保护开开挖作业安全和保保持开挖面的稳定定。2、叶片盾构的工工作面支撑通常遵遵循自然支撑原则则，大直径盾构中中采用多层中间平平台。3、由于叶片之间间间隙的密封问题题，则隧道地下水水采用井点降水或或者冻结法固结处处理。4、使用叶片盾构构的隧道工程一般般衬砌与开挖分开开，因此，采用叶叶片盾构施工的隧隧道衬砌可使用下下面三种衬砌形式式。（1）与现浇混凝凝土衬砌组合的叶叶片盾构（2）与喷射混凝凝土衬砌组合的叶叶片盾构（3）与挤压混凝凝土衬砌组合的叶叶片盾构2、7多工作面圆圆盾构的工作原理理及特点1、多工作面圆盾盾构是由两个或更多塔塔接圆组成的特殊殊断面形式，便于于用一台机器掘进进两条或更多的隧隧道，如