地铁盾构介绍与施工管理

地铁盾构介绍与施工管理2015年12月1、前言2、盾构主机及各系统组成；3、盾构施工流程；4、成都盾构施工技术发展历程；5、成都地铁4号线二期土建6标盾构重难点

与解决措施；6、如何做好盾构隧道质量；7、如何做好盾构项目管理；8、如何控制盾构施工成本；9、总结目

录1前言4

盾构施工理念前人总结为：“地质是基础，设备是关键，人是根本。”本文首先从盾构及后配套设备介绍开始，阐述盾构施工流程，然后简单介绍成都盾构施工技术发展历程和我们承建的成都地铁4号线二期土建6标的难题与解决措施，主要介绍盾构施工的质量、进度与成本管理。希望能对以后中水七局盾构施工有所帮助。有些见解仅代表个人意见，如有不妥请批评指正。2023/4/102盾构主机及各系统组成62023/4/102.1盾构主机组成72023/4/102.2盾构各系统组成82023/4/102.2盾构各系统组成(中间式主轴承密封）92023/4/102.2盾构各系统组成(中心式主轴承密封）102023/4/102.2盾构各系统组成(铰接密封）112023/4/102.2盾构各系统组成(盾尾密封）室密封剂泥浆管片泥浆刷式密封1刷式密封3刷式密封2尾部机壳122023/4/102.2盾构各系统组成(泡沫系统）132023/4/102.2盾构各系统组成(泡沫系统）142023/4/102.2盾构各系统组成(泡沫系统）3盾构施工流程162023/4/103盾构施工流程4成都盾构施工技术发展历程4.1、成都砂卵石地层地质及水文情况

成都地铁隧道主要穿越砂卵石土层，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主，呈圆形～亚圆形，粒径大小不一，分选性差。卵石含量约80%，粒径以20～100mm为主，最大粒径500mm，圆砾含量约10％，兼夹漂石，漂石最大粒径500mm。卵石硬，最大强度可达200MPa。卵、砾石以中等风化为主。充填物主要为中细砂及少量粘性土。卵石土层顶板埋深8.2～22.0m。按地下水赋存条件，地下水分为两种类型：第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。其中，第四系孔隙水，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大（25m/d=17.4mm/min），地下水水量丰富，是段内地下水的主要存在形式。总结成都地质可以概括为：高富水、高卵石含量、含水砂卵石层自稳性差。192023/4/10

成都地铁4号线二期西延线螺旋输送机输出和开仓取出的大漂石4.1、成都砂卵石地层地质及水文情况202023/4/10卡在刀盘开口处的漂卵石4.1、成都砂卵石地层地质及水文情况212023/4/10⑴、成都砂卵石地层盾构施工在当时是最难的，无任何盾构施工经验可以借鉴；⑵、刀盘和刀具磨损严重，换刀频繁；⑶、刀盘耐磨环磨损严重；⑷、刮刀座磨损严重；⑸、掘进速度慢，地表易塌陷；⑹、始发与到达地表容易塌陷。4.2、成都砂卵石地层盾构掘进出现的难题222023/4/104.2、成都砂卵石地层盾构掘进出现的难题232023/4/104.2、成都砂卵石地层盾构掘进出现的难题242023/4/104.2、成都砂卵石地层盾构掘进出现的难题4.3、成都砂卵石地层出现的难题原因分析此种地质情况已经不太适合盾构（土压平衡和泥水平衡盾构）施工。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.1、滚刀的改进：滚刀刀刃加宽，单刃滚刀刃由19.7mm加宽到30mm，双刃滚刀刀刃由19mm加宽到28mm，提高刀刃的耐磨性；刀体硬度加大，由HRC27提高到HRC45；刀刃硬度由HRC54提高到HRC57；刀体上的耐磨加强；刀体的防尘密封取消等。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.1、滚刀的改进：滚刀直径由17寸提高到17.6寸、18寸，最高达到18.2寸；刀盘周边滚刀由单刃滚刀更改为双刃滚刀，提高周边滚刀的掘进距离，与正常滚刀掘进距离保持一致，减少开仓换刀的频率。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.2、刮刀的改进：正面刮刀和周边刮刀由耐磨钉形式更改为大硬质合金块形式。此种改进极大地提高了刮刀的寿命，由原来的200米提高到1000米左右。由于2008年在成都成功经验，直接推广到全国使用。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.2、刮刀的改进：正面刮刀采用三排合金，并且两侧封口，提高了刮刀的寿命。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.2、刮刀的改进：周边刮刀采用三排合金，并且两侧封口，提高了刮刀的寿命。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.3、刀盘耐磨环的改进：刀盘耐磨环盾构机原设计采用HARDOX400耐磨钢板，但由于前盾不动，刀盘旋转，砂卵石对其磨损严重，导致刀盘卡死，2008年开始采用带硬质合金块的耐磨环，极大地提高了耐磨性，已经应用于全国。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.4、刮刀刀座保护刀的设计：由于刮刀刀座高于刀盘面板，因此也存在磨损。2009年2月设计刮刀刀座保护刀，并申请了发明专利。目前已经应用于成都类似地层的大部分盾构机刀盘上。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.5螺旋输送机的改进：螺旋输送机轴前端采用硬质合金块的耐磨块或高耐磨材料制造的耐磨块。海瑞克螺旋输送机轴前端的铸件磨损性差，导致螺旋叶磨损。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.6始发与到达端头拱顶120度范围内打设19根或26根10米长大管棚。在大管棚范围内就算是敞开式掘进都不会出问题。4.4、成都砂卵石地层盾构施工难题解决办法4.4.7其它

⑴、渣土改良采用泡沫加水或加膨润土浆液的形式，保证渣土的良好流动性和低渗透性；⑵、采用满仓掘进模式，即不憋仓又不欠压，降低超方；⑶、优化盾构施工流程，避免长时间盾构停机；⑷、选用优质的盾构消耗性材料，如泡沫剂、盾尾脂、主轴承密封脂等，避免材料质量不稳定造成的危害；⑸、加强盾构司机之间的交流，提高盾构司机的操作水平和盾构技术；⑹、对于超方位置及时进行隧道内和地表上的处理，防止地表塌陷。5成都地铁4号线二期土建6标盾构重难点与解决措施37

盾构区间主要穿〈2－9－2〉中密卵石土、〈2－9－3〉密实卵石土和〈3－8－3〉密实卵石土地层，漂卵石含量70～90%，卵石粒径一般为20～200mm，漂石含量根据探坑揭示含10～25%，漂石粒径集中在200～300mm，凤南区间大于300mm粒径漂石含2～5%（体积比），漂卵石抗压强度41～299MPa。卵石土层渗透系数K取18～35m/d，为强透水层。地质总结为：高富水、大粒径、高强度、胶结性差漂卵石地层。该地层盾构施工难度非常大，重点是盾构机刀盘开口不能满足大漂石进入土舱、滚刀又不能将大漂石破碎，会造成怎样的后果，怎么解决？

根据实际掘进情况，大漂卵石导致盾构机刀盘卡死，超方严重。2023/4/105.1成都地铁4号线二期6标地质概况及水文情况38⑴刀盘卡死，无法短时间脱困。⑵超方严重，空洞跟随盾构机走。⑶超方导致喷涌发生。⑷开仓降水困难，水位无法降至隧道底。⑸盾构穿越小曲线半径。⑹

盾构穿越江安河特别重大风险源。2023/4/105.2盾构施工中存在主要困难39⑴刀盘卡死原因：刀盘被卡后所需驱动扭矩非常大，现有主轴承的脱困扭矩小于刀盘被卡时所需的驱动扭矩，导致刀盘卡死。根据《盾构刀盘驱动扭矩计算模型及实验研究》论文中提出￠1.8m面板式刀盘的土压平衡盾构刀盘驱动扭矩由刀盘前表面的摩擦力矩T1、刀盘圆周面上的摩擦力矩T2、刀盘切削土体扭矩T3、刀盘背面的摩擦力矩T4、刀盘开口槽的剪切力矩T5、土仓内的搅拌力矩T6、推力载荷产生的轴承旋转反力矩T7、刀盘自重产生的轴承旋转反力矩T8、密封装置的摩擦力矩T9组成，其中刀盘前表面、圆周面以及刀盘背面上的摩擦力矩、刀盘开口槽的剪切力矩和土仓内的搅拌力矩占所有驱动扭矩的99%。

单位：KNm2023/4/105.3刀盘卡死40⑵刀盘卡死的几种现象及原因分析：2023/4/105.3刀盘卡死卡死现象原因分析漂卵石粒径大，容易刀盘卡死。刀盘开口进不来漂卵石，刀盘前方及开口扭矩大。长时间停机容易刀盘卡死。刀盘前方泡沫失效，摩擦扭矩增大。细颗粒少、漂卵石多容易刀盘卡死。漂卵石沉积，刀盘大臂搅拌力矩大。喷涌时掘进容易刀盘卡死。细颗料流失，导致漂卵石沉积。盾构掘进超方，地层变得松散容易刀盘卡死。刀盘面板上摩擦力矩大。渣土改良不好容易刀盘卡死。渣土产生的摩擦力矩大。盾构司机操作水低导致刀盘卡死。对漂卵石地层的掘进技术未掌握。…………41⑶刀盘卡死的几种解决措施：主要是降低刀盘被动扭矩。2023/4/105.3刀盘卡死措施一、土仓内渣土置换。将土仓内的漂卵石渣土置换成加砂膨润土浆液，提高

渣土中的细颗粒。二、降低推力，减少刀盘前方对掌子面的正压力。三、采用半衰期长的优质泡沫，同时长时间停机刀盘转动前注部分泡沫。四、如果地层中水过多，打设降水井，降低掘进地层水位。五、对松散地层进行加固。六、开仓清理刀盘开口处的漂石。七、注入大量细颗粒，提高渣土中细颗粒含量。……425.3－1盾构正常掘进图5.3－2超挖，出现松散地层和空洞2023/4/105.4空洞跟随盾构机走的解决措施432023/4/105.4空洞跟随盾构机走的解决措施5.3－3盾构掘进空洞加大图5.3－4灌砼回填44

图5.4－1超方导致地层松散图5.4－2掘进水大喷涌图5.4－3松散层注浆加固2023/4/105.5超方导致喷涌的处理措施45图5.5－1盾构上方出现空洞、卵石松散带水位无法降下去2023/4/105.6开仓降水困难的处理措施46图5.5－2空洞回填、松散卵石注浆加大，降水效果显著2023/4/105.6开仓降水困难的处理措施471、前期准备：⑴地铁公司盾构技术部根据成都地铁小半径曲线经验对我单位进行了培训。⑵隧道管片进行了理论排版，特别是缓合曲线的排版显得尤为重要。⑶制定并下发了详细的作业技术交底。⑷设备进行了充分的检修。2、穿越时出现的问题及解决措施：（1）问题：穿越时左右油缸压力差较大（压力差最大为260bar）,左侧管片在脱出盾尾后出现个别裂纹现象。经分析讨论，主要由于左侧油缸压力大，管片局部受力大所致。（2）措施：采取了左侧管片后端面加贴缓冲垫的方法，增加受力面积，降低应力集中点，有效的避免了管片再次出现裂纹。2023/4/105.7盾构穿越300m小半径曲线482023/4/105.7盾构穿越300m小半径曲线图5.6－1300米曲线半径管片整体效果图5.6－2300米曲线半径管片局部效果

49江安河是我单位在成都地铁施工首次穿越的大河流，属于特别重大风险源。整个穿越期间，我部得到了地铁公司、中水成投指挥部、中水七局的大力支持和帮助，成功的穿越了江安河。1、前期准备：（1）我部进行了充分的技术准备，召开了专家论证会。（2）到达江安河前，两次实验段试掘进，总结出适合江安河地层的掘进参数。（3）盾构机及后配套设备检修。（4）与东风渠河道管理处接洽，紧急情况采取河道截水分流措施。（5）根据天气情况，避开下雨天施工。……2023/4/105.8盾构穿越江安河特别重大危险源502、穿越期间保障措施：（1）地铁公司、中水成投指挥部派专人值班，对我部进行指导，采取24小时领导值班制度。出现问题及时处理，避免盾构在江安河底长时间停机，确保连续掘进。（2）加大设备的巡检力度，充分掌握设备的运行情况，对可能出现的故障预判断。（3）隧道内增派人员对管片复紧，确保拼装质量。（4）各工序紧密衔接，人机合一。如推进和测量互不干涉，避免了因测量导致长时间停机。……经过全体人员共同努力，在确保安全、质量的前提下，凤西区间左右线均用时2天顺利穿越江安河。2023/4/105.8盾构穿越江安河特别重大危险源512023/4/105.8盾构穿越江安河特别重大危险源江安河示意图表5.7－1盾构穿越凤西区间左右线江安河时间汇总表522023/4/105.9盾构穿越江安河特别重大危险源图5.7－1穿越江安河前准备工作图5.7－2江安河底成型隧道532023/4/105.9辽宁三三盾构的改进方案（刀盘卡死）成都地铁4号线二期工程（西延线）凤南区间右线施工进度情况统计表

（2015-01-30～2015-09-06）项目1月30日~7月29日8月1日~9月6日累计完成盾构机编号工程名称米环完成情况米环完成情况米环6#（辽宁三三）凤南区间右线383.01225944.4%479.28738155.6%862.299640刀盘扭矩的改进直接导致掘进进度的大幅度提高2023/4/1054

⑴、管片渗水；

⑵、螺旋输送机卡死；

⑶、皮带落渣5.9辽宁三三盾构的改进方案（遇到的困难）2023/4/10555.9辽宁三三盾构的改进方案（遇到的困难）拼装机的设计导致1个自由度未固定2023/4/10565.9辽宁三三盾构的改进方案（拼装机的改进）2023/4/1057

⑴、管片渗水；

⑵、螺旋输送机卡死；

⑶、皮带落渣5.9辽宁三三盾构的改进方案（遇到的困难）2023/4/10585.9辽宁三三盾构的改进方案（螺旋输送机的更换）2023/4/1059

5.9辽宁三三盾构的改进方案（掉渣严重）2023/4/10605.9辽宁三三盾构的改进方案（皮带刮渣板的改进）6如何做好盾构隧道质量62⑴管片错台；⑵管片破损；⑶管片渗水；⑷管片姿态超限。2023/4/106.1盾构隧道质量出现的问题63⑴做好管片选型，控制好盾尾间隙。管片选型直线段以盾尾间隙为主，曲线段以理论排版为主，盾尾间隙为辅。管片大错台主要原因是管片选型不当，造成盾尾间隙差，盾尾处凸台或盾尾刷与管片外表面相干涉，导致管片向大的盾尾间隙处移动；⑵控制管片上浮。管片脱出盾尾后会产生错台，主要是由于同步浆液未及时凝固，同步浆液对管片的浮力较大，管片环与环之间摩擦力低于管片上浮力，导致管片环与环之间产生错台。现在管片错台大部分是由于此原因造成的。解决此办法的最好措施是提高同步浆液密度或提高水泥用量，减少同步浆液初凝时间；⑶控制同步注浆压力与注浆量。同步注浆压力不能大于3bar，上部注浆压力等于或小于下部注浆压力，以抵消管片浮力；⑷进行二次双液注浆。在盾尾3－5环管片处及时注入水泥水玻璃浆液，及时凝固管片上部，固定管片，防止管片上浮；⑸

管片螺栓三次复紧，及时提高管片被动摩擦力；⑹

盾构掘进“勤纠缓纠”，尽量降低管片侧移分力；⑺

经常进行盾构姿态复测，防止盾构姿态变化大。2023/4/106.2管片错台的控制措施64⑴做好管片选型，控制好盾尾间隙。管片选型直线段以盾尾间隙为主，曲线段以理论排版为主，盾尾间隙为辅。盾尾处凸台或盾尾刷与管片外表面相干涉，导致管片外表面产生破损；⑵控制好管片螺栓上紧扭矩。管片螺栓上紧扭矩在正常范围内，不能太大。往往是由于管片螺栓上紧扭矩大，管片产生错台后，导致螺栓孔处产生大的管片破损；⑶管片拼装要正确。整环6块管片要拼装成整圆，即不能拼大，又不能拼小，要保证管片的前或后端面必须在同一平面上，不能拼装成“喇叭口”。这主要通过提高盾构拼装手的拼装管片水平来解决；⑷管片缓冲垫要按设计粘贴。不能导致管片与管片间直接接触，应力集中会导致管片破损；⑸

推进油缸推力要均匀，尽量降低推进油缸推力，避免盾构土仓内结泥饼，导致推力过大；⑹

控制盾体旋转角度，防止盾体或管片旋转，造成推进油缸撑靴顶在两块管片之间，导致管片破损。……2023/4/106.3管片破损的控制措施65⑴尽量避免管片错台和破损导致的管片渗水，大的错台或破损会导致密封防水条的失效；⑵

选用优质的管片防止条和密封胶水；⑶

管片防水条的粘贴要到位。管片防水条粘贴部位要清理干净，不能有水渍（如果下雨天，应考虑防水措施，并用喷灯使其干燥）；防水条粘贴后12小时才允许拼装；管片拼装前要使用清水将管片防止条表面冲洗干净；⑷管片拼装时不允许随意管片与管片间移动，导致管片防水条损坏；⑸

拼装K块时，K块防水条要涂抹肥皂水，防止K块插入时损坏防水条；⑹

拼装管片前盾尾下部泥浆和水必须清理干净，防止拼装时管片与管片时夹杂物，导致渗水；⑺

同步注浆配比要合理，管片外部浆液要及时凝固。凝固的同步浆液作为管片的外防水非常重要。2023/4/106.4管片渗水的控制措施7如何做好盾构项目管理67⑴好的项目是平平淡淡、一帆风顺地将项目做完，但这需要项目管理者做大量的前期准备与筹划工作。可能发生的风险尽量避免。越是出现问题多的项目，项目管理水平越一般；⑵

思想统一、各司其职，能够胜任本职工作的的领导班子才是项目做好的重要条件。盾构项目领导必须有一定的盾构技术基础；⑶做好施工总体筹划，不做事后“诸葛亮”。根据施工组织设计做好总体投入，包括人、料、机；做好盾构施工场地布置，尤其是渣土坑尽量大；⑷

抓住重点，才能确保项目正常。在掘进过程中不能更换的主要是主轴承和刀盘，因此确保主轴承和刀盘不出问题才是更中之重。主轴承的寿命靠的是保养、维护；刀盘的寿命主要靠的是刀具的正常磨损，不能失效，但许多项目都是节省换刀的那几个钱，导致刀盘磨损，甚至挖竖井将刀盘吊出；⑸发现问题及时解决问题。由于盾构施工的专用性，有时无好的经验可以借鉴，导致出现问题较多。但出现问题要分析出重点，原因所在，及时解决问题才是项目管好的前提；2023/4/107如何做好盾构项目管理68⑹确保安全、质量的前提下提高施工进度。盾构施工除常规安全风险之外，还有水平运输、垂直运输的本身施工安全和由于盾构施工影响到的地表安全。安全管控主要保养、维护好电瓶车、渣车等水平运输设备和龙门吊等垂直运输设备。盾构施工根据不同的地质条件采用不同的设备、不同的掘进方法、不同的渣土改良等，主要目的是确保不超挖，进而保证地表建（构）筑物安全。盾构施工进度的快慢，主要不是由盾构掘进速度决定了。进度的快慢主要取决于盾构施工后配套的配置能力与出现问题的解决时间。盾构施工除常规的日常保养时间外，其余时间应该全部是在掘进、拼装和换刀等正常流程施工。但往往是被盾构出现故障解决不了、无损坏部件、管片质量出问题等被动停机。进而导致盾构施工进度缓慢。⑺

按常规做好盾构施工的第一步，不要犯经验主义错误。由于盾构是一新工艺，无很好的标准依据。但盾构施工需要做好每一步，降低盾构施工风险；但实际施工过程中有许多人由于做过一次具有风险的事情，并且未出风险，他就认为这样做可以，长此下去，实际上不应该冒险做的事情，就一直作为成功经验在使用，最终导致风险产生。⑻

做好开源的同时，重点做好节流。盾构开源很难，但节流是按正常投入的前提下尽量控制成本，不是一味追求单价低的产品。2023/4/107如何做好盾构项目管理8如何控制盾构施工成本70⑴在确保工期的前提下，减少设备投入。盾构机的投入与摊销占盾构施工成本中的一大部分，如果筹划得当，盾构机投入数量减少，将节约很大一部分施工成本；如果前期进度不理想，后期增加盾构设备，成本将会提高许多；⑵

在确保安全、质量的前提下提高进度。进度提高，工期缩短，管理成本和劳务成本将直线降低；⑶

盾构相应配套钢结构设计要合理。盾构反力架、托架、踏板、吊耳等钢结构设计要有充足的预留刚度，但设计也不能太保守。盾构隧道人行踏板就是一例子，如果只是依靠踏板支架，踏板刚度明显不足，但踏板一侧或多或少要搭在管片上，刚度就够了；⑷

选用质优价廉的消耗性产品，但盾构施工消耗性产品选用要以质优为主导；质优之后量可能就会少，经济性好并不是单价越低越好；⑸

进行精细化管理，消耗性产品量控制在偏低的合理范围内。泡沫剂、盾尾脂、主轴承密封脂、润滑脂消耗量