盾构施工技术培训讲义

盾构施工技术

主讲人：杂交稻创杂交稻盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

盾构施工技术

SHIELDCONSTRUCTIONTECHNIQUE盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

1盾构概论2典型盾构介绍3盾构在我国的开展与应用4盾构的市场前景盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1盾构概论隧道及地下空间的大开展，促进了盾构法施工技术的进步。盾构施工的历史，始于英国，开展于日本德国。自从1825年布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下使用矩形盾构开始修建第一条盾构法隧道以来，盾构法施工已有180多年的历史。我国自20世纪50年代开始涉足盾构法修建隧道和管道工程，最近十年开始大规模应用。虽然起步较晚，但由于主意吸收和采用先进技术和工艺、参考和借鉴国外成功的经验和失败的教训，所以开展较快，但与国外先进国家仍存在较大差距。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1.1盾构及其工作原理概念：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、整机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。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

盾构的三大要素：1、开挖面稳定2、掘进及排土3、管片衬砌及壁后注浆。

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构与硬岩掘进机〔TBM〕的区别：TBM不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。2.盾构通过盾尾千斤顶支顶已安装好的管片来获得反力；TBM通过支在岩壁上的支撑靴的弯矩和扭力获得反力。更多资料请登陆：盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1.2盾构分类按断面形状分类按支护地层的形式分类按开挖面与作业室之间隔板的构造分类盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

1.2.1按断面形状分类

单圆盾构、复圆盾构〔多圆盾构〕、非圆盾构。异形盾构包括复圆盾构〔双圆和三圆〕和非圆盾构〔椭圆形盾构、矩形、马蹄形、半圆形〕盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE双圆和多圆盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE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式

按支护地层的形式分类盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE手掘式盾构

全敞开式半机械式盾构

机械式盾构敞开式局部敞开式挤压式盾构盾构压气式压缩空气盾构闭胸式泥水式土压平衡盾构土压平衡盾构土压式加泥式土压平衡盾构

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3典型盾构介绍敞开式盾构压缩空气盾构泥水盾构土压平衡盾构复合盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE敞开式盾构〔OpenfaceshieldOF盾构〕1全敞开式：手掘式〔砂性土和黏性土地层均能适用，便于观察地层，去除障碍，易于纠偏〕2半地机械〔局部断面开挖盾构—适用于良好层：反铲式和铣削头式〕3机械式〔全断面开挖〕OF盾构——自稳性强的围岩，各种非黏性和黏性地层在地下水位以下地层或渗漏地层掘进时，必须用井点降水降低地下水位。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

敞开式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE半机械式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE反铲式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE机械式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4挤压式盾构(Blindtypeshield盲式盾构)对底层的扰动较大，地面易产生较大的隆陷变化，在地面有建筑物地区不宜使用。仅适用于自稳性很差，流动很大的软黏土和粉砂质围岩，不适用于含砂率高的围岩和硬质围岩。Ⅰ盖板式挤压盾构利用隔板将开挖面全部封闭，只在一局部上设面积可调的排土盖板，盾构正面向前推进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由盖板部位出土。通过调节盖板开口的大小和排土阻力使千斤顶推力和开挖面土压力到达平衡。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUEⅡ螺旋出土式挤压盾构利用封板将开挖面封闭，盾构正面贯入围岩向前推进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由螺旋输送机进行排土。通过调节螺旋输送机的速度和土闸门翻开度，来实现千斤顶推力和开挖面土压力的平衡，以稳定掌子面。Ⅲ网格挤压盾构在上海软土地层中常常被采用，进土量接近或等于全部隧道其出土量，且往往带有局部挤压性质，盾构正面装钢板网格，在推进中可以且学土体，而在停止推进时可以起到稳定开挖面的作用。可有效控制地表变形。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

网格挤压式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE压缩空气盾构〔airpressurebalanceAPB盾构〕适用于黏土，黏砂土，多水松软地层原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自然或机械的支撑承受。要保证压力平衡，否那么顶部过剩的压力“喷发〞的危险已被泥水盾构取代盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE泥水盾构〔slurrypressurebalanceshieldSPB盾构〕泥水盾构的构成：一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进盾构掘进系统可调整泥浆物性，并将其送到开挖面，保持开挖面稳定的泥水循环系统综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状况的综合管理系统泥水别离处理系统壁后同步注浆系统

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目前最大的泥水盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

目前最大的泥水盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE日本泥水盾构土压平衡盾构

德国泥水盾构混合型盾构日本体系：泥水仓全是泥水，直接控制型泥水盾构，调节控制阀来开度，来进行泥浆压力控制。德国体系：泥水仓中设置了气压仓，间接控制型泥水盾构，气压复合模式，调节空气压力来进行泥浆压力控制，液位传感器根据液位的上下来调整液位。

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE泥水盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1开挖面稳定机理2泥膜形成机理泥膜形成的根本要素〔泥水的密度、含砂率、泥水的黏性、泥水压力：土压力、水压力、预留压力〕——尽快形成不透水的泥膜。掘进速度与泥膜的关系：高质量泥水成膜时间1-2秒3地质适用范围1.黏性土层2.砂层3.砾石层4.贝壳层

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.4土压平衡盾构(earthpressurebalanceEPB盾构)一.根本配置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：面板式和辐条式，其中面板式平安性高，但易堵塞;辐条式开口率大，不易堵塞，但不能安装滚刀，平安性差，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〕盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE土压平衡盾构〔面板式和辐条式〕盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4.膨胀土添加系统和泡沫系统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〕盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE目前最大的土压平衡盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE二.开挖面稳定机理刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡；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适用于黏性土和砂性土

土压平衡盾构开挖面的稳定由以下各因素综合作用而维持：①土仓内的土压力平衡地层压力和水压力。②螺旋输送机调节排土量③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盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

土压平衡盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE三.地质适应范围黏稠土壤中〔黏土、亚黏土、淤土、低渗透性图〕，作为支撑介质土料要具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小A型：特殊发泡剂B型：泡沫添加剂

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.5复合盾构一台盾构在不同地层经转换可以以不同的原理和方式运行，这类盾构称为复合盾构，也称混合盾构，polyshield或Mixshield也有称其为combinedshield。

组合模式：压缩空气/敞开式盾构，泥水式/敞开式，土压平衡/敞开式，泥水式/土压平衡，敞开式/泥水式/压平衡，敞开式/压缩空气/土压平衡。

适用于软土和硬岩的复杂地层施工

特点：1.既有切刀和刮刀等软刀工具，又安装有滚刀等硬刀具。具有两套出渣系统盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构刀具盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE滚刀和刮刀盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE中铁隧道集团研制的复合盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

复合式土压平衡盾构

只有一套出渣系统：螺旋输送机三种掘进模式：土压平衡模式、敞开模式、半敞开模式〔压缩空气加压模式〕盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE敞开模式：掌子面足够稳定并且涌水能够控制时半敞开模式〔加气模式〕：掌子面具有足够的自稳能力，且水压小于1.5×105Pa，下部为刀盘切削下来的渣土，上部为压缩空气，当土仓内压不大于1×105Pa时不会发生螺旋输送机出渣喷涌现象;当土仓内气压不小于1×105Pa且不大于1.5×105Pa时，可能会发生出渣喷涌现象，但可以控制。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构安装盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构施工盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE土压平衡掘进模式主要用于开挖面不能自稳或地下水较多以及流塑性的软粘土地层或砂土地层。土压平衡掘进可以有效地防止过大的地面沉降。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE复合式土层平衡盾构在土压平衡模式下工作时，必须具备以下功能特点：1土压监测功能；2必须具有泡沫、膨润土和压缩空气注入系统；3密封防水性能：主轴承、铰接密封和盾尾密封必须具有一定的防水性能；4刀盘的主轴承密封必须能承受一定的压力；5螺旋输送机的出渣量、出渣速度可控，随时间可关闭，具有防喷涌的功能，建立土塞效应。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构在我国的开展与应用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的疏水巷道。1962年2月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土地层，研制了1台的手掘式普通敞胸盾构。1965年月由上海工程设计院设计、江南造船厂制造的2台盾构直径米的网格挤压盾构，于1966年完成了2条平行的隧道，隧道长660m，地面最大沉降10cm。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE武汉地铁盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1966年5月，中国第一条水底公路隧道——上海打浦路越江隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造厂制造的的直径网格挤压盾构施工，掘进总长1322m，于1970年底建成通车。1973年采用1台直径的水利机械化出土网格盾构和2台直径的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了1条污水排放隧道和3条引水隧道。1980年上海地铁1号线试验段施工，研制了一台直径网格挤压盾构，在淤泥质粘土地层中掘进1130m。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构吊装盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1982年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径网格挤压水力出土盾构。1986年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。1990上海地铁一号线全线开工，18km区间隧道引进了7台由法国FCB公司制造的土压平衡式盾构。1996年，上海延安东路隧道南线工程，总长1300m采用从日本引进的泥水加压平衡盾构施工。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE沈重国产盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE中铁隧道集团研制的复合式盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE2002年8月，国家科技部将土压平衡盾构的研究设计列入国家“863〞方案。通过公开招标，第一批3项设计课题分别由中铁隧道集团和上海隧道工程股份为主承担。2002年底，同样通过公开公开招标，第二批4项课题分别由中铁隧道集团和上海隧道工程股份为主承担。两家国内盾构设计、制造与施工优势企业成立了联合攻关组，组织了有浙江大学、同济大学、华中科技大学、东南大学、煤炭科学研究院、北京城建、洛阳九久科技开发等单位参加的产、学、研结合的课题组。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE“先行号〞盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE2004年5月中铁隧道集团与日本小松公司联合制造了1台直径土压平衡盾构。2004年10月下旬，上海隧道股份制造了一台直径土压平衡盾构应用于上海地铁2号线西延伸隧道工程。2005年12月，中铁隧道集团自主研制的适用于沙砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘成功应用于北京地铁4号线19标颐和园——圆明园区间。2021年4月中铁隧道集团研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE上海隧道股份盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4盾构市场前景城市地铁前景“十一五〞期间，已获批建设地铁的16个城市的新建里程合计为1009km，正在申报和在编制轨道交通规划的城市6个，到2050年规划建成轨道交通里程将超过1500km，总投资超过5000亿。据预测，近5年内地铁盾构的需求量约在350台次以上。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE国内盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE过江隧道前景