盾构法区间施工工艺、方法、技术方案

盾构法区间施工工艺、方法、技术方案

1盾构区间总体施工方案

本标段共有五个区间采用盾构法施工，本投标人计划配备4

台盾构机，其中7号、8号为复合式土压平衡盾构，9号、

10号为加泥式土压平衡盾构。

7号、8号盾构首先由汽车北站始发，施工汽车北站〜XX机

场站区间，然后再转场至汽车北站，施工汽车北站〜XX路站

后大断面处区间。9号、10号盾构机。9号、10号盾构首先

由庙头站始发，施工庙头站〜XX机场站区间，然后再转场至

庙头站，施工庙头站〜XX路站区间，之后在XX路站南端头

吊出，转场至XX路站北端头，施工XX路站〜XX路站区间。

盾构掘进顺序示意图见图5.1-1、5.1-2。

盾构区间施工顺序及工艺流程见图5.1-3。

2盾构、施工配套系统

2.1盾构选型

瑞金路站汽车北站流亭机场站

掘进时间：9个月掘进时间：20个月

左线提前右线2个月始发左线提前右线2个月始发

图例：oce-i

始发二次始发到达接收盾构转场联络通道

图5.1-1复合式土压平衡盾构掘进顺序示意图

机场站.、•站.1路站一路站

掘进时间：8个月掘进时间：6个月掘进时间：5个月

左线提前右线1个月始发左线提前右线1个月始发左线提前右线1个月始发

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即其一审俄-常破艰£收中如，以辞;转君联络通道

图5.『2加泥式土压平衡盾构掘进顺序示意图

2.1.1选型原则

盾构机选型是优质、安全、快速建成盾构隧道的关键工作之

一。盾构机主要遵照以下原则进行选型：

选择的盾构机机型和功能必须满足本标段线路条件、工期、

施工条件和环境等要求。

选用的盾构机符合本标段的地质条件，其性能与本标段内的

工程地质、水文地质条件相适应。

选用的盾构机应具有良好的性能和可靠性。

类似地质、施工条件下盾构选型、施工实例及其效果。

图5.1-3盾构区间施工顺序及工艺流程图

盾构机制造商的知名度、良好的业绩、信誉与技术服务。

2.1.2选型依据

依据XX地铁1号线XX路站后大断面处〜汽车北站〜XX机

场〜庙头站〜XX路站〜XX路站区间招标设计文件要求，综

合考虑本区间隧道工程地质、水文地质以及线路条件、地层

沉降、工期和环境保护、施工条件等。

依据XX地铁2号线及本公司其他城市地铁在类似地层中盾

构施工实践，依据XX路站后大断面处〜汽车北站〜XX机场〜

庙头站〜XX路站〜XX路站区间招标设计文件及相关地质勘

察资料，XX路站后大断面处〜汽车北站区间、汽车北站〜XX

机场站区间采用两台复合式上压平衡盾构机，编号为7号、

8号；XX机场站〜庙头站区间、庙头站〜XX路站区间、XX

路站〜XX路站区间采用两台加泥式土压平衡盾构机，编号为

9号、10号。

2.1.3盾构机具备的功能

2.1.3.1基本功能

具备开挖系统、出硅系统、硅土改良系统、管片安装系统、

注浆系统、电力系统、控制系统、测量导向系统等，能够在

安山岩、粗面安山岩、块状碎裂岩、含卵石粗砾砂、粗砂、

砾砂、强风化泥质砂岩等地层掘进的基本功能。

具备土压平衡模式掘进功能。

足够的刀盘驱动扭矩和盾构推力。

高耐磨性的刀盘设计及合理的刀具配置。

足够的刀盘开口率，开口形状及位置。

能承受大偏心力矩的主轴承设计，具有适当主轴承设计寿

命，有效的主轴承密封及刀盘减震设计。

盾构机可靠的较接系统和盾尾密封系统。

优良的硅土改良系统（配备泡沫注入系统和膨润土注入系

统）。

功能完善的人员仓设计。

2.1.3.2特殊地段的通过能力

穿越上方为构建筑物、河流、高架桥、断裂带等，盾构机应

对地层沉降反应敏感，具备控制沉降的能力。

穿越安山岩、粗面安山岩、块状碎裂岩、强风化泥质砂岩极

破碎上软下硬及断裂带软岩地层掘进过程中，盾构机应具备

很强的控制姿态能力，刀盘及配备刀具应具备较强耐磨性、

防喷涌的功能和防止刀盘结泥饼的发生。

土压仓及出土口具备有害气体的检测报警系统。

2.1.3.3精确的方向控制

采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。

2.1.3.4环境保护

盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要

求，无大的噪声、震动等。

盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成

污染。

2.1.3.5掘进速度满足计划工期要求

2.1.3.6设备可靠性、技术先进性与经济性的统一

整体设计的可靠性，即地质的适应性；设备本身的性能、质

量、使用寿命等的可靠性；盾构选型及设计应该按照可靠性

第一，技术先进性第二，经济性第三的原则进行。

2.1.3.7复合式土压平衡盾构机工作特点（7号、8号）

复合式土压平衡盾构机对地层有一定的适应性强，适应于岩

石占较大成分的地层，使切削的硅土易获得塑性流动性和不

透水性。其主要优点特点：

复合式土压平衡盾构机通过向盾构机磴土舱内加注辅助材

料如泡沫和膨润土等，可改善硅土的特性以使盾构机在安山

岩、粗面安山岩、块状碎裂岩、强风化泥质砂岩岩层中安全

快速推进；

结构比泥水平衡盾构相对简单，盾构机械本身及施工均易于

管理；

由于不需要庞大的泥水处理厂，对施工场地要求较小；

泡沫、polymer等添加剂无污染，弃硅中泥水含量小，对环

境保护较好；

能够实现控制地面沉降范围在要求范围内；

能够适应多种地质条件下隧道建设的需要；

螺旋输送机的排土闸门具有断电保护功能；

盾体设计采用不等直径设计和刀盘超挖设计，有利于盾构小

半径转弯能力的实现；

刀盘中心大开口率，使硅土在刀盘中心能顺畅通过，减少了

形成泥饼的机率，改善渣土的流动性；

盾尾较接采用双密封型式，可以确保密封性能又有利于小半

径转弯的实现；

盾尾处安装了3排钢丝刷，每两排钢丝刷之间都注入盾尾密

封脂以保证良好的密封性；

在前盾承压隔板上部安有双室人员仓，人员仓安装了在压缩

空气下工作所必需的标准配置，使用人员仓可以带气压进仓

完成维修、检查和换刀作业；

配置了同步注浆系统，提高管片背后注浆能力，有效控制地

面沉降。

2.1.3.8复合式土压平衡盾构机的参数

通过仔细研读招标文件中的地质资料并结合相关的盾构施

工技术资料，本标段复合式土压平衡盾构机选用的参数见表

5.2-1o

表5.2-1盾构机主要尺寸、技术性能和参数表

主部件名称细目部件名称参数

盾构类型土压平衡盾构

适应地层复合地层

管片外径6,000mm

管片内径5,400mm

综述管片宽度1,500mm

分布3+2+1

纵向连接螺栓数量16

整机主要部件设计寿命10km

开挖直径装滚刀时：6300mm

主部件名称细目部件名称参数

盾体直径6200mm

主机长度12.5m

整机长度约80m

盾构及后配套总重430t

最小平曲线半径250m

最小竖曲线半径1000m

最大线路坡度（爬坡能力）35%o

刀盘型式复合式材料：Q345C

安装滚刀时最大开挖直径6290mm

安装齿刀时最大开挖直径6290mm

开口率37%

38把盘形滚刀刀座（齿刀与盘形滚刀可

盘形滚刀

互换）

滚刀轴向转动力矩22-80Nm（根据地质条件可调整）

刀盘切刀52把

周边刮刀32把

刀盘外缘保护刀6把

泡沫/膨润土浆注入孔数量6个

重量（约）53t

刀具安装方式背装式

旋转接头6路泡沫+4路液压

驱动型式液压驱动

转速0—2.75rpm（双向旋转，连续可调）

额定扭矩5,000kNm

脱困扭矩6,000kNm

刀盘驱动

主驱动装机功率3X315kW

主轴承形式3排圆柱滚子轴承

主轴承直径2820mm

主轴承使用寿命>10000h

主部件名称细目部件名称参数

主轴承密封设计承压能力5bar

主轴承密封形式唇型密封

主轴承密封润滑方式外密封自动集中润滑，内密封手动润滑

型式钱接式

前盾直径、钢板厚度6250mm、50mm

中盾直径、钢板厚度6240mm>40mm

盾尾直径、钢板厚度6230mm、40mm

中盾与前盾连接方式螺栓连接

承压能力3bar

盾体钢丝刷密封数量3道

盾尾密封承压能力3bar

盾尾间隙30mm

土压传感器数量7个

前盾重量（约）loot（含设备）

中盾重量（约）90t（含设备）

盾尾重量（约）35t（含设备）

总推力36,493kN@300bar

最大总推力/压力42,575kN@350bar

油缸数量32根

油缸行程2100mm

推进系统最大推进速度80mm/min

最大外伸速度150mm/min所有油缸空载

管片安装模式下单组缸最大回缩速度3,000mm/min

位移传感器数量4只

推进油缸分区数量4区（上、下、左、右）

类型被动式较接

最大收缩力1,000kN@350bar

较接系统

油缸数量14根

油缸行程170mm

主部件名称细目部件名称参数

位移传感器数量4只

钱接转向角度（垂直/水平）1.3°

钱接密封密封形式1道橡胶密封+1道紧急气囊密封

舱室数量2个

容量3人（主舱）+2人（紧急舱室）

人舱直径1600mm

舱门数量3

工作压力3bar

泵站形式气动式

盾尾密封油脂管路数量2X4线路（每个注脂腔4个）

系统压力传感器数量2X4个

注入点分布均布

EP2油脂润滑

泵站形式气动

系统

HBW油脂密封

泵站形式气动

系统

类型有轴螺旋式

数量1个

输送机壳体内径820mm

最大扭矩220kNm

最大转速21rpm

最大能力（理论）380m3/h

螺旋输送机节距630mm

通过的卵石粒径250mm

伸缩结构形式套管式

伸缩行程1000mm

螺旋输送机驱动唇型密封润滑方式集中自动润滑

重量（约）17t

防涌门1个剪式

皮带输送机驱动类型电机驱动

主部件名称细目部件名称参数

数量1个

皮带宽度800mm

皮带长度（约）55m

速度2.5m/s

最大能力450m3/h

皮带机装机功率30kW

盾尾上管路布置形式内置式

注浆管路数量2X4根

注浆泵数量2台双柱塞泵

同步注浆泵型号施维英KSP12

注浆系统能力2X12m3/h

储浆罐容量7m3

储浆罐两端轴承润滑方式集中润滑

压力传感器数量4只

管路数量刀盘6个+螺旋输送机2个+隔板2个

泡沫系统最大泡沫注入量6m3/h

控制模式自动/手动

刀盘上的注入点和泡沫注入点一致

泵流量10m3/h,可调

膨润土注入系

泥浆罐容积9m3

统

泥浆泵数量1

泥浆泵安装功率1.5kW

额定抓举能力100kN

转动扭矩275kNm

静扭矩350kNm

管片拼装机类型6自由度，齿圈式，机械抓取

驱动方式液压驱动

移动行程（隧道轴向）2000mm（满足更换前两道盾尾刷）

提升行程（隧道径向）1200mm

主部件名称细目部件名称参数

旋转角度±200°

旋转速度0〜1.5rpm（速度可调）

控制方式1无线控制+1有线控制

每环管片拼装时间约20min

型式双梁式

数量2

起吊能力3.2t

管片吊机

行走速度10m/min

控制方式摇控+线控

喂片机存放3块管片（冗余设计）

型式两棱镜式

测量精度2秒

导向系统

俯仰和旋转传感器2个

自动全站仪LeicaTCA1202-S型

摄像头数量4台

监视系统

显示屏数量1

拖车数量1节连接桥+5节拖车

连接桥长度12.5m

后配套

允许列车宽度1500mm

后配套拖车行走方式轨行式

水管规格DN80mm

冷却水系统水管挂架有效延伸长度12m

水管数量3路

型式隔膜泵

能力30m3/h

排污系统

污水泵40m3/h

排污管规格DN80mm

压缩空气系统空压机数量2

每台空压机排量6.4m3/min

主部件名称细目部件名称参数

额定压力8bar

储气罐lm3

供气分配网后配套每节拖车上

初次过滤器有

自动保压系统PID系统

自动保压系统数量2套（其中一套为备用）

风管直径0600mm

二次通风

通风管储存装置2个（DN1000风管，100m储量）

有害气体检测

便携式和固定式各一套便携式进舱使用

系统

油箱容量5m3

液压泵站液压油矿物油VG46

过滤功率15kw

初次电压10KV(TO%〜+10%)/50Hz

二次电压400V

变压器数量1台

变压器1250+800kVA

电力系统

电气系统防护等级IP55

功率因素（配备功率因素补偿器）Cos0=O.9

电器设备保护等级/标准IP55

高压电缆托架1个（不含电缆）

消防灭火器数量12个

可编程控制器PLC西门子S7-400

显示器2个

控制和通讯数据采集系统1套

语音通讯6部电话

地面上的通讯光纤

刀盘驱动系统945kW

功率配置

盾构推进系统90kW

主部件名称细目部件名称参数

管片拼装机55kW

辅助系统OkW推进系统串联

注浆系统OkW管片拼装系统串联

液压油过滤系统15kW

齿轮润滑系统4kW

螺旋输送机200kW

泡沫发生装置18kW

同步注浆8kW

皮带输送机30kW

二次通风30kW

空压机74kW

电源插座及工地用电75kW

其他60kW

合计1574kW

2.1.3.9加泥式土压平衡盾构机工作特点（9号、10号）

拟投入本工程的加泥式土压平衡盾构机满足本工程对盾构

设备的各种要求。主要设计特点如下：

该盾构机盾体采用直筒型设计，即除刀盘直径为6280毫米

外，盾构机前体、中体及尾盾外径均为6260毫米，对地层

沉降控制极为有利。

注重并加强了富水地层的防喷涌设计，完善渣土改良及螺旋

机性能，降低喷涌概率。

刀盘是最重要的部件，具有适应软土地层的布刀方式，同时

刀箱可安装滚刀破除硬岩，刀盘可同时安装边缘刮刀、刮刀、

齿刀、滚刀等，可根据地质条件灵活搭配，可以很好地适应

施工段的地质条件。各种刀具可以从刀盘后面方便地更换。

运输装置和吊钩用来方便地卸下和安装各种刀具。

盾构机的管片安装机械手满足管片宽度1.5米的尺寸和管片

重量设计，能使隧道线形得到很好的拟合。机器主要部件采

用有限元分析进行应力和变形计算。

前护盾内承压隔板的下部有一个安全门，当有紧急情况或螺

旋输送机缩回进行维修时，安全门会关闭。这样使得土仓封

闭，确保在此期间前方有涌水或意外塌陷时的工作安全。

尾盾处安装了3排线刷盾尾密封，每排线刷之间都注入盾尾

润滑脂以保证良好的水密性。盾尾壳体内安装了8支（4支备

用）同步注浆管，可向管片后同步注浆，增加了隧道衬砌强

度和防水能力。

盾构机配有双室人闸，该人闸位于主护盾内上部，人闸安装

了在压缩空气下工作所必需的电路和标准装置，当盾构机的

刀具磨损或者地层改变后，可以带压进仓更换刀具，以适应

地层的变化。

刀盘主轴承采用三排圆柱滚子大型轴承（主轴承外径直径

3600毫米），承载能力强、承载直径大，并易于保持刀盘工

作时的稳定，因而稳定开挖面。机械迷宫密封+3道重荷载加

强型唇形密封，从而确保轴承寿命达10000小时。

盾构机最大设计开挖速率为80毫米每分钟，从而能有效的

保证工期要求。

盾构机配备的螺旋机经过计算，其长度完全满足本标段可能

的最高水压要求。另外在掘进过程中，可以通过向土仓内或

螺旋机内加入泡沫或者聚合物等添加剂防止发生“喷涌”现

象。

设有一套完整的激光导向和PLC控制系统，根据导向系统指

示的掘进方向信息，通过电磁和液压系统，分别控制上、下、

左、右四组推进油缸的压力和推进量，改变掘进方向；设有

盾构机绕水平轴的滚动量限制自动停机装置。该系统也可为

管片预选和拼装提供方向信息，从而能较好地控制盾构机的

掘进姿态。

设计有泡沫和泥浆注入系统。泡沫和泥浆有很多优点：泡沫

的特性可以更好地控制开挖面的稳定，由许多微型气泡组成

的泡沫的缓冲减震作用可限制开挖面压力的波动；由于泡沫

填补了开挖物料的缝隙，使渗透性降低，因此可在高水压下

开挖；泡沫的润滑作用能增加开挖物料的流动性，减小土仓

中的堵塞风险，还可通过减小工作扭矩限制电力消耗；泡沫

可以减小地层对刀具的磨蚀作用，从而增加和地层接触的部

件的寿命。优质泥浆可以改善出土的形状，从而确保硅土可

以顺利从土仓、螺旋机排出。

土仓内中心部位设置不旋转的隔板，与刀盘面板中心存在相

对转动，从而使两板上的搅拌棒能充分搅拌土仓中的硅土，

因此可以减小在中心处形成泥饼的可能。

盾构机上有监控和数据采集记录系统，对盾构机的驱动参数

和故障进行显示和记录，以便任何时候查询或打印数据，分

析盾构机运转情况。

采用精确的导向系统，不仅可提供偏离的盾构机调回设计中

心线的最佳线路，而且对于安装管片衬砌隧道，可提供衬砌

环计算软件，指导管片的安装方向达到最适合盾构机当前开

挖方位。

2.1.3.10加泥式土压平衡盾构机的参数

通过仔细研读招标文件中的地质资料并结合相关的盾构施

工技术资料，本标段加泥式土压平衡盾构机选用的参数见表

5.2-2。

表5.2-2盾构机主要尺寸、技术性能和参数表

主部件名称细目部件名称参数

盾构机类型土压平衡盾构机EPB

综述（及适应工作地层土质种类本项目

条件）整机正常使用寿命10km

开挖直径装滚刀时：6310mm

主部件名称细目部件名称参数

前护盾直径6262mm

主机长度9.5m

整机长度〜80nl

盾构及后配套总重450t

250m

最小平曲线半径

200m纠偏

最小竖曲线半径1000m

最大线路坡度（爬坡能力）35%。

日进度：>20环

盾构机工作能力

最高月进度:>400m

4+4辐条+4+4面板

刀盘型式

材料：Q345B

安装滚刀时最大开挖直径6310mm

安装撕裂刀时最大开挖直径6280mm

开口率34%

19把先行撕裂刀+18把盘形滚刀

先行撕裂刀/盘形滚刀（撕裂刀与盘形滚刀可互换），用

于在大卵石及岩层中掘进

刀间距见刀盘结构图

滚刀轴向转动力矩22-80Nm（根据地质条件可调整）

双层刮刀92把

刀盘周边刮刀16把

刀盘外缘保护刀12把

泡沫/膨润土浆注入孔数量8个

重量（约）52.5t

超挖刀形式仿形刀

仿形刀数量1

最大仿形量75mm

换刀方式背装式

4线用于泡沫，

旋转接头

2线用于超挖刀液压管路

旋转接头润滑方式集中润滑

主部件名称细目部件名称参数

驱动型式变频电驱动

0—3.OOrpm（双向旋转，连续可

转速

调）

最大实际额定扭矩5520kNm(1.00rpm时)

最高转速实际扭矩1,875kNm(3.00rpm时)

实际脱困扭矩6,840kNm(0.25rpm时)

主驱动装机功率6X110kW

刀盘驱动

主轴承形式3排（轴向一径向）圆柱滚子轴承

主轴承直径3000mm

主轴承使用寿命>10000h

主轴承密封最大承压能力4bar

主轴承密封形式2义3道四唇密封

主轴承密封润滑方式内、外密封均为自动集中润滑

型式钱接式

前盾直径、长度、钢板厚度6262mm>2320mm、40mm

中盾直径、长度、钢板厚度6254mm、2890mm>40mm

盾尾直径、长度、钢板厚度6246mm>3960mm>40mm

中盾与前盾之间连接方式螺栓连接

承压能力6bar

钢丝刷密封数量2道

盾壳

钢板束数量2道（1道尾刷+1道止浆板）

盾尾密封承压能力4bars

盾尾间隙33mm

7个（5个位于承压隔板上，2个

土压传感器数量

位于螺旋输送机上）

前盾重量（约）loot（含设备）

中盾重量（约）77t（含设备）

盾尾重量（约）48t（含设备）

最大总推力/工作压力34,OOOkN@340bar

推进系统

油缸数量16根

主部件名称细目部件名称参数

油缸行程2100mm

最大推进速度80mm/min,用16个油缸

管片安装模式下最大外伸速度2,000mm/min,用4个油缸

管片安装模式下最大回缩速度3,000mm/min,用4个油缸

管片安装模式下单缸最大回缩速度3,000mm/min

位移传感器数量4只

推进油缸分区数量4区（上、下、左、右）

推进系统装机功率55kW

类型被动式较接

最大收缩力8,000kN@340bar

油缸数量10根

皎接系统油缸行程170mm

最大回缩速度170mm/min

位移传感器数量4只

钱接转向角度（垂直/水平）1.5°

2道唇型密封+1道止浆板，并充

较接密封密封形式

油脂

舱室数量2个

容量3人（主舱）+2人（紧急舱室）

人舱直径1800mm

舱门数量2个单