盾构法隧道与应用——第二章盾构分类及选型

第二章盾构分类及选型

隧道建设与盾构掘进机不可分离,所以盾构掘进机对各种地层的适应性非常重要。182３年～1８43年，世界上第一条人工开挖盾构隧道是由法国人Brｕnｎel在伦敦泰晤士河下建成的,由于隧道掘进机与地层条件的不适应,长３６6ｍ的隧道耗时达２0年左右，隧道施工过程中遭遇了多次涌水，并付出了6个隧道工人生命的代价。

199１年6月29日贯通的长达49ｋm（单条)英法海底隧道，耗时仅仅两年半,在如此短时内取得如此的成绩与隧道盾构正确选型密不可分。英法海峡隧道法国侧隧道工程是在含水的白色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层里施工,然后进入完全不渗透的兰色白垩地层，选择了土压平衡盾构;而英国侧则根据地层的变化采用了通用型盾构。前者掘进速率达1０7１m／moｎ,后者更是达到1487m/moｎ，说明该隧道的盾构选型是合适的。

1989开始动工建设的东京湾海底公路隧道全长15.1ｋm，其中盾构隧道长9．１km,穿越的地层为软弱的冲积、洪积性土层，另外,该盾构隧道的一个最大特点是盾构必须能够承受 0．6MＰａ的水压,故采用８台直径1４.14m的泥水式土压平衡盾构施工,东京湾隧道的成功建设也表明该类盾构的选择是合适的。

第一节盾构的构造

一、盾构外形和材料

1．盾构的外形

作为一种保护人体的空间,隧道的形状因其使用要求不同、而造成盾构外形不同是理所当然的。隧道掘进,无论盾构的形状如何，总是向轴线方向发展而成,所以,盾构的外形就是指盾构的断面形状。从采用过的盾构来看，其外形有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如:将人行隧道筑成矩形,最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形,使流体的力学性能达到最佳状态;将穿山隧道筑成半圆形,可以使底边直接与公路连接等等。但是,绝大多数盾构还是采用传统的圆形。

2.制造盾构的材料

盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力,如果地面有构筑物,要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以,盾构整体要求具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板成型制成。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式,到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型的方法。盾构壳体可有单层厚板或多层薄板制作而成。

二、盾构的基本构造

盾构种类繁多，从盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分。

图2-１-1 盾构基本构造示意图

1.盾构壳体

所有盾构的形式,其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分,借以外壳钢板联成整体。

(1）切口环

切口环部分是开挖和挡土部分,它位于盾构的最前端,施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口以减少切入掘进时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。

切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法,就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员挖土机具工作要有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长,犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按不同的需要安装各种不同的机械设备,这些设备是用于正面土体的支护及开挖，而各类机械是由盾构种类而定的。主要内容如下：

① 泥水盾构,安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口;

② 土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；

③ 网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口;

④棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；

⑤水力机械盾构,安置有水枪、吸口和搅拌器。

在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中,因切口内压力高于隧道内常压，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。

(2)支承环

支承环是盾构的主体结构,是承受作用于盾构上全部载荷的骨架。它紧接于切口环,位于盾构中部,通常是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷均由支承环来承受。

在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时、在支承环内要布置人行加、减压舱。

支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。

（3）盾尾

盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成,主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时,在施工中途必须进行修理更换,所以盾尾长度要满足上述各项工作的进行。

盾尾厚度从整体结构上考虑应尽量薄，这样可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙就小，从而压浆工作量也少，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时,还有一些难以估计的载荷出现。所以盾尾是一个受力复杂的圆筒形薄壳体，其厚度应综合上述因素来确定。

盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于在施工中纠偏的频率很高，因此,就要求密封材料要富有弹性，结构形式要耐磨,防撕裂,其最终目的是要能够止水。止水的形式有许多,目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置,如图2-2-2,盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。

图２－1-2 盾尾密封示意图

１-盾壳; ２-弹簧钢板； 3-钢丝束； 4-密封油脂；５-压板；６－螺栓

由于钢丝束内充满了油脂,钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个既有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。油脂加注采用专用的盾尾油脂泵,这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达5０0m左右，这主要看土质情况如何，相对而言，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则寿命较长。