各类盾构施工技术及施工工法简介

1）局部气压式盾构
• 在盾构的切口环和支承环之间装有封闭隔 板，使切口环形成一个封闭仓。仓内通入 压缩空气，以平衡开挖面的土压力，维护 其稳定。
• 缺点：在封闭仓、盾尾、管片接缝处易漏 气。
三、拼装系统
管片拼装机——把管片按设计位置和形 状进行拼装的机械装置；
组成——由举重臂和真圆保持器组成；
四、出土系统
1、皮带输送机 用于手掘式或半机械化
盾构； 2、螺旋输送机
用于土压平衡盾构 或手掘式、半机械化盾 构； 3、泥浆泵 用于泥水加压平衡盾构。
半机械化盾构
土压平衡盾构
* 1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。
* 1987～1991年，英国、法国采用11台盾构掘进 50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进 21km的记录。
* 1989～1996年，日本采用8台世界最大直径 14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条 隧道各长15.1km。
英法海峡隧道示意图
构。设环向、水平、竖直支撑；
承受荷载：地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等 施工荷载；
（3）设备——推进千斤顶（沿结构外沿布置）、操 纵控制室、衬砌拼装机；
（4）长度——取决于推进千斤顶长度，一般为衬砌 环宽加0.2～0.3m。
3、盾尾
（1）结构——盾构外壳钢板延长，掩护隧道管 片拼装；
（2）盾尾装置——密封装置，防地下水、加压 泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道；
• 上海长江隧道， 长江首条公铁隧道。 2004年12月28日启动， 08年9月6日双线贯通。 全长8950m，水域隧道 长7500m，双管双向6 车道，单管外径15.0m, 内径13.7m，采用德国 海瑞克公司泥水平衡 盾构机，直径15.43m， 目前世界上直径最大的 盾构机（盾构隧道）。
在切口环前檐及部分挡土千斤顶保护下， 人工开挖盾构前方土层的方法。
该方法适用于开挖稳 便于纠偏；但劳动强度大，效率低，人员易 受正面塌方危险。
2）挤压式盾构 • 靠强大推力将前方土层全部或部分挤入盾构四
周外侧而向前推进。
在盾构的前方设置胸板，以挡住正面的土体。
2、我国盾构法隧道技术的发展
* 50年代，东北阜新海州露天煤矿首次采用直径
2.6m手掘式盾构在沙土层施工疏水巷道。
* 1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和 2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。
* 1963年，上海隧道工程股份有限公司在软土地 层进行直径4.2m手掘和网格盾构的浅推进和深推 进工程试验。
* 1965年，上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘 进国内首条水底公路隧道－打浦路隧道，掘进长 度1322m。
* 1985～1988年，上海采用自行研制的直径 11.33m网格型水力出土盾构掘进机施工延安东路 隧道，掘进长度1476m。
* 1985～1986年，上海引进日本川崎重工制造的 直径4.33m小刀盘土压平衡盾构掘进芙蓉江路排水 隧道1656m。
• 盾构技术发展方向 大埋深、高水压、大直径、长距离、高速度、 异园化、机械化、自动化、可视化、智能化。
第二节 盾构的构造
• 盾构基本构造： 盾构壳体 推进系统 拼装系统 出土系统
一、盾构壳体
组成____切口环、支承环、盾尾三部分
1、切口环 （1）位置——盾构最前端，
切入土层，掩护开挖
作业，长度≤2m；
* 1996～1998年，广州引进日本1 台直径6.14m土 压平衡盾构和2台直径6.14m泥水加压盾构，完成 广州地铁1 号线8.8km区间隧道掘进施工。
* 1999年，上海研制国内首台3.8m×3.8m组合刀盘 型矩形土压平衡盾构，掘进104m地铁2号线陆家嘴 车站过街人行地道。
* 1999年，北京市政总公司引进日本石川岛播磨直 径3.6m土压平衡盾构，完成亮马河排水隧道工程。
* 1874年，英国的格雷塞德(Greathead)较完整提 出了气压盾构法施工工艺，首创盾尾空隙压浆的 辅助工法，并用于伦敦地铁南线内径3.2m隧道施 工。
* 1880～1890年，在英国和加拿大间的圣克莱河 下用盾构法建成直径6.4m、长1800m的水底铁路 隧道。
* 1896年，开始应用刀盘式机械掘进盾构。
北桥南隧越江工程
上海长江隧道
上海长江隧道
• 南京长江隧道，2008年1月开挖，2009年 8月22日贯通。双向六车道，长3825m， 采用德国海瑞克公司生产的直径14.93m泥 水平衡盾构机。
南京长江隧道
• 应用 各国盾构隧道中， 上下水隧道——70% ， 地铁和水底隧道15% ， 煤气、电力、通讯隧道15% 。
是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。
二、盾构法主要施工程序
1、建造盾构工作井 2、盾构掘进机安装就位
3、出洞口土体加固 4、初推段掘进施工 5、掘进机设备转换 6、盾构连续掘进施工
7、接收井洞口土体加固 8、盾构进入接收井， 并运出地面
三、盾构法施工的优缺点
优点：
1、作业场地小，因噪音、振动引起的环境影响小； 2、在盾构保护下开挖和衬砌，施工安全； 3、隧道施工不影响地面交通或水上航道； 4、地下施工不受气候影响； 5、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快 （一般6m/d,最高12m/d）。
2、椭圆形
• 特殊隧道（铁路隧 道）
3、矩形断面
断面利用率高，但 盾构刚度小，受力 不佳，纠偏困难， 少用。
3.8Mｘ3.8M矩形土压盾构及工程应用
上海地铁二号线一期工程陆家嘴路车站出入口工程
4、双园盾构
用于区间隧道修 建。
双圆盾构隧道技术在上海地铁工 程中的应用
上海地铁8号线黄兴路～开鲁路2.6km区间隧道采 用双圆盾构，上海隧道工程股份有限公司引进了2 台ф6300×W10900双圆盾构掘进机，于2003年8月 始发推进，于2003年12月底完成866m区间隧道掘 进。Ф6300×W10900双圆盾构掘进机的刀盘为辐条 式，开口率较大（80％以上）。
2、半机械化盾构 在手掘式盾构的正面装上挖土机械，以代替 人工开挖。
• 适用于良好地地质条件。
• 特点：半机械式盾构，盾构造价低，效率也 较高。
3.机械式盾构 • 在盾构切口环部分部分装上与盾构直径相
仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。 • 机械化盾构按稳定开挖面方式不同分：
局部气压式； 全气压式盾构； 泥水加压式盾构； 土压平衡式盾构。
垂直形——刀盘开挖，稳定土层手掘
（2）形状——
倾斜形——较不稳定土层手掘
阶梯形——不稳定土层手掘
（3）设备——挖土设备（刀盘、挖土机）、排土 设施、挡土千斤顶、活动平台等）
（4）气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构，在 切口环与支承环之间设置密闭隔板。
2、支承环
（1）位置——是连接切口环与盾尾的中间部分； （2）结构——盾构结构的主体，较强刚性的圆环结
* 20世纪初，美国、英国、德国、苏联、法国等 国开始采用盾构法修筑地铁和水底公路隧道。
* 1940年后，苏联用直径6.0～9.5m盾构在莫斯科 和列宁格勒修建地铁。
* 1939～1942年，日本首次用盾构施工国铁关门 隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。
* 1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。
•2000年，广州地铁2号线采用改制的直径6.14m复 合型土压平衡盾构，进行风化岩地层中的区间隧道 掘进施工。
•武汉长江隧道， 2004年11月—2008年12月试通车。 全长3630m，设计为左右道隔离双向4车道公路隧道。 采用风格NFM公司生产的11.38m泥水加压平衡盾构 和复合刀具，实现长距离不换刀掘进。
水底公路隧道； 地铁区间隧道； 排水污水隧道； 引水隧道； 公用管线隧道。
打浦路隧道断面图
已建成的地铁人行通道
地铁区间隧道
市政工程隧道
过 江 电 缆 隧 道
三、盾构法隧道技术的发展历史
1、国外盾构隧道的发展
* 1818年，法国的布鲁诺(Brunel)从蛀虫钻孔得到启 示，提出盾构掘进隧道设想，并获得发明专利。
* 1987~1989年，上海研制了国内首台直径4.35m 土压平衡盾构，掘进完成穿越黄浦江底的市南站 电缆隧道583m。技术成果获国家科技进步一等奖。
* 1991～1993年，上海与法国FCB公司合作设计 制造7台直径6.34m土压平衡盾构，完成上海地铁1 号线78km区间隧道掘进施工。
* 1995～1997年，上海引进日本三菱重工直径 11.22m泥水加压盾构掘进延安东路隧道南线工程 1300m主隧道。
双圆盾构掘进机
双圆盾构掘进机主要参数
盾构尺寸 盾构机千斤顶
刀盘装置
拼装装置 仿形刀
土压计数
盾构外径 盾构内径 盾构机全长 设备数 总推力 支持方式 旋转数
设备扭矩
驱动方式 设备数 旋转角度 设备数 设备数 超挖量 隔仓部
6520mm ×11120mm
6540mm 3cm/min 20台+12台 68600KN
缺点：
1、施工设备费用较高（直径6m土压平衡盾构机 约500万美元，直径6m复合盾构机约800万美 元）；
2、短于750m隧道施工不经济；
3、覆土较浅时，地表沉降较难控制；
4、衬砌结构防水要求高；
5、曲率半径较小的曲线段施工较困难。
适用范围：
适用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤 其适用于城市地下隧道工程。
山东科技大学土建学院 乔卫国 教授
第一节 概述
一、盾构施工法概念
盾构施工法——是在钢制筒形壳体（盾构）掩护下， 在地层中进行挖土和拼装预制衬砌构件，并以液压千斤 顶逐步向前顶进壳体的一种暗挖隧道施工方法。
盾构掘进机——shield machine
特点——在盾构保护下，进行地层掘进、出土运输、 衬砌拼装、接缝防水、盾尾间隙注浆充填等作业，并需 随时排除地下水和控制地面沉降。
分为：全挤压式和局部挤压式（半挤压式）。
• a.全挤压式盾构——工作面胸板全部封闭不出 土，而将盾构经过区域的土挤入到外部。适用 于软塑土质。
• b.局部挤压式盾构——要部分打开胸板，部分 土体从胸板土孔挤入盾构。
3）网格式盾构
• 盾构正面装有钢板网格。推进时，土层切成条 状顺各网格挤入盾构内，通过输送机运走，停 止推进时网格起挡土作用。
* 1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构 法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）,世界上 第一条盾构隧道。
* 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧 道涌水。
* 1869年，英国的巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构和 铸铁管片，在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。
密封材料性能要求：富弹性、耐磨损、 耐撕 裂、耐压力、止水好。
橡胶密封：L形、U形 密封装置类型： 钢丝束密封：弹簧钢板、
钢丝束、密封油脂
二、推进系统
组成——液压系统（液压站、控制系统）、 千斤顶群。
作用——盾构的前进、方向调整(克服推进阻力) 千斤顶布置——在支承环周圈布置，
单台推力，1000kN～2000kN， 行程比管片宽度长10～20cm。 推进速度：50—100mm/min 油压：30—40MPa(高液压系统)
• 网格盾构中网格的作用——防止开挖面塌塌， 减小地面沉降变形，在土体较稳定的土层中适 用。
• 另外：盾构切口的网格上可布置液压启动闸门， 可根据需要随时调节开挖面进土部位和进土量， 以控制地面变形和纠偏。
打浦路越江隧道工程
10.2
打浦路隧道断面图
延安东路隧道工程
Φ11.3m 网格水力出土盾构
螺旋输送机出土
土箱运土
井口土箱吊运
管片吊运下井◣ ◢管片水平运输
泥水平衡盾构
第三节 盾构分类
盾构分类划分的依据有多种，主要按断面 形状和挖掘方法分类。
一、按盾构的断面形状分类
1.圆形盾构 2.半圆形盾构 3.马蹄形盾构 4.矩形盾构 5.眼镜形盾构 6.双圆盾构
1、圆形盾构
应用最广——能承受 较大外压、便于推进 和管片安装、盾构转 动不影响断面利用。
中心轴支持式
0.8rpm 5046KN-m（常用） 7570KN-m（最大）
电动机驱动 2台
左右 各220° 2台
2台×2 200mm
5个
2003年8月8日双圆盾构始发推进 双圆盾构管片堆放
双圆盾构管片拼装
双圆盾构管片拼装流程
双圆隧道施工
双圆管片拼装
二、按挖掘方式分为三大类
1.手掘式盾构 1）一般手掘式