泥水平衡盾构技术基础

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EPB / Mixshield Range. 粒径分布与盾构选型图
Sieve Size Sand Medium
3
4
5
Portion of grains < d in % of the total amount
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
泥水盾构技术介绍
盾构技术基础内容
1、盾构机概述（基本概念，历史与现状）
2、盾构机的分类 3、泥水盾构基本工作原理 4、泥水盾构机与配套设备 5、泥水平衡盾构施工 6、关键技术问题
泥水盾构机
1、盾构概述（基本概念，历史与现状） 1.1盾构基本概念


盾 构 机 （ Shield Machine, Tunnel Boring Machine，TBM） —也称为隧道掘进机。 综合配有各种不同的挖掘、顶进、转向、支护、排 渣、衬砌、运输机械，和自身配备的传感、测量与 控制装置一起，形成一个完整的施工机械系统。
20 10 0 0,001 0,002 0,006 0,02 Grain Diameter d in mm
Slurry
0,06 0,2 0,6 2,0
-5 Coarse sand 10 -6 Medium sand 10 -7 Fine sand 10 Sandy, Silty clay 10- 8 Silt -9 10
泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表
5、盾构推力 由于泥浆的作用，土层对盾 壳的阻力小，盾构推进力比 土压盾构小。 控制泥浆质量、压力及推进 速度、保持进、排泥量的动 态平衡 泥水管道输送，输送速度快 而连续 需要较大规模的泥水处理设 备及设置的场地 靠处理后的泥水在开挖面形 成的泥膜和泥水压力抵抗水 压，耐水压性优 掘削下来的碴土转换成泥水 通过管道输送，减少了电机 车的运输量，辅助工作少， 故效率比土压平衡盾构高 土层对盾壳的阻力大，盾构推进力比泥 水盾构大 保持土舱压力、控制推进速度、维持切 削量与出土量相等 螺旋输送机出土，土箱运输，输送间断 不连续 泥土出土使用场地较小 靠土舱压力及改良后的泥土不透水性抵 抗水压，耐水性良 土箱的来回输送增加了电机车的运输工 作量和运输时间，施工速度减慢
1825/43, Brunel’ shield
1825/43, Brunel’ shield
1882, Thames Irruption water
1876, mechanised shield

自Brunel的方形盾构以后，盾构技术又经过了23 年的改进，到1869年建造横贯泰晤士河上的第二 条隧道，首次采用圆形断面，外径2.18m,长 402m，这项工程由Burlow和Great两人负责。 Great采用了新开发的圆形盾构，使用铸铁扇形 管片直到隧道掘削结束未出任何事故。随后 Great在1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾 构和气压组合工法获得成功，这为现在的盾构工 法奠定了基础。从起初Torevix反复失败和受挫折， 到引出Brunel的盾构工法，及进而改进成为Great 的盾构工法前后经过80年的漫长岁月。
人工开挖式；机械开挖式 敞开式；密闭式 土压平衡式；泥水平衡式 软土盾构；硬岩盾构 现代盾构机主要分为土压平衡式、泥水平衡式、硬岩 式、复合式等类型。

泥水平衡式
开式
复合式盾构
盾构类型
硬岩式
土压平衡式
盾构机选型依据
Grain Size Distribution
Kö rnungslinie Schlä mmkorn Silt
1904/08, 9.35m






19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、 苏联等国，并得以不同程度的发展。 美国于1892年最先开发了封闭式盾构； 同年法国巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道； 1896年~1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道；1913年德国建造了 断面为马蹄形的易北河隧道； 1917年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因地质条件差而停止使 用； 1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，施工中使用了化学注 浆和冻结工法；1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧 道；1948年苏联建造了列宁格勒地铁隧道； 1954年中国阜新建造φ2.6m的圆形盾构疏水隧道；1957年中国北京建 造了φ2m、2.6m的盾构下水道隧道；1957年日本采用封闭式盾构建造 东京地铁隧道。 总之在这50~60 年的时间里盾构工法虽然也有进步，但这一时期的特 点是盾构工法在世界各国得以推广普及。
100 90 80 70 60 50 40 30
Clay
Fein-
Grob-
Sand
Mittel-
Grob-
Fein-
Gravel
Grob-
0 10 20 30 40
Fine gravel
–– –– –– –– –– –– –– ––
EPB
Foam
50 60 70 80 90 100 6,0 20,0 60,0
Permeability Factor k (m/s)
Slurry / Hydro
10 10 10
- 10 - 11 - 12
EPB
Tunnelling Equipment
Clay
––
泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表 泥水平衡式盾构 土压平衡式盾构
砂、粉砂和粘土等各类软土地层
通过改良充满土舱的开挖土并保持适当 的压力来支承开挖面的土压力和水压

20世纪60~80年代盾构工法继续发展完善， 成绩显著。
1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机； 同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构； 1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构； 1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工； 1972年日本开发土压盾构成功；1975年日本推出泥土 加压盾构成功；1978年日本开发高浓度泥水盾构成功； 1981年日本开发气泡盾构成功；1982年日本开发ECL 工法成功；1988年日本开发泥水式双圆搭接盾构工法 成功；1989年日本开发HV工法、注浆盾构工法成功。 总之这一时期的特点是开发了多种新型盾构工法，以 泥水式、土压式盾构工法为主。
2.
因为原状土的塑流性较差，相对 泥水压力波动敏感度较差即土压 力传递速度较慢 开挖面平衡土压力的控制精度相 对较低，对开挖面周边土体的干 扰较大，从而对地面沉降量的控 制精度降低
4、刀盘及 刀具寿命
切削面及土仓中充满泥水，对刀 刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土碴 具、刀盘起到一定的润滑作用， 与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、 摩擦阻力与土压盾构相比要小， 刀盘的寿命比泥水盾构要短，刀盘驱动 因而相对土压盾构而言，其刀具、 扭矩比泥水盾构大 刀盘的寿命要长，刀盘驱动扭矩 小
Mittel-
Permeability
Cobbles Coarse gravel
–– –– –– –– ––
10 1 10 10 10 10
-1 -2 -3 -4
Siebkorn
Fein-
Medium gravel
Mittel-
Massenanteile der Körner <d in % der Gesamtmenge
1.2 盾构发展历史
1806, Brunel’ shield
18世纪未英国人提出在伦敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构 想，并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论。到 1798年开始着手希望实现这个构思，但由于竖井挖不到预定 的深度，故计划受挫。但横贯泰晤士河隧道的设想与日俱增， 4年后Torevix 决定由另一地点建造连结两岸的隧道，随后工 程再次开工。施工中克服了种种困难，当掘进到最后30m时， 开挖面急剧浸水隧道被水淹没，横贯泰晤士河的设想再次破 灭，工程从开工到被迫终止用了 5 年时间。横贯泰晤士河的 计划在以后10年中未见显著进展。
1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得 到启示，在此基础上提出了盾构工法，并取得了专利。这就 是所谓的开放型手掘盾构的原型。Brunel对自己的新工法非 常自信，并于 1823 年拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道 路隧道的计划。随后，这个计划由当时的国会确认，工程于 1825年动工。隧道长458m，隧道断面为11.4m×6.8m。工 程进展顺利，但因地层下沉，致使工程被迫中止。但Brunel 并没有因此而灰心失望，他总结了失败的教训，对盾构做了 7 年的改进，后于 1834 年工程再次开工，又经过 7 年的精心 施工，终于在1841年贯通隧道。Brunel在该隧道中采用的是 方形铸铁框盾构。自Brunel向泰晤士河隧道挑战到隧道峻工 前后经历了20个春秋，Brunel经过不懈的努力，克服了种种 困难，终于最后取得了胜利。此时，他已是 72 岁的老人。 Brunel对盾构工法的贡献极为卓著，这是后人的一致公论。
6、控制地表沉 降原理 7、泥土输送方 式 8、输送处理设 备及其场地 9、耐水压性
10、推进效率
11、隧洞内环 境 12、工程成本
由于采用封闭管道输送废土， 需矿车运送碴土，碴土有可能散落，相 没有出碴矿车，无碴土散落， 对而言，环境较差 环境良好 增加了泥水制作、输送及泥 水分离设备，设备及运转费 用较土压平衡高 减少了泥水处理设备，只需配置添加剂 注入设备即可，设备及运行费用较低
1.
1、适应土 层
2、工作面 稳定
ห้องสมุดไป่ตู้
中细砂、粗砂和砂砾石等各类软 土地层
通过注入适当压力的泥浆来支承 开挖面的土压力和水压
1.
3、压力波 动敏感程度 及地表沉降
2.
泥水中，压力波动敏感， 即泥水压力传递速度快而 均匀 开挖面平衡土压力的控制 精度高，对开挖面周边土 体的干扰减少，从而地面 沉降量的控制精度提高
2.盾构机的分类与选型

一般将全断面隧道掘进机器(TBM)分为三类：即盾构机 （ shield machine ） 、 岩 石 掘 进 机 （ tunnel boring machine,TBM ）和顶管掘进机 (pipe jacking machine) 。 这三种机器原理基本相似。随着科学技术的发展和机 器的不断改进，盾构机与TBM的差别越来越小。





盾构实际上是盾构机的简称。它是一个横断面外形与隧道 横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设 有保护外壳的暗挖隧道的机械。 以盾构为核心的一整套完整的隧道施工方法称为盾构工法。 盾构工法的设想19世纪初产生于英国，已有200年的历史。 盾构工法问世以前隧道施工主要靠开挖法。但就城市隧道施 工而言，开挖法存在受地形、地貌、环境条件的限制；开挖 法给城市交通带来极大不便；开挖产生的地层沉降较大；施 工机械的噪声和振动；施工对环境构成的污染等诸多不利因 素。相对而言，盾构工法不存在这些缺陷，故受到人们的极 大重视，并得以迅速发展。 人们不仅开发了软土盾构工法，而且还开发了适于卵石地层 等多种其它地层的盾构工法。此外，还在提高安全性、提高 工程质量、缩短工期及降低成本等方面作了精心的研究和开 发，并取得了较大的成功。目前盾构工法在城市隧道施工技 术中已确立了稳固的统治地位，且已成为一种必不可少的通 用隧道施工技术。




1990 年 ~2003 年这一段时间里盾构工法 的技术进步极为显著。归纳起来有以下 几个特点： ① 盾构隧道长距离化、大直径化 ② 盾构多样化 ③ 施工自动化
1.3 我国盾构应用情况



1.盾构台数多。现有各类盾构机150多台 2.盾构种类齐全。土压平衡式，泥水平衡式， 双护盾式，硬岩，复合式…盾构直径大、小均 有，最大为15.4米，目前世界最大。 3.盾构适应地质范围不断扩大。 4.盾构应用范围广，地铁，铁路，公路，水利， 观光，市政，燃气等。得到广泛认可。 5.盾构施工技术水平提高。
地层情况与盾构选型的关系
不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡式盾构较适应于粉细颗粒地层， 使切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性。而泥水平衡式盾构机较适应于较粗颗粒地层 及水压较高的地层，通过泥浆在砂土地层形成泥膜，以保持开挖面的稳定。两种盾构机的 适应范围见地层颗粒粒径分布与盾构机选型关系图。