第十二章 掘进机与盾构(改)

适用于变形缝处
YJ-302界面处理剂 氯丁胶乳水泥
17
5
8
20
R50
5
环缝（变形缝）
5
19
聚乙烯工字型膨胀控制材
¦ Υ5
氯丁橡胶
水膨胀型胶（后2mm）
R5
21 15
3
R2.5
环缝（变形缝）
7
聚乙烯嵌条
6.5 6 6
11
6 6 6.5
48
齿形嵌链条
接缝钳缝防水构造图 图8-34 接缝嵌缝防水构造图
③ 接缝注浆 ④ 螺栓孔和压浆孔防水
四、掘进机施工
拼装管片衬砌示意图
模筑混凝土衬砌
四、掘进机施工
3、不良地质地段施工
为了满足不良地质的要求，掘进机可安装一些设备进行特殊功能作 业。 加装的地质超前钻机安装在主机顶部、刀盘后部的平台上，它在主 机停机时进行掌子面前30m的超前钻孔，以预报前方地质情况，为 掘进提供可靠消息。超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，以对 围岩进行预先加固.
地表图变8-36形地纵表变向形沉纵向降沉规降规律律
三、盾构施工
2）导致地面沉降的因素
盾构法施工中，导致地面沉降的主要因素有以下几种：
① 盾构掘进时，开挖面土体的松动和崩塌，破坏了地层平衡状态，造 成土体变形而引起地表变形。 ② 盾构法施工中应采用降水疏干措施时，因地下水浮力消失，土体自 重压力增加，地层固结沉降加速，引起地表下沉。 ③ 盾构尾部建筑空隙充填不实导致地表下沉。施工纠偏及弯道掘进的 局部超挖，均会造成盾构与衬砌间建筑空隙的不规则扩大，而这些扩大 量有时难以估计或无法及时充填，给地表下沉带来影响。
三、掘进机的基本构造
2、支撑与推进系统
（1）支撑系统
一般掘进机能提供的支撑 反力就是刀盘额定推力的 3倍左右（秦岭隧道为 60000KN），足够大的 支撑反力是保证在强大推 力下掘进时，刀盘有足够 的稳定和正确的导向，并 有利于刀具减少磨耗。开挖刀盘推进力是按照每把盘形刀所能居 爱的推力和盘刀数量来决定的，目前较为成熟的确良17英寸盘形 刀，可承受的推力为250KN。
2）主轴承与驱动系统
① 推进系统 ② 导向系统 ③管片装运系统 ④ 壁后注浆系统 ⑤ 出渣系统 ⑥ 后配套系统
皮带输送机出渣
螺旋输送机
二、盾构机的构造与分类
刀盘驱动系统
刀盘驱动系统由三个315kW的电机驱动液压泵为刀盘后方的8个液压马 达提供动力，这8个液压马达又带动其相应的小齿轮来驱动大齿圈从而 实现刀盘运转。
二、掘进机的类型
（2）双护盾掘进机
双护盾掘进机在软岩及硬岩中都可以使用。当它在自稳条件不良 的地层中施工时，其优越性更突出。
二、掘进机的类型
Single Shield TBM
①护盾；②液压推进油缸；③管片；④刀盘；⑤装渣斗；⑥皮带输送机
二、掘进机的类型
Double Shield TBM
①可伸缩护盾；②刀盘；③活动支撑鞋；④辅助推进油缸；⑤管片
二、盾构机的构造与分类
1、盾构机的构造
（1）盾壳
1）前盾
2）中盾
（2）开挖系统
1）刀盘与刀具 有切刀、齿刀、滚刀及各种辅助刀
3）盾尾
2）主轴承与驱动系统 主轴承与刀盘连接，为刀盘旋转与开挖提供动力。主轴承的动力 来源于其驱动系统，常见的驱动系统主要有变频电动驱动和液压 驱动等。
二、盾构机的构造与分类
三、盾构施工
2）管片接缝防水
① 弹性密封垫防水
粘性密封材料 管片
管片
底涂料
底涂料
底涂料
粘性密封材料 聚氯丁烯
海绵状弹性密封材料 底涂料
管片
管片
日图本8-32 的日本密的密封封垫垫类型类型
四图8孔-31 形4孔密形密封封垫垫
图7国-33 产国产密密封封垫垫型式
三、盾构施工
② 接缝嵌缝防水
工字型膨胀控制材 水膨胀性腻子
三、盾构施工
2、盾构掘进
（1）盾构密封装置和盾构出洞顺序 以防止开挖面泥浆流失。目前常用的密封止水装置如图所示，其 中a为滑板式结构；b为铰接式结构。
盾构内径
盾构内径
盾构外径
盾构外径
20 70
90
140
6 50
50 50 6 30 20 70
80
106
50 56
50
200
50
120
M20螺母
30 15
二、盾构机的构造与分类
主轴承大齿圈
二、盾构机的构造与分类
主驱动电机及液压泵
二、盾构机的构造与分类
推进系统
推进系统由一个 75kW的电机驱 动液压泵提供动 力，驱动20组 油缸共30个千 斤顶实现盾构机 向前推进。
二、盾构机的构造与分类
2、盾构机的分类
（1）按断面形状分类 单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构，其中复圆盾构可分为 双圆盾构和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄 形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。
橡胶密封板 12 16 16
防倒钢滑板
M20螺母 橡胶密封板
20 12 16
a 滑板式
b 铰接式
图8-密27 密闭闭止止水装水置 装置
Байду номын сангаас
防倒装置
三、盾构施工
（2）土体开挖与推进
土体开挖方式根据土质的稳定状况和选用的盾构类型确定。具体开 挖方式有以下几种。 1）敞开式开挖 在地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或采取措施后能维持稳 定，用手掘式及半机械式盾构时，均为敞开式开挖。开挖程序一般 是从顶部开始逐层向下挖掘。 2）机械切削开挖 利用与盾构直径相当的全断面旋转切削刀盘开挖，配合运土机械可 使土方从开挖到装运均实现机械化。
2、衬砌施工
掘进机施工的隧道，其衬砌结构一般是初期支护和二次衬砌组成。
(1) 管片式衬砌 其优点是：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低，支撑靴 不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得 推力反力 (2) 二次混凝土衬砌 二次混凝土衬砌，根据地地质条件可用喷射混凝土做为永久衬砌
1）地表变形的规律
盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形，一般在盾构前
方约与盾构埋深相等的距离内地表开始产生隆起，在盾构通过以后
地表逐渐下沉，其下沉量随着时间的推移由增加而最终趋于稳定，
其变形规律如图所示。
盾构位置
盾构推进距离
隆起 沉陷 （沉陷量） 初次沉陷 二次沉陷 最终沉降量
45° 盾构前部变形
三、盾构施工
推进方向
3、衬砌施工与衬砌防水
（1）衬砌施工
环向螺栓孔
纵向螺栓孔
（2）衬砌防水 1）管片防水 管片外防水涂层需根据管片材质而定，对钢筋混凝土管图片8-20而管片言拼装，一般要求： ① 涂层应能在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下不损伤； ② 当管片弧面的裂缝宽度达0.3mm时，仍能抵抗0.6MPa的水压，长期不 渗漏； ③ 涂层应具有良好的抗化学腐蚀性能、抗微生物侵蚀性能和耐久性； ④ 涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高； ⑤ 涂层要有良好的施工季节适应性，施工简便，成本低廉。 管片拼装。
盾
尾
L型密封
密
封
装
置
掘进时 衬砌
水压 U型密封
密封交替
水压
衬砌 空气
三、盾构施工
盾尾密封：由三道钢板密封刷组成
刷式密封1
刷式密封2
刷式密封3
尾部机壳 泥浆
室密封剂
管片
泥浆
三、盾构施工
盾尾密封刷
三、盾构施工
注浆系统
三、盾构施工
盾尾注浆管路
三、盾构施工
5、盾构法施工地面沉降机理和防治
（1）地面沉降机理
二、掘进机的类型
1、开敝式掘进机
一般而言，开敝式掘进机要适合于硬岩隧道的开挖。 （1）单支撑式掘进机
二、掘进机的类型
（2）双支撑式掘进机
二、掘进机的类型
2、护盾式掘进机
护盾式掘进机在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑， 围岩由于有护盾防护，在护盾长度的范围内，不暴露。因此护盾掘进 机更适用于软岩。 （1）单护盾掘进机
二、掘进机的类型
Gripper TBM
①支撑鞋；②钢支架举升器；③锚杆安装机构；④钢筋网举升器
三、掘进机的基本构造
其基本构造有刀盘开挖系统、支撑与推进系统、后配套等三大部分。
1、刀盘
刀盘具有足够的强度和刚度。从 而使施加在刀盘上的推力平均分 配到全部盘形滚刀上，使它们达 到同时压挤岩石至同一深度，并 使掘进机处高效率运转状态下。
5.5 4.5 7.5 9.5
三、盾构施工
4、盾构注浆
为了防止隧道周围土体变形，有效控制地面沉降，在盾构施工中应及时 对盾尾和管片间的空隙进行压注浆液，以增强隧道结构的整体防水性能， 并改善隧道衬砌的受力状态。 目前，衬砌背部注浆，一般都采用在衬 砌脱出盾尾及盾构掘进时的盾尾同步注浆，且在60min内完成。盾尾注 浆装置如图，它是在盾尾的表面设置了若干块凸板，每个凸板内装置一 根同步注浆管，一根备用管，一根为盾尾密封刷的油膏注入管。
TBM超前支护示意图
12.2 盾构法施工
一、盾构机原理及发展
1、盾构施工的基本原理
盾构，英文名称为“shield machine”，它是一种具有金属外壳的 筒状机械，主要用于软土隧道暗挖施工，在金属外壳的掩护下盾构可 以同步完成土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，将隧 道一次开挖成形。
单圆盾构
多圆盾构
矩形盾构
二、盾构机的构造与分类
球形盾构
异性盾构
（2）按支撑条件分类 盾构按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压 缩空气支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式五种类型。
三、盾构施工
1、盾构法施工程序
盾构法施工的概貌其主要施工步骤为： （1）在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井； （2）盾构在起始端工作井内安装就位； （3）依靠盾构千斤顶推力（作用在已拼装好的衬砌环和工作井后壁上） 将盾构从起始工作井的墙壁开 孔处推出； （4）盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土和安装 衬砌管片； （5）及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置； （6）盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再 向前推进。
布 鲁 诺 尔 设 计 的 手 掘 式 盾 构
一、盾构机原理及发展
3、盾构施工的发展
1963年，第一台国产盾构正式问世到2008年4月，中 铁隧道集团在引进消化吸收和自主创新的基础上，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 式盾构。在短短的60年中，我国的盾构由无到有，在 引进推广的同时坚持自主研发，当前，我国已经掌握了 多种类型盾构的设计制造技术，盾构已被广泛应用于国 家基础建设的各个领域尤其是地铁工程建设中，我国的 盾构产业已经初具规模。
1）刀盘和刀具
目前广州比较多采用 的盾构机刀盘配备了 17寸的单刃滚刀31
把、 17寸的中心双
刃滚刀4把、1把行程 为50mm的超挖刀、 64把切刀、8把刮刀。
二、盾构机的构造与分类
切刀
二、盾构机的构造与分类
17寸单刃及双刃滚刀
二、盾构机的构造与分类
刮刀
二、盾构机的构造与分类
超挖刀
二、盾构机的构造与分类
2、盾构法施工的主要技术特点
（1）对周围环境的影响很小。 （2）盾构是根据隧道施工对象“量身定做”的。 （3）对施工精度的要求高。 （4）盾构施工是不可以倒退的。
一、盾构机原理及发展
3、盾构施工的发展 1806年，法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel） 从蛀虫在船板上蛀孔成洞的过程中得到启示，提出了使用 盾构掘进隧道的构想，并注册了专利。在1823年制作了 世界上第一台盾构机，用于修建伦敦泰晤士河隧道。
三、掘进机的基本构造
（2）掘进机的推进方式 隧道掘进机的推进是通过交叉换步实现掘进循环的。
3、后配套设备
后配套设备包括液压传动站、变电设备、开关柜、主驾驶室、通讯系 统、备用发电机、空压机、通风系统、喷射混凝土设备、围岩加固堵 水注浆设备以及供水系统。
四、掘进机施工
1、掘进
岩石隧道掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一 种施工方法。掘进时盘形刀沿岩石开挖面滚动，同时通过刀盘均匀地 在每个盘形刀上对岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩的。
三、盾构施工
（2）土体开挖与推进
3）网格式开挖 开挖面用盾构正面的隔板与横撑梁分成格子，盾构推进时，土体从格 子里是条状挤入盾构中。这种出土方式效率高，是我国大、中型盾构 常用的方式。
4）挤压式开挖 挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或部分出土，对地层有较大的 扰动，施工中应精心控制出土量，以减小地表变形。
第十二章 掘进机与盾构
•本章学习的内容：
掌握掘进机的结构组成；盾构的构造与分类。
•重难点：
重点：掘进机和盾构机的构造，分别适用的地质情况； 难点：掘进机与盾构机的区别。
1 掘进机 2 盾构法施工
目录
12.1 掘 进 机
一、掘进机的概述
隧道掘进机（简称TBM）是一种机械化的隧道掘进设备。 掘进机法是利用掘进机切削破岩，开凿隧道的施工方法。 掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点。世界上采 用掘进机施工的隧道已有1000余座，总长度在4000km 左右。