土压平衡盾构施工技术

2 开发概要
土压平衡盾构开发的基础是用于粘性地层 中施工的挤压式盾构。
当时，泥水盾构已广泛应用于非粘性的地 层中，但泥水盾构用于粘性地层施工时，泥水 中含有大量的粘土颗粒，必须进行二次分离， 不仅分离系统变得更加复杂，增加了施工成本， 更由于泥浆沉淀池占地面积大，且日本主要城 市的空地有限，设置分离设备较困难。在此基 础上日本IHI公司（石川岛播磨）于1973年开 发了土压平衡盾构。
小
大
低
较低
较高
维护保养
易
易
较复杂
5.3 刀盘支承
刀盘支承方式有3种： 1）中心支承式（适用于中小型直径盾构） 2）中间支承式（适用于中大型直径盾构） 3）周边支承式（适用于小型直径盾构）
5.4 膨润土添加系统及泡沫系统
膨润土添加系统和泡沫系统是盾构掘进的调节媒 介。采用该系统，对于不同和地质条件，通过添加塑 流化改性材料，改善盾构土仓内切削土体的塑流性， 既可实现平衡开挖面水土压力，又能向外顺畅排土， 大大拓宽了土压平衡盾构的适应范围。
数据采集系统“采集、处理、储存、显示、评估出现的 与盾构有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、 周报等数据；有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及 历史曲线和动态曲线。所有采集数据均能保存下来，供日 后分析、判断和参考。
5.11 导向系统 随时掌握与分析盾构在掘进过程的各种参
数，是指导盾构正常掘进不可缺少的条件。VMT导向系统由经纬 仪、ELS靶、后视棱镜、计算机等组成，能连续不断地提供关于 盾构姿态的最新信息。通过适当的转向控制，可将盾构控制在设 计隧道线路允许公差范围内。导向系统的主要基准点是由一个从 激光经纬仪发射出的激光束，经纬仪安装在盾构后方的隧道管片 上。
3）将盾构土仓内的土压值自动与设定土压值进行比 较，随时调整向外排土的速度，控制盾构土仓内实现 连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘 进。
5.6 皮带输送机
皮带输送机将碴土从螺旋输送机的出碴口运到碴车内。
5.7 同步注浆系统
同步注浆系统的主要目的是控制地面沉降，防止地下水 或地层的裂隙水向管片内泄漏，使土压力作用均匀以及使 管片组成的衬砌环及早稳定。同步注浆是盾构法施工中的 一项十分重要的工序，其目的主要有以下三个方面：
5.5 螺旋输送机
螺旋输送机安装在压力壁的法兰上，由伸缩筒、出 碴筒、液压马达、螺旋轴、出碴闸门组成。螺旋输送 机是土压平衡盾构的重要组成部分，是盾构的排土装 置，主要有以下三个功能：
1）将盾构土仓内开挖出来的土体向外连续排出，
2）土体在螺旋输送机内向外排出的过程中形成密封 土塞，阻止土体中的水分散失，保持土仓内土压的稳 定。
5.2 刀盘驱动
刀盘驱动方式有3种：1）变频电机驱动 2）一般电 机驱动，3）液压驱动 驱动方式特性比较如下：
驱动部外形尺寸 后续设备 效率 起动力矩 起动冲击 转速微调控制 噪声 盾构温度
变频电机驱动 一般电机驱动 液压驱动
中
大
小
少
少
较多
0.95
0.9
0.65
大
较小
较大
小
大
较小
好
不能无级调速
好
小
施工所发生的安全事故常常在盾尾。
铰接式盾构的盾尾密封系统包括铰接密封和盾尾密封。
1）铰5.8 盾尾密封系统
2）盾尾密封 盾尾止水采用钢丝刷密封装置，是集 弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结构。盾尾油脂 泵向每道钢丝刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。
5.9 管片安装机与管片整圆器
1974年，第1台土压平衡盾构在东京使用。 外径为3.72m。掘进长度1900m。
3 主要结构
土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输 送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系 统等组成。见下图。
4 工作原理
土压平衡盾构的工作原理就是刀盘旋转切 削隧道开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开 口被压进土仓，泥土落到土仓的底部后，通过 土仓底部的螺旋输送机运到皮带输送机上，然 后通过皮带输送机输送到停在轨道上的碴车上。 盾构沿隧道轴线在推进油缸的推力作用下向前 推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道段起着 临时支护的作用，承受周围土层的土压、承受 地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘 进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。
5 土压平衡盾构的基本配置 5.1 刀盘 土压平衡盾构的刀盘有两种形式： 1）面板式（见下图） 2）辐条式
面板式刀盘在中途换刀时安全 可靠，但刀挖土体进入土仓时易粘 结易堵塞，在刀盘易形成泥饼。
辐条式刀盘仅有几根辐条，辐 条后设有搅拌叶片，土砂流动顺畅， 不易堵塞。但不能安装滚刀，且中 途换刀安全性差，需加固土体，费 用高。
① 及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩体，有效地控 制地表沉降；
② 凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，改 善管片结构防水和抗渗性能，增强盾构隧道的防水能力；
③ 为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，限 制隧道结构蛇行，有利于盾构姿态的控制，并能确保盾构 隧道的最终稳定。
5.8 盾尾密封系统 盾尾密封系统是盾构正常掘进的关键系统，盾构法隧道
管片安装机 管片安装机有2种类型。①机械抓取式；②真 空吸盘式。
管片整圆器 在直径大于5m以上的盾构法隧道中，拼装 完的管片在脱出盾尾后会产生下沉变形，影响管片的最终 拼装质量。为保证管片在脱出盾尾后的最终拼装质量，宜 采用管片整圆器进行矫正和限制。
修理中的管片安装机
管片安装机拼装管片
5.10 数据采集系统
6 刀具的切削原理
6.1 切刀 切刀呈靴状，切刀的切削原理主要是盾构向前推进的同
时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方 向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的 转动下，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地 一样切削地层。切刀的前后角等斜面结构有利于软土切削时 的导碴作用，同时可用于在硬岩掘进中的刮碴，其结构形式 有利于碴土流动进入土仓。
第一讲 土压平衡盾构的结构原理
1 土压平衡盾构的概念
土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀 盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通 过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充 满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土 仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水 土压力。