盾构机及施工技术简介

5、下图是手工盾构、机械式盾构和土压 平衡盾构敞开掘进模式示意图。
思考题：简述敞开式盾构的支撑原理及主要特点。
6、该类盾构具有高度灵活性，由于敞开式 盾构不可能在地下水丰富的地下掘进隧道，只 能通过井点降水、注浆止水或者冻结法处理后 才能掘进。
7、敞开式盾构机优点是安全性好，敞开式 掘进是盾构掘进的最经济方法。
5、泥浆和改良好的渣土做支撑介质时， 均提出了泥浆和改良好的渣土的基本性质要 求，这些要求与可靠支撑关系重大，切记。
1.3盾构机分类
按盾构应用特定工程地质及水文地质 条件，流行的盾构机分类及定义如下：
1、敞开式盾构 3、泥浆盾构 5、组合盾构 7、多工作面圆盾构
2、压缩空气盾构 4、土压平衡式盾构 6、叶片（插扳）盾构 8、小型盾构（顶管）
10、泥水盾构施工系统构成示意图
流体离心机
门吊
振动筛网 土砂 漏斗
传送带
斜臂
泥水槽 电磁流量计
中央监视盘
中间槽
送泥泵（P1）
离心泥水泵 r线密度计
P2泵启动盘
中继泵
送
启动盘
泥
管
排 泥 管
中继泵启动盘
泥水盾构机
液压台车
排泥泵 （P2台车）
中继排泥泵
中继排泥泵
11、土、砂振动筛和湿式离心机组合
集水路
2、采用刀盘上的刀具切割下来的渣土经改良后 成为密水性、流动性好的土压平衡支撑介质，即所 谓渣土改良技术。
3、用于渣土改良的添加剂有泡沫、粘土、泡沫 聚合物和膨润土，泡沫用之于粘性土体改良，泡沫 聚合物、粘土和膨润土主要用之于含水量大的砂质 土体改良。
4、盾构机在不断地推进切土和螺旋机排土过程 中保持土压平衡，即土压平衡技术。
1
泥浆
Pl空气压力
2
泥浆液位
Pso顶部悬浮液压力
3
压缩空气气垫
Psu底部悬浮液压力
4
压力挡板
悬浮液密度
5
分隔仓板
D 盾构直径
6
支撑区域
hl 承压仓高度
7
处于外界压力下的区域
PSO PI hI
PI
6
7
1
5
3 2
hI d
4
PSU PI d hI
6、 传统的泥水盾构的泥水压力由进、排泥水
10 管片安装机 11 管片 12 保压泵碴装 置
13 螺旋输送机 14 管片转运小 车
15 皮带输送机 16 刀盘驱动马 达
17 主驱动减速 箱 18 主轴承
19 单刃滚刀 20 切刀 21 刮刀 22 中心滚刀 23 仿形刀 24 窄齿刀 25 中心齿刀
（9）人-天区间盾构机的主要特点
（1）刀盘采用中心支撑系统，十字形刀盘梁+面板结构，刀盘开口率28% 左右。
土粒相对密度 Gs
D
思考题：分析泥浆盾构上述各统的原理及主要作用；简述泥浆盾构的优缺点及 应用范围。
14、泥水盾构机施工的泥浆制备和处理系统
一次分离机
CMC溶 解槽密度
无机凝集剂槽 高分子溶解槽 油压单元
泵
泵CMC 调整器 离心泵 一次分离
砂砾 调整槽 取样泵 送泥水泵
混合凝
高分子注入泵
集槽 增稠剂 高压泥浆泵
过滤压榨
滤水接
脱水槽
收槽
粘土溶解 槽
滤水回收泵
滤结块 补给水
排泥水泵 盾构
剩余泥水槽
中和单元
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
污泥槽
静水槽 放流
剩余泥水泵污水水泵 泥水移 二次稀释水泵 送泵 一次稀释水泵
泥水处理系统概况图
2.4土压平衡盾构工作原理及特点
1、土压平衡盾构是在压缩空气盾构和泥浆盾构 基础发展起来的盾构机，它适用范围广，污染小， 是目前使用最多盾构机。
湿式离心机
处理水
泥水 第一供水箱
第二供水箱
土砂振动器
传送带
离心泵
循环槽 土砂振动筛和湿式离心机组合处理例
12、泥水盾构施工的送排泥浆压力控制系统
掘削面水压指
送泥水压指示
示调整装置
调整装置
Pt
掘削 旁路或停止
掘削水压调整阀
旁路或停止
VS 掘削
IM
掘
送泥水压
削
面
水
流量计
压
P2
VN
IM
排泥流量指示 调整装置
-自然支撑 -机械支撑 -压缩空气支撑 -泥浆支 撑 -土压平衡支撑。 2、自然支撑靠土体的自然斜坡稳定开挖面， 不需要任何稳定机构及介质。
3、机械支撑是依刀盘及盾构机的强大推 进力，稳定并切割开挖面，是机械化敞开式 掘进盾构的原始初形。
4、压缩空气支撑、泥浆支撑和土压平衡 支撑式盾构是分别依靠空气、泥浆和改良后 渣土为支撑介质，求得隧道工作面的压力平 衡。
3、1960年膨润土悬浮液支撑技术应用，第一 台泥浆盾构建成了排水隧道，压缩空气盾构逐渐 降低了它在隧道盾构施工领域的主导地位。
4、由于泥浆盾构的泥浆制备及渣浆处理 占地面积大且污染环境，1974年第一台土 压平衡盾构机在东京成功应用，土压平衡 盾构机发展十分迅速，很快成为世界上盾 构机的主流产品。
盾构机及施工 技术简介
柴永模 2010年3月
1.盾构的发展、支撑基本原理及分类
1.1盾构机的发展历程 1、采用一个与隧道开挖直径大小的圆形钢
质构件，沿着隧道轴线向前推进挖掘渣土修建隧 道，形成了早期手工盾构施工的基本原理。
2、1828年在英国泰晤士的隧道建设中首次提 出了使用压气支撑原理建议，1886年在盾构掘进 过程中引入了压气施工工法，将盾构施工推进至 压缩空气盾构时代。
保护钢条
灌浆管道
紧急灌浆管道
管片 尾注脂管道
（10）双螺旋排土控制喷水涌沙
人-天区间土压平衡盾构重型刀 盘
（11） 土压平衡式盾构的掘进技术
• 开挖时，切割的渣土通过刀盘开口进入土仓， 天然水或添加剂的水的混合物与渣土混合、搅拌， 以改良碴土并设定平衡土压。
• 开挖过程中，通过螺旋输送机调节进碴量和 排碴量的平衡，保持设定的土压力稳定。
• 通过各种手段监测和控制盾构掘进姿态，始终 确保盾构机在正确方向上掘进，以减小对周围土 体的扰动，从而有效地控制地表隆降量。
• 盾尾的可靠密封和同步注浆技术使盾构通过 后，不会因开挖直径与管背之间存有空隙而引起 土体塌陷。
（12）土压平衡盾构渣土改良添加剂 注入系统
（13）盾构管片拼装机
• 将预选管片运到并按次
8、敞开式盾构机常用于较小的断面，如顶 管等。
9、敞开式盾构不可能在地下水丰富的地下 掘进隧道，只能通过井点降水、注浆止水或者 冻结法处理后才能通过。
思考题：为什么敞开式盾构不可能在地下水丰富的地下掘进隧道？
2.2压缩空气式盾构的工作原理 及特点
1、利用压缩空气使整个盾构能防止地下水的侵
入，它可使用在游离水体以下或在水位以下运行。
系统的流量控制阀控制，泥水压力变化较大见图， 容易使隧道开挖面不稳而塌陷。
7、当今有代表性的混合式泥水 盾构外观
8、混合式泥水盾构采用气垫原理控制泥浆压力，空气压 力波动由气压调节组件控制。由于调压组件反应灵敏，使泥
浆的压力波动小，能够准确控制隧道开挖面的压力，保持开 挖面稳定，防止塌陷。
9、泥水盾构施工的掘进面稳定管理程序
思考题：根据成都地铁人-天区间隧道地质条件，分别说明选用泥 浆盾构机和选用土压平衡盾构机施工的理由，在此基础上充分认识人天区间现选用土压平衡盾构机的功能及施工中的重难点问题。
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13
23 22
21
24
20 19
18 17
16
图中黄 色表示 开口部 分
25
15
14
1 刀盘 2 前盾 3 人舱 4 超前注浆孔 5 推进缸 6 中盾 7 铰接密封 8 盾尾 9 盾尾密封
2、空气压力与地下水的静水压力保持平衡，气 闸将压缩空气区与大气压区隔离开，压气站保证供 各种情况需要的压力和空气量。
3、气闸设计成钢制或钢筋混凝土结构，试验压 力是正常工作压力的1.5倍，一般按人员闸和材料闸 分开设置。
4、人员闸-必须为每个人提供0.75m3的空间， 人员的供应管线都要保证有气密的连接。
（15）同步注浆系统
（16）同步注入双液浆泵
图3.9-5 QZB-75/6型液压泵
（17）激光导向系统
管片
激光全站仪
ELS 靶
盾构机
黄盒子
显示屏
控制盒
工业计算机
后视棱镜
盾构机主控室
• （18） 盾构始发到达时方向控制应按照始发、到达掘进 的有关技术要求做好测量定位工作；切换刀盘转向时，切 换速度不宜过快； 蛇行纠正时应缓慢进行；正确的管片 选型，使端面尽可能与计划掘进方向垂直； 推进千斤顶 油压调整不宜过快、过大等。
• 盾尾密封可将切割隧洞与拼装管片外圆组成的环形空间（宽 140mm）隔开，是各种盾构的重要组成部分，从100多年前 盾构机出现开始就不断地研究、改进，目前各厂家都采用这 种钢丝刷+注脂密封方式。本机在盾尾设置3排密封刷，在密 封刷之间的空间内压注密封油脂，封密压力可达1MPa。
• 本机采用三排密封刷结构形式，见下图。
5、医务闸-施工现场的空气压力大于1bar时，必 须提医务闸，它包括一个医务舱和一个压缩、解压 舱。
6、材料闸-可设计成与渣车、输送带、传输管道 等一起使用，大直隧道中可同时使用几个闸。
思考题：简述压缩空式盾构与敞开式盾构的原则区别、工作原理及主要问 题。
2.3 泥水盾构的工作原理及特点
1、是用加压的泥浆支撑隧道工作面的盾构，这 类盾构也被称为膨润土悬浮液式盾构，可用于有水 压的砂质地层下开挖隧道。
（4）在确保施工隧道地面沉降不超过允许值时， 为了节省动力和减少机器的磨损，土压平衡盾构 机常设定为欠土压掘进。
（5）土压平衡掘进工作原理示意图
思考题：简述土压平衡盾构原理、关键技术及优缺点。
（6）开挖仓和螺旋输送机内渣土压力分布图
（7）有开螺旋输送机（螺旋带开）
（8） 土压平衡盾构机的适应地层范围
激光导向系统指示图
（19）刀具的破岩机理及保护设计
• 刀盘中可布置硬岩或软岩的刀具，其破岩机理 如下：
• 盾构机采用滚刀进行滚压破碎硬岩，滚压破碎 岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其 特点是靠工具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作 用达到破碎岩石的目的。
2、 在压气盾构经过近八十年的使用、改进后， 1959/60年研制了第一台泥浆盾构并建成了第一条 直径问3.35m的排水隧道。
3、泥水盾掘进隧道己被证明是一种具有低沉降 且安全的施工方法，它可适用于各种松散地层，有 无地下水均可，优点甚多。
4、泥水盾构开挖面支持压力分部见下图
5、 泥水盾构开挖面支持压力分部
5、目前压气止水技术及平衡原理仍然在 泥浆盾构和土压平衡盾构中继续使用。
6、盾构工法经过120年来的发展，取得 的业绩被世人瞩目，目前盾构机还吸收了 TBM硬岩掘进机的优点，增强了对地质条件 的适应性，已成为当今隧道施工中的重要 设备。
1.2盾构工作面支撑基本原理
1、盾构施工隧道时，为了防止工作面土 体 坍塌和地下水入侵，工作面的支撑方式 有：
5、S266土压平衡盾构机外观
6、土压平衡盾构的主要特点：
（1）在不良且富水的地层中施工时，盾构机土 仓中以改良后的渣土为介质，在渣土仓中形成土 压与开挖面上的水土压力保持平衡。
（2）在硬岩富水地层中施工时，可以向土仓中 注入压空气止水的支撑平衡方式掘进。
（3）在硬岩含水地层中，土压平衡式盾构也可 象TBM一样，实行敞开模式掘进。
送排泥机构控制系统
13、泥水盾构施工的掘削土量管理图
掘削土量 Q
计 掘削干砂量 V
算 含水率
W
值
土粒率相对密度Gs
送泥流量
Q1
送泥干砂量 V1
送泥相对密度 G1
土粒相对密度 Gs
送泥 掘
削
行程计
流
密
土
量
度
计
计
排泥
St
排泥流量
Q
排泥干砂量 V
排泥水相对密度G
土粒相对密度 Gs
计算值
掘削量
Q3
掘削干砂量 V3
思考题：简单叙述盾构机发展、支撑原理及分类。
2、各类盾构工作原理及特点 2.1敞开式盾构工作原理及主要特 点
1、自然支撑和机械支撑式盾构是最先出现 的敞开式盾构
2、敞开式盾构施工时，在工作面上没有抑 制土压和水压的调节系统。
3、该盾构只能用在无地下水地层或事先降 低地下水位的地层掘进。
4、由于工作面支撑方式简单，因此，盾构 的结构及施工工艺也就相对简单。
• 序放置 在储存小车上， • 方便管片拼装机提取。 • 管片拼装机械手必须具 • 备6个自由度（活动度）， • 确保找到管片的准确位置 • 拼装。 • 机械手的起重能达5t以 • 上。机械手的操纵有无线 • 和有线操纵形式。管片拼 • 装机外观见下图。
管片安装机结构示意图
（14）盾尾处的可靠密封及同步注浆
（2）刀盘梁及刀盘面板上装有32把单刃滚刀，中心装有4把双刃滚刀， 多把强力宽刮刀及边缘刮刀等。
（3）盾构机根据0.30MPa的水土压力假设进行设计。 （4）盾尾处安装了3排钢线刷，每排线刷之间都注入盾尾润滑脂以保证良
好的密水性。 盾尾刷、盾尾注脂管、同步注浆管的布置示意见下图。
灌浆管道
护盾
尾密封
间距 30 mm