盾构隧道施工原理及方法讲课

清水槽 泥浆调整槽
p1
密度计 大刀盘 泥水室 流量计
V
p2
供浆管 伸缩管 p3
p4
排浆管
图5-5-10 直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统
直接控制型(日本型)
泥浆管中的泥浆流速，必须保持在临界值以上，否则， 泥浆中的颗粒会产生沉淀而堵塞管路，尤其是在排泥管中， 堵塞将更为严重。按管道流理论，临界流速 VL(m/s) 可按 Durand公式计算：
初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机， 结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖， 在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对 软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。经过多年对 盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛 行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。这两种 机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面 的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系 融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类 型的刀具，就能适应地质情况变化范围较广的地质 条件。
(2)刀具
刀具的类型有齿刀、刮刀和滚刀等不同型式，齿刀、 刮刀用于软土质地层、滚刀用于岩石地层。刀盘上可仅为 一种类型的刀具，也可为多种刀具的组合，以适应不同形 式的地层。现代盾构机刀盘设计上可进行刀具的更换，可 在刀盘背面换刀。
砾石、岩石等硬质围岩时的刀头
大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头
焊接
螺栓式
盾构机 通用装置
管 片
管片的组装顺序
B K B A
K管片(封顶块)的嵌入
B K
B
A A A
B
K
B
半径方向插入型
2.盾构施工的特点
• 对周围环境的影响较小 • 占用的施工场地小 • 对邻近建筑物的影响小
• 盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备
• 盾构施工不可退后 • 对施工的要求精度高
5. 盾构机和盾构法的发展史
图5-5-6 局部气压式盾构构造
局部气压式盾构 压缩空气的压力值可根据工作面下1/3点的地下 静水压力确定。由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面 进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数K小于 1×10-5m/s，静水压力不大于0.1MPa。另外，这种盾 构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工 作面土体坍塌，造成地面降陷。
盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传 至盾构尾部已经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种 施工方法中主要的施工机具。
碴土储舱和料 龙门吊车 斗 泥浆处理设 备
竖井 车站 皮带运输机 盾构机
电瓶 车
斗车 泥浆注入车 管片运输车螺旋输送机
图 5-5-1 盾构法施工概貌图
2. 盾构法施工的原理和过程
⑤多圆盾构(Multi—CircularFaceShield)
多圆盾构是近年日本开发的新型盾构，其中的双圆盾 构可以用来修建区间隧道，一次开挖完成双线区间隧道， 可以比两个单独的圆形隧道降低工程成本工10%，减少开 挖面积15%。三圆盾构既可用来修建地铁车站隧道，拆下 中间盾构后又成为两个单独盾构，可以修建区间隧道。
b.半机械式盾构机 如图5-5-3所示，半机械式盾构机进行开挖及装 运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘 等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开 挖与出碴双重功能的机械，以图省力。
图5-5-3 半机械式盾构构造
半机械式盾构机 为防止开挖面顶面塌陷，盾构机内装备了活动前檐 和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面 千斤顶等支挡设备是较困难的。 与手掘式盾构机一样，应有确保开挖面稳定的措施。 适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。 也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采 取降低地下水位、改良地基等辅助措施。
2. 土压平衡式盾构机的构造
(1)切削刀盘
通过主轴承支撑和液压马达式电机驱动旋转的刀盘， 正面安装土体切削刀并带有碴土进料口，背面安装有碴土 搅拌桨。刀盘侧面还装有可伸缩的超挖刀。 刀盘的型式有花板型和 辐条型的不同型式(如图55-7)，根据地层性质所需要 安装刀具大小与数量不同以 及进料口面积大小与数量不 同，有不同的开口率。一般 辐条型 花板型 硬岩刀盘开口率小，软土开 图5-5-7 切削刀盘形式 口率大。
(2) 半开敞式 是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环 与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板 上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体 将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图 5-5-5。 这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较 大的地面隆起。
图5-5-5 部分开放型盾构构造
c.机械式盾构机
如图5-5-4所示，机械式盾构机前面装备有旋转 式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过 旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了 作业人员。在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机 适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样， 须采用辅助施工方法。
图 5-5-4 机械式盾构构造
(3) 密封式 是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘 与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开 挖面保持稳定的压力。密封式盾构机又分成局部气压 式、泥水平衡式和土压平衡式几种。 ①局部气压式盾构。 在机械式盾构支承 环的前边装上隔板，使切 口环成为一个密封舱，其 中充满压缩空气，达到疏 干和稳定开挖面土体的作 用，见图5-5-6。
(1)全开敞式
全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态 的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半 机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自 稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则 需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面 坍塌。
a.手掘式盾构机 如图5-5-2所示，手掘式盾构机的正面是开敞的， 通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、 工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖 采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。
b．间接控制型(德国型)
间接控制型(德国型)泥水加压式盾构的泥浆压力控制 由空气和泥水双重系统实现，见图5-5-11。
半隔板
空气管
图5-5-11 间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统
④混合盾构(Mixshield)
混合盾构是近几年在欧洲发展起来的一种新型盾构。 这种盾构本机可以构成一台泥水加压式盾构、气压式盾构 或土压平衡式盾构，当地层条件变化时，盾构的机形可以 随地层变化而相应改变调整。
3. 密封式(平衡)盾构机的组成
盾构机组成
(2) 压力舱 (6) 附属装置 锁定装置 千斤顶选 总推力 盾尾止水装置 压 力 测 型和配置 千斤顶行程 测量装置 搅拌系统 试 壁后注浆装置 工作速度 压力控制 后方台车 开挖面崩坏 压力垫 加浆系统 探测装置 安全锁 (4) 推进装置
超挖装置 油压机油 润滑装置 加浆装置 轴承止水带 真圆保护 刀头 搅拌装置 刀盘开口 接头装置 排浆管路 油压管路 旋转力矩 旋转速度 油压机 起重臂 排土器 支承方式 形式 (1) 刀 盘 (3) 排土、排泥系统 (5) 管片组装装置 (7) 油压装置
最近，盾构技术的发展动向是：开发了超大断 面的盾构机和MF盾构机以及DOT盾构机等多断面盾 构机，加上在衬砌和开挖方面使用了ECL施工法的 技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测量 技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管理实 现管理系统化等的开发研究。对提高盾构施工的安 全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。
p VL FL [2 gd( 1)] p0
1 2
式中 FL ——流速系数，按颗粒直径和泥浆浓度而定，当颗粒 直径大于1mm时，FL＝1.34；g ——重力加速度，g=9.8m/s2； p0 ——泥浆母液比重，一般p0=1.05~1.25；p ——碴土比重； d ——管子内径(m)。
直接控制型(日本型)
砾石、岩石等硬质围岩时的刀头
大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头
焊接
螺栓式
插入式
焊接式
刀头的固定方式
盾构法施工开挖面稳定技术的历史，是从压气施 工法的“气”演变到泥水式的“水”和土压式的 “土”。“开挖面稳定”和“盾构开挖”的技术已 达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥水平 衡式和土压平衡式盾构。
泥水加压式盾构
对于不透水的粘性土，泥浆压力应保持大于围岩主动土 压力。对透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深 度，并在很短时间内，于土层表面形成一层泥膜，有助于 改善围岩的自承能力，并使泥浆压力能在全开挖面上发挥 有效的支护作用。此时，泥浆压力一般以保持高于地下水 压0.2MPa为宜。而刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混 合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，处理后的泥浆再 由供泥泵和管道送回盾构重复使用，所以，在采用泥水加 压式盾构时，还需配备一套泥浆处理系统。 泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接 控制型(日本型)和间接控制型(德国型)两种基本类型。
a．直接控制型(日本型)
直接控制型 ( 日本型 ) 泥水加压式盾构的泥浆压力控制 由一套自动控制泥浆平衡的装置来实现，见图5-5-10。P1 为供泥泵，从泥浆处理厂的泥水调整槽将泥浆压人盾构密 封舱，供入泥浆比重在 1.05~1.25 之间，在密封舱内与开 挖碴土混合后的重泥浆由排泥泵 P2、P3、P4排至泥浆处理 厂，排出泥浆比重在 1.1~1.4 之间。密封舱的泥浆压力是 通过调节供浆泵P1的转速或节流阀的开口比值来实现控制 的。
图 5-5-2 手掘式盾构构造
手掘式盾构机 这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实 的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳 的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定 开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降 低地下水位等措施。目前手掘式盾构机一般用于开挖 断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减 少。
盾构隧道施工原理及方法
石家庄铁道学院土木分院地下工程系 朱 永 全
一、盾构法施工的原理及方法
1. 盾构法的基本含义 盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾 的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而 构筑成隧道的施工方法”。按照这个定义，盾构施工 法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。 盾构法施工的概貌如图5-5-1所示。在隧道的一端 建造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基 坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一 竖井或基坑的孔壁推进。
二、盾构机的种类和构造
1. 盾构机的种类 盾构机是盾构法施 工的主要施工机械，按开 挖面与作业室之间的隔墙 构造可分为全开敞式、半 开敞式及密封式三种。种 类划分如下所示：
手掘式 全开敞式半机械式 机械式 半开敞式——挤压式 泥水式 土压式 密封式 土压式 泥水加压式 泥水加压式 泥浆式
在盾构推进时，进、排泥管需不断延长，管阻亦随之增 大。为了保证管内的流速恒大于临界流速，排泥浆泵P2的 转速应随时调整，故排泥浆泵P2必须是自动调速的。当P2 泵达到最大扬程时，再加P3、P4接力泵。
为了保证盾构推进质量、减少地面沉降量，需要严格控 制排土量，故应在进、排泥浆管路上分别装设流量计和比 重计，根据检测数据即可计算实际排土量 。
②土压平衡式盾构 土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾 构。它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一 个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长 筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在 盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改 善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。
③泥水加压式盾构 泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相 似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水 加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀 盘(花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护，通常 是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘 进中起支护作用，后者主要是在停Leabharlann Baidu掘进时起支护作 用。
插入式
焊接式
刀头的固定方式
(3)密封舱
用于存贮被刀盘切削下来的土体，并加以搅拌使其成 为不透水的，具有适当流动性的塑流体，使其能及时充满 密封舱和螺旋输送机的全部空间，对开挖面实行密封，以 维持开挖面的稳定性，同时，也便于将其排出。在密封舱 后隔板上，一般留有进入舱孔，供人员进出入密封舱和进 行维修工作。