盾构工程方案及技术措施

盾构工程方案及技术措施
1 盾构机选型
1.1 盾构机提供方式
经过多方调查及全面比选，我公司在本标段拟投入两台新购海瑞克复合式土压平衡盾构机（设备编号S-813、S-814）进行施工，其中右线采用S-813盾构机，左线采用S-814盾构机。

我单位已与海瑞克公司签订了盾构设备购置意向书，如我单位中标，立即与海瑞克公司签订设备购置合同，即刻开始盾构机制造，盾构机生产周期为7-9个月，完全能够满足广州市轨道交通二十一号线工程【施工15标】土建工程盾构施工工期要求。

所选盾构机详细情况详见“附件——盾构性能和参数”。

1.2 盾构机选型依据
1.2.1 盾构机选型原则
盾构机的选型就是针对工程地质和环境的特点，选择经济合理的盾构机型式，使之既能适应于工程的地质条件、环境要求和技术要求，又能在复杂困难的地段中具有应变能力。

在复合地层中施工，盾构机选型主要考虑三大系统：刀盘、添加剂和人闸。

1.2.2 盾构机选型流程图
盾构机选型流程图见图1.2-1 盾构机选型流程图
1.2.3 区间隧道设计特点
①区间线路平面最小曲线半径600m；②最大纵坡度25‰；③隧道外径6.0m；④隧道内径5.4m；⑤环宽1.5m；⑥埋深67~57.5m；⑦掘进方向误差不超过±50mm；⑧盾构掘进施工地表面允许隆陷值为+10/-30mm。

1.2.4 区间工程地质、水文地质特点
区间隧道主要穿越地层<3-2>中粗砂层、<4-2B>淤泥质粉质粘土、<5Z-2>砂质黏性土、<6Z>全风化花岗片麻岩、<7Z>强风化花岗片麻岩、<9Z>微风化花岗片麻岩、<F>断层破碎带。

地下水稳定水位埋藏深度 1.50～23.40m，标高28.31～64.34m。

地下水按赋存方式分为第四系松散层孔隙水，块状基岩裂隙水。

其中松散层孔隙水多为潜水，局部具微承压性；块状基岩裂隙水为承压水。

1.2.5 本工程特点、难点对盾构机的选型要求
根据以往土压平衡盾构机的使用情况，结合广州地铁地质条件的特点，施工中有以下一些特点、重点、难点以及遇到时所相应需要采取的措施。

（1）刀盘刀具具有较高耐磨、耐热、高硬度等性能。

刀具类型多，既有可破碎微风化岩石及孤石的滚刀，又有可切削土层的刮刀、铲刀等多种刀具，以供优选，并且在施工中可现场更换刀具。

图1.2-1 盾构机选型流程图
（2）刀盘堵塞及“糊刀”现象：在淤泥质粉质粘土层、可砂质黏性土层等粘性土层中掘进可能会在刀盘上产生“泥饼”及“糊刀”现象，影响掘进效率，须注意其对施工设备的不利作用，因此，刀盘设计合理的开口率用以改进“泥饼”及“糊刀”现象。

（3）盾构机配置了添加剂（膨润土、泡沫、水）注入系统，以帮助改良掘进渣土，也有利于减小刀具磨损。

（4）同步注浆的控制：为了能对应各种土质条件，同步注浆系统设计成采用单液
浆的系统，但同时也具备注双液浆条件。

1.2.6 满足本标段地质要求的盾构机选型分析
盾构的主要类型有土压平衡盾构、泥水加压盾构、复合式土压平衡盾构等。

根据我公司施工经验并咨询国内外盾构专家，认为本工程选择复合式土压平衡盾构机更适合。

根据本工程特点，表1.2-1是对这三种盾构进行的综合比较分析。

表1.2-1 三种盾构机技术、经济对比表
比较内容泥水加压盾构机土压平衡盾构机
复合式土压平衡盾构机
适用的地层砂层、软流塑淤泥砂层、各种土层及互层土层及岩石
占用的场地约1万平米4000~5000平米4000~5000平米
对环境的影响产生废弃泥浆，有污染有轻微污染有轻微污染
地表的沉降小较小较小
洞内作业好较好较好
工程费用高低较高
根据此项对比，应优先选用复合式土压平衡盾构。

1.2.6.1 盾构类型与地质条件关系
不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，泥水盾构主要针对无粘聚力的含水砂层以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可广泛用于各种软弱地层的施工。

土压平衡盾构适应于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。

复合土压平衡盾构机主要针对在同一隧道中，由于地质情况差异较大，地层变化复杂，需要不同类型的盾构机转换，以达到适应不同地层的目的，这种盾构除具备一般土压平衡盾构机的一般特性外，既能在土层中掘进，还能在岩石中开挖，主要应用于岩石占据一定比例的复杂地层隧道。

1.2.6.2 盾构类型渗透性关系
地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。

根据欧美和日本的施工经验，两种盾构能够适应的地层渗水系数范围如图1.2-2所示。

当地层的透水系数小于10-7m/s 时，选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。

本工程区间隧道的洞身地层中水平渗透系数为1.16×10-8~1.16×10-5m/s，地
地层渗透性与盾构选型
图1.2-2 地层渗透系数与盾构选型关系示意图
层的最大透水系数小于10-4m/s，通过分析，优先采用土压平衡盾构机。

1.2.6.3 盾构类型与岩土颗粒的关系
岩土颗粒与盾构机选型关系如图1.2-3所示，大体上，当岩土中的粉粒和黏粒的总量大于40%以上时，通常会选用土压平衡盾构机；相反情况选用泥水盾构机比较合适。

粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。

根据本工程盾构区间地层土粒分布及岩层性质，选复合式土压平衡盾构机更适宜。

图1.2-3 岩土颗粒与盾构机选型的关系图
1.2.7 盾构机形式的确定
针对本标段工程地质、水文条件、地上建筑物、地下构筑物及周边环境等情况和本标段中工程的特点和难点，我们选择了在广州地铁有着丰富经验和优秀业绩的海瑞克盾构机生产厂商合作，拟采购两台全新海瑞克复合式土压平衡盾构机投入本标段使用。

海瑞克公司生产制造了多台盾构机成功应用在了广州地铁多条线上，完全有适应本标段地层的能力。

因此，我单位在本标段选用新购海瑞克公司两台复合式土压平衡盾构机。

1.3 盾构机特点
（1）盾构机设计扭矩、推力均能够适应该区间地质条件。

盾构机掘进扭矩可达5631kN·m，脱困扭矩6213 kN·m，掘进推力可达39914kN。

（2）主轴承寿命满足本工程盾构施工要求。

主轴承设计寿命均为10000小时，且有对主轴承、主轴承密封的温度监测装置，能够随时监测主轴承及主轴承密封的状况，使盾构机运转更加可靠。

（3）盾构机能适应多种地层掘进，当盾构机在粘土、粉土、砂土掘进时，采用土压平衡掘进模式，一方面设计有水、泡沫、膨润土注入口，能满足改善渣土和易性的要求，保证土压平衡顺利掘进；另一方面可以通过土压传感器严密监测土仓内的压力，同时监控出渣量，避免过量出渣产生地表沉降。

4个泡沫
注入口
图1.3-1 盾构机土压传感器图1.3-2 盾构机添加剂注入口
（4）有改善渣土的设计
在刀盘面板设计上有泡沫及膨润土注入装置，可根据需要来加注泡沫和膨润土，及时有效的改善渣土的塑流性和不透水性，减小刀盘和刀具的磨损，同时防止泥饼的产生。

土仓壁板上设计有搅拌翼，同时还有膨润土和泡沫注入口，在搅拌翼对渣土搅拌的同时加注泡沫或膨润土，改善渣土的塑流性。

在螺旋输送机的筒壁上有膨润土和泡沫注入口，所加注的泡沫和膨润土可促进渣土的流动，使其顺利的从螺旋输送机输出。

渣土改良系统有泡沫和膨润土两套设备，可根据不同地质条件选用不同的改良方式。

渣土改良措施见4.2.2渣土改良和管理。

（5）耐磨性的加强
刀盘采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的16MnR材料制作，在刀盘的外缘还有两层可更换的耐磨条，面板外缘也堆有5mm厚的堆焊耐磨层，充分保证盾构在本区间的掘进。

所有刀具均是用硬质合金钢做为刀具，高耐磨钢作为刀体，刀背和刀座由焊在刀盘上的耐磨层和耐磨钉保护。

土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用了耐磨材料制作，在螺旋输送机的入口和出口处均有耐磨焊层，入口处更有可更换的耐磨板，叶片和轴的磨损区域也有耐磨堆焊层，在螺旋输送机的第一节螺杆上还焊有耐磨衬垫，完全防止了渣土对土仓和螺旋输送机的磨损。

（6）适应小曲线半径掘进的设计
盾构机设计上采用了铰接装置，可满足最小达250m半径曲线的推进转弯和纠偏。

推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作，行程为2200mm，可保证封顶块在任何位置，均满足1500mm管片的拼装要求；辅以配置的超挖刀，可以较好的控制掘进方向和进行纠偏。

（7）符合环境保护要求的设计特点
地表建筑物保护，盾构机具有加泥土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制，保护地表建筑物。

本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高，掘进时可严格控制地表沉降。

（8）盾构机具有以下设计特点
盾构机能够在土压平衡模式下掘进，能有效的稳定开挖面地层，通过同步注浆保证掘进后管片与隧道壁的环向间隙及时填充。

通过加泥土压平衡模式（可加泥、泡沫、水）可以控制地层水流失，避免地
层水流失造成的地面沉降。

通过土仓密闭设计及辅助保压系统，刀具更换等工况下也可实现掌子面压力的稳定。

（9）消耗的材料具有环保特点
盾构使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均具有生物可降解性和无毒性，泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解消失，属于绿色环保材料，其环保性能完全符合标准。

1.4 刀盘对地质的适应性
（1）刀盘采用复合面板结构，刀盘开口率为33%，刀盘中心部位配置镶硬质合金的中心双刃滚刀，配合向周边辐射分布单刃滚刀，有利于硬岩地层的掘进，同时具备更换软土撕裂刀的条件，可适应复合地层掘进。

刀盘正面配置镶硬质合金的刮刀，周边配置镶硬质合金的铲刀，刮刀和铲刀除切削外还承担进渣功能，可利于排渣，并能降低切削扭矩。

刀具具有合适的前后角适于切削并减少磨损。

刀盘外圈配置镶硬质合金的边缘铲刀，以便长久保持开挖直径。

配置仿形刀可适应于小曲线半径掘进。

（2）刀盘上布设中心双刃滚刀4把，单刃滚刀31把，刮刀50把，边缘铲刀8把，滚刀高175 mm，刮刀高140mm，边缘铲刀高140mm。

滚刀的装配采
用螺栓连接方式，刮刀、铲刀的装配将采用焊接方式；交换滚刀时，全部可从土仓侧进行交换，装配方式采用楔子连接方式。

（3）耐磨设计，刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性，在刀盘辐条面板及大圆环前后端面堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，并在刀盘外周也焊有耐磨复合钢板，提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。

1.5 不同开挖模式的工作原理对盾构机的技术要求
土压平衡式盾构机的掘进模式主要有土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式以及介于两者之间的混合模式三种，各有其工作特点和适用的地质条件。

所选的复合式土压平衡盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式以便达到最好的掘进效果。

1.5.1 土压平衡掘进模式
土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机在推进掘削开挖面土体的同时，使掘削的渣土充满土仓内，并且使土仓内的渣土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近。

由于在推进油缸的推力作用下，使土仓内充满的渣土具有一定的压力，土仓内的渣土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，隧道开挖面上的土壤就不会轻易坍落，达到既完成掘进又不会造成开挖面土体的失稳，引起地面沉降就能被减至最少。

（见图1.5-1）。

图1.5-1土压平衡模式示意图1.5-2敞开模式示意图1.5-3混合模式示图土仓内的压力可通过改变盾构机的掘进速度或螺旋机的转速（排渣量）来调节，按与盾构机掘削土量（包括加泥材料量）对应的排渣量连续出土，保证使掘削土量与排渣量相对应，使土仓中的塑流性渣土的土压力能始终与开挖面上的水
土压力保持平衡，保持开挖面的稳定性，压力大小根据安装在土仓壁上的压力传感器来获得，螺旋机转速（排渣量）根据压力传感器获得的土压自动调节，螺旋机转速（排渣量）也可手动操作。

在用土压平衡掘进模式掘进时，应保证刀盘有足够的开口率，使渣土能顺利进入土仓，并将土仓内渣土的压力尽可能顺畅地传递到开挖面上。

1.5.2 敞开式掘进模式
敞开式掘进模式一般用于地层自稳条件比较好的场合，即使不对开挖面进行连续压力平衡，在短时间内也可保证开挖面不失稳，土体不坍塌。

本盾构机在敞开式模式掘进时，破碎下来的渣土能够尽快落入土仓下部，并由螺旋输送机迅速地排出。

（见图1.5-2）。

敞开式模式掘进中，可间断打开仓门，观察开挖面、出土和刀具磨损情况，以便及时准备更换刀具、调整掘进参数和及时转换掘进模式。

1.5.3 混合模式（半敞开）
如果掘进中遇到虽然围岩稳定、但富含地下水的地层；或者施工断面上大部分围岩稳定，仅有局部会出现失压崩溃的地层；或者破碎带。

此时应增大推进速度以求得快速通过，并暂时停止螺旋机出土、关闭螺旋机出土闸门，使土仓的下部充满渣石，向开挖面和土仓中注入适量的添加材料（如膨润土、泥浆或添加剂）和压缩空气，使土仓内渣土的密水性增加，同时也使添加材料在压力作用下渗进开挖面地层，在开挖面上产生一层致密的“泥膜”。

推进过程中可以欠土压，但一环推过后，安装管片时，要把土仓中的压力建立起来，否则工作面仍是不稳定的。

通过气压和泥膜阻止开挖面涌水和坍塌现象的发生，再控制螺旋机低速转动以保证在螺旋机中形成“土塞”，是完全可以安全快速地通过这类不良地层的。

使用这种掘进模式，既可维持开挖面稳定，又可达到较高的掘进速度。

1.6 盾构机各部分功能描述
（1）开挖功能主要由开挖系统来完成，开挖系统主要由刀盘、切口环、密封隔板组成。

刀盘的外径设计为6280mm，比盾体外径大30mm，便于盾构在推进时减少盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为0～3.5rpm，由液压马达调速，在遇到不同地质的情况下，可低速/大扭矩旋转或高速/小扭矩旋转，以满足开挖的需要；刀盘支撑在三排圆柱滚子轴承上，该主轴承是刀盘的关键部位，设计寿命为10000小时；
主轴承采用内外共计三道密封，并定时加注油脂，保证密封效果。

刀盘在9个液压马达驱动下，通过减速器、大小齿轮、三排圆柱滚子轴承的作用来旋转，用以切削土体；切下来的泥土碎石由进渣口进入泥土仓，在泥土仓内由装在刀盘后和密封隔板上的搅拌棒对其进行强制搅拌，使其塑流性和不透水性达到最佳状态，经伸在泥土仓底部的螺旋输送机输送出去。

泥土仓内设有5个土压传感器和膨润土、泡沫及水的注入口，当切削下来的渣土塑流性和不透水性不能保证泥土仓内的压力平衡及开挖面的稳定时，就及时予以合理的注入，以防产生泥饼，并使渣土顺利的排出，确保刀盘开挖的顺利进行。

密封隔板上装有刀盘驱动设备、土压传感器、膨润土、泡沫及水的管道、气压管道、人闸等。

（2）推进功能描述
推进功能由推进系统来完成。

推进系统有沿支承环圆周均匀地安装的30个盾构推进油缸（其中10个双缸，10个单缸）。

油缸布置与管片分别对应，靠管片的反力实现对盾构的推进，是盾构推进的动力装置，油缸分上下左右四组进行控制，通过调整各组的推进力的大小来控制掘进方向，推进油缸行程全部为2200mm，满足1500mm管片的错缝拼装要求。

当刀盘遇到意外地下障碍或土壤状况突然变化，使刀盘旋转的液压马达超过许用负荷，则刀盘停止转动，此时盾构千斤顶的供油被连锁装置切断，盾构停止推进，待故障排除后，刀盘重新启动，盾构才能继续推进。

（3）排土功能描述
排土功能主要由螺旋输送机、皮带输送机及运渣车来完成。

螺旋输送机由液压马达驱动，前端装在泥土密封仓底部，通过密封隔板向中心倾斜安装。

在出土口设有液压油缸控制的闸门和弃土导槽；在螺旋输送机的转动下，刀盘切削下来的泥土和岩石碎块连续不断的向外输送，螺旋输送机的转速为可调的，用来控制排土量，保证土仓压力，同时保证开挖面的稳定；在螺旋输送机上装有泡沫及膨润土管路，可减小阻力延长寿命。

在螺旋输送机上安装有两个土压传感器测量压力变化情况，便于控制土仓压力，使排土顺势流畅。

螺旋输送机的进渣门和出土闸门分别由两个液压油缸控制，出土闸门有防水
密封，其开口度可根据需要任意调节，且在断电的情况下，可自行关闭，确保安全。

螺旋输送机的螺杆可伸缩，伸缩量1000mm。

螺旋输送机可满足粒径266mm碎石的顺利排出。

螺旋输送机的转速可以根据泥土仓压力手动或者自动调节。

螺旋输送机排出的泥土，由皮带输送机运到后配套拖车的尾部装车，通过运渣车、工作井提升设备把渣土运到地面。

（4）管片拼装功能描述
管片拼装系统由管片拼装机、管片输送机构、整圆器组成。

由管片车运来的管片，通过管片吊机吊下，放在已拼装成型管片上，再通过管片喂片小车将管片输送到管片拼装机下。

管片拼装机有6个自由度，确保管片的旋转、升降、移动、俯仰、側倾和摇摆的各基本动作而进行最终的定位；其油缸举升行程和纵向移动行程分别为1000mm和2000mm，完全可以满足1500mm 管片错缝拼装。

管片拼装机通过夹紧机构将管片夹起，完成管片的粗定位和微调整定位，再通过螺栓方式完成管片间的连接和环间的连接。

管片拼装机具有自动锁定功能，即当液压系统失压时，液压马达上的制动器可以实现自动锁定。

管片拼装机不受推力油缸靠近和加压产生的运动及外力的影响。

整个管片拼装机的工作可采用线控和遥控进行。

（5）油压、电气、控制系统功能描述
①油压控制系统
油压控制系统根据施工要求合理配置，主要用于推进系统、螺旋输送机、管片拼装机及铰接装置等，集中供油装置设在后方台车上。

供油装置设有过滤系统，其过滤精度达6u。

②电气控制系统
电气控制系统由高压电缆箱、高压电缆及快速接头、变压器、配电盘等组成。

配置在便于操作、检查、维护的位置，均具有防水、防滴、防潮、防尘和防振的特点，具有接地保护、安全警报、自动互锁、漏电保护、过电流、短路保护等功能，可保证供电的安全。

③控制系统
盾构控制系统由PLC和1台监控计算机组成主机系统，配有专门的数据获取处理软件，远程监控终端分布在盾构内及后方台车上，每台远程终端配置小型PLC，主机和远程终端的通信采用总线方式。

盾构工作分盾构掘进、管片拼装及停止三个阶段，盾构掘进时，可采用自动控制模式和手动模式，即根据推进速度及土仓压力自动或手动改变螺旋输送机转速以改变排土量来维持土压平衡的控制模式。

盾构配置较多的传感器，主要有土压传感器、油压传感器、行程传感器、刀盘、螺旋输送机测速仪等，还配有压力、温度继电器。

监控计算机，采用触摸式工控机，以掘进施工操作、管理、监视为目的，主要功能有数据显示、数据保存、数据处理、数据设定、报警等。

计算机屏幕为直观菜单显示，有多幅画面供盾构主司机选择，并有打印功能。

（6）附属装置功能描述
①姿态控制装置
姿态控制装置是控制盾构在已定空间轴线的允许偏差范围前进的关键装置，主要由调整盾构推力大小和合力作用点位置以及设置在刀盘的超挖装置来控制。

在盾构掘进时，利用控制盾构纵坡以控制盾构的高程位置，利用千斤顶伸出差值控制盾构平面位置，通过控制系统进行监测来控制盾构的姿态，而超挖装置则由一个油缸千斤顶和一个超挖刀构成，外伸量用油缸千斤顶的行程调整，调整范围在0～50mm，利用角度传感器可在任意的角度上进行盾构外径的部分外挖或超挖，确保盾构在曲线施工，方向修正时的姿态。

②导向系统
导向系统采用SLS-T自动定位隧道导向系统，由PC机、隧道掘进软件、全站仪、ElS靶、控制盒、调制解调器、激光发射器、TBM-PLC、电缆等组成，有足够的掘进方向控制能力及自动纠偏能力，保证掘进方向误差不超过±40mm，能对盾构姿态位置、水平和垂直偏差进行监测控制，并能及时报警，以便对盾构进行及时调整和采取必要措施，确保隧道掘进的质量和安全。

所有被监控对象的资料均可由隧道掘进软件进行分类组合，以图表、数据的形式显示出来。

③盾尾同步注浆装置
盾尾同步注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆罐、管路、阀件等组成，安装在
后方台车上。

当盾构掘进时，注浆泵将储浆罐中的浆液泵出，通过四条独立的输浆管道，通到盾尾壳体内的4根同步注浆管，对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆，其作用首先是防止地基变位，其次是依靠它提高隧道整体防水性，确保管片衬砌的早期稳定性。

在每条输浆管道上都有一个压力传感器，在每个注浆点都有监控设备监视每环的注浆量和注浆压力；而且每条注浆管道上设有两个调整阀，当压力达到最大时，其中一个阀就会使注浆泵关闭，而当压力达到最小时，另外一个阀就会使注浆泵打开，继续注浆。

注浆量和注浆压力的大小可以实现自动控制和手动控制，手动控制可对每一条管道进行单个控制，而自动控制可实现对所有管道的同时控制。

盾尾密封采用三道钢丝刷加注油脂密封，确保周边地基的土砂和地下水、同步注浆材料、开挖面的水和泥土从外壳内表面和管片外周部之间缝隙不会流入盾构里，确保同步注浆的顺利进行。

根据需要盾构机还配有壁后注浆（二次注浆）设备，及盾构机后方通过管片注浆孔进行补充注浆。

④后方台车
盾构操作的所有设施和装备都安装在后方台车上。

后方台车共有5节。

台车为门式结构，跟在盾构主机后面，以拖车的方式牵引，它的中间为通道，顶部安装皮带输送机，两侧布放盾构操作室、加泥设备、注浆设备、集中润滑设备、用于刀盘推进和旋转的油泵及马达、油冷却器、变压器、配电柜、电缆盘等机电设备。

⑤润滑装置
润滑装置为集中润滑系统，设有分配管路系统，用一台油脂泵、一个润滑油脂贮箱和换向阀，泵将润滑油脂输送到一条主管线，TN型定向阀位于润滑点附近，向刀盘大齿轮和主轴承的唇口密封，螺旋输送机唇口密封、铰接唇口密封等处定期加注油脂。

它们均通过主管路线的油压反馈信息来切换油路。

⑥超前钻机及预注浆
在盾壳前部圆周上布有超前钻孔，在地层不稳固的地方可在管片拼装机上安。