盾构施工技术概述及盾构机选型

1806年，法国工程师布鲁诺尔（Brunel）在伦敦从 蛀虫在船板上钻孔并用分泌物涂在孔的四周中得到启 示，最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利。
1869年，英国人格瑞海德首次开发了圆形盾构，并第 一次采用了铸铁管片。格氏圆形盾构后来成为大多数盾构 的模型。 1874年，格瑞海德开发了液体支撑隧道工作面的盾构， 通过液体流，土料以泥浆的形成排出。
• 2.1 盾构法隧道的起源 • 2.2 盾构法隧道的概念及优缺点 • 2.3 盾构机分类及结构组成简介 • 2.4 泥水平衡盾构机简介 • 2.5 土压平衡盾构机简介（EPB） • 2.6土压平衡盾构机各系统基本组成
2.1
盾构法隧道的起源
1788年英国人提出了在伦敦地下修建隧道横贯泰晤士河的设想， 后因竖井挖不到足够深度而受挫；4年后Torevix决定在另一处建造横 断泰晤士河的隧道，但当工程掘进到最后30m时，开挖面急剧涌水， 隧道被淹。 1802年英国采矿工程师 阿贝尔·马蒂厄提出了修建 英吉利海峡隧道的设想，计 划从英法两岸采用一种有掩 体结构的挖掘机修筑隧道， 并在海峡地下通道的中间设 计一个人工岛，隧道照明由 油灯提供，而烟囱将提供通 风，如图所示。
不 同 敞 开 程 度 的 盾 构
全敞开式
能直接看到全部掘削面状况的形式。
部分敞开式
只能看到部分掘削面状况的形式。
密闭式
在掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无 法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感 器间接地掌握掘削面状况。
全敞开式盾构
特点：
掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高
根据机械化程度差异分三类：
优点：
（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、 河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济 合理的保证隧道安全施工。 （2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能 化和信息化，掘进速度快，劳动强度低，安全性高。
（3）地面人文自然景观受到良好保护，周围环境不受盾构 施工干扰，在松软地层中开挖埋深较大的长距离、大直径 盾构隧道，在经济、技术、安全等方面具有优越性。
土压平衡式
是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定 开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室， 刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将 土料运出，土仓内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋 输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
用于我局广州地铁的直径6.280米土压 平衡盾构机
用于我局南昌地铁的土压平衡盾 构机
2.2 盾构工法的概念及优缺点
盾构机（Shield Machine）（简称盾构）：具有前部开挖， 周边盾体支撑，管片永久性支护，推进式前进的全断面隧道施工 机械设备。盾构机是既能承受地层压力、又能在地层中掘进的隧 道专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一 体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠 偏等功能。盾构已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道 工程。 以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾 构工法（简称盾构法） ，采用盾构法修筑的隧道称为盾构法隧道 或盾构隧道。
投入1台中交天 在建 和生产的土压 平衡式盾构机 直径6260mm 投入2台石川岛 在建 土压平衡盾构 机直径 6260mm
8
南昌地铁1 号线7标
序号 项目名称
9 南宁地铁1号 线18标
基本情况
基本地层
盾构设备
投入2台复合式 土压平衡盾构机 直径6260mm
备注
刚开 工
盾构区间长度3752， ②1淤泥质土 管片外径6000mm， ②3粉质粘土 管片内径5400mm ⑦1泥岩、粉沙质 泥岩 ⑦2粉沙岩、粉质 泥岩 盾构区间双线总长 3260米，管片外径 6200mm，管片内 径5500mm 盾构区间双线总长 4622m，管片外径 6000mm，管片内 径5400mm
用于我局南京纬三路过江通道项目的14.93米大型泥水平衡盾构机
泥水平衡盾构机
刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经搅拌后含掘削土砂的高浓度泥 水，由泥浆泵送到地表的泥水分离系统，进行水、土分离后，再把泥 水重新压回泥水舱，如此不断循环地掘削、排土、推进。由于是泥水 压力使得掘削面稳定平衡，故称其为泥水加压平衡式盾构，简称泥水 盾构。
基本地质
盾构设备
备注
在建
冲洪积砂层、冲积土层、投入2台直径 残积层、全风化层、强 6260mm土压 风化层、微风化层。 平衡盾构机 冲洪积砂层、冲积土层、盾构设备暂未 残积层、全风化层、强 配置 风化层、微风化层。
6
在建
7
主要为⑤、⑦层，均为 卵石和圆砾，卵石粒径 一般为140~200mm， 局部可能存在大粒径漂 石 砾砂层、圆砾层，粉质 粘土
人工挖掘式、半机械式、机械式。
适用地层：
适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、 固结粉砂及粘土等），不适用于自稳性差的地层
部分敞开式盾构
主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。
特征：
利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同 时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面 地层侧向压力，达到开挖面的稳定。
总长42430米，其中地铁盾构隧道38来自百度文库90米，大型公路隧道4140米。
• 目前我局共有土压平衡盾构机14台，包括：海瑞克5台，中交天和（石 川岛）盾构机7台，中铁装备2台，其中有4台正在生产制造当中；超大
直径泥水平衡盾构机（租赁）1台，
• 盾构项目主要分布在上海、广州、北京、南昌、苏州、南京、宁波等地。 • 盾构穿越的地层主要有：淤泥质粘土、砂卵石地层、粉砂质泥岩地层、 粉质粘土、冲洪积砂层、残积层、全风化层、强风化层、微风化层等。 • 隧道局盾构项目一览表
盾构施工技术概述及 盾构机选型
——广铁七号线8标培训交流材料
中交隧道局第三工程公司
2014年3月6日
目
录
• 第一章 我局承建盾构项目简述
• 第二章 盾构施工技术概述
• 第三章 盾构机选型
• 第四章 盾构机选型案例分析
• 第五章 盾构施工后配套设备选型案例
第一章、 我局承建的盾构项目简述
• 我局自成立2005年成立至今，累计承建的盾构隧道项目13个，盾构隧道
缺点：
（1）盾构机械造价昂贵，地铁隧道用盾构机价格在4000 元～5000万元左右，前期一次性投资成本费用较高，隧道 较短时经济性较差。
（2）盾构机针对性强，对于多变地层的适应性较差，且每 台盾构机只能用于特定形状的开挖断面。 （3）隧道埋深太浅，则盾构法施工困难很大，地表沉隆很 难控制；短距离隧道采用盾构工法不能发挥其优越性。 （4）隧道衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺复杂，同时 需要设备制造、衬砌管片预制、场地布置、盾构转移等不 同施工技术的相互配合，系统工程协调复杂。
设计情况
盾构区间长度 3380m，管片外径 6000mm，管片内 径5400mm 盾构区间双线总长 2340米，管片外径 6000mm，管片内 径5400mm 盾构区间双线总长 1387米，管片外径 6000mm，管片内 径5400, 盾构区间长度 3470m；管片外径 6000mm，内径 5400mm，
2.3盾构机分类及结构简介
• 2.3.1盾构与TBM的区别 • 2.3.2盾构机分类 • 2.3.3盾构机结构
2.3.1盾构与TBM的主要区别
TBM (Tunnel Boring Machine)又称为隧道掘进机，主要应用于山岭 隧道、引水隧洞等工程，盾构机（Shield Machine)则主要应用于城 市地铁隧道工程，而在越江海隧道工程等场合中，两者所指往往相 同。随着技术的不断进步，二者之间的界限越来越模糊，。
适用范围：
因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施 工。在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。 因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降， 不宜在建筑物密集地方使用。
上海排水隧 道网格盾构
上海打浦路越江隧道网 格盾构Φ10.22m
泥水平衡式
密 闭 式 盾 构
是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定 开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间 形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合 由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。
泥水盾构由于需要配套的泥水处理系统，相对于土压盾构而言，需 要额外的占用地面资源，这对于建筑物密集的城市地铁而言无疑是十 分苛刻的，这也是为什么城市地铁没有大量采用泥水盾构的主要原因 之一。
地面泥水处理系统
2.8 土压平衡式盾构的基本原理
土压盾构与泥水盾构的差异是保持密封土舱内的承压介质不同：
2
已完 工
3
投入1台海瑞 克复合式盾 构机直径 6340mm
已完 工
4
宁波市轨 道交通2号 线一期工 程
盾构区间长度 3739.2m；管片外径 6200mm，内径 5500mm，
淤泥质粘土、粘土、 粉质粘土、粉砂
投入1台石川 岛土压平衡 盾构机直径 6340mm
已完 工
序号 项目名称
5 广州市轨 道交通七 号线施工8 标 广州市轨 道交通四 号线南延 段一期工 程施工1标 北京地铁 14号线7标
一是TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水 压力平衡开挖面的水土压力，所以TBM主要用于岩石隧道开挖，要
求土体自稳性要高。
二是TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用 泥浆泵通过管道出碴，所以盾构机主要用于软岩隧道开挖，土体自
稳性要求不高
2.3.2盾构机分类
• 盾构的分类方法较多，可按盾构切削面的形状、挖掘土体的方式，掘 削面的挡土形式，稳定掘削面的加压等方式，目前比较常见的分类方 法是以开挖面的开挖面密封程度进行分类。
序号
1
项目名称
上海地铁 二号线东 延伸工程 10A标 广州轨道 交通三号 线北延段 11标 南京地铁 D3-TA12标
设计情况
基本地质
盾构设备
备注
已完 工
盾构区间双线总长 淤泥质粘土、粘土、 投入2台直径 2973．785m，管片外 粉质粘土、砂质粉土、 6340mm土压 径6200mm，内径 粉砂 平衡盾构机 5500mm， 盾构区间长度 1620.350m；管片外 径6000mm，内径 5400mm， 盾构区间双线总长 2620.1米，管片外径 6200mm，管片内径 5500, 冲洪积砂层、冲积土 层、残积层、全风化 层、强风化层、微风 化层。 ②-2b4粉质粘土、②3b3-4粉质粘土、③1b1-2粉质粘土、④1b1-2粉质粘土层。） 投入2台直径 6260mm土压 平衡盾构机
10
苏州4号线16 标
淤泥质粘土、粘土、 拟投入2台土压 粉质粘土、粉砂 平衡盾构机，直 径6340mm 冲洪积砂层、冲积 投入2台海瑞克 土层、残积层、全 土压平衡盾构机 风化层、强风化层、 微风化层。
刚开 工
11
广佛线10标
已完 工
12
南京纬三路过 盾构区间长4140m， 上软下硬复合地层， 投入1台直径 江通道项目 管片外径 淤泥质土、粘土、 14.93m的泥水平 粉细砂、卵石圆砾、 衡盾构机 泥岩、粉砂岩等
格瑞 海德 泥浆 盾构
1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中首次将压缩空气方法 与盾构掘进相结合使用。 1876年英国人荻克英森.布伦敦和姬奥基.布伦敦申请了第一 个机械化盾构专利； 1896年，德国人哈姬在柏林为第一台德 国盾构申请了专利。
1964年英国人摩特、安德森等申请了泥水加压平衡盾构的专 利；1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日 本投入使用，这台盾构由三菱公司制造，其直径为3.1m。 1963年，日本Sato Kogyo公司首先开发出土压平衡盾构。 1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用。 到20世纪80年代，盾构工法已经得到长足发展，形成并完善 了圆形断面的各种平衡方式的盾构工法——挤压盾构（网格盾 构）、压气盾构、土压盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，但 以泥水盾构和土压盾构工法为主。
在建
序号 项目名称
13
基本情况
基本地层
盾构设备
备注
盾构区间双线总长 上海地铁12号 线03标 5126m，管片外径 6200mm，内径 5500mm，
②3-2层砂质粉土、 ④淤泥质粘土层、 ⑤1-1粉质粘土⑤12粉质粘土之中。
投入3台石川岛
土压平衡盾构机
直径6340mm
已完工
第二章：盾构施工技术概述