盾构机分类及选型-
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《大型施工机械》——盾构机部分
第十四讲
盾构机的分类及选型
2016年5月29日2时10分
•
•
主要内容
1 盾构机分类
•
•
2 盾构机选型
3 盾构机选型举例
2016年5月29日2时10分
1 盾构机分类
• (1) 按掘削地层分类
硬岩盾构（TBM） 软岩盾构 软土盾构
TBM
硬岩软土盾构
双护盾
衬砌施工方法不 同的盾构方法
二次衬砌法（管片为一次衬砌，另行浇注二次衬砌） 一次衬砌法（仅保留管片一次衬砌，略去二次衬砌）
包缠保护膜盾构工法（为提高隧道衬砌的止水性和耐久性，在盾构机内对管片外 现场浇注混凝土 衬砌法(ECL 工法) 侧进行包缠保护膜施工） 盾尾内空架设钢筋浇注混凝土做衬法(照片 6.1.12) PC-ECL 工法
2016年5月29日2时10分
对应复合地层的刀具配置
2016年5月29日2时10分
复合地层的刀具装备与对策
・ 可更换滚刀与强化先行刮刀 ・ 如岩石强度在30Mpa以下可使用强化先行刮刀进行掘进 ・ 如岩石强度为30～250Mpa则应适用滚刀进行掘进
2016年5月29日2时10分
滚刀的形状与特点
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（２）
• 扩大刀盘中央部分的开 口，重视泥土从刀盘中心 部进入土仓
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（３）
在土仓内隔壁上装备前后滑动式固定搅拌翼，并可从其前端添加泥浆
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（４）
装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼
盾构机总体设计范围
最大掘进速率 平均掘进速率 管片平均安装时间 管片宽度
根据上述计算每班次掘进速率 每日双班工作时掘进速率
2016年5月29日2时10分
6环 / 8 hours 12环 / 16 hours
3.５主要机械性能（方案）
• 刀盘驱动
•
• • m • •
驱动形式
刀盘转速 刀盘扭矩 脱困扭矩 总推力
• 管片拼装装置
• 形 式 Ｌ型方式 （管片拼装作业空间大） • 操作方式 • 转动速度 • • 调
2016年5月29日2时10分
无线遥控操作 高速：1.5rpm （高速・低速 低速：0.3rpm 无线遥控切换） 两级调速
节
可实现微调、微动操作
防止粘土附着对策（１）
• 在刀盘进土口位置 装备高压水喷射管
2016年5月29日2时10分
螺旋出渣机的特点
驱动方式 出土量 直径 转速 驱动扭矩 前端部 液压驱动方式 （装备动力：110 kw） 280 m3 / h （最大排出粒径：φ250mm×500mmL） 700mm （带轴式出渣机） 1.0～ 24 rpm 常用最大 ： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0 kN-m 耐磨对策（套筒与螺旋桨硬化堆焊）
盾构
边掘进边组装管片盾构工法
2016年5月29日2时10分
• (11)综合分类
2016年5月29日2时10分
2 盾构机选型
• 盾构掘进机选型依据
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) 土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成分等个参数） 开挖面稳定（自立性能） 隧道埋深、地下水位 设计隧道的断面 环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性） 衬砌类型 工期 造价 宜用的辅助工法
尺寸 ： 17 英寸 允许磨损量 ： 20 mm 允许线速度 ： 150 m / min 转动力 ： 70 Nーm 允许负荷： 250 kN 材质 ： 特殊工具钢
2016年5月29日2时10分
刀盘耐磨损对策
刀盘外周堆焊钉状耐磨物 外周进行硬化耐磨层堆焊
耐磨ＩＮＧ板
2016年5月29日2时10分
刀盘驱动部土砂密封
•
2016年5月29日2时10分
• (5)按掘土出土器械的机械化程度程度分类
人工挖掘式 、半机械掘削式、机械掘削式
◆手掘式盾构
2016年5月29日2时10分
◆半机械式盾构
◆网格式盾构
• (6)按掘削面的加压平衡方式分类
外加支承式 气压式
泥水式
土压式
2016年5月29日2时10分
•(7)按刀盘运动形式分类
圆形转动掘削式 转动掘削式 行星游动掘削式 扇形转动掘削式 矩形多轴摇动掘削式 多轴摇动掘削式 摆动掘削式 圆形多轴摇动掘削式 其它断面形状多轴摇动掘削式 横向摆动掘削式(矩形) 纵向摆动掘削式(矩形) 中心支承式 中间支承式 周边支承式
方式的盾构
2016年5月29日2时10分
细
中粗
粗
细
中粗
粗
细
中粗
粗
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
EPB
Foam
20 10 0 0,001 0,002 0,006 颗粒直径 d单位mm
Slurry
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
wk.baidu.com
6,0
20,0
60,0
2016年5月29日2时10分
不同地质条件下全断面掘进机选型
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（５）
固定土仓隔壁中心部分，防止转动脚中心部分泥土堵塞
2016年5月29日2时10分
泥浆注入口的配置
• • • • • ・刀盘面板前面 ・固定隔板一侧 ： 3处 ： 4处 喷出口阀门构造 照片
・固定搅拌翼前端： 1处 ・螺旋出渣机 ： 3处
可选择泥浆、泡沫和聚合物3种类型
(10) 设计路线、线形、坡度 （11）电气等其他设备条件
2016年5月29日2时10分
•盾构掘进机选型的一般程序
2016年5月29日2时10分
不同地质条件下全断面掘进机选型
粒径分布曲线
泥土粒径
粉质土 砂
筛分粒径
砾石
粘土 100 90 80 70 筛分通过率 <d % 60 50 40 30
2016年5月29日2时10分
软土盾构
2016年5月29日2时10分
复合盾构
• (2) 按盾构机横截面形状分类
半圆形 圆形 椭圆形 马蹄形
双圆搭接形
三圆搭接形
矩形
2016年5月29日2时10分
2016年5月29日2时10分
• (3) 按盾构机横截面的形状分类
• 超小型盾构 φ<1m
5 +1个封顶块
6.00 m 5.40 m 300mm 1.5m 约4t
2016年5月29日2时10分
3.４ 盾构机总体参数（方案）
盾构机总体设计范围及主要尺寸
开挖直径： 前护盾直径： 主机长度： 总长度包括后配套： 总重量包括后配套： 最小曲线半径： 6280 mm 6250 mm 约 9.0m（含刀盘） 约 82 m 420 t 250m 8 cm/min 3.5 cm/min 30 min/环 1500 mm
特点 土砂密封：3条唇形密封1段 V型密封 ：3 段 迷路密封：拉比利斯（迷宫）式 检测 供油脂 其他 ：温度检测传感器 ：自动供脂 ：密封接触面采用硬质 材料
2016年5月29日2时10分
铰接构造
铰接装置
总推力
数量 铰接方向
24,000 kN
2,000kN×12根 全方向 （上下、左右、倾斜方向）
• (8)按盾构机特殊构造分类
中折盾构
球体盾构 异径母子盾构
重心靠前盾构
特殊构造的盾构 现场换刀盾构
可直接掘削前障碍物盾构
机体可分可合盾构 固体回收盾构 倾斜中空轴全断面机内注浆盾构
年5月29日2时10分 2016 倾斜中空轴全断面机内注浆 +活动前檐盾构
• (9)按盾构机的功能、用途分类
3 盾构机选型举例
3.１武汉地铁的路线与地质
二号线穿越汉口和武昌，隧 道穿越地质种类比较全面： 粘土、粉质粘土、 淤泥质粉质粘土、 粉细砂、中粗砂、 砂 岩、粉砂岩、 石英砂岩、炭质灰岩、 钙质泥岩、强风化泥岩、 强风化含碳硅质页岩等。
2016年5月29日2时10分
3.2 本工程重点/难点
偏软地层导致的地表沉降 由于硬质附着性粘土导致的刀盘与土仓的堵塞
2016年5月29日2时10分
螺旋机防止水喷涌对策（旋转出渣机）
2016年5月29日2时10分
螺旋机更换零件及特点
更换零件
螺旋机前部套筒 ： 2层套筒（更换修补） 前部螺旋机 ： 可分割结构
2016年5月29日2时10分
填补空洞用注入管配置
注入配管
前 方 ： 4处 前体外周 ： 4处
后体外周 ： 4处
1,750kN×22根
• 铰接装置
•
•
总推力
2016年5月29日2时10分
24,000 kN
2,000kN×12根
数量
3.６主要机械性能（方案）
• 螺旋出渣机驱动
•
• • • • m 驱动形式 排土量 φ250mm×500mmL） 直径 转速 驱动扭矩 液压驱动方式 280 m3 / h 700mm 1.0～ 24 rpm 常用最大： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0 kN（装备动力：110 kw） （最大排出粒径： （带轴式螺旋机）
• 小型盾构
• 中型盾构
3.5m≥φ≥1m
6m≥φ≥3.5m
• 大型盾构
• 超大型盾构
14m≥φ≥6m
18m≥φ≥14m
• 特大型盾构
φ>18m
2016年5月29日2时10分
• (4) 按掘削面的敞开程度分类
全部敞开式：无盖敞开式、有盖敞开式 部分敞开式：网格式 封闭式：中心支承式、中间支承式、周边支承 式
丰富的地下水与水压的问题
软质风化岩\砂岩\泥岩\半固结粘土\淤泥的掘进
膨胀性陈旧粘土导致的盾构机推力增加
附着性粘土与基岩的掘进
掘进途中的刀具更换
2016年5月29日2时10分
3.3 隧道管片参数
项 目 参 数
备注
管片类型
普通预制增强水泥管片安装衬砌，包括纵向封顶块
分块形式
外径(O.D.) 内径(I.D.) 厚度 管片宽度 单片管片最大重量
直角弯隧道盾构 偏心急弯曲线盾构 大坡度盾构 CID 工法 地中对接盾构 MSD 工法 侧接盾构 站盾构分岔盾构 路线可变扭曲盾构 竖向掘削盾构 扩掘盾构 变径盾构 大深度盾构 长距离盾构 高速掘进盾构
2016年5月29日2时10分
不同用途的盾构
上掘盾构 下掘盾构
• (10)按盾构隧道衬砌施工方法分类
电驱动 2级调速式
高速转动 ： 2.0 rpm 常用最大 ： 5,844 kN-m 7,000 kN-m
（装备动力：600kw）
低速转动 ： 1.0 rpm 高速转动：2,922 kN-
• 盾构机千斤顶
38,500 kN 8.0 cm/min 单位面积推力：1,255 kN / ㎡
•
•
数量
最大伸长速度
2016年5月29日2时10分
•THE
END
•THANK YOU !
2016年5月29日2时10分
1,05
1,40 1,50
2,00
2,20
工作舱内 土体容重 [t/m³ ]
2016年5月29日2时10分
• 盾构掘进机选型的其他条件
• （1）工期条件的制约 • （2）造价因素的制约 • （3）环境因素的制约 • （4）基地条件的制约 • （5）设计路线、平面竖向曲线形状的制约
2016年5月29日2时10分
2016年5月29日2时10分
铰接密封
形式 ： Ｖ型密封 2 段、 灰尘密封 1 段 耐压 ： 1.0 Mpa 润滑 ： 自动供脂
2016年5月29日2时10分
盾尾密封
形 式 ： 3段金属刷
浆液逆流 ： 注浆液逆流防止板 润 滑 ： 盾尾油脂自动注入
供脂位置 ： 每列6处 （共计12处）
耐水压
： 0.4 Mpa
粘土
粉土
砂
砾石
0,25
很高渗透 性 10-2
柔软
0,50
EPB模式
高渗透性
添加剂 防止堵塞 10-3 10-4
高浓度膨润土 复合式盾构
软
0,75
硬
1,00
EPB 敞开模式
一般渗透性
10-5 EPB + 添加剂
坚硬
添加剂增加塑性
粘稠度系数 IC
渗透系数 k [m/s]
弃土容重
泡沫 EPB盾构 泥水盾构
第十四讲
盾构机的分类及选型
2016年5月29日2时10分
•
•
主要内容
1 盾构机分类
•
•
2 盾构机选型
3 盾构机选型举例
2016年5月29日2时10分
1 盾构机分类
• (1) 按掘削地层分类
硬岩盾构（TBM） 软岩盾构 软土盾构
TBM
硬岩软土盾构
双护盾
衬砌施工方法不 同的盾构方法
二次衬砌法（管片为一次衬砌，另行浇注二次衬砌） 一次衬砌法（仅保留管片一次衬砌，略去二次衬砌）
包缠保护膜盾构工法（为提高隧道衬砌的止水性和耐久性，在盾构机内对管片外 现场浇注混凝土 衬砌法(ECL 工法) 侧进行包缠保护膜施工） 盾尾内空架设钢筋浇注混凝土做衬法(照片 6.1.12) PC-ECL 工法
2016年5月29日2时10分
对应复合地层的刀具配置
2016年5月29日2时10分
复合地层的刀具装备与对策
・ 可更换滚刀与强化先行刮刀 ・ 如岩石强度在30Mpa以下可使用强化先行刮刀进行掘进 ・ 如岩石强度为30～250Mpa则应适用滚刀进行掘进
2016年5月29日2时10分
滚刀的形状与特点
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（２）
• 扩大刀盘中央部分的开 口，重视泥土从刀盘中心 部进入土仓
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（３）
在土仓内隔壁上装备前后滑动式固定搅拌翼，并可从其前端添加泥浆
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（４）
装备在刀盘内侧可以覆盖整个区域的搅拌翼
盾构机总体设计范围
最大掘进速率 平均掘进速率 管片平均安装时间 管片宽度
根据上述计算每班次掘进速率 每日双班工作时掘进速率
2016年5月29日2时10分
6环 / 8 hours 12环 / 16 hours
3.５主要机械性能（方案）
• 刀盘驱动
•
• • m • •
驱动形式
刀盘转速 刀盘扭矩 脱困扭矩 总推力
• 管片拼装装置
• 形 式 Ｌ型方式 （管片拼装作业空间大） • 操作方式 • 转动速度 • • 调
2016年5月29日2时10分
无线遥控操作 高速：1.5rpm （高速・低速 低速：0.3rpm 无线遥控切换） 两级调速
节
可实现微调、微动操作
防止粘土附着对策（１）
• 在刀盘进土口位置 装备高压水喷射管
2016年5月29日2时10分
螺旋出渣机的特点
驱动方式 出土量 直径 转速 驱动扭矩 前端部 液压驱动方式 （装备动力：110 kw） 280 m3 / h （最大排出粒径：φ250mm×500mmL） 700mm （带轴式出渣机） 1.0～ 24 rpm 常用最大 ： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0 kN-m 耐磨对策（套筒与螺旋桨硬化堆焊）
盾构
边掘进边组装管片盾构工法
2016年5月29日2时10分
• (11)综合分类
2016年5月29日2时10分
2 盾构机选型
• 盾构掘进机选型依据
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) 土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成分等个参数） 开挖面稳定（自立性能） 隧道埋深、地下水位 设计隧道的断面 环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性） 衬砌类型 工期 造价 宜用的辅助工法
尺寸 ： 17 英寸 允许磨损量 ： 20 mm 允许线速度 ： 150 m / min 转动力 ： 70 Nーm 允许负荷： 250 kN 材质 ： 特殊工具钢
2016年5月29日2时10分
刀盘耐磨损对策
刀盘外周堆焊钉状耐磨物 外周进行硬化耐磨层堆焊
耐磨ＩＮＧ板
2016年5月29日2时10分
刀盘驱动部土砂密封
•
2016年5月29日2时10分
• (5)按掘土出土器械的机械化程度程度分类
人工挖掘式 、半机械掘削式、机械掘削式
◆手掘式盾构
2016年5月29日2时10分
◆半机械式盾构
◆网格式盾构
• (6)按掘削面的加压平衡方式分类
外加支承式 气压式
泥水式
土压式
2016年5月29日2时10分
•(7)按刀盘运动形式分类
圆形转动掘削式 转动掘削式 行星游动掘削式 扇形转动掘削式 矩形多轴摇动掘削式 多轴摇动掘削式 摆动掘削式 圆形多轴摇动掘削式 其它断面形状多轴摇动掘削式 横向摆动掘削式(矩形) 纵向摆动掘削式(矩形) 中心支承式 中间支承式 周边支承式
方式的盾构
2016年5月29日2时10分
细
中粗
粗
细
中粗
粗
细
中粗
粗
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
EPB
Foam
20 10 0 0,001 0,002 0,006 颗粒直径 d单位mm
Slurry
0,02
0,06
0,2
0,6
2,0
wk.baidu.com
6,0
20,0
60,0
2016年5月29日2时10分
不同地质条件下全断面掘进机选型
2016年5月29日2时10分
防止粘土附着对策（５）
固定土仓隔壁中心部分，防止转动脚中心部分泥土堵塞
2016年5月29日2时10分
泥浆注入口的配置
• • • • • ・刀盘面板前面 ・固定隔板一侧 ： 3处 ： 4处 喷出口阀门构造 照片
・固定搅拌翼前端： 1处 ・螺旋出渣机 ： 3处
可选择泥浆、泡沫和聚合物3种类型
(10) 设计路线、线形、坡度 （11）电气等其他设备条件
2016年5月29日2时10分
•盾构掘进机选型的一般程序
2016年5月29日2时10分
不同地质条件下全断面掘进机选型
粒径分布曲线
泥土粒径
粉质土 砂
筛分粒径
砾石
粘土 100 90 80 70 筛分通过率 <d % 60 50 40 30
2016年5月29日2时10分
软土盾构
2016年5月29日2时10分
复合盾构
• (2) 按盾构机横截面形状分类
半圆形 圆形 椭圆形 马蹄形
双圆搭接形
三圆搭接形
矩形
2016年5月29日2时10分
2016年5月29日2时10分
• (3) 按盾构机横截面的形状分类
• 超小型盾构 φ<1m
5 +1个封顶块
6.00 m 5.40 m 300mm 1.5m 约4t
2016年5月29日2时10分
3.４ 盾构机总体参数（方案）
盾构机总体设计范围及主要尺寸
开挖直径： 前护盾直径： 主机长度： 总长度包括后配套： 总重量包括后配套： 最小曲线半径： 6280 mm 6250 mm 约 9.0m（含刀盘） 约 82 m 420 t 250m 8 cm/min 3.5 cm/min 30 min/环 1500 mm
特点 土砂密封：3条唇形密封1段 V型密封 ：3 段 迷路密封：拉比利斯（迷宫）式 检测 供油脂 其他 ：温度检测传感器 ：自动供脂 ：密封接触面采用硬质 材料
2016年5月29日2时10分
铰接构造
铰接装置
总推力
数量 铰接方向
24,000 kN
2,000kN×12根 全方向 （上下、左右、倾斜方向）
• (8)按盾构机特殊构造分类
中折盾构
球体盾构 异径母子盾构
重心靠前盾构
特殊构造的盾构 现场换刀盾构
可直接掘削前障碍物盾构
机体可分可合盾构 固体回收盾构 倾斜中空轴全断面机内注浆盾构
年5月29日2时10分 2016 倾斜中空轴全断面机内注浆 +活动前檐盾构
• (9)按盾构机的功能、用途分类
3 盾构机选型举例
3.１武汉地铁的路线与地质
二号线穿越汉口和武昌，隧 道穿越地质种类比较全面： 粘土、粉质粘土、 淤泥质粉质粘土、 粉细砂、中粗砂、 砂 岩、粉砂岩、 石英砂岩、炭质灰岩、 钙质泥岩、强风化泥岩、 强风化含碳硅质页岩等。
2016年5月29日2时10分
3.2 本工程重点/难点
偏软地层导致的地表沉降 由于硬质附着性粘土导致的刀盘与土仓的堵塞
2016年5月29日2时10分
螺旋机防止水喷涌对策（旋转出渣机）
2016年5月29日2时10分
螺旋机更换零件及特点
更换零件
螺旋机前部套筒 ： 2层套筒（更换修补） 前部螺旋机 ： 可分割结构
2016年5月29日2时10分
填补空洞用注入管配置
注入配管
前 方 ： 4处 前体外周 ： 4处
后体外周 ： 4处
1,750kN×22根
• 铰接装置
•
•
总推力
2016年5月29日2时10分
24,000 kN
2,000kN×12根
数量
3.６主要机械性能（方案）
• 螺旋出渣机驱动
•
• • • • m 驱动形式 排土量 φ250mm×500mmL） 直径 转速 驱动扭矩 液压驱动方式 280 m3 / h 700mm 1.0～ 24 rpm 常用最大： 55.7 kN-m 脱困时最大：65,0 kN（装备动力：110 kw） （最大排出粒径： （带轴式螺旋机）
• 小型盾构
• 中型盾构
3.5m≥φ≥1m
6m≥φ≥3.5m
• 大型盾构
• 超大型盾构
14m≥φ≥6m
18m≥φ≥14m
• 特大型盾构
φ>18m
2016年5月29日2时10分
• (4) 按掘削面的敞开程度分类
全部敞开式：无盖敞开式、有盖敞开式 部分敞开式：网格式 封闭式：中心支承式、中间支承式、周边支承 式
丰富的地下水与水压的问题
软质风化岩\砂岩\泥岩\半固结粘土\淤泥的掘进
膨胀性陈旧粘土导致的盾构机推力增加
附着性粘土与基岩的掘进
掘进途中的刀具更换
2016年5月29日2时10分
3.3 隧道管片参数
项 目 参 数
备注
管片类型
普通预制增强水泥管片安装衬砌，包括纵向封顶块
分块形式
外径(O.D.) 内径(I.D.) 厚度 管片宽度 单片管片最大重量
直角弯隧道盾构 偏心急弯曲线盾构 大坡度盾构 CID 工法 地中对接盾构 MSD 工法 侧接盾构 站盾构分岔盾构 路线可变扭曲盾构 竖向掘削盾构 扩掘盾构 变径盾构 大深度盾构 长距离盾构 高速掘进盾构
2016年5月29日2时10分
不同用途的盾构
上掘盾构 下掘盾构
• (10)按盾构隧道衬砌施工方法分类
电驱动 2级调速式
高速转动 ： 2.0 rpm 常用最大 ： 5,844 kN-m 7,000 kN-m
（装备动力：600kw）
低速转动 ： 1.0 rpm 高速转动：2,922 kN-
• 盾构机千斤顶
38,500 kN 8.0 cm/min 单位面积推力：1,255 kN / ㎡
•
•
数量
最大伸长速度
2016年5月29日2时10分
•THE
END
•THANK YOU !
2016年5月29日2时10分
1,05
1,40 1,50
2,00
2,20
工作舱内 土体容重 [t/m³ ]
2016年5月29日2时10分
• 盾构掘进机选型的其他条件
• （1）工期条件的制约 • （2）造价因素的制约 • （3）环境因素的制约 • （4）基地条件的制约 • （5）设计路线、平面竖向曲线形状的制约
2016年5月29日2时10分
2016年5月29日2时10分
铰接密封
形式 ： Ｖ型密封 2 段、 灰尘密封 1 段 耐压 ： 1.0 Mpa 润滑 ： 自动供脂
2016年5月29日2时10分
盾尾密封
形 式 ： 3段金属刷
浆液逆流 ： 注浆液逆流防止板 润 滑 ： 盾尾油脂自动注入
供脂位置 ： 每列6处 （共计12处）
耐水压
： 0.4 Mpa
粘土
粉土
砂
砾石
0,25
很高渗透 性 10-2
柔软
0,50
EPB模式
高渗透性
添加剂 防止堵塞 10-3 10-4
高浓度膨润土 复合式盾构
软
0,75
硬
1,00
EPB 敞开模式
一般渗透性
10-5 EPB + 添加剂
坚硬
添加剂增加塑性
粘稠度系数 IC
渗透系数 k [m/s]
弃土容重
泡沫 EPB盾构 泥水盾构