地铁泥水平衡盾构施工参数研究
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【关键词】：泥水平衡；盾构隧道；数值模拟；地表沉降；土压力； [Abstract]:In subway construction, slurry balanced shield is a kind of construction machinery used, key construction technology is based on the geological conditions and construction requirements, construction parameters settings. Combined with the construction example, this paper briefly discusses the basic principle of slurry balance shield, the shield construction technology of slurry balance parameter choice basis, reference for similar construction.
[Keyword]:The slurry balance shield tunnel; numerical simulation; surface subsidence; soil pressure;
中图分类号：TU94 文献标识码：A 文章编号： 一 前言 随着我国经济的快速发展，城市交通方式也在不断革新，地下交通、地上交 通的立体交通模式是解决目前我国城市交通拥堵和适应居民高效、快节奏生活方 式的有效措施。地铁施工中地下工程的掘进施工是目前最为复杂的施工项目，涉 及到地下土质结构、地下管网分布、地下水分布、地上交通影响等很多因素。盾 构施工法作为地铁施工中的掘进机械操作，是使用盾构机在地下施工中的掘进开 挖方式，它实现了工程的掘进、衬砌同步进行，由稳定开挖面、盾构机挖掘和盾 尾衬砌三部分组成。这套施工技术最早是在 1843 年英国开始施行的，此后，陆 续的在世界各国得到了迅速发展。我国的盾构施工技术始于上世纪六、七十年代， 并得到了快速发展，被广泛的应用在地铁施工、隧道人防工程的施工等工程中， 发挥了巨大的作用。 二 泥水平衡盾构施工基本原理
48r/min
装
驱动方式
液压式
装
搅拌扭矩
6KN·m
机 额定回转扭矩/最大 800KN/m，1700 置
长度
2000mm
回转扭矩
KN/m
前盾（直径、长度） 9900mm、3000mm 推
最大总推力
71119kN
盾 中盾（直径、长度） 9885mm、4400mm 进
油缸数量
11 个单油缸 11 个双油缸
拌
叶片外径
1200mm
装
提升行程
1300mm
机
旋转速度
48r/min
机
注浆口
注浆形式
4个 双桨液
装
搅拌扭矩
置
长度
6KN·m 2000mm
备注
盾构没有盾尾油脂加注泵系统等辅助设备
表 2-1 泥水平衡盾构主要技术参数
名称
技术参数
名称
技术参数
外径
Φ9960mm
旋转驱动
变频电动机 3150kw
盾构及后配套总重
乔水军 中铁十五局集团有限公司
城市建设理论研究（电子版） ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu 2013(24)
引用本文格式：乔水军 地铁泥水平衡盾构施工参数研究[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2013(24)
面考虑选型。本工程地质土层是以人工填土层、细砂层、粉质黏土层、细砂、中
砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层、风化变质砂岩、风化大理岩和风化花岗
岩为主，施工中，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料，在开挖面上用
泥浆形成不透水的泥膜保持水压力，开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥
水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。因此，从
体 盾尾（直径、长度） 9870mm、4000mm 系 最大推进速度
60mm/min
盾尾间隙
40mm
统 最大回缩速度
160mm/min
位移传感器数量
6只
舱室数量 人
舱
容量
工作压力
导向 系统
功 率
型式 精度
刀盘驱动 推进系统 管片安装机
碎石机
2个 4+2 人 4.5bar
VMT SLS-SL 2秒
3150KW 110KW 132KW 55KW
表 2-1 泥水平衡盾构主要技术参数
名称
技术参数
名称
技术参数
外径
Φ11220mm
旋转驱动
电动机 75kw×12
内径（盾尾）
Φ11080mm
外径
Φ11240mm
盾
总长
11145mm
额定转速
0.47rpm
构 盾尾密封装置
3道
大
本Hale Waihona Puke Baidu
后继台车
6节
刀
体
推进速度
最大 4.6cm/min 盘
额定力矩 最高力矩 仿形超挖刀
材料
模量
泊松比 u
重度
内聚力 c 摩擦角φ 剪胀角φ
E(Mpa)
y（KN/m2） （Mpa） （°）
（°）
土层
9.41
0.36
19.8
0.01
24.8
22.5
盾构
21000
0.22
7.8
146
70
70
2)盾构类型的选择，主要依据于工程的地质条件和施工规范要求选择盾构的
类型、驱动方式、主要参数以及辅助设备，并从施工方式的经济性和可靠性等方
滚刀/刮刀/周边刮 49X17 吋单刃滚刀/76 把
×33(11 个单油缸
刀
刮刀/16 把周边刮刀
11 个双油缸)
换刀方式
背装式
超挖刀（2 把） 行程 100mm 最大超挖量
2.51m3/环
管
回转角度
±200°
碎
破碎形式
颚式破碎机
片
平移行程
＞2000mm
石 最大破碎粒径
800mm
拼
自由度
6个
机
旋转速度
（2,2-8） [2]张玉军，熊传义，拟建武汉地铁盾构法施工的有限元数值模拟[J]，岩土力学，
2001,22（1）：30-34 [3]项兆迟，楼如岳，傅德明，最新泥水盾构技术[M]，上海，上海隧道工程股份
有限公司，2001
地铁泥水平衡盾构施工参数研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
同
注浆泵数量
步
注
储浆罐容量
浆 系 压力传感器数量
统
台车数量 后 配 列车尺寸（长 X 宽 套
X 高）
注浆泵
管片吊机
二次通风机
总功率
3台 14m³ 6只
5+1 个连接桥 15000X2000X3900mm
160KW 32KW 37KW 5190KW
泥水平衡盾构适应于隧道上方有河流湖泊等大水体地层，粘土、粉土和砂粘土 等多层地层，松散地层，高承压水层等土质。
18550KN·m 22760 KN·m Φ11500mm
设计总推力
112000kN
超挖刀（2 把） 行程 150mm 最大
3500Kn×32
超挖量 4.65m3/
环
举
驱动形式
液压油马达 土体
形式
土压计和油压千
重
探测
斤顶式
臂
装置
测定部位
盾构机头上部
回转角度
±220°
搅
安装数量
4套
拼
平移行程
1250mm
三 盾构施工对周围环境的影响因素 盾构施工受周围土体应变状态的扰动影响有：隧道作业面附近的土层应力变 化，隧道支护和注浆引起的径向位移，上覆土体的流变，掘进时土体与盾构间的 剪力，开挖对土体的扰动变形，衬砌的收敛变形等。土体变形的影响主要来源于： 1.盾构掘进时，随着开挖面的土体移动，土层内应力发生变化。 2.盾构推进时，注浆不及时或压浆量不足，使土体在压力作用下进入盾尾空 隙。 3.推进面障碍物随盾构移动产生的土体空隙。 4.盾壳与地层的摩擦与剪切带动土体变形。 5. 盾构在转向或后退时引起的地层土体损失。 6. 衬砌沉降引起的地层移动变形。 四 泥水平衡盾构施工参数的选择 1.工程概况 广深港客运专线深港连接隧道为 9.6m 双洞，单线盾构隧道，隧道场地地 层从上至下主要有人工填土层；淤泥层、淤泥质细砂层；粉质黏土层；细砂、中
式、半敞开式、密封式，密封式又分为泥水式盾构机和土压式盾构机。
泥水式盾构机的适应土层范围广，具有很多优点。泥水平衡盾构是目前最先
进的盾构施工技术，主要是由掘进系统、泥水加压循环系统、综合管理系统、泥
水分离处理系统和同步灌浆五部分组成。下面以德国海瑞克Φ9960mm 气垫式泥
水平衡盾构为例，列举泥水平衡盾构的主要参数，见下表 2-1：
y 为土的天然容量 c 为土的内聚力
φ为土的内摩擦角
Ka 、Kp 为主动土压力系数
不同性质的土层渗透系数和土颗粒的水理作用不同，开挖面稳定性分析中，
都要满足刀盘正面主动土压力的合力与泥水压力的合力平衡，才能满足土体稳
定。本工程项目进行有限元模型土质情况分析材料参数如下表 4-1：
表 4-1 有限元计算模型的材料参数
砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层；全～弱风化变质砂岩、强～弱风化大理 岩和全～弱风化花岗岩， 深港隧道地质剖面图见图 4-1。本工程经勘验适宜于泥 水平衡式盾构施工技术。
图 4-1 深港隧道地质剖面图
2.对各项参数的选择分析如下： 1）刀盘开挖稳定性数值分析 刀盘开挖稳定性数值分析是泥水平衡盾构施工技术中的关键因素，保证密封 加压状态下，泥水压力下的开挖面稳定，是工程质量与安全的主要环节。砂性土 主动土压力的计算公式： 砂性土被动土压力的计算公式： 粘性土主动土压力的计算公式： 粘性土被动土压力的计算公式： 其中：Z 为某一点的深度
4)同步注浆的控制
泥水平衡盾构施工技术在注浆过程中，为了保证土体的稳定性，减少土体沉
陷和变形，可以采用双液单系统注浆方式。拌浆系统在将 A 液（水泥、膨润土、
稳定剂和水）B 液（水玻璃），送至井下经压浆泵注入土体，及时填塞盾尾和土
体的空隙进行密封。
五 结语
泥水平衡盾构施工技术的关键是要控制刀盘正面主动土压力的合力与泥水 压力的合力平衡，才能够使盾尾的衬砌施工中更好的密封，保证施工质量和安全。 因此，在施工中，盾构的类型选择也要根据工程的地质条件和施工要求来定，并 合理的选择各项施工参数，保证施工的正常进行。 参考文献： [1]刘建航，上海软土隧道盾构施工技术专家系统综述[J],地下工程与隧道，1995
1290T
开挖直径
Φ9960mm
主机长
11500mm
开口率
24%
整机长度
89m
额定转速
0-4.4rpm
盾
盾尾密封装置
5道
额定扭矩
10750KN·m
构
最小转弯半径
400m
刀
最大扭矩
14512KN·m
本
推进速度
最大 60 mm /min 盘
脱困扭矩
15587KN·m
体
设计总推力
71119kN、2155 KN
地铁泥水平衡盾构施工参数研究
乔水军
中铁十五局集团有限公司 河南 洛阳 471003
【摘要】：在地铁工程施工中，泥水平衡式盾构是常用的一种施工机械，施工 技术的主要环节就是根据施工地质条件和施工要求，设置施工参数。本文结合具 体的施工案例，简述泥水平衡盾构的基本原理，提出了泥水平衡盾构施工技术的 参数选择依据，供同类施工参考。
盾构施工的基本原理是，在隧道一端先设置一竖井或者基坑，然后将盾构安
装就位，盾构按照设计路线进行挖掘施工。施工同时盾构尾部的隧道衬砌结构根
据推进中的地层阻力，一边推进一边衬砌，并灌浆，以防止隧道及地面下沉。盾
构的断面有：圆形、矩形、马蹄形、半圆形等方式，可以根据工程要求选择不同
的掘进断面。盾构机按照开挖面与作业面之间的隔墙构造分为三种形式：全敞开
地质条件来看，本工程适宜于泥水平衡盾构施工。
3)刀盘及驱动的选择
刀盘结构形式有面板式和辐条式两种，面板式刀盘可以通过刀盘的开口限制
进入土仓的卵石粒径，泥水平衡式盾构一般选用面板式刀盘。在驱动方式上，有
变频电机驱动、液压驱动和定速电机驱动几种方式，由于变频驱动具有传动效率
高、热平衡性好、噪声低的特点，因此，宜采用变频驱动。
[Keyword]:The slurry balance shield tunnel; numerical simulation; surface subsidence; soil pressure;
中图分类号：TU94 文献标识码：A 文章编号： 一 前言 随着我国经济的快速发展，城市交通方式也在不断革新，地下交通、地上交 通的立体交通模式是解决目前我国城市交通拥堵和适应居民高效、快节奏生活方 式的有效措施。地铁施工中地下工程的掘进施工是目前最为复杂的施工项目，涉 及到地下土质结构、地下管网分布、地下水分布、地上交通影响等很多因素。盾 构施工法作为地铁施工中的掘进机械操作，是使用盾构机在地下施工中的掘进开 挖方式，它实现了工程的掘进、衬砌同步进行，由稳定开挖面、盾构机挖掘和盾 尾衬砌三部分组成。这套施工技术最早是在 1843 年英国开始施行的，此后，陆 续的在世界各国得到了迅速发展。我国的盾构施工技术始于上世纪六、七十年代， 并得到了快速发展，被广泛的应用在地铁施工、隧道人防工程的施工等工程中， 发挥了巨大的作用。 二 泥水平衡盾构施工基本原理
48r/min
装
驱动方式
液压式
装
搅拌扭矩
6KN·m
机 额定回转扭矩/最大 800KN/m，1700 置
长度
2000mm
回转扭矩
KN/m
前盾（直径、长度） 9900mm、3000mm 推
最大总推力
71119kN
盾 中盾（直径、长度） 9885mm、4400mm 进
油缸数量
11 个单油缸 11 个双油缸
拌
叶片外径
1200mm
装
提升行程
1300mm
机
旋转速度
48r/min
机
注浆口
注浆形式
4个 双桨液
装
搅拌扭矩
置
长度
6KN·m 2000mm
备注
盾构没有盾尾油脂加注泵系统等辅助设备
表 2-1 泥水平衡盾构主要技术参数
名称
技术参数
名称
技术参数
外径
Φ9960mm
旋转驱动
变频电动机 3150kw
盾构及后配套总重
乔水军 中铁十五局集团有限公司
城市建设理论研究（电子版） ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu 2013(24)
引用本文格式：乔水军 地铁泥水平衡盾构施工参数研究[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2013(24)
面考虑选型。本工程地质土层是以人工填土层、细砂层、粉质黏土层、细砂、中
砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层、风化变质砂岩、风化大理岩和风化花岗
岩为主，施工中，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料，在开挖面上用
泥浆形成不透水的泥膜保持水压力，开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥
水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。因此，从
体 盾尾（直径、长度） 9870mm、4000mm 系 最大推进速度
60mm/min
盾尾间隙
40mm
统 最大回缩速度
160mm/min
位移传感器数量
6只
舱室数量 人
舱
容量
工作压力
导向 系统
功 率
型式 精度
刀盘驱动 推进系统 管片安装机
碎石机
2个 4+2 人 4.5bar
VMT SLS-SL 2秒
3150KW 110KW 132KW 55KW
表 2-1 泥水平衡盾构主要技术参数
名称
技术参数
名称
技术参数
外径
Φ11220mm
旋转驱动
电动机 75kw×12
内径（盾尾）
Φ11080mm
外径
Φ11240mm
盾
总长
11145mm
额定转速
0.47rpm
构 盾尾密封装置
3道
大
本Hale Waihona Puke Baidu
后继台车
6节
刀
体
推进速度
最大 4.6cm/min 盘
额定力矩 最高力矩 仿形超挖刀
材料
模量
泊松比 u
重度
内聚力 c 摩擦角φ 剪胀角φ
E(Mpa)
y（KN/m2） （Mpa） （°）
（°）
土层
9.41
0.36
19.8
0.01
24.8
22.5
盾构
21000
0.22
7.8
146
70
70
2)盾构类型的选择，主要依据于工程的地质条件和施工规范要求选择盾构的
类型、驱动方式、主要参数以及辅助设备，并从施工方式的经济性和可靠性等方
滚刀/刮刀/周边刮 49X17 吋单刃滚刀/76 把
×33(11 个单油缸
刀
刮刀/16 把周边刮刀
11 个双油缸)
换刀方式
背装式
超挖刀（2 把） 行程 100mm 最大超挖量
2.51m3/环
管
回转角度
±200°
碎
破碎形式
颚式破碎机
片
平移行程
＞2000mm
石 最大破碎粒径
800mm
拼
自由度
6个
机
旋转速度
（2,2-8） [2]张玉军，熊传义，拟建武汉地铁盾构法施工的有限元数值模拟[J]，岩土力学，
2001,22（1）：30-34 [3]项兆迟，楼如岳，傅德明，最新泥水盾构技术[M]，上海，上海隧道工程股份
有限公司，2001
地铁泥水平衡盾构施工参数研究
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)：
同
注浆泵数量
步
注
储浆罐容量
浆 系 压力传感器数量
统
台车数量 后 配 列车尺寸（长 X 宽 套
X 高）
注浆泵
管片吊机
二次通风机
总功率
3台 14m³ 6只
5+1 个连接桥 15000X2000X3900mm
160KW 32KW 37KW 5190KW
泥水平衡盾构适应于隧道上方有河流湖泊等大水体地层，粘土、粉土和砂粘土 等多层地层，松散地层，高承压水层等土质。
18550KN·m 22760 KN·m Φ11500mm
设计总推力
112000kN
超挖刀（2 把） 行程 150mm 最大
3500Kn×32
超挖量 4.65m3/
环
举
驱动形式
液压油马达 土体
形式
土压计和油压千
重
探测
斤顶式
臂
装置
测定部位
盾构机头上部
回转角度
±220°
搅
安装数量
4套
拼
平移行程
1250mm
三 盾构施工对周围环境的影响因素 盾构施工受周围土体应变状态的扰动影响有：隧道作业面附近的土层应力变 化，隧道支护和注浆引起的径向位移，上覆土体的流变，掘进时土体与盾构间的 剪力，开挖对土体的扰动变形，衬砌的收敛变形等。土体变形的影响主要来源于： 1.盾构掘进时，随着开挖面的土体移动，土层内应力发生变化。 2.盾构推进时，注浆不及时或压浆量不足，使土体在压力作用下进入盾尾空 隙。 3.推进面障碍物随盾构移动产生的土体空隙。 4.盾壳与地层的摩擦与剪切带动土体变形。 5. 盾构在转向或后退时引起的地层土体损失。 6. 衬砌沉降引起的地层移动变形。 四 泥水平衡盾构施工参数的选择 1.工程概况 广深港客运专线深港连接隧道为 9.6m 双洞，单线盾构隧道，隧道场地地 层从上至下主要有人工填土层；淤泥层、淤泥质细砂层；粉质黏土层；细砂、中
式、半敞开式、密封式，密封式又分为泥水式盾构机和土压式盾构机。
泥水式盾构机的适应土层范围广，具有很多优点。泥水平衡盾构是目前最先
进的盾构施工技术，主要是由掘进系统、泥水加压循环系统、综合管理系统、泥
水分离处理系统和同步灌浆五部分组成。下面以德国海瑞克Φ9960mm 气垫式泥
水平衡盾构为例，列举泥水平衡盾构的主要参数，见下表 2-1：
y 为土的天然容量 c 为土的内聚力
φ为土的内摩擦角
Ka 、Kp 为主动土压力系数
不同性质的土层渗透系数和土颗粒的水理作用不同，开挖面稳定性分析中，
都要满足刀盘正面主动土压力的合力与泥水压力的合力平衡，才能满足土体稳
定。本工程项目进行有限元模型土质情况分析材料参数如下表 4-1：
表 4-1 有限元计算模型的材料参数
砂、粗砂、砾砂、粗圆砾土、卵石土层；全～弱风化变质砂岩、强～弱风化大理 岩和全～弱风化花岗岩， 深港隧道地质剖面图见图 4-1。本工程经勘验适宜于泥 水平衡式盾构施工技术。
图 4-1 深港隧道地质剖面图
2.对各项参数的选择分析如下： 1）刀盘开挖稳定性数值分析 刀盘开挖稳定性数值分析是泥水平衡盾构施工技术中的关键因素，保证密封 加压状态下，泥水压力下的开挖面稳定，是工程质量与安全的主要环节。砂性土 主动土压力的计算公式： 砂性土被动土压力的计算公式： 粘性土主动土压力的计算公式： 粘性土被动土压力的计算公式： 其中：Z 为某一点的深度
4)同步注浆的控制
泥水平衡盾构施工技术在注浆过程中，为了保证土体的稳定性，减少土体沉
陷和变形，可以采用双液单系统注浆方式。拌浆系统在将 A 液（水泥、膨润土、
稳定剂和水）B 液（水玻璃），送至井下经压浆泵注入土体，及时填塞盾尾和土
体的空隙进行密封。
五 结语
泥水平衡盾构施工技术的关键是要控制刀盘正面主动土压力的合力与泥水 压力的合力平衡，才能够使盾尾的衬砌施工中更好的密封，保证施工质量和安全。 因此，在施工中，盾构的类型选择也要根据工程的地质条件和施工要求来定，并 合理的选择各项施工参数，保证施工的正常进行。 参考文献： [1]刘建航，上海软土隧道盾构施工技术专家系统综述[J],地下工程与隧道，1995
1290T
开挖直径
Φ9960mm
主机长
11500mm
开口率
24%
整机长度
89m
额定转速
0-4.4rpm
盾
盾尾密封装置
5道
额定扭矩
10750KN·m
构
最小转弯半径
400m
刀
最大扭矩
14512KN·m
本
推进速度
最大 60 mm /min 盘
脱困扭矩
15587KN·m
体
设计总推力
71119kN、2155 KN
地铁泥水平衡盾构施工参数研究
乔水军
中铁十五局集团有限公司 河南 洛阳 471003
【摘要】：在地铁工程施工中，泥水平衡式盾构是常用的一种施工机械，施工 技术的主要环节就是根据施工地质条件和施工要求，设置施工参数。本文结合具 体的施工案例，简述泥水平衡盾构的基本原理，提出了泥水平衡盾构施工技术的 参数选择依据，供同类施工参考。
盾构施工的基本原理是，在隧道一端先设置一竖井或者基坑，然后将盾构安
装就位，盾构按照设计路线进行挖掘施工。施工同时盾构尾部的隧道衬砌结构根
据推进中的地层阻力，一边推进一边衬砌，并灌浆，以防止隧道及地面下沉。盾
构的断面有：圆形、矩形、马蹄形、半圆形等方式，可以根据工程要求选择不同
的掘进断面。盾构机按照开挖面与作业面之间的隔墙构造分为三种形式：全敞开
地质条件来看，本工程适宜于泥水平衡盾构施工。
3)刀盘及驱动的选择
刀盘结构形式有面板式和辐条式两种，面板式刀盘可以通过刀盘的开口限制
进入土仓的卵石粒径，泥水平衡式盾构一般选用面板式刀盘。在驱动方式上，有
变频电机驱动、液压驱动和定速电机驱动几种方式，由于变频驱动具有传动效率
高、热平衡性好、噪声低的特点，因此，宜采用变频驱动。