（机械工程专业论文）盾构技术在城市地铁施工中的应用研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗低等优点。大城 市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存的现代城市轨 道交通新格局。 盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环境好、土方量少、进 度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较 大时，只能依赖盾构。 盾构施工的关键之一是确定盾构的类型及其配置。盾构的选型是一项综 合性的工作，应根据地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全、可靠 等各种因数综合考虑。选择合适的盾构类型，配置合理的辅助设备，才能确 保隧道工程施工的顺利完成。本文根据某地铁区间隧道的工程条件、地质情 况、进度要求等提出了盾构选型的方法及步骤，并比照类似的工程实例，研 究确定某地铁某盾构区间的盾构类型、刀具的型式、刀盘的布局，并阐述泥 水盾构的不同工作模式，以及盾构的厂家的确定。 盾构机的类型和厂家确定后，为了确保所选盾构机的性能满足工程施工 的要求，对所选盾构机的关键参数进行了复核计算，保证盾构性能可靠地满 足施工要求。 对本工程的盾构施工技术进行了具体研究，就盾构在砂砾层中的掘进、 在曲线地段的推进、在推进过程中的蛇形和滚动等特殊问题提出了解决方法。 本课题不仅对某市地铁某盾构区段的盾构施工具有实际指导意义，而且 对同类工程盾构施工具有很好的指导意义。 关键词：盾构；盾构选型；盾构参数；施工技术 哈尔滨工程大学硕十学t ：) = 论文 a b s t r a c t t h es u b w a yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg r e a tc o n v e y a n c ea b i l i t y , h i g h s p e e d ，l o wn o i s e ，l i g h tp o l l u t i o n , a n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o ne t c t h em a i nc i t i e s g r a d u a l l y f o r mt h en e wm o d e mc i t y s t r a n s p o r t a t i o n m o d ew i t hv a r i o u s t r a n s p o r t a t i o nt y p e si nw h i c ht h es u b w a yi sr e g a r d e da st h em a i nt r a n s p o r t a t i o n t 0 0 1 c o n s t r u c t i o nb a s e do nt h es h i e l di sp o p u l a rb e c a u s eo fi t sh i g h - d e g r e es a f e t y a n dm e c h a n i z a t i o n ，b e t t e rw o r ke n v i r o n m e n t ，l e s sq u a n t i t yo fe a r t h ，q u i c kw o r k p r o g r e s sa n dl o w - c o s tc o n s t r u c t i o ne t c ，e s p e c i a l l ya tt h es i t u a t i o no fc o m p l i c a t e d g e o l o g y , h i g hu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e la n dv e r yd e e pt u n n e l s o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so nt h es h i e l dc o n s t r u c t i o ni ss e l e c t i o no ft h es h i e l d a n di t sc o n f i g u r a t i o n t h es e l e c t i o no ft h es h i e l dt y p ei saa l l a r o u n dw o r k , w h i c h s h o u l ds y n t h e t i c a l l ya n a l y z ev a r i o u sf a c t o r ss u c ha sg e o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a l c i r c u m s t a n c e ，t i m el i m i tf o rap r o j e c t ，c o s t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s a f e t ya n d r e l i a b i l i t y o n l ys e l e c t i n gt h er i g h tt y p eo ft h es h i e l da n dc o n f i g u r i n gt h el o g i c a l a s s i s t a n te q u i p m e n tc 柚m a k et h et u n n e lc o n s t r u c t i o ns a c c e s s f u l l ya c h i e v e t h e e m p h a s i so ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h em e t h o da n ds t e p so fs e l e c t i n gt h et y p eo f s h i e l da c c o r d i n gt ot h ee n g i n e c r i n gc o n d i t i o n ，g e o l o g i c a lc i r c u m s t a n c ea n d p r o g r e s sr e q u e s to fs o m eas u b w a yt u n n e lz o n e c o m p a r e dw i t hs o m es i m i l a r e n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sa n dc o n f i r m st h et y p eo fs h i e l d ，t h e t y p eo fc u r i n g , t h el a y o u to fc u t t i n gt r a y , e x p o u n d st h ev a r i o u sw o r km o d eo ft h e m n d - w a t e rs h i e l d ，a n dc o n f i r m st h ep r o d u c e ro ft h es h i e l d e dm a c h i n e s a f t e rc o n f i r m i n gt h e t y p e a n dt h ep r o d u c e ro fs h i e l d e dm a c h i n e s ，t h i s p a p e rc a l c u l a t ea n dc h e c kt h ek e yp a r a m e t e ro ft h es e l e c t e ds h i e l d e dm a c h i n e st o i n s u r et h a tc a p a b i l i t yo ft h es e l e c t e ds h i e l d e dm a c h i n e sc a nm e e tt h ee l l g i n e e r i n g r c q u e s t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h i sp a p e ra l s os t u d i e st h es h i e l dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei ne n g i n e e r i n g ，a n d p u t sf o r w a r dt h es o l u t i o no fm a n ys p e c i a lp r o b l e m s u c ha st h ed i g g i n go fs h i e l di n g r i t , t h eb o o s t i n ga tc u r v ez o n e ，a n dt h es n a k ef o r ma n dr o l l i n gi nt h eb o o s t i n g p r o c e s se r e t h i sp a p e rh a st h ep r a c t i c a lv a l u en o to n l yt ot h es h i e l dc o n s t r u c t i o ni ns o m e ac i t y , b u ta l s o t ot h es i m i l a rs h i e l dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s h i e l d ，s e l e c t i o no fs h i e l d ，s h i e l dp a r a m e t e r , c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：j 挚舅乙l 日 期：矽常期侈日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 2 0 世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，伴随着我国城 市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧 膨胀，许多城市不同程度上出现了用地紧张，生存空间拥挤，交通堵塞， 给城市生活带来了很大的影响，也制约着经济和社会的进一步发展n 1 ，充 分开发地下空间成为现代城市可持续发展的必要手段。由于流动人口以及 道路车辆的增加，城市交通呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤快，城市 道路的相对有限性带来了入口超饱和、交通阻塞、车速下降、事故频繁、 城市绿化面积减少等一系列问题行车难、乘车难，不仅成为市民工作和生 活的一个突出问题，而且制约着城市经济的发展。另外，道路上汽车排放 废气、噪声等环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。纵观当今世界，发 达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境 三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展战略的重 要途径瞳 【“。城市地下空间作为新型国土资源受到发达国家越来越多的重 视。自1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不 少呼吁开发利用地下空间的决议、宣言和文件。在工程实践方面瑞典、挪 威、加拿大、美国、法国、日本和芬兰等国在城市地下空间利用领域己达 到相当规模和水平。城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势， 并作为衡量城市现代化的标志。向地下要土地、要空间已成为城市发展的 历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源，缓减中心城 市密度、人车分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持 城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。因此国 际上不少学者提出“2 1 世纪是地下空问开发利用的世纪”。城市向三维空间 发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径。发 哈尔滨工程大学硕十学位论文 达国家的大城市如纽约、巴黎都曾出现过由于向上部畸形发展而后呈现“逆 城市化”的教训。“逆城市化”表明，以高层建筑和高架道路为标志的向上 部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在对城市中心区的改造和再 开发过程中，逐渐形成了地面空间、地下空间与上部空间的协调发展的城 市空闻构成的新概念，即城市的立体再开发。地下空间的充分利用是城市 立体化开发的重要组成部分。立体化的开发结果，扩大了空间的容量，提 高了城市集约度，交通顺畅，商业更繁荣，绿化面积增加。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解 决日益恶化的城市交通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体， 多种轨道交通类型并存的现代城市轨道交通新格局。地下铁道具有运量大、 速度快、噪音小、污染轻、能耗低等优点。从1 8 6 3 年英国伦敦建成第一条 地下铁道至今，世界上已有3 5 个国家和地区的8 0 多个城市修建了约5 0 0 0 公里的地下铁道。不少城市如伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科已形成四 通八达的地铁线网，运量占交通量的5 0 以上。 根据预测和分析，2 1 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展 将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一 个急迫的任务。1 。北京地铁建设规划总里程要达到6 0 0 公里；广州拟建1 4 条地铁线；南京拟建7 条地铁线；成都、苏州、青岛、杭州、沈阳等城市 都正在筹建地铁线，预计在本世纪初，总长在原有地铁线的基础上增加6 5 0 公里。至2 0 3 0 年，我国地铁通车里程将达到1 0 0 0 公里，将大大促进城市 轨道交通的发展。 盾构( s h e i l d ) 隧道开挖是城市地下施工的主要手段，盾构施工( 概 况见图l 一1 ) 是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形 或马蹄形等特殊形状钢筒结构，在它的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支 护等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾 的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。与传统 的隧道掘进技术相比，盾构法施工具有安全可靠、机械化程度高、工作环 2 哈尔滨丁稃大学硕七学位论文 境好j 土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地 下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构“1 。 l 一盾构；2 一盾构千斤顶；3 一盾构正面网格：4 一出土转盘i5 一出土皮带运输机； 6 一管片拼装机：7 一管片；8 一压浆泵；9 一压浆孔；1 0 一出土机：1 1 一由管片组成的 隧道衬砌结构；1 2 一在盾尾空隙的压浆；1 3 一后盾管片；1 4 一竖井。 图1 1 盾构施工概貌 随着隧道工程对施工质量和环保要求的逐步提高，现代盾构已演变成 为一种高度智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型工程机 械装备。在发达国家盾构法施工的隧道已占隧道总量的9 0 以上嘲。我国在 盾构施工隧道的关键设备和施工技术方面与发达国家相比存在着较大的差 距”1 ，为尽快提高我国盾构掘进水平使我国在先进隧道施工技术方面占世界 一席之地，那么对于盾构技术在城市地铁施工中的应用研究就显得尤为重 要。 1 2 国外盾构技术的发展历史和现状 1 发展历史 1 8 1 8 年英国人布鲁诺尔( m a r ci s a m b a r db r u n e l ) 有一个有趣的发现， 他发现船的木板中，有一秘蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体覆涂在 3 哈尔滨r 稃大学硕十学位论文 孔壁上。在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并 且在英国取得了该施工法的专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型“1 。 b r u n e l 对自己的新工法非常自信，并于1 8 2 3 年拟定了伦敦泰晤士河两岸的 隧道计划。随后，这个计划由当时的国会确认，工程于1 8 2 5 年动工。这条 隧道长4 5 8 m ，隧道的断面为i i 4 m x 6 8 m 。初期，工期进展顺利，但由于 初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法，施工中遇到了很大的困难坍 方和水淹，加上隧道的损坏，当时处于难于进展的状态，工程被迫停止。 但b r u n e l 并没有因此灰心失望，他总结了失败的教训，对盾构施工做了7 年的改进，后于1 8 3 4 年工程再次开工，又经过7 年的精心施工，终于在1 8 4 1 年贯通隧道。这是第一条盾构法隧道，初步证明了盾构法隧道施工的价值聃1 。 1 8 3 0 年由劳德考克让施( l o r dc o c h r a n c e ) 发明了旅加压缩空气防止涌水 的“气压法”1 8 7 4 年格雷蒙特( j a m e sh e n r yg r e a t h e a d ) 在伦敦地铁南 线的粘土和含水砂砾地层隧道( 内径为3 1 2 m ) 建设中，综合了以往所有盾 构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，并 首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，且开发了用流 体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出，为现代盾构法 奠定了基础，对盾构法发展起了重大的推动作用口】。1 8 8 0 1 8 9 0 年间，在 美国和加拿大问的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6 4 m ，长1 8 0 0 余米的 水底铁路隧道。1 8 9 6 年h a a g 在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利， 形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展嗍。 1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、 苏联等国，并得以不同程度的发展9 。美国于1 8 9 2 年最先开发了封闭式 盾构：同年法国巴黎使用混凝士管片建造了下水道隧道：1 8 9 6 年1 8 9 9 年 德国使用钢管片建造了柏林隧道：1 9 1 3 年德国建造了断面为马蹄形的易北 河隧道；1 9 1 7 年日本采用盾构工法建造国铁羽越线，后因地质条件差而停 止使用；1 9 3 1 年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道，旌工中使用了化 学注浆和冻结工法；1 9 3 9 年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7 m 的关门隧 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 道；1 9 4 8 年苏联建造了列宁格勒地铁隧道；1 9 5 7 年日本采用封闭式盾构建 造东京地铁隧道。总之在这5 0 6 0 年的时间里盾构工法虽然也有进步，但 这一时期的特点是盾构工法在世界各国得以推广普及。 2 0 世纪6 0 8 0 年代盾构工法继续发展完善，成绩显著。1 9 6 0 年英国 伦敦开始使用滚筒式挖掘机；同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构；1 9 6 4 年日本垮玉隧道中最先使用泥水盾构；1 9 6 9 年日本在东京首次实施泥水加 压盾构施工；1 9 7 2 年日本开发土压盾构成功；1 9 7 5 年日本推出泥土加压盾 构成功；1 9 7 8 年日本开发高浓度泥水盾构成功；1 9 8 1 年日本开发气泡盾构 成功；1 9 8 2 年日本开发e c l 工法成功：1 9 8 8 年日本开发泥水式双圆搭接盾 构工法成功；1 9 8 9 年日本开发h v 工法、注浆盾构工法成功。总之这一时期 的特点是开发了多种新型盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主n 小”1 。 1 9 9 0 年2 0 0 3 年这一段时间里盾构工法的技术进步极为显著。归纳起 来有以下几个特点： 盾构隧道长距离化、大直径化 首先是英法两国共同建造的英吉利海峡隧道( 长4 8 k m ) 采用m 8 8 m 的 土压盾构工法于1 9 9 3 年竣工；日本东京湾隧道( 长1 5 1 k m ) 采用泥水盾构 ( 由1 4 1 4 m ) 于1 9 9 6 年竣工；丹麦斯多贝尔特海峡隧道( 长7 9 k m ) 采用 巾8 5 m 土压盾构工法于1 9 9 6 年竣工：德国易北河第4 条隧道采用复合盾构 ( 巾1 4 2 m ) 于2 0 0 3 年竣工；荷兰格累恩哈特隧道( 巾1 4 8 7 m 、泥水式) 于2 0 0 4 年竣工；第2 条英吉利海峡隧道( 耷1 5 m 、土压盾构) 于2 0 0 3 年动 工，预计2 0 0 8 年竣工。 盾构多样化 从断面形状方面讲出现了矩形，马蹄形、椭圆形、多圆搭接形( 双圆 搭接、3 圆搭接) 等多种异圆断面盾构；从功能上讲出现了球体盾构、母子 盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具盾构、障碍物直接 切除盾构等特种盾构；从盾构机的掘削方式上看出现了摇动、摆动掘削方 式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 施工自动化 施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中的 方向、姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自 诊断系统。 2 技术现状 当前是泥水盾构、土压盾构技术的普及和推广时期，但有些技术细 节有待完善及改进。如舱内注入泥水、泥土成分配比，注入压力；出泥、 出土的速度等参数的优化选取。排出泥水的分离处理；排出废泥的处理及 再利用。 多种特种盾构工法的相继问世，大大地扩展了盾构工法的应用范围， 使盾构工法的前景更加宽广美好。但由于这些特种工法问世的时间不长， 存在的施工实例不够多，细节仍有待改进。 近年交通工程、下水道工程存在大直径盾构隧道的构建需求，所以 大直径、长距离、高速施工等施工措施、施工设备的研发和成功应用也较 为迫切1 1 。 从盾构施工法的定义：使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩 塌，边在机内安全的进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法 n ”。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 要素组成。那么纵观盾构隧道掘进1 9 0 来年的发展史看，盾构隧道施工法 和盾构掘进机的改进都是在围绕着：地层稳定和地面沉降控制；机械 化、自动化掘进和掘进速度；衬砌和隧道质量，这三个要素进行盾构掘 进机的改进和施工方法的革命。传统的盾构法是把这三个要素分别独立考 虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降低地下水位法、改 良地基法、冻结法及气压法等c 1 6 n ”。在盾构掘进机本身结构上没有考虑对 地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构。但是， 这样的盾构很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑 安全的地面沉降问题，所以，下一代盾构闭胸式盾构就应运而生了。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的这三个要素， 用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题。现代盾构掘进机采用了类 似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术 等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖削土体、输送土碴、 拼装隧道村砌、测量导向纠偏等多种功能。在许多情况下盾构施工的综合 施工成本比人工开挖施工低得多，而掘进速度高得多。可以说，盾构掘进 机是目前世界上最先进的隧道掘进设备，适用于软土、砾石、硬岩等不同 地质构造的隧道暗挖；盾构法施工已是一门很成熟的地下工程施工技术， 已成为大多数地下隧道工程旌工首选的常规技术“”。 1 3 国内盾构技术的发展历史和现状 与其他国家盾构发展历程相似，我国的盾构发展也是与不同时期的经 济、技术的发展相对应，是社会、经济发展的需要和各种相关技术水平的 综合体现。 与国际上盾构掘进技术的发展相比较，我国盾构技术起步较晚但发展 迅速。盾构掘进技术在我国的应用可以追溯到上世纪5 0 年代，东北阜新 煤矿用手掘式盾构修建直径为2 6 m 的盾构以及小型混凝土预制块修建疏水 巷道。但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术一直没有受到 足够的重视，盾构技术的发展非常缓慢，应用也相当有限。直到1 9 8 5 年以 后，随着经济技术的突飞猛进，各种地下工程的需求与日俱增，我国开始 引进和研制全断面闭胸式盾构。1 9 8 5 年上海开始使用闭胸式螺旋排土机出 土的土压平衡式盾构。1 9 8 7 年，上海隧道工程公司成立土压盾构攻关小组， 在消化吸收国外土压平衡盾构机理和设计制造技术的基础上，研制了国内 首台0 4 3 m 加泥式土压平衡盾构掘进机。可以说我国起步了现代盾构技术 的开发和应用。进入2 0 世纪9 0 年代后，随着城市化进程的加快，城市地 下空间的进一步利用，对环境保护和施工质量要求相对较高的城市地铁隧 道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 际先进的盾构施工技术和设备m 1e 2 0 2 “。 从手掘式盾构的使用到现在的土压平衡盾构的开发，加之几十年的工 程实践，这一技术得到了不断的改进和发展，并趋完善。国内使用盾构情 表1 1 我国应用盾构技术的工程一览表 时间 应用工程 盾构类型掘进长度 来源 ( 年) 及成果 1 9 5 6辽宁阜新海洲露天煤 0 2 6 6 m 手掘式盾构 首次使用 引进 ：矿 盾构机 1 9 5 7北京市下水道工程 0 2 o m 、0 2 6 m 手掘式盾自行设计 引进 构机头 1 9 6 3上海浦东塘桥地下隧 0 4 2 m 手掘式盾构 6 3 m ，第一 台国产盾 自行研制 道 构 1 9 6 5 上海地铁衡山路段0 5 8 m ，网格挤压盾构掘 1 2 0 0 m 自行研制 进机 1 9 6 6 上海打浦路越江公路 中1 0 2 m 1 3 2 2 m 自行研制 隧道 1 9 7 5 上海金山石化总厂污 中3 5 m 、中4 4 m 3 9 2 6 m 自行研制 水排放和引水隧道 1 9 8 0 上海地铁1 号线漕溪路( p 6 4 1 m 刀盘式盾构，后 1 2 3 0 t 自行研制 段 改为网格挤压型盾构 1 9 8 5 上海延安东路越江隧 由1 1 3 m 网格型水利机械 t 4 7 6 m自行研制 道出土盾构 1 9 8 5 上海芙蓉江路排水隧 0 4 3 3 m 小刀盘土压平衡 1 4 5 0 m 日本引进 道盾构 1 9 8 7 上海南站过江电缆隧0 4 3 m 加泥式土压平衡 5 3 4 m 自行研制 道盾构 8 哈尔滨工稗大学硕士学付论文 ( 表1 1 ) 续 1 9 9 0 上海地铁1 号全线0 6 3 4 m 土压平衡盾构7 法国f c b 1 8 k m 上海隧 台 道股份 1 9 9 3 南京夹江捧水隧道0 6 3 4 m 土压盾构 1 2 4 9 r a 自行研制 1 9 9 4 上海延安东路隧道南中1 1 2 2 m 泥水加压平衡 1 3 0 0 日本引进 线盾构 1 9 9 6 上海地铁2 号线0 6 3 4 m 土压平衡盾构1 0 引进9 台， 2 4 k m 自行研制 台 l 台 1 9 9 6 广州地铁1 号区间隧 0 6 1 4 m 土压盾构1 台和 8 8 2 5 k m 日本引进 道泥水加压盾构2 台 1 9 9 8 上海黄浦江观光隧道0 7 6 5 m 铰接式土压平衡 6 4 4 m 国外二手 盾构 2 0 0 0 广州地铁2 号线区问6 1 4 m 复合型土压平衡盾德国引进 3 4 2 3 m 隧道构 2 台 2 0 0 1 北京地铁5 号、南京 0 6 1 4 m - 6 3 4m 的土压盾 地铁1 号线、广州地 构和复合型土压盾构1 4 德国、日 铁2 号线、深圳地铁1 5 0 k m 号线、天津地铁1 号 台 本引进 线 2 0 0 2 北京清河污水管线工中3 6 3 6 m 加泥式土压平 成功穿越 粘土和砂 自行研制 程衡盾构机“京盾一号” 卵石层 2 0 0 3 上海地铁8 号线区间2 台双圆形土压盾构 2 6 k m 日本引进 隧道 2 0 0 5宁海电厂海底隧道工 5 6 4 m 土压、气压平衡式 1 5 0 m 自行研制 程复合盾构 2 0 0 4 上海上中路越江隧道世界最大直径的中1 4 8 7 1 2 7 0 m引进 2 0 0 6 工程( 在建) 泥水加压盾构 9 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 图1 2 近十年盾构掘进机引进情况 况见表1 1 ，盾构掘进机引进情况见图1 2 。 从表和图中可以看出，从技术上看，我国的盾构技术发展较快。2 0 世 纪9 0 年代以来研制的土压盾构也已成功用于地铁隧道、电缆隧道和引排水 隧道。技术和实践水平与国际先进水平接近，但也还有摆当一部分重大工 程所采用盾构设备依赖于进口。目前国产盾构机仅能适用于周围环境要求 不高和地质条件单一的地区，因为我国现代盾构掘进设备和技术的研制才 刚刚起步，尚未形成能适应各种地质条件的盾构掘进机“。从使用效果上 看，盾构掘进机适用面较广，不仅能用于上海等含水率较高的软土层，而 且在北京的黏土和砂土层以及广州有风化岩的地区也取得了较好的效果。 1 4 本文研究的思路与主要内容 面对2 1 世纪我国城市地下空问的大量开发利用，城市地铁的大规模建 设，盾构法施工与传统隧道开挖方法比较，因其具有开挖快、优质、安全、 经济j 有利于环境保护和降低劳动强度的优点，那么地铁区间隧道施工越 1 0 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 来越多的采用盾构法无疑是最好的选择“”“2 。面对近年来我国的盾构隧 道工程的社会需求量极大，从业新军( 单位、人员) 的数量猛增，所以， 无论是使我国的盾构技术赶上国际水平还是新军提高业务素质，都表明对 于盾构技术在工程实践中的应用的研究很有必要。 本文的思路力图突出工程的实用性价值，以理论分析结合工程实践由 浅入深地逐步展现所选盾构工法的特性，最终归纳总结盾构选型及施工理 论。 6 本文研究的内容是盾构技术在城市地铁施工中的应用。包括： 1 盾构的选型与相应的配置： ( 1 ) 介绍盾构的构造和分类的基础上，探讨盾构选型的依据和选型的 原则； 4 m 时，式中的第二项为零。 2 盾构长度和灵敏度 盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操 作、衬砌形式和盾构的灵敏度( 即盾壳总长l 与盾构外径d 之比) 。一般在 盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考”“嘲： 小型盾构( d = 2 3 m )工d t l 5 0 中型盾构( d = 3 6 m )工d = 1 0 0 大型盾构( d 6 m l d 一0 7 5 盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设 备超出盾尾的部分，如后方平台、螺旋输送机等。 盾构长度计算公式： 工l i l t k + 工c + 厶 ( 2 - - 5 ) ( 1 ) 切1 ：3 环长度 机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可；在手掘式盾构中要考虑到人 工开挖的方便，工矿可以较长些，所以正面土体稳定时。最大值为： l 。t d t g p 或l 。s 2 m( 2 6 ) 式中：妒一开挖面坡度与水平面的夹角一般取4 5 。 在棚式盾构中，其分层是按人的高度分隔： n w d 日( 2 7 ) 式中： n 一层数( 计算后数值归整) 一人的高度( m ) 由于分了层的h 值比d 小得多，所以这时的切口环长度为： l 。= h c t g d( 2 8 ) 注意：式中日值应取层高的最大值日。 有些盾构根据需要将另设前檐，其长度大约3 b 0 5 0 0 n u n ，具体取多少 要按盾构直径大小适当选取。 ( 2 ) 支承环长度工。 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 该部分长度取决于盾构千斤顶、切削刀盘的轴承和驱动装置、排土装 置等空间，而盾构千斤顶的长度与预制衬砌的宽度有关。 lcwc+t(2-9) 式2 9 中；w c 一最宽衬砌宽度，包括楔形环、加宽环。 z c - - - 一余量，一般取2 0 0 3 0 0 m m ，主要考虑到盾构千斤顶的 修理因素。 ( 3 ) 盾尾长度工， 盾尾长度取决于管片的形状和宽度： j l f k w c + l s - + c( 2 - - 1 0 ) 式中：k 一常数，一般取1 5 2 5 ，这与是否需调换损坏的衬砌 及盾尾密封装置有关 w c 衬砌环宽度( m ) k 一千斤顶顶块厚度( 1 1 1 ) c 一施工余量，一般取8 0 2 0 0 m m ，选取时应考虑拼装衬砌时 环面清洗工作，以及穿拼装螺栓、特别是首尾相接的纵向螺栓等工作的方 便。 3 盾构的推力 盾构向前行进是靠安装在支承环周围的千斤顶顶力，各千斤顶顶力之 和就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要考虑周全，要将盾构的施工 全过程中可能遇到的阻力都要计算在内。盾构的总推进力必须大于各种推 进阻力的总和，否则盾构无法向前推进”。盾构的各种推力和计算公 式如下： ( 1 ) e 盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结力； 砂性土 e 。卢，疽地( 己+ 矽) ( j w ) ( 2 1 1 ) 粘性土 ，l 4 c 己( j ) ( 2 1 2 ) ( 2 ) ， 推进中切口插入土壤的贯入阻力5 f 2 - l t k p 己( k ) ( 2 一1 3 ) 1 9 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 ( 3 ) 只工作面正面阻力； f 3 一p ，面2 4 ( k n )( 2 1 4 ) 盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。 盾构采用机械化开挖时，为作用在切削刀盘上的推进阻力。 4 e 一管片与盾尾之间的摩擦力； f 4 一：g ：( 剧)( 2 一1 5 ) 5 e 一变向阻力( 曲线施工纠偏等因素的阻力) ； 兄一只s ( j w )( 2 一t 6 ) 6 f 6 一一后方台车的牵引阻力： ， f 6 - ，g 1 ( j 酣)( 2 - - 1 7 ) 公式中符号解释： 盹一一钢与土的摩擦系数； 7 p ：一钢与钢或混凝土的摩擦系数； f ，- _ 一车轮与钢轨之间的摩擦系数： d 一盾构直径( m ) ； l 一一盾构长度( m ) ： 盾构重量( k n ) ； g 1 一后方台车重量( k n ) ； g ：管片( 成环) 重量( k n ) ； 只一作用在盾构上的平均土压( k p a ) ； p ，一工作面正面压力( 支护千斤顶反力、作用在隔墙上的土压 力、泥浆压力等) ( k p a ) ； c 一一粘聚力( k p a ) ； k 。一被动土压力系数； r 一地层抗力( 承载力、被动土压力等) ( k p a ) ； 卜一工作面周边长度( m ) ； t 一刃脚贯入深度( m ) ； 哈尔滨工稗大学硕七学位论文 s 一一抵抗板在推进方向的投影面积( 研2 ) 。 总推力 f f i + e + e + f 4 + e + f 6 ( r a y ) ( 2 1 8 ) 盾构总推力也可由以上，l + f 2 + e + 只的总和再乘以2 来求出。 盾构总推力也可按经验公式求得： 弓一己a d 2 4 ( k n ) ( 2 1 9 ) 式中： e 一一盾构的总推力( k n ) ； p 一一开挖面单位截面积的推力( k n ) 。 人工开挖、半机械化开挖盾构、机械化开挖盾构： 己一7 0 0 1 1 0 0 k p a 封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构： b 一1 0 0 0 1 3 0 0 k p a 三、盾构机的分类 盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型可 图2 4 手掘式盾构 以有不同的分类方法： 根据开挖面的挖掘方式可分为手掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式； 根据切削面上的挡土方式可分为敞开性方式和封闭性方式；根据向开挖面 施加压力的方式，可分为气压平衡式、泥水加压平衡式和土压平衡式盾构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 【3 2 j 1 3 3 jl m j o 1 手掘式盾构 手掘式盾构( 见图2 4 ) 是结构最简单、配套设备少、因而造价也最低， 制造工期短。其开挖面可以根据地质条件决定，全部敞开式或用正面支撑 开挖，一面开挖一面支撑。在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大 小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构。 2 挤压式盾构 图2 5 挤压式盾构 挤压式盾构( 见图2 5 ) 的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外， 施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从 胸板局部开口处挤入盾构内，然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度 小，效率也成倍提高。在特定条件下可将胸板全部封闭推进，那就是全挤 压推进。 挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。在挤压 推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建 筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。 3 网格式盾构 是一种介于半挤压和手掘之间的盾构型式( 见图2 6 ) 。这种盾构在开 挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前掘进时土体被网格切成 哈尔滨工程大学硕十学位论文 条状进入盾构后运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用，从 而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体挤压作用比挤压式盾构小， 因此引起地面变形的量也小一些。网格盾构也仅适用于松软可塑的粘土层， l 一盾构千斤顶( 推进盾构用) ；2 一开挖面支撑千斤顶：3 一举重臂( 拼装装 配式钢筋混凝土衬砌用) ；4 一堆土平台( 盾构下部土块由转盘提升后落人 堆土平台) ：5 一刮板运输机，士块由堆土平台进入后输出；6 装配式 钢筋混凝土衬砌；7 一盾构钢壳；8 一开挖面钢网格；卜转盘，1 卜装土车。 图2 6 网格式盾构示意图 当土层含水量大时，尚需辅以降水、气压等措施。 4 半机械式盾构 半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖，根据地 层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机( 见图2 ，7 ) 。土体较硬可安装软 岩掘进机。 半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优点除可减轻工人 劳动强度外，其余均与手掘式相似。 4 机械式盾构 机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装上一个与盾构直径一般大小 哈尔滨丁= 程大学硕十学位论文 图2 7 半机械式盾构 的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖。当地层土质好，能自 立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构，反之如地层土质 差，又不能采用其它地层加固方法，此时，采用闭胸机械式盾构比较合适。 现在介绍三种常用的机械式盾构： ( 1 ) 局部气压式盾构( 见图2 8 ) 1 一气压内出土运输系统2 一皮带运输机3 一排土抓斗4 一出土斗5 一运土车 6 一运管片车辆7 一管片8 一管片拼装机9 一伸缩接头 图2 ，8 局部气压式盾构示意图 这种盾构系在开胸机械式盾构的切口环和支承环之间装上隔板，使切 口环部分形成一个密封舱，舱中输入压缩空气，以平衡开挖面的土压力， 保证正面土体自立而不坍塌。气压是为了疏干地下水，改变土体的物理性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 能有利于施工，用盾构法进行隧道施工，首先是要解决切口前开挖面的稳 定，加局部气压是使正面土体稳定的方法，从而代替了在隧道内加气压的 全气压施工方法。这样，衬砌拼装和隧道内其他施工人员，就可不在气压 条件下工作，这无疑有很大的优越性。 ( 2 ) 泥水式盾构 图2 9 泥水式盾构 若在上述局部气压的密( 如图2 9 为泥水式盾构，泥水加压平衡式盾构) 封舱内用泥水或泥浆来代替压缩空气，这样既可利用泥水压力来支撑开挖 面土体，又可大大减少泄漏。刀盘切削下来的土在泥水中经过搅拌机搅拌， 用杂质泵将泥浆通过管道输送到地面集中处理，这样就解决了连续出土的 技术难题，泥水盾构的优点是显而易见的。 但泥水盾构的辅助配套设备多，首先要有一套自动控制和泥水输送系 统，其次还要有一套泥水处理系统，所以泥水盾构的设备费用较大。这是 它的主要缺点，但反而言之，象泥水处理系统这样的辅助设备可重复利用， 经济上还是可行的。5 “蚓“”1 。 ( 3 ) 土压平衡式盾构( 见图2 1 0 ) 这种盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构，是在上述两种机械式盾 构的基础上发展起来的适用于含水饱和软弱地层中施工的新型盾构。 该盾构的前端也是一个全断面切削刀盘，在盾构中心或下部有一个长 哈尔滨工程大学硕士学位论文 筒形螺旋输送机的进土口，其出口在密封舱外。 所谓土压平衡，就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土，并 保持一定压力平衡开挖面的土压力。”“。 1 一刀盘用油马达：2 一螺旋机：3 一螺旋机马达：4 一皮带运输机5 一闸门千斤顶： 6 一管片拼装机：7 一刀盘支架：8 一隔壁：9 一排障进入口 图2 1 0 土压平衡盾构示意图 螺旋输送机靠转速来控制出土量，出土量要密切配合刀盘的切削速度， 以保持密封舱内充满泥土而又不致过于饱和。这种盾构避免了局部气压盾 构的主要缺点，也省略了泥水加压盾构投资较大的缺点，至今，土压平衡 盾构与泥水加压平衡盾构，已成为比较成熟、可靠的新型设备，广泛地在 隧道施工中予以应用“。 2 1 2 选型依据和选型原则 盾构机的选型直接决定盾构法施工工程是事半功倍还是事倍功半，不 宣凑合使用。从2 1 1 介绍可知，盾构的类型很多，不同的类型、不同的工 法，地质不同所以在盾构选型也不同4 ”“”。在城市地铁施工中主要采用泥 水盾构和土压平衡盾构，以某市地铁某盾构区间施工为例来说明。 盾构选型主要依据某市地铁某盾构区间的水文地质情况，参考国内外 已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，结合广州、北京、上海等地区 地铁工程实际施工选型的实例，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统一的原则进行盾构机的选型m 5 。 一、工程地质水文条件 该市在地貌上属于某河冲洪积扇，沿线主要揭露的地层为第四系冲、 洪积地层，地层粘性土局部缺失，厚度变化较大，中粗砂厚度较小，主要 层次为砾砂、圆砾，厚度较大，并穿越很大比例饱水砂层，局部穿越夹卵 石的砾砂层，隧道最小埋深为1 4 2 m ( 覆土厚度9 m ) ，最大埋深2 6 m ( 覆土 厚度1 9 8 m ) ，横穿某河，承受2 b a r 的水压，土层的最大渗透系