（机械工程专业论文）南京地铁盾构选型研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 盾构机是一种专门用于隧道掘进施工用的大型多利1 高技术集 成的设备，它具有高效、优质、经济、环保等施工优点，用盾构机 施工可以大大降低施工人员的劳动强度，大大减少甚至消除施工过 程中人员伤亡。盾构机能适用松散软土、淤泥和软岩等多种地质条 件的施工，在地面建筑林立，交通繁忙的城市地铁施工中，更显示 出它独特的优越性。 盾构机的选型及配置是隧道盾构施工中的关键环节之一。盾构 的选型及配置是一项综合性工作，应根据工程地质水文情况、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。关于盾构的选型国内已有很多成功的范例，同时也有许多的经 验教训。本文根据南京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。按照这种方法和步骤所选盾 构目前己顺利完成了一个区间隧道的施工，通过实际使用情况良 好，浇明所选盾构机是很成功的。 关键词：隧道；地铁施工：盾构选型 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t s h i e l dm a c h i n e ，a st h el a r g e c o n a p r e h e n s i v c h i - t e c hc o n s t r u c t i o n e q u i p m e n te s p e c i a l l y f o r t u n n e l i n g ，p o s s e st h ea d v a n t a g e so fq u i c k h e a d i n g ，e x c e l l e n tq u a l i t y ，s a f e t y ，e c o n o m y ，b e i n gb e n e f i c i a lt o t h e e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dr e d u c i n gt h el a b o rs t r e n g t h ，w h i c hc a nb e a p p l l e df r o mt h el o o s es o f tg r o u n d ，s i l tt o t h eh a r dr o c k w h i l et h e c o n s t r u c t i o no ft u n n e lw o r k si jf r e q u e n t l yr e s t r a i n e db ym a n yf a c t or s e s p e c i a l l y i nt h ec i t i e s i ti st h e o p t i m u mo p t i o nf o ru s i n gs h i e l d m a c h i n et ob u i l dt u n n e l so rm e t r o sc o n c e r n i n go ft h ef o r e s to f g r o u n d b u i l d i n g sa n db u s yt r a f f i ci nt h ec i t y t h e t y p e s e l e c t i o na n da l l o c i t i o no fs h i e l d m a c h i n e ，a s a c o m p r e h e n s i v ew o r k ，i s o n eo ft h e k e yl i n k s i nt h e t u n n e l i n g f o r a d o p t i n g t h es h i e l dc o n s t r u c t i o nm e t h o d f o rt h e t y p es e l e c t i o no f s h i e l dm a c h i n e ，t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y ，h y d r o g r a p h y ，c o n s t r u c t i o n p e r i o d ，e c o n o m i cf a c t o r ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n ds a f e t ys h a l lb e p u ti n t ow h o l ec o n s i d e r a t i o n ，s oa st os e l e c tt h ea p p r o p r i a t em a c h i n e t y p ea n da l l o c a t e t h er e a s o n a b l e a u x i l i a r ye q u i p m e n tt o e n s u r et h e s m o o t hc o m p l e t i o no ft h et u n n e lw o r k s t h e r ea r e m a n ys u c c e s s f u l e x a m p l e sf o rt h et y p es e l e c t i o no fs h i e l dm a c h i n ei nc h i n aa sw e l la s m u c he x p e r i e n c e sa n dl e s s o n s t h i sp a p e rp u tf o r w a r d st h em e t h o d a n dp r o c e d u r ef o rm a c h i n et y p es e l e c t i o nb a s e do nt h e e n g i n e e r i n g c o n d i t i o n ，g e o l o g ya n dp r o g r e s sr e q u i r e m e n to ft h es e c t i o nt u n n e li n n a n ji n gm e t r o a tp r e s e n t ，t h es e l e c t e ds h i e l dm a c h i n eh a ss m o o t h l y c o m p l e t e do n es e c t i o nt u n n e l t h r o u g ht h ea c t u a l p e r f o r m a n c e ，t h e s h i e l dm a c h i n ei si n g o o d c o n d i t i o nv e r i f i e dt h a tt h e s e l e c t e d m a c h i n ei sv e r ys u c c e s s f u 】 k e yw o r d s ：m e t r ot u n n e lc o n s t r u c t i o n ，t h et y p es e l e c t i o no fs h i e l d r o a c h i n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第4 11 章绪论 - 。1 一 一h ，v 1 1盾构发展历史 l8 18 年英国布鲁诺( m i b r u n e l ) 最早提出了用于隧道施工的掘 进机雏形及施工方法，l8 8 7 年格雷特( g r e a t h e a d ) 在南伦敦铁路隧 道工程使用盾构和压气施工法进行施工奠定了目的盾构法施工的 基础。1 9 世纪术至2 0 世纪上半叶，对城市隧道工程需求的增加，不 断采用盾构法进行铁路公路等隧道工程施工，盾构施工技术也随之 提高出现了闭胸式盾构等，到了2 0 世纪后半叶，盾构施工法在地 铁、公路、铁路、电讯、上下水道等城市基础建设中得到广泛应用。 盾构法隧道施工经过l8 0 年的研究和发展，盾构技术经过了敝丌式、 气压式、泥水式、土压式的发展，盾构机械与盾构施工法不断在进 步和发展，盾构技术在地下隧道和工程中越来越广泛的使用，盾构 发展情况见表1 1 。 表1 1 盾构技术发展情况 年份发展历史 18 l8 虹 英国布鲁诺发明盾构 18 2 5 一i8 4 3 年 布鲁诺采川盾构法建造泰晤士河水底隧道 18 8 6 l8 9 0 年 格雷特( gr e a t h e a d ) 开创域初的气压盾构法隧道施。i ： 18 8 7 缸 背赖斯首次使川旋转切削式机械捌进盾构 l9 17 19 2 4 年 日本国铁折波隧道1 ：科( 人一r 开挖方式) l9 6 3 年 _ i 岛播磨i ：业公司试制成功机械式掘进盾构( 直径3 m ) l9 6 7 正 泥水加压式后构试制成功 l9 7 4 年 十压后构试制成功 19 7 9 妃 削f 畲闭式，高浓度泥水加压式，泥浆式盾构 19 8 1 扯 泥浆加压式，加泥式盾构 1 2 国内盾构使用情况 2 0 世纪5 0 年代，中国开始研究和开发各种类型盾构掘进机及其 施工技术，盾构法施工得到了不断发展、改进，技术同趋完善成熟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 5 0 年问在中国许多大中城市的不同地层中用不同类型盾构完成了一 批水底公路隧道、地铁区间隧道、地下人防通道、引水隧道、排水 隧道、电缆隧道等地下工程。目前在中国北京、上海、广州、深圳、 南京等许多城市进行地下铁道及市政公用设施的施工，均在不同程 度上采用盾构法施工。国内使用盾构情况见表l 一2 ，盾构掘进机弓l 进情况见图l l 。 表l 一2国内盾构使用情况 年度盾构使j ；l 情况 t9 5 6 年 巾2 6 6 m 手掘式盾构川予阜新海州疏水巷道t 群 i9 6 4 年 巾4 2 m 网格式盾构刖于试验f ：挫 i9 6 6 年中10 2 m 气压式盾构用于打浦路黄浦江隧道l 槲 i9 8 5 年 由4 3 3 1 1 1 十压式盾构h ；i 于芫蓉江排水隧道程 19 8 7 年中4 35 m 泥十压式盾构瑚于上海南站河川电力隧道l ：科 1 9 9 6 年由1 1 2 2 m 泥水式盾构h = j 于延安尔路黄浦江隧道j ：料 巾7 6 5 m 带中折的十压平衡盾构埘于黄浦江观光隧道j 1 9 9 8 年 科 2 0 0 1 年巾6 3 0 m 复合式t 压盾构h j7 - 广州地铁二号线隧道j ：删 图l 一1近十年隧道掘进机引进情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3盾构法隧道施工特点 随着城市地铁的建设，地铁区间隧道施工越来越多的采用盾构 法施工，盾构机是一种专门用于丌挖地下隧道工程的大型高科技综 合施工设备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护 和降低劳动强度的优点。从松散软土、淤泥，到硬岩都可应用。在 相同的条件下，盾构掘进速度约为常规钻爆法的4 一1 0 倍，速度快、 地表沉降小，施工安全性好，对周边环境影响小。地下隧道工程的 施工对工期效率、经济效益、生念环境保护等方面有着重大影i l 向， 而且地下隧道工程掘进工作面又常常受到许多限制，面对进度、环 保、效益等这些阀题，使用盾构机无疑是最好的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章工程条件 盾构法施工区间情况 南京地铁t a l5 标段，由玄武门许府巷南京站区间隧道组 成，采用盾构法旌工。玄武门许府巷区间隧道起自玄武门 站沿中央路向北至许府巷站。区间分布三组平面曲线，半 径为8 0 0 m 、10 0 0 m 、15 0 0 m ；隧道纵坡为v 形，最大纵坡为 3 0 ，变坡点处设竖曲线，曲线半径为3 0 0 0 m 、5 0 0 0 m ；区间 隧道将下穿盒川河以及先期建成的玄武湖隧道。许府巷南 京站区间隧道从许府巷站出站后以半径r = 4 0 0 m 的曲线向东 穿越建筑群，再以半径4 0 0 m 的反向曲线向北穿越j 占城墒剃玄 武湖至南京站。隧道的纵坡为v 形，最大纵坡为2 0 ，变坡 点处设竖曲线；在过古城墙段，局部最大埋深约2 5 6 m 。 图2 一l区恻隧道所在位置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 盾构法施工区| 刈隧道基本情况见表2 1 。 表2 一l区间隧道基本情况表 单线长覆厚度 区间隧道穿过的主要地层地下水位备注 ( m ) m a x ，m i n 幺武门站粉七、粉质粘士，淤 k 12 + 3 2 0 上 许府巷 b 3 0 1 9泥质粉质粘土。粉砂15 9 2 m地表一卜f1 2 m 方为一规 蚰层 划隧道 许府巷站粉士、耢质粘士。淤1 6 8 8 m 幺武湖卜通过局部2 5 m 南京站 l4 5 6 8 6泥质粉质粘十，粉砂 局部 地表f1 2 m为过城墙 站层2 5 m ( 3 ) 掘进线路：区间隧道由双线园形隧道组成，出于受车站交付及 周边环境条件影响，盾构机只能在许府巷站始发，盾构在码：府 巷拆卸后通过地面转移，采用二台盾构施工掘进过程如下： 玄武门站长8 3 0 1 9 m 坡度3 0 0 府巷长1 4 5 8 8 6 m 坡度2 0 。南京站 调头 调头掘进 1 # 始发2 # 始发 转场1 # 再始发 2 # 拆卸 1 # 拆卸 i 一台盾构掘进ii = 台盾构掘进i _ _ - - _ _ _ 。- _ - - - - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 11 图2 2 掘进过程示意图 ( 4 ) 管片尺寸：内径为5 5 m ，外径为6 2 m ，厚度为3 5 c m ，宽度为 1 2 m ( 5 ) 本标段线路平纵断面设计：平面最小曲线半径为4 0 0 m ，最小 竖向曲线半径为3 0 0 0 m ，最大坡度3 0 o ； ( 6 ) 工程地质和水文情况：浚标段属古河道冲积平原的古河床地 貌，古河床深达基岩，基岩埋藏较深，约4 0 - 5 0 m 。古河床中 主要为中、晚全新世沉积的粉砂、粉细砂。埋藏阶地主要由可 塑状的粉质粘土构成。隧道大部分通过2 b 4 淤泥质粉质粘 土、一2 d 2 3 粉砂夹细砂、- 3 d 2 粉细砂和2 1b 2 粉质粘土 层，局部通过- 1 d 4 粉砂夹细砂、2 c 3 粉土、3 6 3 4 粉质 粘土、一2 2 b l 一2 粉质粘土、3 1 a 卜2 粘土和3 1 ( a + b ) 1 2 粘士粉质粘土层。区间隧道在粉土、粉质粘土、粉砂、淤泥 质粘土土层中通过。地下水埋藏较浅，一般位于地表下1 2 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 主要为孔隙水或弱承压水。粉细砂有较好的透水性，渗透系数 为5 1 0 - 3 c m s 。许府巷玄武门区恻隧道主要通过粘土性地层。 许府巷一玄武门区恻隧道主要通过粘土性地层。许府巷站一南 京站区问隧道据统计，通过粘土性地层长约6 l7 9 5 0 双线米。占 区i 训总长的4 2 4 2 ：隧道通过砂性地层的长度约为7 3 0 双线米， 占区间总长的5 0 1 。砂粘土互层地层长约1 0 8 9 i 双线米，占隧 道长度的7 4 8 。 图2 3 许府巷一一玄武门区问地质参数图 图2 4 许府巷一火车站区问地质参数图 ( 7 ) 建筑物及管线情况：在该区间隧道施工影响范围内共有18 座 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 建筑物，其中四层以上建筑物4 座，其余大部分为两层或三层 楼房，位于隧道币上方的建筑物共7 座。根据调查资料及线路 走向，在隧道施工影响范围内的管线共有6 8 条，地下管线大多 埋设在道路两侧，沿线而行保护非常困难。 2 2 工程及施工特点 ( 1 ) 复杂的周边环境：线路位于南京市的闹市区。房物古老而密集， 街道狭窄，古老建筑、工厂、企事业单位混杂于居民区内，确 保施工作业安全，减少环境污染、施工噪声不扰民的要求极高。 ( 2 ) 极不稳定的地层：隧道主要从淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂中 穿过，土质极度不均匀，压缩性高又极易变形。丌挖面极度不 稳定对水土、压力的变化敏感，从而加大了丌挖后水、土压 力的平衡控制以及稳定丌挖后的难度，这就要求盾构必须具有 较强的地质适应性和稳定丌挖面的性能。 ( 3 ) 隧道埋深变化大；覆盖层厚度变化大，最薄处为8 8 m ，最厚处 16 m ，局部2 5 m ( 过城墙) ，又在极不稳定的土层中进行弯道施 工，既要控制地表沉降，又要确保施工精度，满足设计的线形 要求。 ( 4 ) 地下水位高：隧道在玄武湖下通过，在其它位置地下水位位于 地表下1 2 m ，主要为孔隙水或弱承压水，但南京属多雨水地 区，又紧靠长江，受地表水影响较大，当隧道埋深较浅而又处 于粉砂层时，施工防水极为重要，尤其是粉土粉砂，渗透系数 5x 1 0 - 3 c m s 高，一旦遇水，不仅不稳定，而且容易液化。 ( 5 ) 施工线路复杂：盾构需经过前后三次组装，三次调试，一次站 内调头，三次拆卸，一次检修，共掘进四个隧道区间。要求盾 构组装、拆卸方便，而且还要调试简单易行，性能稳定可靠。 ( 6 ) 工期紧张月进度要求高：玄武门站许府巷站掘进工期为9 5 个月，月进度为l9 0 m 月，许府巷站南京站站掘进工期为8 个月，总有效掘进工期为1 7 5 个月，月进度为2 0 0 r e ) z j ，这就 要求盾构的掘进、拆装、调头、调试、转运的全过程必须十分 顺利。 ( 7 ) 沉降控制要求高：地铁线路除在街道下通过外，还穿越不少民 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 房、工厂、企事业单位。穿越较多的管线及沟槽，尤其是密集 的民房及各种地下管线，大都年代甚远，结构强度以及基础都 较薄弱，对地表沉降的变化十分敏感，尤其覆盖层较薄的地方， 要保证这些房屋及管线的安全万无一失，地面沉降量必须控制 在+ l o 3 0 m m 范围内，其施工难度很大。 ( 8 ) 掘进方向控制要求严：线路中的弯道多而且小，平面最小曲线 半径为4 0 0 m 。竖曲线半径为3 0 0 0 m 。坡度大而且长。最大坡 度士3 0 o 。在不同的地层中掘进掘进方向误差都要求不超过 士5 0 m m 。盾构掘进，不是上坡推进就是下坡推进，而且同州 还要进行水平方向的转弯作业，盾构姿态的控制难度大，从而 也要求盾构具有较强的姿态监测与控制性能。 2 3 工程进度要求 4 表2 2 隧道工程施工进度表 工期进度进度 许府巷站玄武门站许府巷站南京站站 ( 曰)米日米月 盾构到达 2 0 0 l 一1 2 5 2 0 0 2 1 2 6 1 # 组装 3 5 2 0 0 2 3 - 1 l # 掘进 2 0 0 2 3 一l52 0 0 2 7 - 2 813 66 1o18 6 2 0 0 2 7 - 2 9 l # 调头 3 0 2 0 0 2 8 2 7 1 # 掘进 2 0 0 2 8 2 82 0 0 3 - 1 1013 66 1 0i8 6 2 0 0 3 - l - 1 1 l # 拆卸2 5 2 0 0 3 2 4 2 0 0 3 - 2 - 5 睑修转场 l o 2 0 0 3 2 1 4 2 0 0 3 2 - l5 l # 组装3 0 2 0 0 3 - 3 16 2 0 0 3 10 l # 掘进 2 0 0 3 ，3 172 2 86 3 919 4 9 3 0 2 0 0 3 1 0 - 3 1 i # 拆卸 3 0 2 0 0 3 11 - 2 9 2 0 0 2 11 1 2 # 组装3 0 2 0 0 2 1 卜3 0 2 0 0 3 7 1 2 # 掘进2 0 0 2 12 12 3 06 3 419 3 4 8 2 0 0 3 - 9 ，2 2 2 # 拆卸3 0 2 0 0 3 1 0 2 l 匦粕憔寒磐峰嗣冥f毪厦凶智朴倏怔li稍馋嚣口in匦 匦艚惜避颦峰鬟恻型厦凶将翟牲ji僖椒ln匾 。n_ 。 ，、丫non-。 墙谗龌牲 口n ， t _ 固 n 葺i i _ ：”f_【：硒一口铺inuhi 按镩树 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 第3 章盾构的选型依据 3 1盾构选型主要依据 ( 1 ) 地质及水文条件：掘进地层为淤泥质粉质粘土、粉质粘、粉 砂、粉土等；湖底及地下水位于地表下1 2 m ，渗透系数为5 1 0 c m s ，易液化。 ( 2 ) 隧道线路：最小转弯半径水平方向35 0 m ，垂直方向3 0 0 0 m ， 最大坡度3 0 。 ( 3 ) 地面沉降量控制：在+ l0 ，3 0 m m 范围内，满足穿越密集建筑物 地区的需要。 ( 4 ) 掘进方向误差：不超过5 0 r a m 。 ， ( 5 ) 速度和进度：掘进速度术6 c m m i n ：平均掘进速度能够达到 2 0 0 m 月，8 环天，9 6m 天：设备最大掘进能力：1 2 环天； 14 4 m 天 ( 6 ) 管片尺寸：衬砌外径m6 2 m 、内径巾5 5 m 、宽度1 2 m 、单块 最大重量3 5 t 。 ( 7 ) 使用寿命：掘进长度为4 5k m 主要部件寿命应大于1 0 k i n ， 主轴承寿命应大于1 0 0 0 0 小时。 ( 8 ) 施工占地面积小：组装场地小，并能适应i ：区道路狭窄、设备 转移难度大的现场实际条件。 ( 9 ) 盾构及辅助设备容易组装、调头及拆装：经组装、调头及拆装 后仍能保持原来的工作性能和使用要求。 3 2类似工程使用土压平衡盾构施工实例 表3 一l 所示为类似工程使用土压平衡盾构施工实例 表3 1部分土压平衡盾构施工实例统计表 iq - 程项目上海地铁夹江隧道曼谷地铁地铁东北线地铁东北线 l地点上海南京泰国新加坡新加坡 f地质 淤泥质粘 千，嚣士，粉士、耢砂砂、粘士占冲积层 海泥层、古 粉砂 冲积层 十压平衡 海瑞克h k罗瓦特l o v a t l 盾构类型 压平衡盾构十压平衡盾十爪平衡盾 海瑞兜h k 盾构卜压平衡盾槌 构构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 工程项目上海地铁夹江隧道曼谷地铁地铁东北线地铁东北线 盾构外径 小6 3 4 0审6 3 4 0中6 4 6 0中6 5 3 9出6 5 5 5 m m 盾构长度 6 5 4 0 6 5 4 07 b o o9 0 0 07 2 0 0 m m 刀盘转速 0 0 7 50 0 7 50 2 2 90 60 6 r p m 刀盘扭矩 3 l84 1 84 6 94 4 5 4 0 8 推进速度 5 5555 c m m i n 推力k n 3 3 3 2 00 3 3 2 03 4 0 2 35 4 0 0 0 刀盘开口 率 3 03 03 03 3 2 5 刀盘功率 k w 6 4 0 9 0 09 4 5 3 3 盾构类型对地层类型的适应性 淤泥r 訇 ， 。 挚 l h ； 砂砾 中粕 图3 一i盾构类型与地层分类的关系 x嘲，一一细盯r 一 一 质中一i_ i汐j r姐可f 搠斓例 _抟怫柑一 鞲一然瞬：_h埘h_：-=川静躐俐 黔嗽铲卜卜 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 表3 2盾构类型与地层、渗透性关系 3 4 盾构机类型选择 根据上述要求，参考各种盾构工法比较一览表，该工程只能采 用密闭型盾构，可以在泥水盾构和土压盾构两种类型中选择。山于 泥水盾构在施工中弃土需进行泥水分离处理，泥水控制系统技术要 求高，其分离装置占地较大、且盾构价格贵，且对淤泥质泥土分离 困难，需要二次处理。土压盾构虽在砂性地层情况下，控制地面沉 降量的性能不及泥水盾构，但更适合于粘土层，在含水的粉砂、砂 质粉土层，通过配镶碴土改良系统泡沫及加泥装置也可取得良好 效果。因此在本工程施工中选用土压平衡盾构最佳。 综合上述，根据工程的具体情况及经济性选择类型合适，功能 完善，性能良好的土压平衡盾构，就能保证工程质量、施工安全和 工期要求。 耵b 糕剞 幅 萋饕蓁喜耄蓁蓁鋈。 捐 童蔷 辎 ! i ； 精 懂 粕 诠 除 薷慑 幽 r 招磊 蕊堪片圈 宾 篙 霹 蜡 _ 黾 酱 剞 罂辍删冬唰懒剐 燃嚣坷漤抿墨癌辎埘埘剃坦鞘窭坦 耐 佰 昱谣斌如掠蜒世隶嚣铎 辎 一融羹蜊 墨 出 罐掣赠粪匠h 掘r 露垲 r熙磊 巽删目 层 翟葵枯牧靛瑶幽旧馨 茬 墨翅 燎窿 “ ，盈 刊 瑚轺淞鞲州舞r 米州辎旺尽 耄帮篷 梧品啮 泉 照螂捌赢樱 姥 裹如叫叫葵应蝴g 隶韶旧 # 枯g捌矮匠恃圈 悄 墨骤窭疑赠稍始出叫蜒督壬|鉴 始 燃 唾尽键耀轾曩旧账匿嚣媳曙越旧蚓g 峰懈蹦 串 墨譬g h 螺日鞭丑 稍 烂最邻 错簧米霹牛* g 嫩曾幂 r巾甘巳 唑旧 岜医卜懊_ 鹬 叫螺匠制 磊 量摇楚 增辑 醋 景掣 墨 黼辎蚤靛幽陶毖删媾尽 刊一窖，型鬲盈 一 襄束r 届辍蚶嚣垲 喧 最 器撰龄9 封匿欺窖磷监织枯旧会咧 恃刚 榭恹刊糍世妪r 旧旺樱 州 器嗡鞋衽爱啪刭 r k 旧 h 蝴 剥 毒商柬柱皇姐 螺 盘张 螽 陋 ：匿帽 萋鋈曼蓬萎翼耋嗣 出 _ h 散隶 辍橙 隶餐隶罂 求窿蜒 枯嗡鼗 嚣剐 疑蜒粑越卷般血矧 也粤蜊七嚣j 台s镒到 忙暑州辎旧帽避 帽 ： ；雹颦j 瞎馥! r似 锹 旧 摹懈矗r 隶疑 刊 嶂 辍镶 辍 聒眯鑫疑鞲 尽 瓤墩器 塞 柱r 絮墨恺匪 陋 捌 崔黎剐 嚣颦显制辋世葛魁蜒螋喷面议 也s 舞台q g 娴 长s* 霸镒到 酗 幅 聒墨泌鞭鞲嗣棺辽怛 挺 蠛 锹槭欺辑靛槠 年a幢 墩 麓j 姑欺蜊一删h 雕 h 靶旧曾倒 耀 咀 鬈 制餐：| | ；瓤浮_ 丑削一扣( 靶基蛔柬m s 剞 嚣 塞督霹甾露l r 霹删+船散制恃黎诒 嚣刊会止赛懈嚣鬈 冬删 蠼罐皿剐 * 毫箍嚣 刊旨 镒制措求叫啦壮陶段噬 工淞舞懈臀心罩； 基 帽 望赛辑匣止嚣 鞍囊 制 旧 喀 张 刊 隶 毯 曩喀 辍磊辫罂k 乍 删嚣蝌l i !皿雉 散 露黎壁卷鬟蒌旧 一 _ 谜摊趔粼州趟h 糯秘蹬球靼墩 _ 螂露 日囊涩剐 剥g制 j 融帽定 髭 窭极旧 似趔 嚣 ，蜒 鹊魁 辎剐踏毯 睦 h隆 散、拍翊蝌壁劁 琳醒1辩基燃h窭哩嚣雌i懈 暇n i _ 锨 仪袋迥孙州恹富书匿卦k暇懈怔翘 售棼特嗡剜鳗雄 佰 醯 慧蓦 瓣 耋营，最制 椒捌凿 s 耀 婚噬 蜜嚣 出 曾 蜡【祉曝念趔 幢菅辍 属避 刳妇 格 世证c 蹭 壬h h 鄹 鲻k二_ 薛 k 碱 懈 辱耀 嚣 幽 蘸蛋把 曩 苦醛益 医 叫 世爿虫铎墚 幅 勰 藉世赵 ! 到酞 划嫠 叫嚣 刊榷 岜 蜊 薛龆k + 谭拦链 懈 酸 售 魁妲 鹾 营 赫 辎稍 曩避 爿蚩 婚 粜随 剖 辂 世赵 犁 枷念 崧智 裹 刊釜 h 磐 授 最栏删媸越k _ 爵 m 彝趔卜啦盥 懈甍 甄 裂始 刮 栋 雷型 鼍 封 埂懈 口 趔 嗽蠼嫩小 求窟 龟 h 伯 艋 监剐 _ 擐 餐啦删 辎文 恨茧制倒柱蜉铽 最k - 副 侧 耐 薹 j ； | j 趔 增 燧医 器讹存 糕 蚓黼 蹙j 搏 磐潜越 神 蜓坷 奏 褡- = 旨毒撵 皑 + 鼍 爿兽餐爿 嗤捌 魁 旺；制蚓 艇碘1世制叫 嗵 最恃郑 坦 绷 剥 铺 粕 魁 趔 墨 糕 鬻 剐翟 啦蜃 圹 藕 嫩 鬈 文磐醪舔 出 衍 ， 骧 恒 暮 黾蟪 辟嚣攥苌 佛扈 剞 井 避肆照爿嘲测世 h 1 n 籍删1世黼州 榷 条割 樱 删扫丑 鞭_ 幅 赵 旧 轻 斟 散 皿 碰 趔 辍 剐 登 曰蜊 采制倒 隶 怠崤 一 蛰肆鬻 辂回l州“ 葡器 粼 捌磐匿 耀刨 辽 滔 墨薛 匝 靶 封 起 霉剐 _ 引匾蛋蚤 恂剖 增妊 靛蘸铎 增 憾：搬 仪销迥扑州试摩“匿孙必暇懈证陋 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 第4 章土压平衡盾构工作原理 4 1土压平衡工作原理 丌挖土仓由刀盘2 、切口环3 、隔板4 及螺旋输送机6 组成。土 压平衡盾构就是将刀盘丌挖下来的土砂填满土仓室3 ，在切削刀盘后 面及隔板装有能使土仓室内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进 油缸5 的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力作用于整 个作业面使作业面稳定j 刀盘切削下来的士碴量与螺旋输送机向 外输送量相平衡，维持土仓内压力稳定在预定的范围内。土仓内的 土压力通过土压传感器进行测量，为保证一定的土压力可通过控制 推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制。 图4 1土压平衡盾构机示意图 当土仓内的土压力大于地层压力和水压力时，地表将会隆起；当 土仓内的土压力小于地层压力和水压力时，地表将会下沉；因此为 控制地表沉降，盾构土仓内的土压力应与地层压力和水压力平衡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 土舱土压力与地层水土压力平衡 v 地表面 ，丫地一。水能。- 1 ? ，。j + ? 4 ：z4 一： 、 ，。，：| 一 _ 。 、 ： ，1 j _ _ _ _ - - 一 。一- _ - _ - _ - - 一 、 p w 水压力 p i ：十压力 p w + p l = r i 图4 2 盾构土仓压力与水压力及土压力平衡示意图 图4 3 土舱及螺旋输送机内土压力递减情况示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 4 2碴土改良工作原理 土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土。为维持土舱内土压 力的稳定和碴土的排出，土舱内的碴土必须具有：良好的塑性和流 动性、良好的粘稠度、低的内摩擦力、低的透水性。一般情况下刀 盘切削下来的碴土不一定具有这些特性，造成刀盘扭矩大，碴土流 动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团。在透 水性土层中，在水的作用下，碴土在螺旋输送机内排出时无法形成 有效的压力递减，土舱内的土压力难以稳定。因此需要对丌挖后的 碴土进行改良，使其具有上述特性。根据地层情况，向开挖土舱内 注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使碴土具有可塑性和不 透水性，螺旋机排土顺畅，土舱内的压力容易控制和稳定。在砂性 土层中施工时，由于砂性土流动性差，透水性较好及内摩擦力大， 土仓室内压力不易稳定，所以需进行碴土改良，在歼挖的仓晕注 入膨涧土或泡沫，然后进行强制搅拌，使砂土泥土化，具有良好的 塑性和不透水性，使土仓内的压力容易稳定。 同理在粘性土层推进时，可向土仓晕注水或泡沫。 图4 4泡沫生产过程示意图 4 3 盾构姿态控制工作原理 通过推进油缸控制盾构方向，盾构推进油缸分为四个区，每个区 中有一个油缸配有位移传感器以测量该区油缸行程，显示油缸的伸出 长度。各区油缸的液压压力根据需要可以调节。改变油缸的伸出速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 和行程来达到控制盾构的掘进方向。盾构掘进姿念通过v m t 激光导 向系统显示，根据盾构掘进位置与理想位置的偏差，调节各区推进油 缸的压力柬控制掘进方向。 盾构的滚动控制通过激光导向系统测量。当盾构滚动量超过容许 值时，用改变刀盘转动方向来纠讵。 曲线掘进时需要通过仿形刀扩挖隧道内侧，同时加大外侧区油 缸推进力来进行盾构转弯控制。 ：亳一赢i 一矽 图4 5 盾构推进油缸分区示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第5 章盾构的选择、特点及主要技术性能 5 1土压平衡盾构的功能要求 采用土压平衡盾构，除了基本功能外，根据工程要求、地层水 文情况、地表沉降要求、掘进方向控制、工期进度要求、施工安全 及环保要求外还需要对土压平衡盾构的具体功能提出要求，完善设 备配置，爿能确保工程施工安全可靠，按期完成。具体功能要求如 下： ( 1 ) 土压平衡功能；设备具有足够的土压平衡调节能力，能与周围 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 的水压及土压力平衡，能控制地表隆陷值不超过十1 0 3 0 m m ， 保证丌挖面的稳定。 碴土改良功能：带有泡沫、膨润土等注入机构。适用于含水的 淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉砂、粉土、粉纠砂地层施工。 控制系统：具有半自动及手动控制模式，能控制推进力、刀盘 扭矩、推进速度、士仓压力、螺旋输送机转速、出碴门丌度等 参数。数据采集处理传输系统具有故障自动诊断功能。 掘进方向控制及导向功能；适合线路转弯半径在水平方向为 3 0 0 m ，垂直方向为3 0 0 0 m ，坡度术3 5 。激光导向系统有足 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5 0 m m ，能对盾构姿态进行监测及控制，并能显示报警， 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。 管片村砌安装机构及整圆机构：管片外径中6 2 m 、内径中5 5 m 、 宽度1 2 m ，封顶块2 3 插入，错缝拼装。 同步注浆系统：管片注浆管路外置，及时有效地对衬砌背部和 地层间的空隙进行充填。 人员及材料舱：便于人员进入开挖舱处理各种事件。 超前钻机及注浆系统：特殊情况地层加固注浆。 关键部件可靠：有效耐久的盾构驱动组件、主轴承密封、盾尾 密封装置。 ( 1 0 ) 配备与主机相配套的后配套设备及拖车系统，四轨三线轨 道，轨距为7 6 2 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 5 2 盾构的选择 根据各家盾构机的结构特点、技术参数性能及在各工程中的使用 情况，通过调查对比和分析，根据南京地铁地质水文情况、工程情 况工程进度、工期要求，经济性及对盾构机的功能要求，确定采用 德国海瑞克( h e r r e n k n e c h t ) 土压平衡盾构( e a r t h pr e s s u r e b a l a n c es h i e i d 简称e p b 盾构) 。根据南京地铁工程条件进行设计制 造，海瑞克的e p b 盾构完全适合南京地铁工程的各项要求。确保南 京地铁安全，优质、高效的完成施工。 表5 1 类似工程盾构机技术参数表 名称技术项目海瑞克海瑞克罗瓦特罗瓦特 工程项目北京地铁南京地铁 甯 地饫新加坡地铁 r m b 2 5 4 s er m e 2 5 4 s e 最小曲率、卜 3 0 0 m3 0 0 m2 0 0 m2 0 0 m 径 设计条件 最人坡度 3 5 3 5 35 3 5 o 州深4 - 2 8 m l8 ml8 m18 m 含水的粉砂含水的粉砂含水的粉砂 地质条件粉泥粉泥粉泥、 粉质粘十粉质粘十粉质粘十 内径 5 4 0 0m m5 5 0 0m m5 5 0 0m 1 1 15 5 0 0m m 管片尺寸外径 6 0 0 0m m6 2 0 0m m6 2 0 0m m6 2 0 0m m 宽度 1 2 0 0m ml2 0 0m ml2 0 0i n n ll2 0 0i n m 地表沉降 + 1 0 3 0 m m十l o 一3 0m m十l o ，3 0m m十10 ，3 0m m + l o ，- 3 0m m 掘进方向误差4 0m m5 0m m5 0m m 加抛式复合式复合式 盾构类型 e p b士压平衡 士压平衡士压平衡十压平衡 掘进速度 0 6 c m m i n0 6 c m m i n 盾构长度 7 4 4 0 m m7 4 0 0 m m8 1 0 0 m m9 0 0 0 m m 直径6 2 0 0 m m6 4 0 0 m m6 4 6 4 m m6 4 6 4 m 1 3 1 刀盘扭矩4 2 3 0 k n mm a x 5 2 15 k n m5 0 0 0 k n m4 4 5 0 k nl n 刀盘 0 - 1 3 6r p mo i 9 r p m o 1 9r p m 转述 0 2 8 7 r p m 1 3 6 2 9 r p m 1 9 4 r p m1 9 - 5 0 r p r n 开口度 3 8 3 4 0 3 5 可调o 3 5 可调 名称技术项目海瑞克 海瑞克罗瓦特罗瓦特 中心刀 44 鼻式刀1 把鼻式刀1 把 切刀 13 6l2 46 0 齿刀3 66 0 齿刀3 6 刀具 刮刀 1 61 6 b8 扩孔刀数量l 把1 把 无无 x 行程5 0 m m2 0 5 0 m m 刀鼎驱动液压驱动液压驱动液压驱动液甩驱动 刀盘驱动 驱动数域及68 1 48 功率 4 8 0 k w6 3 0 k w9 4 0 k w9 0 0 k w 切口环外径6 1 9 0 m m6 3 8 0 m m6 4 3 9 m m 6 4 3 9 m i t i 盾尾外径 6 l7 0 m m6 3 7 0 m m6 4 2 6 m m6 4 2 6 m m 盾壳 传感器数量 4 + “ 555 盾尾密封数 3333 觜 ， 前后铰接角 3 。左矗2 0 左右2 。左右2 。左右 主自l i 承外径2 6 0 0 m m2 6 0 0 m m 4 4 3 0 m m4 4 8 0 m m 主轴承主轴承重封 2 8 t2 8 t 主剥1 承寿命 1 0 0 0 0 h1 0 0 0 0 h1 0 0 0 0 hl0 0 0 0 h 推进油缸数 2 0 21 6 22 12 2 蛰 、 推进油缸行 17 0 0 m m1 9 0 0 m m1 7 2 7 m m2 0 0 0 m m 液压油缸 程 总推进力 2 8 3 5 0 k n3 l6 5 t2 4 l5 t3 9 6 0 t 铰接油缸 3 0 t 1 418 0 t 16i8 0 t 18 能力 2 3 5 m 3 h2 7 0 m 3 h3 5 0 m h4 8 0 m h 螺旋外径( p 7 0 0 m m1 # 7 0 0 m m9 7 6 2 m m9 9 3 0 m m 螺旋输送机转速 0 2 2 r p n l0 2 1 8 6 r p m 0 2 4 r p m 0 2 5 r p i l l 扭矩 2 2 5 k n i n2 2 5 k n m 重缱x k 度 3 0 t3 0 t2 0 t1 2 0 0 0 m m13 0 0 0 m m 能力 3 0 0 m3 h3 0 0 m 。h5 0 0 m5 h7 2 5 m h 皮带输送机 l 丈度4 5 m4 5 f f l4 4 m4 0 m 皮带宽度6 0 0 m m8 0 0 m m7 6 2 m m12 19 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 名称技术项目海瑞克海瑞克 罗瓦特罗瓦特 提升力 i2 0 0 0 k g 1 2 0 0 0 k g5 2 0 0 k g5 2 0 0 k g 同转述应 0 4 1 5r p m 0 2 r p m o 2r p m0 2r p m 管片安装机同转角度+ 2 0 0 + 2 0 0+ - 2 0 0+ ，2 0 0 扩展行科 l0 0 0 m m1 0 0 0 m i n1 0 0 0 m m6 8 0 1 1 1 m 移动行程 15 0 0 m m2 0 0 0 m m3 2 0 0 m m3 2 0 0 m m 功率配置合计7 8 9 k w 13 0 0 k w14 0 2 k w15 12 k w e p b 主机约2 5 0 t2 5 5 t2 9 0 t2 7 5 t 设备重量 后配套约14 0 t 13 0 t l4 4 t3 3 6 t 拖车拖币数越 54l lx 6l lx 6 盾构总长度 5 0r p , 4 6 0 m7 0 m6 7 m 变压器容域 1 0 0 0 k v a15 0 0 k v a18 0 0 k v a2 l0 0 k v a 电缆规格 3x 5 0 m m 23 5 0 m m 2 电缆卷简 电缆k 度 2 0 0 m2 5 0 m2 0 0 m 2 0 0 m 啦号 激光v m t 、激光v m t 、 激光t a c s激光t a c s 导向系统 s l s ts l s t 有效距离 2 0 0 m2 0 0 m15 0 m 5 3 海瑞克e p b 盾构机主要功能 ( 1 ) 刀盘是针对南京特殊地质设计的面板式刀盘，分五块，在上面 安装了泥土型专用刀具开口率大，刀盘上有16 个碴槽，碴 槽布置与土碴开挖量对应，其中有8 个碴槽接近中心，防止刀 盘中心部位泥饼的产生，提高刀盘开挖效率。刀盘上设超挖刀 一把，可减少直线段掘进的超挖量。 ( 2 ) 刀盘采用液压驱动便于调逮及过载保护，能正反转，有较大 扭矩储备，以适应隧道地质情况变化的要求。 ( 3 ) 设备具有碴土改良功能，带有泡沫、膨润土及水等注入机构， 刀盘及密封隔板有泡沫、膨润土注入管路，可调节士碴的塑性 及粘度、降低透水性及内摩擦力，便于不同地质的开挖，保持 土压稳定和工作面的稳定，减少功率消耗。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 ( 4 ) 盾构具有良好的土压平衡功能；能适应隧道覆土厚度2 5 m 的 变化。易于调节土舱内的压力与周围的水压及土压力平衡，保 持地层稳定，控制地表隆陷值不超过+ 1 0 - 3 0 m m 。 ( 5 ) 盾构具有姿态控制功能和掘进方向控制及纠偏功能。盾构掘进 最小转弯半径为3 0 0 m ，坡度3 5 ，掘进方向误差5 0 m m 。 ( 6 ) 盾构掘进速度6 0 c m m i n ；每环掘进时间3 0 m i n ，管片安装时 间6 0 m i n ，循环时间9 0 m i n ，平均掘进速度能够达到1 0 环， 天、1 2m 天、3 0 0 m 月；设备日掘进最大能力：l5 环，天、 18 m 天。 ( 7 ) 铰接式盾构便于小半径曲线掘进和掘进方向纠偏；铰接机构位 置在支承环与盾尾之间。便于盾尾部分的转动，延长盾尾密封 的寿命，而且铰接油缸受力小。 ( 8 ) 轴流式螺旋输送机利用液压驱动，其出碴能力能满足盾构掘