（道路与铁道工程专业论文）盾构法施工最小曲线半径取值的研究.pdf

中文摘要 摘要：小曲线半径隧道的盾构法施工在地铁工程建设中应用越来越多，但国 内外对盾构法施工最小曲线半径取值的研究相对滞后。因此有必要对盾构法施工 最小曲线半径取值进行研究，以便地铁线路设计做出科学决策，并为指导地铁施 工提供帮助，从而保证施工过程的安全，减少盾构法小曲线半径施工的不利影响。 本文结合现有地铁施工资料，利用现场调研、理论分析、数值模拟等研究手 段，对盾构法施工最小曲线半径取值进行了全面而系统的研究。分析了盾构机特 性、管片、沿线地层等因素对盾构法施工最小曲线半径取值的影响，研究表明， 要实现盾构机在小曲线半径顺利掘进，盾构机的各项几何尺寸只是一个必要条件， 而非充分条件；管片作为影响最小曲线半径取值的一个关键因素，在实际工程中， 可以通过调整管片楔形量、宽度等来满足盾构机小曲线半径施工要求；盾构机掘 进沿线地层对于最小曲线半径取值也会产生显著的影响。综合考虑影响最小曲线 半径取值的各主要因素，利用现有盾构，施工曲线半径为1 5 0 m 隧道是完全可行的。 本文还结合国内外实际工程对研究成果进行了验证和应用，为国内正在和将 要实施的小曲线半径隧道盾构法施工提供了很好的指导和借鉴。 关键词：盾构、地铁隧道、最小曲线半径、地层损失 分类号：u 2 31 + 3 ；6 2 5 1 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：s m a l lr a d i u so ft h es h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o nh a sb e e ni n c r e a s i n g l y a p p l i e di ns u b w a yp r o j e c t s h o w e v e r ，t h es t u d yo nt h em i n i m u mv a l u eo fc u r v er a d i u s i ns h i e l dc o n s t r u c t i o nr e l a t i v e l yl a g sd o w nb o t ha th o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yo i lt h em i n i m u mv a l u eo fc u r v er a d i u si ns h i e l dc o n s t r u c t i o n ，s ot h a t w ec a l lm a k es c i e n t i f i cd e c i s i o n st od e s i g nt h es u b w a yl i n e s i na d d i t i o n ，i tc a l la l s oh e l p t og u i d et h es u b w a yc o n s t r u c t i o n ，t oe n s u r et h es e c u r i t yi nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n a n dr e d u c et h ea d v e r s ee f f e c t so fs m a l lc u r v er a d i u si ns h i e l dc o n s t r u c t i o n t h i st h e s i sc o m b i n e st h em a t e r i a l sa b o u ts u b w a yc o n s t r u c t i o na v a i l a b l e ；m a k eu s e o fr e s e a r c h a p p r o a c h e ss u c ha si n v e s t i g a t i o no ft h es c e n e , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt om a k eac o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h e m i n i m u mv a l u eo fc u r v er a d i u s r e s e a r c hs h o w s ，t oa c h i e v es m a l lc u r v er a d i u so f s h i e l dt u n n e l i n g ，t h eg e o m e t r yo fs h i e l dm a c h i n ei so n l yan e c e s s a r yc o n d i t i o n ，r a t h e r t h a nas u f f i c i e n tc o n d i t i o n a sak e yf a c t o ri nd e c i d i n gt h em i n i m u mv a l u eo fc u r v e r a d i u s ，t h es e g m e n tc a nb ea d j u s t e db yi t sv o l u m ea n dw i d t hi np r a c t i c a le n g i n e e r i n gt o m e e tt h er e q u i r e m e n t so fs m a l lc n r v er a d i u si ns h i e l dc o n s t r u c t i o n t h el a y e ra l o n gt h e l i n ea l s oh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h em i n i m u mv a l u eo fc u r v er a d i u si ns h i e l d c o n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n gt h em a j o rf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h em i n i m u mv a l u eo fc u r v e r a d i u s ，w ef i n dm a t ，w i t ht h ee x i s t i n gs h i e l dm a c h i n e ，c o n s t r u c t i o no far a d i u so f15 0 m t u n n e li st o t a l l yf e a s i b l e t h i st h e s i sa l s oc o m b i n e st h ep r a c t i c a lp r o j e c t sh o m ea n da b r o a dt ot h e s er e s e a r c h r e s u l t sf o rt h e i rv e r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n , w h i c hp r o v i d e sg o o dg u i d a n c ea n d r e f e r e n c ef o rd o m e s t i cs i n a i lc u r v er a d i u so fs h i e l dt u r m e lu n d e rc o n s t r u c t i o na n da r et o b ei m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：s h i e l dt u n n e l i n g ；m e t r ot u n n e l ；m i n i m u mc u r v er a d i u s ；g r o u n dl o s s c l a s s n 0 ：u 2 3l + 3 ：6 2 5 1 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师梁青槐教授的严格要求和悉心指导下完成的，从 论文选题到论文初稿，直至最终定稿，无不倾注了梁老师的心血。 梁老师无论是学习上还是生活上都给了我很多关心，他深厚渊博的学术知识、 严谨求实的治学态度、一丝不苟的工作作风和孜孜不倦的科研热情给了我极大的 帮助和影响。在此衷心感谢两年来梁老师对我的教导和关怀。 李兴高副教授、中铁一局城轨分公司华南指挥部王俊英副总工、深圳地铁有 限公司孙立对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。同时也感谢城市轨道交通研究中心所有的老师，您们的鼓励与支持也给予 了我莫大的帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，冉红玲、张鹏、张金辉、桂翔、张燕燕等同 学对我研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在此我也深深感谢我的父母以及所有亲人在我漫长的求学生涯中所给予的无 微不至的关心和谆谆教诲，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 立k 。 1 1 研究背景 1 绪论 1 1 1城市地形对线路选线的要求 2 0 世纪以来，伴随着世界范围内的城市化进程加快，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、交 通拥堵、环境污染严重、能源消耗加剧等问题，这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。 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方式来解决 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骨干，多种轨道 交通形式并存的现代城市轨道交通体系。其中，地下铁道具有运量大、速度快、 噪音小、污染轻、能耗低等优点。目前，全球已有3 5 个国家和地区的8 0 多座城 市修建了约6 0 0 0 k m 的地下铁道。很多城市如伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科已 形成了四通八达的地铁线网，运量占城市交通量的5 0 以上。 我国的城市轨道交通建设状况是：起步较晚，但发展较快。1 9 6 5 年，我国修 建了第一条地下铁路北京地铁。天津、上海也在7 0 年代开始了地铁的修建工 作。1 9 9 3 年，广州成为我国第四座修建地铁的城市。进入新世纪以来，随着我国 经济的发展城市化进程还会进一步加快。于是，轨道交通建设将成为我国城市发 展的重点之一。除了目前已投入运营的北京、上海、广州、天津、深圳、南京地 铁外，正在建设或准备建设地铁项目的城市有：沈阳、成都、西安、杭州、宁波 等2 0 多座城市。可见，我国地铁建设处于一个较大的发展阶段，本世纪内地铁工 程的发展前景是十分广阔的。 城市中进行地下轨道交通建设受到很多因素影响。城市地下市政管线密布； 地面居民住房建筑繁多，高层建筑林立；地上交通繁忙等等，这些都是限制地下 轨道交通施工建设的不利因素，从而导致地铁隧道小半径曲线段的施工在不断增 加。 为克服上述因素给施工带来的影响，唯有从车辆性能和选线上解决，直线电 机城轨车辆在这些方面具有明显优势。目前地铁车辆运行最小曲线半径3 0 0 m ，而 直线电机车可以转弯最小半径为6 0 米，从而使车辆可以通过曲线半径较小的曲线， 这就给设计最佳路线创造了有利条件，也为降低建设成本开辟了空间。广州地铁 已应用直线电机驱动的车辆作为地铁运行车辆，该种车辆具有在小曲线半径地段 良好运行的优点，其灵活性要远比目前的地铁优异，特别适合城市的地铁运行要 求。在平面线形方面，直径约1 0 m 的复线隧道已有采用1 6 0 m 最小曲线半径施工 的实例。在小型地铁型隧道施工中，由于车辆小而减小了隧道断面，且采用直流 电动机驱动，所以最小曲线半径可为1 0 0 m ，从而增大了线形设计的自由度。 总而言之，小曲线半径隧道线形虽不属良好，但在应用上将会越来越多。 1 1 2盾构法施工广泛采用 目前，地下修建隧道最为高效的方法是采用盾构法施工，盾构法施工是先进 的城市轨道交通建设模式，具有广阔的发展前景。 盾构法施工由于作业面在地面以下，避免了开槽明挖的一些缺点，因而具有 以下优点：对周围环境影响较小，施工中不会引起地下水位降低，开挖引起地表 沉降较小；掘进速度较快；隧洞成型质量较好；施工环境较好，机械化程度高， 具有人性化，噪音小，占有场地少；施工中支护衬砌质量可靠且造价较低；穿越 河道不受影响；施工受天气影响较小；在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧 道，有较高的技术经济优越性【l j 。 盾构法施工技术在我国刚刚起步，盾构掘进机制造和应用始于6 0 年代，但随 着我国现代化进程的加快，该法在国内将会得到快速大量的应用【2 】。尤其近年来， 随着国内城市轨道交通项目建设的不断完善，地铁的隧洞成型施工中盾构施工技 术得到越来越广泛的应用。盾构隧道施工技术除在上海有较为成熟的使用以外， 我国在建的北京、广州、深圳、南京等城市地铁隧道工程中都应用了相对经济的 土压平衡式盾构施工技术。随着大量城市轨道交通项目的建设，越来越多的盾构 施工隧道将会出现在国内地铁工程中【3 1 。 表1 1 广州地铁已建及在建线路盾构法施工使用情况 t a b1 1t h eu s eo fs h i e l dc o n s t r u c t i o ni nm e t r ob u i l ta n du n d e rc o n s t r u c t i o ni ng u a n g z h o u 盾构台数 线路全长( k i n ) 盾构施工长度及所占用比例 土压盾构泥水盾构 1 号线l8 2 45 个区间，4 4 5 ( 2 4 4 )1 台2 台 2 号线2 3 3 26 个区间，7 6 9 ( 3 3 o )6 台 3 号线 3 6 6 5 1 2 个区间，2 2 8 2 ( 6 2 1 )1 3 台2 台 4 号线一期1 0 1 76 个区间，8 3 5 ( 8 2 1 )1 0 台1 台 5 号线3 1 91 7 个区间，2 2 9 ( 7 1 8 )2 4 台2 台 2 鉴于盾构施工法的安全性和先进性，盾构技术在我国城市地铁隧道施工中得 到了广泛的应用。国内地铁区间采用盾构法施工开始于7 0 年代上海地铁一号线试 验段。上海地铁一、二号线，广州地铁一号线暗挖区间都采用盾构法施工；南京 地铁一号线有6 个区间、深圳地铁3 个标段、北京地铁五号线试验段、成都地铁试 验段也都采用盾构法。其中，广州是我国盾构施工法发展最快、应用最多的城市 之一。 1 2 研究意义 城市的发展，带动了轨道交通建设的发展，在轨道交通线路的选择上，由于 受规划及建、构筑物的制约，这使得轨道交通的线形越来越复杂。小曲线半径隧 道线形虽不属良好，但在应用上将会越来越多。 直线电机车辆运行可以达到最小6 0 m 的转弯半径，车辆在小曲线半径地段安 全运行并不困难，但在地下修建一条精确的小曲线半径隧道却是有着很多未知因 素【4 】。目前，地下修建隧道最为高效的方法是采用盾构法施工，且多为直线段盾构 施工，即便是有曲线情况也是非常有限，基本接近于直线。因此盾构机所具备的 功能，应满足曲线推进的要求。 小曲线半径隧道的盾构法施工技术与常规盾构法施工技术相比存在一定的特 殊性，研究盾构法施工最小曲线半径的取值，对于轨道交通线路设计具有很大参 考价值，对以后类似的小曲线半径隧道盾构法施工具有一定的借鉴作用。 当线路中存在较小的曲线半径时，在功能上，盾构机除考虑采用油压分区控 制、实现千斤顶自由编组，采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决外，盾构 机施工的极限半径取值还与盾构机自身的几何尺寸，隧道管片的宽度、盾尾保护 下的管片最少环数、曲线段施工盾构的附加扭矩、盾构施工过程中的地层损失率 以及地层、管片能够提供的反力等许多因素有关，需要综合分析确定。 盾构法施工最小曲线半径取值是一个非常复杂的问题。至今盾构法施工最小 曲线半径的确定在很大程度上只是处于研究、探索阶段，甚至很大程度上是一些 经验性的计算方法，并且很多都只是对这个问题进行了定性的研究。国内外对于 隧道盾构法施工最小曲线半径取值的理论研究非常有限，目前的盾构法施工最小 曲线半径取值显然是没有足够理论支持的。 因此有必要对盾构法施工最小曲线半径取值进行研究，为今后施工提供帮助。 本研究主要结合国内外地铁部分施工资料，针对小曲线半径盾构法施工过程进行 分析，对影响盾构机施工的极限半径取值的盾构机自身的几何尺寸、隧道管片的 宽度、曲线段施工盾构的附加扭矩、盾构施工过程中的地层损失率以及沿线地层、 3 管片能够提供的反力等许多因素深入研究，为国内正在和将要实施的小曲线半径 隧道盾构法施工提供借鉴。 1 3 国内外研究现状 1 3 1国外研究现状 6 0 年代开始，国外城市隧洞中逐渐采用盾构施工法。尤其是进入8 0 年代，隧 道盾构小曲线半径在不断增加，国外开始对小曲线半径施工进行相关研究。日本 在这方面的研究走在世界的前列，下面进行着重的介绍。 日本土木学会制订的隧道标准规范( 盾构篇) 及解说中，提出以下解决 小曲线半径施工有效措施： 1 盾构 1 ) 盾构的长度要尽量短； 2 ) 装备中折装置： 3 ) 装备部分外挖式超挖刀； 4 ) 刀盘扭矩应具有充分的富裕量。 2 管片：减小管片的宽度。 3 超挖量：为了应付施工上的意外，最好使盾构具有较大的超挖能力。 日本学者总结了下水道盾构隧道实例，并提出了盾构机的最小曲线半径判断 标准，为进行地铁隧道盾构最小曲线半径的研究提供一定的借鉴意义。 日本学者认为小曲线半径盾构施工中采用两节或三节中间转弯装置，除能减 小弯曲段超挖量外，盾构机也更加容易转弯，减轻了盾构机推进时的管片偏压。 他们提出在小曲线半径盾构施工中，应防止由仿形刀开挖出的开挖面发生变形， 确保盾构机旋转所需的超挖量，并控制超挖引起的地基沉降【5 1 。 国外学者对于盾构法施工最小曲线半径取值，归纳了以下影响因素： 1 需要用仿形刀等进行超挖，容易造成地层的稳定性降低。 2 盾构机推力对完成的线形影响较大。 3 盾构机在小曲线半径转弯时需要地基提供足够的反作用力。 4 拼装管片时的盾尾间隙需要保证，缩短管片的宽度。 5 缩短盾构机长度及中部采取铰接装置可以有效减小最小曲线半径。 1 3 2国内研究现状 4 过去三十年来，我国已成功地采用盾构技术修建了几十条车行和水工隧洞， 在盾构施工技术方面积累了丰富的经验：技术装备也从早先的网格挤压式盾构开 始，在引进和消化国外技术的基础上，发展到今天的土压平衡盾构( e p b ) 、泥水加 压式平衡盾构，取得了长足的进步。 进入9 0 年代后，随着我国地铁建设的发展，尤其是上海、北京、广州等地相 继大规模地铁建设的展开，盾构施工技术在我国得到了迅速发展，但与日本、美 国、欧洲等国家相比，我国使用盾构技术的历史还较短，施工经验较少，尚无全 国性的盾构隧道设计和施工的专门规范，加之我国地域广阔，工程地质条件差异 大，在地铁盾构工程设计与施工过程还存在许多问题需要研究解决。合理的确定 盾构法施工最小曲线半径取值是盾构掘进施工中一个关键问题，而盾构法施工最 小曲线半径取值的研究相对丽言却未取得明显进展，迫切需要从理论上寻求解决。 国内学者对于盾构法施工最小曲线半径取值，考虑到以下几个因素： 1 小半径隧道的盾构推进时侧向分力分析 小半径曲线隧道每掘进一环，管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产 生一定的角度，在千斤顶的推力下产生一个侧向分力。由此所产生的侧向分力是 非常大的，隧道整体因侧向分力向弧线外侧偏移，必须充分考虑到该分力对盾构 推进及后续隧道的影响【6 j 。 2 选用带铰接装置及仿形刀的盾构机 盾构法隧道施工的主要机械为盾构机，而各种型号其性能及其所具备的施工 参数等各不相同。小半径隧道施工，对盾构机最重要的技术指标之一是盾构机的 灵敏度。而要提高盾构机的灵敏度，最有效的措施是在盾构机头的中部增加铰接 装置，缩短盾构机头的直线段长度。 3 采用仿形刀在曲线内侧位置进行超挖，有利于纠偏 仿形刀的使用效果将直接影响盾构机铰接装置的作用，超挖量过大将严重地 扰动土体，过小将不能充分发挥铰接装置的作用，以至达不到所要求设计轴线的 半径。仿形刀的使用主要须考虑两个方面的因素，一是仿形刀的超挖范围，二是 超挖量。超挖必须根据隧道的设计轴线，铰接装置的设置值及盾构机的姿态等因 素，通过计算来确定。 4 隧道管片 在盾构掘进与管片拼装、间隙的存在与盾尾的密封这一些互相关联的矛盾体 中，隧道要实现小转弯半径，有两点是需要特别关注的：一是管片的楔形状态； 一是管片环宽的合理选择。 也有一些学者专门撰文对普通土压平衡盾构机曲线段的施工进行研究，徐辉 以上海地铁施工的f c b 盾构为例，从几何上推倒出普通土压平衡盾构机最小曲线 5 半径取值【丌。 凌宇峰等通过对盾构在小曲线半径推进时的研究，认为需采用高灵敏度的铰 接式盾构施工，才能很好地控制小曲线半径盾构轴线【引。 吴远忠研究了利用中折装置，通过仿型刀使用，对小半径转弯曲线盾构施工 中出现和可能出现的问题提出有针对性的措施，解决了小半径弯道掘进轴线偏离 的问题【9 】。 郑世加等对转弯段盾构机受地层的反力进行了研究，并提出通过给管片设置 加强肋使盾构管片纵向结构受力合理【l o l 。 1 4 本文主要内容和研究方法 目前小曲线半径隧道的盾构法施工越来越多，合理地确定盾构法施工最小曲 线半径取值是盾构掘进施工中一个关键问题，但目前经验还在确定盾构法施工最 小曲线半径过程中占据主导地位，理论和工程实践的结合还有待加强。国内外相 关文献很大程度上是一些确定盾构法施工最小曲线半径经验性的计算方法，并且 很多都只是针对这个问题进行了定性的研究。因此有必要研究盾构法施工最小曲 线半径取值。基于此，本文主要内容和研究方法如下： 1 从盾构机特性对最小曲线半径取值的影响进行分析，即分别研究盾构尺 寸、盾构的附加扭矩和盾构超挖量等因素对最小曲线半径取值的影响。 2 从管片对最小曲线半径取值的影响进行分析，即分别研究管片宽度、通用 管片楔形量、管片对曲线半径的适应和管片安装与曲线半径的关系等因素对最小 曲线半径取值的影响。 3 从地层对最小曲线半径取值的影响进行分析，即分别研究转弯段盾构机需 要的地层反力分析和地层缺失对最小曲线半径取值的影响。在研究应力释放引起 的地层损失对最小曲线半径取值的影响时，通过应用f l a c 3 d 有限差分软件，对 直线段及不同曲线半径的曲线段建立三维模型，从而找出盾构法施工曲线段地层 损失规律。 4 分别结合广州地铁五号线实例、上海轨道交通明珠线实例、日本小半径曲 线的施工实例，对盾构法施工最小曲线半径取值的研究成果进行验证和修正，达 到指导国内正在和将要实施的小曲线半径隧道盾构法施工。 6 2 盾构机特性对最小曲线半径取值的影响分析 进行曲线段隧道施工时，在功能上，盾构机除考虑采用仿形刀装置、铰接机 构等功能综合解决外，盾构机施工的最小曲线半径取值还与盾构机的几何尺寸、 曲线段施工盾构的附加扭矩、盾构曲线段超挖量等盾构机特性有关，下文对上述 因素进行深入分析。 2 1 影响最小曲线半径取值的盾构机主要部件 1 总述 复合型盾构在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、整 圆器、管片小车、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、 推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导 向系统及通风、供水、供电系统等。下面根据这些部件或系统在盾构施工中的不 同功能特点来分别进行说明【l l 】。 2 盾构本体 1 ) 刀盘和刀具 刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分，在支撑掌子面土压的同时进行开挖。 通过在不同形式的刀盘上安装不同的刀具或刀具组合，可以适应不同的地质情况 下的施工需要。 刀盘包括焊接结构件和刀架。刀盘表面焊接有耐磨层，圆周区域焊接有三道 耐磨条。通过刀盘旋转，挖出的碴土从刀盘的8 个开口导入土仓。刀盘的后部开 口向内倾斜，有利于导入碴土。焊接的搅拌臂可以使碴土改良添加剂和挖出的碴 土在刀盘后面进行充分的搅拌。为了适应不同地质的开挖要求，在刀盘上可以安 装滚刀、切刀、刮刀和齿刀。 图2 1 刀盘结构图 f i g2 1t h ec h a r to fc u t t e r h e a ds t r u c t u r e 7 2 ) 盾壳 盾壳包括三个主要组件：前体( 切口环) 、中体( 支撑环) 和盾尾。 a 、前体 前体又称切口环，它里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。压力隔板 将前体的土仓和主舱分离开来。此外，隔板有几个开口，可以作为碴土改良材料 的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头。水、膨润土或泡沫被输送至土仓， 通过安装的隔板上的四个搅拌器使土仓内的碴土充分搅拌。在前体的隔板上安装 有土压传感器用以监测土仓内的土压，以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土 压进行反馈和调节。 b 、中体和盾尾 中体又称支撑环，前体和中体是用螺栓上紧并焊接在一起的。 在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法 兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中体。在中 体的盾壳上焊接了带球阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔，当需要时还可以 通过这些预留孔注入膨润土等用以减小盾壳与土层的磨擦，或实施临时止水。 图2 2 中体结构示意图 f i g2 2t h es k e t c hm a p o f t h eb o d ys u u f t u r e 中体和盾尾之间通过铰接油缸连接，两者之间可以有一定的夹角，从而使盾 构在掘进时可以方便的转向。正常情况下铰接处使用的是预紧密封，并安装有一 道气囊密封用于对铰接密封维修时使用。 图2 。3 盾尾密封示惹图 f i g2 3t h es k e t c hm a po fs e a l e ds h i e l dt a i l 盾尾安装了三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂 以防止盾构外面的水或砂浆进入盾构。另外还安装了4 根内黄的同步注浆管道。 如图2 3 所示。 3 ) 人员舱 人员舱是在土仓保压期间，人员出入土仓进行维修和检查的转换通道，出入 土仓的工具和材料也由此通过。其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能 够保持土仓中的土压。 人员舱包括主舱和准备舱，它们由压力门隔开。主舱和中间舱之间有法兰连 接，而中间舱直接焊接在压力隔板上。通过隔板上的门就可以进入土仓。准备舱 和主舱横向连接，这样从准备舱出来必须要经过主舱。准备舱的作用是在压缩空 气工作时和出现紧急情况时的出入。 3 推进系统 盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力。推进机构包括3 0 个推进油缸和推 进液压泵站。推进油缸按照在圆周上的区域分为四组，每组7 8 个油缸。通过调 整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以 提供盾构前进的反力。 图2 4 推进油缸分区示意图 f i g2 4t h es k e t c hm a po f b o r i n gf u e lt a n kd i v i s i o n 9 推进系统油缸的分组如图2 4 所示，其中深颜色位置的油缸安装有位移传感 器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。 4 管片安装机构 管片安装机安装在盾尾，由一对举重油缸、大回转机构、抓取机构和平移机 构等组成。管片安装机的控制方式有遥控和线控两种方式，均可对每个动作进行 单独灵活的操作控制。管片安装机通过这些机构的协同动作把管片安装到准确的 位置。管片安装机由单独的液压系统供应动力，管片安装机通过液压马达和液压 缸实现对管片前后、上下移动、旋转、俯仰等六个自由度的调整，从而对管片进 行精确的定位。 5 铰接系统 为了减少盾构的长径比，使盾构在掘进时能够灵活的进行姿态调整，特别是 为了能够顺利通过较小的线路弯道，盾尾通过铰接系统和中体相连接。铰接系统 包括十四个铰接油缸和铰接密封。在直线段掘进时铰接油缸一般处于锁定位置， 盾尾在主机的拖动下被动前进。当盾构需要转弯时，将油缸处于浮动位置，盾尾 可以根据调向的需要自动调整位置。 6 ，注浆系统 盾构机采用同步注浆系统，这样可以使管片后面的间隙及时得到充填，有效 的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。 盾构机配有两台液压驱动的注浆泵，它将砂浆泵入相应的注浆点，通过盾尾 的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙。注浆压力可以通 调节注浆泵工作频率而在可调范围内实现连续调整，并通过注浆同步监测系统监 测其压力变化。单个注浆点的注入量和注浆压力信息可以在主控室看到。在数据 采集和显示程序的帮助下，随时可以储存和检索砂浆注入的操作数据。 7 s l s t 激光导向系统 盾构机安装了一套v m t 公司的s l s - ta p d 导向系统。本系统能够对盾构在 掘进中的各种姿态、以及盾构的线路和位置关系进行精确的测量和显示。操作 人员可以及时的根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及 姿态进行调整，保证盾构掘进方向的正确。 1 0 图2 5s l s t 激光导向系统 f i g 2 5s l s tl a s e rg u i d a n c es y s t e m s l s - ta p d 导向系统和隧道掘进软件全天侯提供盾构机的三维坐标和定 向的连续的动态信息。隧道掘进软件是s l s t a p d 的核心。通过其附带的通信 装置接收数据，由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表 格显示出来，使盾构机的位置一目了然。参见图2 6 。 图2 6 激光导向系统指示图 f i g2 6t h em a po fl a s e rg u i d a n c es y s t e m 附：隧道掘进软件界面说明： 1 、水平和垂直偏差值 f i l m 3 、前参考点里程 m 5 、t b m 掘进状态模拟显示 2 、水平和垂直趋势 m m m 4 、当前掘进环号 6 、滚动角 唧m 7 、上下倾角绝对值。 9 、激光照到e l s 靶上的亮度 1 1 、当前时间和日期 1 3 、工程名称 安装) 8 、由e l s 靶测量的左右倾角 1 0 、e l s 光靶上入射激光的强度 1 2 、设备工作状况显示 1 4 、盾构当前工作状态( 掘进，管片 1 5 、此区域用于显示特殊信息1 6 、v m t 功能切换按钮 1 7 、软件运行情况显示 2 。2 盾构机尺寸对最小曲线半径取值的影响 在隧道开挖实际工程中，盾构机分为无铰接和铰接两种，其中铰接盾构机常 用于小曲线半径隧道掘进工程中。 2 2 1盾构机无铰接机构 1 曲线半径与盾构尺寸的几何关系 隧道工程因设计的需要有时要开挖曲线隧道，此时盾构机的作业是以折线代 替曲线来实现的，详见图l 盾构机转弯原理图【1 2 】。通过控制激光靶反馈在显示屏 的盾构机的水平位移量来获得所需的转弯半径，可由公式2 ：1 算出 ： , j r 2 + l 2 + l s r ( 2 1 ) 式中： 掘进行程。 为一次掘进水平位移量；r 为设计转弯半径；l 为掘进机长度；s 为 图2 7 盾构转弯原理图 f i g2 7t h em a po fs h i d dt u r n i n gt h e o r y 由公式2 1 可知，在机长l 、转弯半径r 一定时，可以缩短掘进行程s 来减 1 2 少水平位移量。即在转弯时采取短行程多循环的方式来避免由于过大的位移量 ，造成机尾结构件碰洞壁。实际操作时可使用公式2 2 计算。 s = ( 2 r a + a 2 一r ) 肛 ( 2 2 ) 在机长l 、机器几何尺寸允许的水平偏移和每次掘进行程s 己知的前提下， 可由公式2 3 算出允许的隧道转弯半径r 。 r = f r + l s a 21 ( 2 a 1 ( 2 3 ) 由公式2 3 可见，盾构机所能转弯的半径r 随机长的增加而增加，随盾构机 允许的水平偏移增大而减小。以环宽为1 。5 m 的管片为例，取扛7 5 6 5 m ，a = 0 1 5 m ，s = i 7 5 m ，则r = 2 2 9 m 。同时由式2 3 可见，在盾构机长度一定的前提下， 盾构机所能的转弯半径r 与盾构机允许的水平偏移、掘进行程s 都有很大的关 系。 2 盾尾间隙与曲线极限半径的关系分析 盾构壳体的内壁与隧道衬砌的外壁有一定量间隙，这个间隙自然是盾构推进 与管片拼装相互协调所必须的，天衣无缝是无法操作的，但间隙太大又会带来盾 尾密封的困难。因此盾构制造商综合诸多因素，在理论和实践的统一中，求证了 一个合理的间隙值。而这个值一旦定下来，盾构机掘进时可转弯的极限值在理论 上也定了下来。 在曲线段施工，由于管片四周的盾尾间隙分布并不均匀，盾尾刷密封装置受 管片偏心挤压后易产生塑性变形而失去弹性，密封性能下降，同时在曲线段施工 容易出现管片错台，特别是在纵缝错台产生后，使得盾尾刷无法紧密包裹整环管 片，很易形成渗流通道，见图2 8 。若盾尾发生渗漏，将污染盾构管片安装的工作 面，并出现较大的地表沉降。因而，从盾尾密封的角度来考虑，也对盾构旋工的 极限半径取值提出了要求。 盾尾间隙理论值x - - x l + x 2 ，其中x l 为拼装管片方便并考虑安装误差及偏移 所取的间隙裕量，x 2 为曲线施工和修正盾构机蛇行所需间隙。通常，x l 的取值可 按表2 1 选择，表中d 为管片外径，对于地铁隧道一般可取x i = 3 0 m m 。x 2 的允 许值与曲线半径有关，具体数值参照图2 9 计算确定。考虑到盾尾密封的可靠性， 目前x 2 的允许值一般取2 0 m m 左右。 1 3 r 铲串 遘遂 山 l b ) 管嚣培台 图2 8 盾尾与管片构造示意图 f i g2 8t h es k e t c hm a po fs h i e l dt a i la n ds e g m e n ts t r u c t u r e 表2 1 盾尾间隙蜀分量取值 t a b2 1t h ec o m p o n e n tv a l u e so fs h i e l dt a i lg a px 1 d 4 m 4 m d 6 m6 m d k ) ， w 为盾构机的宽度，r 2 为线路大圆的半径，r l 线路小圆的半径，r o 为线路中心的 曲线半径，d 隧道的半径。参照图2 1 2 ，可得如下关系： 恐= r + d 墨= r - d ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 图2 1 2 有铰接装置情况下盾构机尺寸与线路极限半径取值之间关系计算简图 f i g2 1 2t h ec a l c u l a t i o ns k e t c ho f t h er e l a t i o u s h i pb e t w e e ns h i e l ds i z e a n dt h el i n el i m i tr a d i u su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eh h n g e dd e v i c e 1 7 在坐标系x b y 中，圆心在点( x o ，y o ) ，过点么、d 的圆的方程可以写为 g 一而) 2 + 一) 2 = 霹 ( 2 1 1 ) 在临界状态下，小圆与盾构机前筒的b e 边相切，于是有 y o = 一r i = d r ( 2 1 2 ) 于是，过盾构机点么、d 的圆的方程式2 可以改写为 g 一而) 2 + + 凡一d ) 2 = ( r o + d ) 2 ( 2 1 3 ) 在坐标系x b y 中，点4 、d 的坐标( x a ，y a ) 、( x o ，y o ) 容易写出 屯= 0 ( 2 。1 4 ) y 一= 矿 ( 2 1 5 ) z d = 厶+ w s i n o + l 2 c o s 0 ( 2 1 6 ) y d = 1 4 一l 2s i n o ( 2 1 7 ) 将上述坐标代入圆的方程，可以解得 g 一而) 2 + 4 + r d ) 2 = ( r o + j ) 2 k j r o ) 2 + d + 蜀一d ) 2 = ( r + d ) 2 而= 垃丝寒掣 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 由于乃= 0 ，式2 1 8 、式2 2 0 可以简写为 x ：+ 矿+ r 。一d ) 2 = ( r 。+ 矗) 2 ( 2 2 1 ) 从而可得 而：坚生堑警型鲣业 ( 2 2 2 ) z x 。 户增+ q + s = o ( 2 2 3 ) 解此二次方程式，即可得口= 如时的勘。对于式2 2 3 ，其中： p = 4 ( y o y y ( 2 2 4 ) q = 4 ( y 2 0 y j + 蠢) ( 一y , 4 ) 一8 d ( y d - y 一) 2 一( 4 d - 2 y a ) ( 2 2 5 ) s = ( j ，三一y ：+ ) 2 - 4 x 2 ( 2 儿d y ；) 一材( 一乃) ( 以- y ! ：+ 磊) + 4 d 2 ( 一y a ) 2 ( 2 2 6 ) 2 图解法求解曲线极限半径 前文解析方法仅考虑了一种临界状态工作模式，然而由于界限铰接角度如与 盾构机尺寸和隧道的宽度具有相关性，对于实际工程问题还需要针对另外两种工 作模式，建立相应的解析模型，过程十分繁琐复杂，然后在全面分析判断的基础 上才能给出合理的答案。有鉴于此，下面介绍一种简便的图解法确定曲线的极限 半径。这种方法利用了a u t o c a d 的强大的作图功能，简便明了。 结合图2 1 2 ，现将这种方法陈述如下： 1 ) 做出通过a 、g 、h 、d 其中任意三点，且保证另外一点在圆内的圆弧，将 得到的圆弧向圆内偏移( 0 f f s e t ) ，偏移的距离为隧道宽度，选取那些与盾构前、 后体相切或分离的新圆弧。取圆弧中的最小半径加d 为r l 。 2 ) 作出满足下列条件的圆： a 、通过a 、d 两点； b 、圆心在么g e h 的平分线上； c 、盾构机的前体和后体全部位于此圆与半径为r o d ，圆心相同的圆构成的圆 环内。取圆中的最小半径减d 为r 2 。 3 ) 取r 1 、r 2 中的小者为粕。 2 2 3曲线段限界加宽对盾构施工的要求 由于车体是刚性的，当其通过线路中的曲线部分时，相对于直线段要求限界 有一定的加宽量，以满足车体转向的要求。一般来说，线路曲线段的限界加宽量 需要考虑两个方面的要求，即曲线段本身要求的加宽量和外轨超高要求的加宽量。 由盾构隧道是圆形的，内部净空允许车体有一定的翻转量，外轨超高要求的加宽 量可以不予考虑，仅考虑曲线段本身要求的加宽。 对于直线段，隧道的宽度可以表示如下 2 d = 形+ a 8( 2 2 7 ) 式中：嬲为隧道的宽度；形为盾构机的宽度；a 8 为管片厚度、限界要求及其 它附加宽度之和。对于曲线部分，隧道的宽度可以表示如下 2 d = 形+ 万+ 占( 2 2 8 ) 式中：为曲线部分要求的附加宽度；其余符号的意义同上。 对于曲线部分盾构施工，我们更为关心的是的取值。且为简化分析，我们可 以假定筋为0 。由式2 2 7 和式2 2 8 可知，在曲线部分求出相应的2 d - w 就得到 了相应的s 值。在给定曲线半径的情况下，相应的8 值可以通过式2 4 1 确定，只 是将其中盾构机宽度取为车体的宽度，盾构机的长度取为车体的长度。 如图2 1 3 所示，