之二盾构设备介绍(1).doc

盾构技术简介中铁五局集团工管中心盾构设备介绍第一章：盾构隧道技术1盾构工法的概述2盾构工法的发展历史3我国盾构技术概况第二章：盾构设备介绍1盾构机的基本构造2土压平衡和泥水平衡的比较3国外盾构机厂家介绍及盾构比较第三章：盾构选型1选型的依据2.不同地质下盾构的选型3.盾构的经济分析第四章：盾构施工1盾构施工应考虑的因素2盾构机的进发与到达3盾构壁后注浆4盾构隧道的防水5盾构衬砌6盾构的姿态调整7盾构机的安全8盾构正常施工应注意的问题第一章：盾构隧道技术一盾构工法概述盾构（Shield）一词来源于英语，其含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物。这里把外形与隧道横截面相同，但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削机的外壳。该外壳及壳内各种作业机械、作业空间的组合体称为盾构机（以下简称盾构）。实际上盾构是一种既能支撑地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具。以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法。盾构法是利用盾构在地下建造隧道的一种施工方法，是隧道暗挖施工法的一种，具有以下优点：(1)对环境影响小出土量少，周围地层沉降小，对周围构造物的影响小；不影响地表交通及商店营业，无需切断、搬迁地下管线等各种地下设施；对周围居民生活、出行影响小；无空气、噪音、振动污染问题。(2)盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制。(3)地表占地面积小，故征地费用少。(4)适用于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低。(5)施工不受天气（风、雨、）条件限制。(6)挖土、出土量少、利于降低成本。(7)盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。(8)适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、软岩、直到岩层均可使用。盾构法施工的概貌如图1所示，其主要施工内容或步骤为：（1）在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；（2）盾构在始端工作井内安装就位；（3）依靠盾构千斤顶推力（作用在已拼装好的临时衬砌环和工作井后壁上）将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出；（4）盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土；（5）盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，防止隧道及地面下沉；（6）盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进。图1 盾构法施工概貌图盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其他施工技术密切配合。主要有：地下水的降低，稳定地层，防止隧道及地面沉陷的土体加固措施，隧道衬砌结构的制造，地层的开挖，隧道内的运输，衬砌与地层间的充填注浆，衬砌的防水与堵漏，地表对开挖土方的运输及处理方法，配合施工的测量、检测技术，合理的施工布置等。采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等。现代盾构能适用于从流动性很大的第四纪淤泥质土层到中风化和微风化岩层的各种复杂的工程地质和水文地质条件。既可用来修建地铁区间隧道、引水隧洞等小断面隧道，也可用来修建大断面的车站隧道，而且施工速度快（5m/d40m/d），对控制地面沉降有较大把握。特别在地面交通繁忙，地面建筑物和地下管线密布，对地面沉降要求严格的城区，地下水发育、围岩稳定性差、隧道较长而又工期要求紧迫的情况下更显优越。但应指出，盾构法施工需要较多的时间和投资用于盾构与附属设备的设计和制造，以及建造端头工作井等设施。同时，盾构法施工技术方案和施工细节对围岩条件的依赖性，较之其他方法尤甚，这就要求事先对沿线的工程地质和水文地质条件做细致的勘探工作，并要根据围岩的复杂程度做好各种应变的准备。目前盾构工发已在城市隧道（如地铁隧道，污水排放隧道，饮水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工等隧道）建造中确立了绝对的统治地位，故有人将其称为城市隧道工法。二盾构工法的发展历史世界上第一条盾构隧道是由Mare Brunel 和他的儿子Isambart Brunel一起在伦敦泰晤士河下修建的，该隧道断面为宽11.7m、高7m的矩形，长366m，采用人工开挖盾构施工，施工中经历了很大困难，多次出现涌水，历时20年左右。1869年，James Greathead 采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下又建了一条外径为2.18m的人行隧道，该隧道在不透水的黏土层中掘进，无地下水威胁，因此进展相当顺利。1886年，Greathead在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中盾构隧道修建问题。界上第一台机械化盾构的专利出现在1876年，由英国的John Dickinson 和George Brunton 合作申请。第一台机械化盾构的设想是由几块钢板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上，如图2所示。图2第一台机械化盾构1896年，J.Price的专利（图3）带来了较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于19世纪和20世纪初，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的黏土可说是地球上较为理想的盾构施工土层，因此由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。20世纪40年代起，前苏联采用直径为6.0m9.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等城市修建地下铁道区间和车站隧道，将盾构施工水平推进到一个新高度。图3 轮幅式刀盘盾构20世纪60年代以来，盾构法施工在日本得到了迅速发展，在东京、大阪、名古屋、京都等城市地下铁道施工中都广泛地被采用。为了克服在含水地层中盾构施工引起的地面沉降，以及钢筋混凝土管片的制造精度和防水问题，日本和德国等制成和研究了泥水（加压）盾构和土压平衡盾构等削土密封式压力平衡盾构等现代盾构，发展了相应的施工工艺、配套设备，以及各种新型衬砌和防水技术。日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有其客观原因。首先，日本从60年代中期开始步入现代化国家行列，其科学技术水平已逐步接近欧美强国，这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持；其次，日本是一个人口众多、土地贫乏的多岛国家，为了扩大生存空间，不得不大力开发地下空间，而一些大城市的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难，激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道盾构施工技术进步的动力。进入20世纪80年代后，盾构技术发展的主流大致在以下两个方面：（1）以日本为代表，注重开发不同几何形状的盾构技术，以适应地铁车站或其他特殊断面的隧道工程的需要，发展了矩形盾构、双圆盾构、三圆盾构、竖井平行隧道一体化的可垂直转向的盾构、可变断面盾构等特殊形状盾构；见照片4和照片5。（2）以欧洲（特别是德国）为代表，为充分发挥盾构设备的能力、满足长隧道工程修建的需要，致力于研究能适应不同地层的多功能盾构，已发展了混合式盾构、机械平衡盾构等。 图4球体盾构机（母机掘进位置） 图5 球体盾构机（球体作90转动后）3我国盾构技术概况我国盾构技术在解放前是个空白。新中国成立后，在第一个五年计划期间，东北阜新煤矿用直径2.6m盾构及小型混凝土预制块建造了输水巷道，1957年在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及2.6m的盾构。系统地开发我国的盾构技术可认为是始于1963年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层中进行的直径4.2m的盾构隧道试验。该盾构为手掘式，钢筋混凝土管片衬砌，接缝防水材料采用沥青环氧树脂，试验中曾采用了降水法和气压法两种疏干地层的辅助措施。1966年上海在黄浦江上用可封闭式网格盾构建造了直径为10m的第一条越江隧道。1988年上海隧道公司又建成了11.3m的延安东路过江隧道。1989年在上海地铁一号线工程中正式采用盾构法修建地铁区间隧道。目前，我国在广州、深圳、南京、北京等城市地铁施工中，大量采用盾构技术修建区间隧道，盾构技术在我国掀起了新的应用和发展高潮。但是我国盾构技术的发展还存在不少不足之处。除上海隧道股份公司试制了一台地铁施工用盾构，仅限于引进使用国外盾构。且盾构工法种类不多，各种特种异圆形断面及特种功能盾构工法应用少；地中盾构对接技术；竖井隧道的一体化施工技术；盾构直接削竖井井壁的进、出洞技术等课题，目前均属空白。第二章：盾构设备介绍一、盾构的基本构造1、盾构壳体盾壳是一个用厚钢板焊接，并用环形梁加固支承的圆柱形筒体，是盾构受力支撑的主体结构。其主要作用：一是承受地下水、土压力，盾构千斤顶的推力及各种施工荷载；二是支承和安装各类机电设备及管片；三是保护操作人员的安全。盾构机的外壳沿纵向从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口环、支承环、盾尾三部分。切口环包括刀盘、主驱动装置以及人闸。支承环安装有推进油缸并支承管片拼装机。盾尾后端安装有盾尾密封，保证混凝土衬砌周边的密封性。盾壳结构设计可以承受410巴的流体静压力。盾壳使用的材料、尺寸及其设备应与当地土质（地层中含水和研磨材料等）中遇到的工作条件相符合。 除了盾尾必须焊接以外，盾构各个部件均为螺栓组装。为了把盾构做得有点圆锥形，盾尾的直径要比支承环和切口环的直径小一些。更换刀具时，可以直接从人闸里进行刀盘降速操作。图6欧洲泥水盾构的结构图切口环该部位装有掘削机械和档土设备，故又称掘削档土部。就全敞开式盾构而言，通常切口的形状有阶梯形、斜承形、垂直形三种。切口的上半部较下半部突出，呈帽檐状。突出的长度因地层的不同而异，通常为3001000mm。切口部的前端装有掘削刀盘，刀盘后方至隔板止的空间称为土舱（或泥水舱）。刀盘背后土舱间内设有搅拌装置。土压平衡盾构土舱底部设有进入螺旋输送机的排土口。土舱上部留有添加材注入口；泥沙平衡盾构土舱底部设有进入泥浆泵的的排浆口，必要时需安装碎石机防止大块碴石进入泥浆泵，土舱上部也留有添加材注入口用于改良碴土的流动性。但是对部分敞开式（网格式）盾构而言，也有无突出帽檐的设计。对自立性掘削较好的地层来说，切口的长度可以设计得稍短一些。对无自立性地层而言，切口得长度应设计得长一些。掘削时把掘削面分成几段，设置几层作业平台，依次支承档土、掘削。有些情况下，把前檐做成靠油缸伸缩得活动前檐。切口的顶部做成刃形。对砾石层而言，应做成T型。支承环支承部即盾构的中央部分，是盾构的主体构造部。因为要支承盾构的全部荷载，所以该部位的前方和后方均设有环状梁和支柱，由梁和柱支承全部荷载。对敞开式、半敞开式盾构而言，该部位装有推动盾构机体前进的盾构千斤顶，其推力经过外壳传到切口。中口径以上的盾构机的支承部还设有柱和平台，利用这些支柱可以组装出多种形式（H型、井型、 ）的作业平台。对封闭式盾构而言，支承部空间内装有刀盘驱动装置、盾构千斤顶、中折机构、举重臂支承机构等等诸多设备。盾尾扩挖刀盾尾部即盾构的后部。盾尾部为管片拼装空间，该空间装有拼装管片的举重臂。为了防止周围地层的土砂、地下水及背后注入的填充浆液窜入该盾构内，盾尾设置有密封装置。盾尾封装形式如图13 所示。盾尾的内径与管片的外径的差称为盾尾间隙，通常其大小在2030mm之间。2、刀盘刀盘结构刀盘结构分面板式和辐条幅板式两种，面板式为整体板状结构，上装刀具和开进碴口，辐条幅板式由辐条幅板所组成。上面可根据地质情况安装刮刀、盘型滚刀或混装软硬岩刀具。刮刀的形状和位置利于岩土的切割和清渣。刀盘的开口率也须根据地质情况定，一般在2070%范围内，其取值需综合考虑便于泥渣进入开挖室内、保持开挖面稳定和保证刀盘足够的刚度、强度三方面的需要。所有的刀具都能从开挖室里面进行更换。提供有起吊机具便于换刀的操作。在刀盘中心部，设置了回转接头和必需的管道，专为扩挖副刀供给液压油，和为开挖室供应泥浆等改良剂。刀盘的外缘还可以焊接特种耐磨板予以保护。图7辐条式刀盘示意图刀具刀盘上安装有刮刀、滚刀及仿形刀。特殊地质情况时可以在刀具上配备磨损检测装置。用于检测刀具的磨损情况，检测装置一般有液压油控制和电气控制两种方式。 a刮刀刮刀为软岩用刀具，用来切割未固结的土壤。可以将掌子面的土壤剥离下来。刮刀的宽度使得每把刀的切割轨迹之间有一定的重叠。刮刀上镶有碳化钨刀刃，目的是为了更好地防止开挖过程中产生的磨损。刀体由经过机加工的碳钢制成，刀刃由用铜焊焊在刀体凹槽中的碳化钨镶嵌块构成。刀体上可能与掌子面发生摩擦的其他表面由硬化面层加以保护。刮刀安装在焊在刀盘辐条两侧的支撑上。b.盘型滚刀盘型滚刀为硬岩开挖刀具，有时刀盘上混装的少量滚刀，用于在复合地质岩层掘进中段可能遇到风化的砂岩、部分硬岩地层。c.扩挖刀扩挖刀安装在刀盘的外缘上，是安装在一个液压油缸的活塞杆端部的刀具。扩挖刀由司机进行控制，控制压力通过刀盘回转传感器传递。用来盾构转向时扩大开挖直径，也可在周边磨损时校准盾构机的开挖直径。司机可以控制扩挖刀开挖的深度（即超挖的深度），以及超挖的位置是在机器左侧还是右侧。如果决定要对左侧进行扩挖以帮助机器向左转弯，那么扩挖副刀只在左侧伸出，扩挖左侧水平直径线上、下450的范围便可以了。特殊情况可安装第二把扩挖副刀以作紧急时备用。旋转接头旋转接头安装在护盾内，靠着开挖室后板。它由以下几种功能：a.连接中心改良剂加入管道。通过它将膨润土泥浆或高分子聚合物输送到刀盘前部或土仓中。b.连接液压油管道和油脂管道，它们与扩挖刀连接。c.连接各类电线和备选的液压油管道。刀盘驱动刀盘驱动装置是盾构机切削的动力来源，一般刀盘可在正反两个方向以同样的速度和扭矩回转进行岩土的切割，以便在盾构产生滚翻时进行纠正。 驱动电机刀盘驱动有液压和变频电机直接驱动两种形式，一般大直径的盾构采取变频电机直接驱动较好，小直径盾构采用液压驱动较好。液压驱动使用的电机一般为普通电动机。密封电机的密封一般使用的是唇式密封保护着主轴承。自动密封注脂系统确保了在掘进期间的主轴承密封性能。一般来说，盾构的主轴承密封系统对岩石类地层的磨损作用非常敏感。密封注脂系统必须高效，它是通过油脂泵不间断地从里向外挤出油脂来防止外部泥水、碴土的进入来保证密封性能的。图8密封示意图密封系统一般由5道以上密封构成。密封保护通过3种注射实现的： 腔室1 : 使用连续流量计注射前部油脂（HBW型油脂）。由于迷宫密封中的压力损失（可估算出压力损失），压力P1比土压P0高。 腔室 2: 用传统方法注射油脂，压力调整保持在3.0-4.0 bar。举例来说，如果外部压力为6bar，前部HBW油脂压力应为6.5bar。密封A的压差 在2.5-3.5bar之间变化。由于密封唇上压力低，密封A的磨损也减小。油脂消耗量很低，因为腔室 1里的压力比腔室 2里的压力高。腔室 3: 与腔室 2同时采用传统方法注射油脂，但是流速较低。腔室 3里的压力和腔室 2里的压力相关，注射时的最大压差为0.5bar。如果压力平衡，油脂消耗量就很低，密封磨损也会很小。腔室 4 : 使用DT 46液压油进行润滑，以获得很低压力和5m/min的平均循环速度。密封唇C的压差在3.0-4.5bar之间变化。因此，此密封唇的磨损率最大。此密封唇的泄漏会立即通过润滑油中出现油脂而被发觉。该高速油循环也用作密封槽的冷却。腔室 5: 定期使用液压油进行润滑。从排油量可以检测泄漏。 如果密封C出现问题，应停止向腔室 4里注油而将油转注入腔室 5。如果密封A出现问题（发现反常高油脂流量或高于最大的压力），应停止向腔室 2里注射油脂，密封B承担密封作用。 主轴承和驱动装置的润滑主轴承和驱动装置的润滑一般采用浸油式润滑。即使润滑系统停止了工作，这种设计也确保了设备安全地运行。润滑回路有两个功能：确保对主轴承的滚柱滚道进行强制式润滑循环，确保油的过滤和冷却。轴承的润滑是通过刀盘驱动装置的运行来控制自动循环回路同步实现的。 驱动装置的焊接框架构成了一个油池，在油池里，主轴承和齿圈及驱动小齿轮都被油浸泡着，油面高为驱动装置高度的2/3。 这个闭式系统有一个窥测门，在底部有一个排油阀，还有油位指示，顶部有通气阀。轴承和齿圈顶部的润滑使用喷淋润滑，有若干个喷嘴，每个喷嘴都有一个止回阀。流到喷嘴的油压是低压，设有压力开关以调节压力。通过一个电泵装置将油供给这些喷嘴。电泵装置把油从油箱底部抽上来。在供油回路上有一个油压表，可检查其压力。一个节温器调节着油温。一个流量控制器调节着流速。一个装备有磁性沉积杯的滤清器使油经过滤清后循环地使用。如有任何故障发生，刀盘将立即停止回转。安装在回路中的和焊接框架上的取样出口，允许进行定期的油质分析，因此有可能发现主轴承状况的细微变化（如磨损，有水或土）。这种监测既简单又可靠。还可以进行补充性的监测，以便对润滑系统的故障作出诊断。3、推进系统盾构掘进机是通过沿支承环周边布置的成对的盾构推力油缸，支撑在已安装好的管片衬砌上所产生的反作用力而前进的。每对油缸都均匀分布于盾体周围。一般情况下油缸分为为4组。每组油缸均有单独的压力和伸缩速度调整。盾构开挖时司机可以通过调整4组油缸的伸出速度、压力进行纠偏或转向。为了便于主机的方向控制，油缸直接顶推在靠近机器重心的前体上。为了测量机器开挖方向和行程，每组推进油缸中至少有一个油缸装有行程测量检测器和速度传感器，速度可在控制室无级调整。管片安装期间，推进油缸可通过无线操作板或机位控制台操作。根据安装管片的位置，可以在控制室面板上单独操作任何一对油缸伸、缩。管片安装期间，正在安装的管片对应的油缸缩回。其它油缸的撑靴保持适当的压力以足够的推力与管片接触，确保安装期间管片的安全、衬砌环之间密封的压力以及维持开挖室里的限定压力。在管片安装工序的接近完成插入封顶块、推进油缸接触管片并施加压力时，应以减小的油缸压力，以避免盾构机向前移动及损坏拼装机的安装臂。下图9为4组20个推进油缸时（实际使用中各厂家设计使用的油缸数量不同）的示意图：图9推进油缸示意图每对油缸的活塞杆都装有衬垫，固定在球窝节上并覆盖聚氨酯，确保与管片衬砌环均匀平滑地接触。4、排碴系统排碴系统的功能主要是稳定开挖面和运送渣土，为了稳定掌子面，一般要使用膨润土、高分子聚合物等改良剂，以便使碴土有一定的流动性、减少内摩擦系数、保持适当的渗透系数或比重以维持开挖室的压力并传递到开挖面上保持开挖面的水土压力平衡。主要有土压平衡盾构用的螺旋输送机和泥水平衡盾构用的泥浆泵两种渣土运送系统。为了增加排土效率和防止结泥饼、排碴口堵塞,在密封土舱内设置有搅拌器，泥水平衡盾构有时还设有碎石机，将所有进入刀盘的卵石破碎成可以通过排渣系统泵出的颗粒尺寸。泥水平衡泥浆排渣系统排碴系统包括新鲜泥浆的输送回路和排碴回路。这里介绍的是欧洲的液力泥水平衡盾构，它是以压缩空气来控制开挖面泥水压力的，主要由调控气压控制平衡压力，压力易于控制；日本的泥水平衡盾构是直接由泥浆泵系统进行平衡压力的调控的，调控压力较难控制。图示为液力泥水加压式盾构管路图，使用膨润土泥浆为运输介质,泥浆通过安装在泥浆制备厂的一个可变速的离心泵P1.1，从设置在地面的泥浆制备厂被压送到输送回路中。泥浆的输送受到调节，以便在被浸没隔板后面的气垫室保持恒定的泥浆平面高度。 为了在掌子面处均匀输入泥浆，输送主回路在护盾内分为5路，有2个注浆口设在上部，2个在下部，一个在中间回转接头前部。排渣回路由安装在盾构机后配套平台车上的可变速离心泵P2.1以及一个设在隧道内的可变速增力泵（P2.2）组成。混合掘进碴土后的混合浆液由泥浆泵抽回地面，复合泥水加压式盾构排出的泥浆通常要进行振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，才能将碴土从泥浆中分离出来以便排除。图10欧洲液力泥水盾构排碴管路示意图液力排渣系统的控制大都采用远程控制式球阀，分为3种水平的控制：。图11泥浆管延伸系统a手动:所有的指令都靠手动执行。操作手操纵泵的速度及阀的开度。操作手还控制气垫室里的泥浆平面高度b.半自动：操作手能控制泵的速度和某些阀的开度。尽管如此，安全是一直处于激活状况。c.自动：控制的数据有：开挖模式和旁通模式的流量值。操作手不能操纵不同的部件，除非在停止模式。气压回路总是自动的，且总是处于工作中。根据装备有按钮开关和指示灯的梗概图，软件被用于监控装置。数值的计算是借助监视器与PLC之间的通讯在屏幕上进行的。控制的参数有：碴液比重，泵马达的压力、流量等。系统还具有警告程序。泥浆管延伸提供一套旁通系统用来临时过渡注泥浆管和排渣管，形成前后两个泥浆循环，以便延伸固定在隧道里的泥浆管时保持整体管道中的泥浆流速，防止泥浆沉淀。泥浆管延伸系统使用两个水平软管环和一个平移托架。延伸系统的图解见图11。液力式泥水盾构中气压控制的泥水压力调整系统加压系统由排渣系统（或输送系统，在特殊情况下）的调节装置以及安装在前护盾顶部的压缩空气回路所组成。（详见图12）在有水渗入隧道，或水从掌子面流入地层的情况下，压缩气垫能够调节泥浆的平面高度，起着缓冲和吸收冲击，并最终消除压力峰值。加压系统对气垫加压或减压，以便保持对掌子面的恒定压力。系统由一个派生的控制装置来监测，这个装置只观测设定点与开挖室内泥浆压力的差值。系统的原理见图12：图12气压调节泥水压力系统示意图螺旋输送机排碴系统土压平衡盾构采用螺旋输送机排碴，其作用一是排出碴土，二是通过螺旋输送机的压缩和输送时碴土间内摩擦和螺旋机壁间的摩擦阻力将土仓中的碴土高压逐步递减到出碴口的常压；三是通过控制螺旋机的出碴量（和掘进速度配合）控制土仓内的压力，平衡开挖面的水土压力；四是通过螺旋机中土塞止水作用，加入改良剂使碴土保持满足防喷要求的渗透率，要求防止土仓中泥水突出。为了稳定掌子面，也需要根据地质情况加入膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等改良剂，以便使碴土有一定的流动性和渗透系数以维持开挖室的压力并传递到开挖面上保持开挖面的水土压力平衡，并防止螺旋机中突水、突泥。螺旋输送机前部不能安装碎石机，有较大卵石时，可采用无中心轴式螺旋增大碴土的通过能力，螺旋输送机长度取决于其减压和封水的需要，必要时，即当开挖面水土压力较高时，也可通过采用变节距螺旋、间断螺旋等方法增加螺旋的减压、止水能力，减短的螺旋机长度。5、盾尾密封系统盾尾密封用以防止地层中的泥土、泥水、地下水和衬砌外围注浆材料从盾尾间隙中漏入盾构。盾尾密封一般由3排金属钢丝刷组成，压力特别高的泥水盾构中也有乃至四道以上钢丝刷的。钢丝刷用螺栓连接在尾裙上并由金属板保护。这3排钢丝刷形成2圈环形空间，在每个圈环形空间内间注入密封材料、油脂等，以向外逐级缓慢挤出油脂的方式来防止外部高压泥、水进入，以保证密封效果，并减少钢丝刷密封件与隧道管片外表面之间的磨擦，延长密封件的寿命。油脂消耗量约为密封面积的0.41.5kg/m2。油脂是由后配套台车上的变量注脂泵通过固定在尾裙里每圈环形间隙中的油脂导管自动注入的。油脂泵入是连续进行并配有压力检测、监测装置。可在控制室里中反映，泵入时从各个注入点挨个循环进行，注入阀的换向是由控制室里根据需要来设置控制（流量调节器）的，或者通过测量注入反馈的压力自动调节。一般注脂控制与刀盘旋转联动。当刀盘停止旋转时可由司机强行注脂或设置定时自动注脂。气动式注脂泵直接安装在后配套第一节台车上的油脂桶上，通过电动气动阀为各个注脂点供应油脂。图13盾尾密封结构示意6、同步注浆系统（背衬充填与注浆系统）管片注浆采用同步注浆系统和补充注浆相结合。当盾构推进时，注浆管路在盾壳壳体内及时有效地对管片衬砌背部和地层间的空隙进行充填，注浆设备安装在后配套台车上，主要包括注浆料斗和泵。灌浆料斗带有搅拌器。通过料斗和服务车上灌浆车之间的导管可以进行回填灌浆。浆料的输送由每个灌浆车（自制功另购）上的输送泵来完成。欧洲生产的盾构管片衬砌外围的注浆通过安装在尾护盾盾壳里面的注浆管进行（日本的盾构注浆管是单独装在盾壳外部，以减小管片周边建筑间隙降低工后沉降和注六浆量、降低成本，但磨穿或出现故障时难以处理）。7、管片拼装机管片拼装机是用来抓取、输送和安放管片的。拼装机由支撑管片抓取平台组件的固定框架和支撑旋转、提升组件的转动体两个主要部件组成。转动体由液压马达驱动，在固定于拼装机定子上的环形齿圈上转动。拼装机设计为纵向插入管片衬砌封闭块，配备有机械式或吸盘式抓取装置。所有运动均为液压驱动。围绕隧道轴线的旋转为比例阀控制。提升和平移运动具有两种速度，最低速度仅用作管片精确定位。其它运动只有低速。拼装机和抓取系统受到保护，防止由于推进油缸的靠近和加压而产生运动和受力。拼装机安装在后护盾里（铰接点的后面），以最大程度减小曲线隧道里拼装机和管片衬砌之间的轴线不重合而产生管片擦边可能，从而使管片环能够按紧密度公差要求快速安装。 司机使用远程控制面板控制所有运动，因此司机不需要呆在拼装机的工作区域。拼装机由1个无线控制板或1个机位控制台控制。8、人闸人闸用来进入开挖室和隧道掌子面以便在压缩空气下进行维修操作或刀具更换等作业。人闸安装在护盾的上部并与承压隔板螺栓连接。人闸一般包含了符合标准的必需的气体供给（加压和减压）、通讯（对讲机、蜂窝电话）、辅助设施（工业用水、加热、照明）和安全设施（气体分析仪、记录器及人闸的控制面板）的所有设施。 提升平衡枢轴平移旋转图14管片安装机泥水加压盾构中当人员需要进入泥水室时，应先向压力仓内加入预定的气压，用以支护开挖面土层，当人员进入压力仓并关闭闸门，逐渐向压力仓内加入气压，待泥土室内气压与压力仓内气压相等时，人员便可进入泥水室进行维护操作。土压平衡盾构进入步骤和泥水盾构基本相同，必要时要先进行注浆（从盾构内或地表）预加固才能进入。图15人闸示意图9、后配套后配套分出碴、运送管片、材料的出碴服务后配套和盾构自身后配套两部分组成。出碴后配套按照服务列车在隧道内轨道上运行进行设计。服务列车由管片车、砂浆车、碴土车、平板运输车和机车组成。盾构的后配套各门架台车为相同设计（机械焊接结构），装有轮子由盾构拉动在轨道上运行，盾构机各辅助系统装在上面。门架台车上有人行走道、护栏和扶梯，以确保人员行动的安全与方便。盾构后配套整个长度上有人行走道和手护栏，可使工作人员行动自如并易于接近各种设备装置以进行机器维修保养。第一节台车用一连接梁和盾构主机相连接，该梁下方的空间允许铺设轨道。二土压平衡式和泥水平衡式的比较1土压平衡式盾构土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘,刀盘后有一个贮留切削土体的密封舱,在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机,在密封舱和螺旋输送机上方以及开挖面均匀布设有土压传感装置,一般为5个，根据需要可装设改善切削土体流动性的塑流化土壤改良材料的注入设备。各装置的主要功能如下:切削刀盘用于切削土体,同时将切削下来的土体适当搅拌混合,从刀盘开口中挤入密封舱。在刀盘的正面装有切削刀具,其中齿形刀适用于软弱地层,盘形刀适用于坚硬地层。刀盘背面装有搅拌翼片,为了在曲线上施工,刀盘周边还装有齿形的超挖刀。根据围岩条件,切削刀盘可以是面板型、辐条型和砾石破碎型。是否需要采用面板型刀盘,应根据工作面的稳定性,以及在切削刀盘腔内进行维修和更换刀具时的安全性而定。采用面板型刀盘时,其面板上开口槽的宽度和数目应根据围岩条件（粘结力、障碍物）,以不妨碍土体的排出为原则而确定。根据盾构直径的大小,刀盘的主轴可以采用中空轴式、中间支承式和周边支承式。其中第一种构造简单,搅拌效果好,适用于中小直径盾构;中间支承式的强度和搅拌效果好,适用于大直径盾构;周边支承式强度高,消除砾石容易。图16 土压平衡盾构构造密封舱用于存贮被刀盘切削下来的土体,并加以搅拌使其成为不透水的,具有适当流动性的塑流体,使其能及时充满密封舱和螺旋输送机的全部空间,并对开挖面形成一定的土压平衡其水土压力,以维持开挖面的稳定性,同时,也便于将其排出。螺旋输送机用来将密封舱内的塑流状土体排出盾构外,并在排土过程中,利用螺旋叶片与土体间的摩擦和土体阻塞所产生的压力损失,使螺旋输送机排土口的泥土压力降至一个大气压力,使其不发生喷漏现象。塑流化改良材料注入器用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注入添加剂。因为当土体中的含砂量超过一定限度时,由于其内摩擦角大,流动性差,单靠刀盘的旋转搅动很难使这种土体达到足够的塑流性,一旦在密封舱内贮留,极易产生压密固结,无法对开挖面实行有效的密封和排土。此时,就需要向切削土体内注入一种促使其塑流化的添加剂,经刀盘及土舱内的搅拌装置混合和搅拌后能使固结土成为流动性较好、不透水的塑流体碴土。关于塑流化添加剂的种类,以及注入口位置、直径、数目均需按围岩特性、机器构造、盾构直径等条件进行选择。目前常用的添加剂有两类：一类为泥浆材料;另一类为化学发泡剂,这种材料可以在土体内形成大量泡沫,使土攘颗粒分开,从而降低了土体的内摩擦角和渗透性。又因其比重小,搅拌负荷轻,容易将土体搅拌得均匀,从而提高土体的流动性和不透水性。而且泡沫会随时间自然消失,碴土即可还原到初始状态,不会对环境造成污染。因此,近年来已逐渐取代了泥浆材料,并己制定出决定泡沫量、发泡度(空气、溶液混合率)以及是否需要采用碴土消泡剂等等的技术规则,研制了化学发泡剂自动注入系统,以便按盾构的掘进速度控制发泡剂的注入量, 图17土压平衡盾构土壤改良剂加入装置土压传感器用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力,前者是判定开挖面是否稳定的依据,后者用来判断螺旋输送机的排土状态：喷涌、固结、阻塞等。土压平衡式盾构维持开挖面稳定的原理是依靠密封舱内塑流状土体作用在开挖面上的压力（它包括泥土自重产生的土压力与盾构推进过程中盾构千斤顶的推力）和盾构前方地层的静止土压力与地下水压力(F)相平衡的方法。应该认为,直接控制土压的方法比较容易实现。从理论上讲,通过注入塑流化添加剂和强力搅拌能将各种土质改良成土压平衡式盾构工作所需的塑流体,故可通过加入改良剂可扩大土压平衡盾构的适用围岩条件。但在富含水的砂层或砾砂层,尤其在高水、土压的条件下,土压平衡式盾构在稳定开挖面土体、防止和减少地面沉降、避免土体移动、以较短的螺旋机长度将高压降到低压出碴和土体流失等方面都较难达到理想的控制。 2泥水加压式盾构泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似,仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆,刀盘浸没在泥浆中工作。对开挖面支护,通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担,前者主要是在掘进中起支护作用,后者主要是在停止掘进时起支护作用。对于不透水的粘性土,泥浆压力应保持略大于围岩主动土压力（0.2巴左右）。对透水位大的砂性土,泥浆会渗入到土层内一定深度,并在很短时间内,于土层表面形成一层泥膜,有助于改善围岩的自稳能力,并使泥浆压力能在全开挖面上发挥有效的支护作用。而刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混合后,用排泥泵及管道输送至地面处理,处理后的泥浆再由供泥泵和管道送回盾构重复使用,所以,在采用泥水加压式盾构时,还需配备一套泥浆处理系统。泥水盾构的主要特点是基本上适应所有的地质条件，缺点是要配套泥浆处理系统，使用成本高，控制环境污染较困难。泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型（日本型）和间接控制型(德国型)两种基本类型。日本式直接泥水加压盾构的泥浆压力控制由一套自动控制泥浆直接加压进行平衡的,原理示意图如下：泥浆处理厂的泥水从调整槽将泥浆压人盾构密封舱,在密封舱内与开挖碴土混合后的重泥浆由排泥泵和根据隧道长度及扬程要求而增加的加压泥浆泵排至泥浆处理厂。密封舱的泥浆压力是通过调节供浆泵P1 的转速或节流阀的开口比值来实现控制的，当开挖面的压力突然失去平衡时，密封舱的泥浆压力调节有一个较长的延时过程，在掘进过程中密封舱的泥浆平衡压力波动较大，同时对供泥浆泵和排泥浆泵的控制要求很高。图18日本式泥浆加压平衡原理示意图德国式复合式泥水加压盾构的泥浆压力控制由空气和泥水双重系统实现。加压示意图如下：在盾构的密封舱内,装有半道隔板,将密封舱分隔成两部分。在隔板的前面充满压力泥浆,隔板后面盾构轴线以上部分充满压缩空气,形成气压缓冲层,因此,在隔板后面的泥浆上表面作用有空气压力。由于在两者的接触面上气压和液压相等,故仅需调节空气压力,就可确定全开挖面上的支护压力。在盾构推进时,由泥浆室和空气加压腔共同保证开挖室内压力稳定，泥浆流失或盾构推进速度变化时,进、出泥浆量如失去平衡,由于空气具有较好的可压缩性，空气加压腔内的气压可以很快平衡密封舱内的压力，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时,供泥浆泵自动停止加大排量；当液位达到最低极限位置时,排泥浆泵则自动降低排量，压力非常稳定。由于有压缩空气进行压力平衡，对供泥泵和排泥泵的控制要求较低。图19德国式泥浆加压平衡原理示意图密封舱空气室的空气压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的。不论盾构是否掘进或液面位置产生波动,空气压力终究可以通过空气调节阀使压力保持恒定。而且,由于空气缓冲层有弹性作用,所以在液位波动时,也不会影响开挖面的支护液压。因此,和直接控制型泥水加压式盾构相比,这种盾构的控制系统更为简化,对开挖面地层的支护更为稳定,即使在盾构推进时,支护压力也不会产生脉动变化,对掘进时控制地面沉降更为有利。为了保证盾构推进质量、减少地面沉降量,在进、排泥浆管路上分别装设流量计和比重计,根据检测数据即可计算实际排土重，可严格控制排土量,故地面沉降量较易控制。泥水加压式盾构排出的泥浆通常要进行振动筛、旋流器和压滤机或离心机等三级分离处理，才能将碴土从泥浆中分离出来以便排除,见图18。清泥水回到调整槽重复循环使用。泥水加压式盾构中所使用的泥浆为膨润土泥浆,在粘性土层中掘进时,还可用原土造浆以减少成本。膨润土泥浆的主要成分和地下连续墙施工中使用的相同,其物理力学特性：比重、粘性、沉降性、含砂率等应根据地层特性（粒度、硬度、渗透性等）以及地下水状况(水位、所含离子种类与浓度等)而定。为了增加排土效率和防止排泥口堵塞,在密封舱内可以设置螺旋搅拌器和砾石破碎装置,以及供工作人员进入开挖面排除障碍物的气闸。第三章 盾构的选型一选型的根据根据不同的工程地质、水文地质条件和施工环境与工期的要求,合理地选择盾构机类型,对保证施工质量,保护地面与地下建(构)筑物安全和加快施工进度是至关重要的。因为只有在施工中才能发现所选用的盾构是否适用,一种不适用的盾构将对工期和造价产生严重影响,但此时想更换已不可能了。盾构选型的根据,按其重要性排列如下:1、工程地质与水文地质条件隧道沿线地层围岩分类、各类围岩的工程特性、不良地质现象和地层中含沼气状况；地下水位,穿越透水层和含水砂砾层的水压力、围岩的渗透系数以及地层在动水压力作用下的流动性；地层的参数表示地层固有特性的参数:颗粒级配、最大土粒粒径、液限WL、塑限Wp、塑性指数Ip(Ip=WL-Wp)；表示地层状态的参数：含水量W、饱和度Sr、液性指数IL()、孔隙比e 、渗透系数K、湿土重度e；2表示地层强度和变形特性的参数:不排水抗剪强度Su、粘结力C、内摩擦角、标准贯入度N、压缩系数a、压缩模量Es;对于岩层则有：无侧限抗压强度c、RQD值等。3、根据地质情况和工期要求选择盾构设备对盾构机有如下要求：盾构机必须具备较强的稳定开挖面、防止开挖面坍塌的能力。要具有能够适应不同地层的刀盘。在地质复杂区段中，有必要的手段能够对前方地层进行超前探测，以便及时采取相应的施工技术措施。能够防止突发地下水和开挖面坍塌的袭击，应设置紧急关闭土仓的装置。盾构机有良好的密封性能。导向系统精度高，导向准确。为能及时更换刀具，人员必须进入土仓，应提供可靠的安全装置保护人员安全。二.不同地质情况下盾构的选型1、软土地层的盾构选型 软土层的工程特性软土层的工程特性主要表现为以下几个方面：高含水量软土主要是粘土粒及砂粒组成，常含有机质，其粘土粒含量较高，有的可达60%70%。粘土粒的矿物成份为高岭石、蒙脱石和伊利石，以伊利石为最常见。由于这些矿物的颗粒很小，呈薄片状，表面带有负电荷，且在沉积过程中，常形成絮状结构，并含有机质，所以粘土粒的四周吸附着大量的偶极分子，从而软土的天然含水量较大。另外，软土地层一般处于东南沿海、湖泊周围及河流的入海口，地下水位较高，上海的地下水位在地表下0.51.5m，如此高的地下水位必然导致土层的含水量较高，一般大于40%，有的甚至大于100%。高孔隙比软弱土层的孔隙比一般较大。透水性较差软土竖向渗透系数一般在10-610-8cm/s之间，因此土层在自重或荷载作用下达到完全固结所需的时间是很长的。但有些夹薄层粉砂的软土，水平向渗透系数较大，同济大学的相关试验表明，水平向渗透系数约为竖向渗透系数的50100倍。高压缩性软土的压缩系数a1-2一般大于0.5MPa-1，其压缩性随着液限的增大而增大，有的近期围垦的海滩在土的自重作用下会继续下沉。土的压缩变形归纳起来一般包括下列几种：土粒及团粒的相互滑动；孔隙中水和气体被挤出；结合水的变形；密闭气体的压缩与溶解；土粒本身的弹性变形。低强度软弱土层的最显著特征就是强度较低。软土不排水剪强度一般小于20kPa。软土的强度还与土层的排水固结条件有着密切的关系。在荷载作用下，如果土层有条件排水固结，则它的强度随着有效应力的增大而增加。反之，如果土层没有条件排水固结，随着荷载的增大，它的强度可能随着剪切变形的增大而衰减。触变性软土另一个重要特征就是表现出较强的触变性。软土一旦受到扰动，其絮状结构受破坏，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。因此，在高灵敏度的软土地区进行地下结构的施工时，应力求避免土的扰动。软土扰动后，随着静置时间的增长，其强度又会逐渐有所恢复，但是一般不能恢复到原来结构的强度。有些软土触动后，几乎马上成为流体状没有一点自稳性。 软土层对盾构施工的影响盾构在上海软土地区的应用已有近40年的历史，从中国第一条越江隧道打浦路隧道到目前正在施工的明珠线二期地铁隧道以及大连路、复兴东路越江隧道等等。软土层对隧道施工的影响主要表现在以下几个方面：软土强度较低以及含水量较高，从而只能选择封闭式盾构；软土具有触变性，盾构施工势必造成周围土体的扰动，从而导致土体强度较低，土体产生较大的沉降，甚至导致塌方等。盾构掘进的地表沉降控制技术。现在在特大城市进行盾构施工的环境保护的要求越来越高，相应的地表沉降控制标准也越来越高，因此，如何有效的控制地表沉降尤其是运营后的沉降非常关键。2、 砂卵石地层隧道盾构选型砂卵石地层的工程地质特性凡粒径大于2mm的颗粒含量小于或等于全重的50%、粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的50%，干燥时呈松散状态，无塑性的土称为砂土。粒径大于2mm的颗粒超过全重50%的呈圆形、亚园形为主的土，称为卵石，砂卵石土层的基本特性：与水的结合能力小，呈现无粘聚力或小粘聚力的松散粒体，不具有塑性。透水性强，颗粒愈粗、愈均匀、愈浑园时，透水性愈高。卵石土层的强度，由填充物起控制作用，强度愈高，摩阻力愈大，在压力状态时易失水固结。砂卵石地层对盾构施工的影响砂卵石具有不同于软土的工程地质特性，因此，在砂卵石地层中进行盾构施工时，也有不同于软土盾构的不同之处，具体表现在以下方面：由于砂卵石中矿物成分主要为石英等，石英对盾构刀盘的磨损性很大。在砂卵石地层中采用盾构施工时，需特别考虑刀盘的耐磨损性以及刀具的可更换性。砂卵石强度较高，推进阻力较大，当采用盾构进行掘进时需配置比软土盾构推力大得多的推进装置；并且由于砂卵石地层摩阻力较大，管片也易损坏，液压推进系统也易出现故障，因此，应提高盾壳的耐磨性、管片强度及液压推进系统的稳定性能。在砂性土中，为保证盾构正常推进，土体的塑流性管理十分重要，当土体塑流性程度较差时，为保证盾构的正常推进，必须加大刀盘扭矩和推力，但过大的推力则会造成砂土的失水固结，强度增大，从而导致盾构推力增大，造成恶性循环，因此，应通过试验确定一个最优的推力范围。由于砂卵石地层压缩性小，因此，在砂卵石地层中，盾构隧道的沉降主要在施工期间产生，长期沉降仅占总体沉降的10%左右，这是与软土地层盾构施工产生的沉降规律不一致。因此，在砂卵石地层中进行盾构施工时，特别注意控制盾构对土体的扰动，减小前期沉降、到达及通过时的沉降。砂砾层中的盾构选型 在砂砾层采用盾构法施工，应首先考虑如何保持开挖土层稳定，以确保工程的顺利进行。因此在砂砾土层中一般以选用封闭型盾构为宜；泥水加压盾构这种盾构主要技术特征是利用压力泥浆支护开挖面土层，同时采用面板式刀盘，当盾构掘进时，刀盘由于开挖土体，同时对开挖下的土砂和泥浆进行充分的搅拌，而当盾构停止掘进时，刀盘面板与开挖面土层密贴接触，对开挖面土层进行支护，增加了土层的稳定性。这种盾构是砂砾土层隧道