加泥式土压平衡盾构综合施工技术(共112页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上加泥式土压平衡盾构综合施工技术中铁十二局集团深圳地铁2号线东延线2227标项目部 0020.二九年二月。、。、 目 录一、工程概况及特点 4 1.1 工程概况 4 1.2 岩土分层特征 6 1.3 不良地质 10 1.4 特殊岩土 10 1.5 水文地质 11 1.6 工程特点 11二、盾构施工法概述及盾构机的选型 12 2.1 盾构施工法概述 12 2.2 盾构机的选型 13三、土压平衡盾构机 16 3.1盾构主体组成 16 3.2 加泥式土压平衡式盾构机的主要特点 24 3.3 盾构机关键技术参数计算 24 3.4 刀具选择 27四、管片衬砌设计及制作技术 29

2、4.1 通用管片设计 29 4.2 管片强度及裂缝宽度检算 37 4.3 管片衬砌结构变形检算 37 4.4 管片拼装荷载检算 37 4.5 管片衬砌制作技术 40五、盾构隧道施工 46 5.1 盾构机拼装、拆卸 46 5.2 盾构始发 48 5.3 掘进原理 55 5.4 加泥式盾构的原理 56 5.5 盾构掘进施工 61 5.6 洞内运输系统 67 5.7 盾尾油脂的压注 70 5.8 管片拼装 70 5.9 同步注浆 74六、防水设计施工 77 6.1 混凝土管片自身的抗渗性 77 6.2 混凝土管片自身的制作精度 78 6.3 增设混凝土外防水层以加强衬砌的抗渗、防腐能力 79 6.4

3、 衬砌接缝的第一道防线:弹性密封条 80 6.5 嵌缝密封防水 83 6.6 盾构法隧道渗漏的处理 85七、刀具更换施工 86 7.1 开仓前的准备 86 7.2 开仓 87 7.3 地表监测 88 7.4 应急及预防措施 88八、激光导向技术 88九、施工监测技术 96 9.1 地基位移监测技术 96 9.2 隧道变形及位移的防止对策103十、盾构穿越特殊地段的技术对策106 10.1 盾构穿越河流的技术措施 106 10.2 盾构穿越立交桥 106 10.3盾构穿越断层的技术措施 107 10.4 硬岩及软硬不均地层施工是本盾构隧道施工的关键 108 10.5 重叠段、下穿构筑物段盾构法隧

4、道区间的施工 109 10.6 对富水地段的处理方案 110 10.7 对地下管线及地面建筑物等的保护 111一. 工程概况及特点11工程概况深圳地铁2号线东延线2227标段包括东门南站至黄贝岭站区间、黄贝岭站至新秀站区间、新秀站共1站2区间。新秀站：位于罗芳路与新秀路交叉口处以东新秀路下，沿新秀路东西向布置，车站由214.7m长的车站本体（明挖）和319.4 m长的 站后折返线区间（暗挖）组成，全长534.1m,车站标准宽度17.5m,地下三层8m岛式站台车站，有效站台中心里程处，顶板覆土4.092m,出入口共3个，紧急疏散口出口1个。车站本体结构为明挖三层双跨混凝土框架结构，折返线区间为暗

5、挖单层轨行区间，区间中部明挖四层单跨钢筋混凝土框架结构为折返线风机房及风亭。车站本体和风机房明挖顺做法施工，折返线轨行区间暗挖施工。黄贝站新秀站区间：本区间左右线为分修的单线隧道，区间里程ZCK34+533.919ZCK35+616.2,左线隧道长1084.031m；区间里程YCK34+515.719YCK35+616.2,右线隧道长1100.481m，单线隧道总长2184.494m。区间线路从黄贝岭站往东前行，线路拉开，左线先下穿5号线，后左右线下穿新秀立交从主桥两侧通过，沿新秀路东行，下穿沙湾桥，往东进入新秀站。区间里程YCK34+515.719YCK34+892、 YCK34+898YC

6、K34+927.5、YCK35+472.104YCK35+497.500、ZCK34+533.919ZCK34+923.000、ZCK35+476.104ZCK35+497.500段采用矿山法施工，其中里程YCK35+472.104YCK35+497.500、ZCK35+476.104ZCK35+497.500采用后期盾构通过，其余段落采用盾构法施工。区间在里程YCK34+895，YCK34+927.500YCK35+942.000，ZCK34+923.000 ZCK34+937.5，YCK35+516.500分别设1# 施工竖井、盾构始发井、吊出井及2#施工竖井；在里程YCK35+017.0

7、00处设区间联络通道及泵房。东门南站黄贝岭站区间：起讫里程YCK33+195.396YCK34+193.45，区间采用盾构法施工，左线隧道长996.306m，右线隧道长998.054m,单线隧道总长1994.360m。线路从东门南站由叠线方式 出站后，隧道重叠长约120m后分开，往东沿深南东路前行，到达黄贝岭站。盾构区间隧道衬砌管片外径6000mm，内径5400mm。每环平均宽1.5m，厚300mm，为楔形量38mm的通用管片，每环管片分为六块，三个标准块，两个邻接块，一个封顶块。标准块与邻接块管片环向面上设接头螺栓2只，纵向面上设接头螺栓2只，采用M27弯螺栓。钢筋砼管片强度等级C50，抗渗

8、等级S10，耐腐蚀系数大于0.8。管片外侧涂抹双组份聚氨酯进行防腐防水处理，管片接缝设遇水膨胀橡胶材料与三元乙丙弹性橡胶复合而成的密封垫。线间距035.9m，隧道最大纵坡28，最小纵坡2，隧道轨面埋深约8.2328.81m。采用德国海瑞克公司生产的土压平衡盾构机两台进行隧道掘进施工。该盾构机具有以下主要特点：结构先进，自动化程度高，采用了国际盾构最新技术，开挖、出渣、衬砌拼装易于控制；施工效率与可靠性高，安全性能好；适用于较大的土质范围与地质条件，能用于多种复杂的土层；施工速度快，可以获得较小的沉降量。该盾构机配备了泡沫注入系统，膨润土注入系统和压缩空气系统，具有土压平衡，敞开式，半敞开式三种

9、功能模式，刀盘刀具设计为可更换式，盘形滚刀与齿刀可互换，以适应不同地层高效破岩切削需要。盾构机操作控制系统采用PLC，具有自动、半自动和手动三种控制模式。配置了土压力和推进参数自动测量，数据采集处理和运程传输系统，可以实现办公室的掘进工况信息管理，配备了自动定压同步注浆系统，对环形间隙及早注浆填充，以稳定管片和控制地层沉降。配备自动测量导向系统，可以实时测控盾构机姿态和管片拼装精度。盾构采用中间铰接方式，可以适应较小半径曲线的推进转弯；推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作，辅于配置的超挖刀，可以较好地控制掘进方向和进行纠偏。12岩土分层特征<1-1>素填土（Q4ml）黄、褐黄、褐红

10、、灰、浅褐等色，主要由粘性土混少量砾砂或碎石组成，局部含砂或碎石较多，结构松散至稍密，部分路段表层为混凝土。区间范围内分布较广泛，厚度变化起伏较大，区间范围内37个钻孔未揭示该层，厚0.55.00m。标贯试验实测击数17击；根据室内试验：=1.972.01g/cm3、=8.0%21.3%、e=0.581.26。<1-2>填石（Q4ml）灰色，主要由碎块石组成，松散，稍湿。粒径0.530cm，含量不等，有粘性土充填，石质成分砂岩质，偶夹碎砖块，局部表面为混凝土层。区间范围内有12个钻孔揭示该层，厚度变化起伏较小，厚0.63.3m。<1-4>杂填土（Q4ml）灰色，由粘性土

11、和建筑垃圾组成，底部为砾石层。结构呈松散稍密状态。详勘阶段仅4个钻孔地表揭示该层，厚03.1m。在线路穿越区域规划好的路面下局部可能会存在杂填土透镜体。<5-1-1>淤泥质粘土（Q4al+pl）灰、深灰色、灰黑色，软、可塑，含少量有机质，有腥臭味。区间范围内多呈透镜体状分布，偶夹薄层砂，区间范围内仅8个钻孔揭示该层，厚04.25m。标贯试验实测击数3.7击。<5-1-2>粉质粘土（Q4al+pl）灰黄色，软塑，由粘粒组成，具粘性。区间范围内呈透镜体状分布，仅2个钻孔揭示该层，厚01.5m。<5-1-3>粉质粘土（Q4al+pl）灰黄、褐红色、灰、黄等色，可塑

12、，不均匀含砂2035及少量砾石，摇振反应无，干强度高，韧性强，岩芯为土柱状。区间范围内分布不连贯，多呈透镜体状分布，仅16个钻孔揭示该层，厚度为06.00m。标贯试验实测击数13.4击。根据室内试验：=1.541.99g/cm3、=17.4%57.6%，平均26.6%、e=0.540.69，平均0.62、IL<1、a0.1-0.2=0.241.06MPa-1、Es0.1-0.2=2.596.57MPa、天然快剪试验测得凝聚力为15.6026.36Kpa，内摩擦角为6.226.4 o 。<5-1>粉质粘土（Q4al+pl）灰黄、褐红色夹灰白、黄色，硬塑。土质不均匀，偶夹薄层粉细

13、砂，摇振反应无，干强度高，韧性强，岩芯为土柱状。区间范围内呈片状分布，仅32个钻孔未揭示该层，厚度为07.80m。标贯试验实测击数17.1击。根据室内试验：=1.652.05g/cm3、=19.7%54.9%，平均33.4%、e=0.590.94，平均0.83、IL<1、a0.1-0.2=0.270.94MPa-1、Es0.1-0.2=2.706.95MPa、天然快剪试验测得凝聚力为20.4243.39Kpa，内摩擦角为6.719.5 o 。<5-2-1>粉砂（Q4al+pl）灰白、灰、褐黄色，稍密，饱和，级配较好，粘粒含量较重，分选性较差。勘察阶段区间范围内仅4个钻孔揭示该

14、层，呈透镜体状分布，厚度为02.40m。<5-2-2>细砂（Q4al+pl）灰白、灰黄、灰、褐红色，稍密，饱和，级配较好，偶夹卵石及粘性土，分选性较差。勘察阶段区间范围内仅5个钻孔揭示该层，呈透镜体状分布，厚度为02.30m。标贯试验实测击数13击。<5-2-3>中砂（Q4al+pl）浅黄色，中密，饱和，级配较好，偶夹卵石及粘性土，分选性一般。勘察阶段区间范围内仅3个钻孔揭示该层，呈透镜体状分布，厚度为02.40m。标贯试验实测击数16击。<5-2-4>粗砂（Q4al+pl）黄、灰白色，主要成分为石英质，次棱角状，饱和，中密密实；分选性较差，上部略细；含少量

15、砾石。呈透镜体状分布，勘察阶段仅12个钻孔揭示该层，厚02.95m.。标贯试验实测击数23击。<5-2-5>砾砂（Q4al+pl）浅黄、灰黄、黄、灰白色，主要成分为石英质，次棱角状，饱和，中密；略具分选性，上部略细；含少量砾石。呈透镜体状分布，勘察阶段仅5个钻孔揭示该层，厚02.40m.。标贯试验实测击数20.0击。<5-3>卵石土（Q4al+pl）浅黄、灰白色，主要成分为长石、石英质，亚圆状，饱和，密实；分选性差，粒径20200mm大于50%。呈透镜体状分布，勘察阶段仅Z3-2TDH-04、15钻孔揭示该层，厚01.20m.。<8-2>砂（砾）质粘土（Qe

16、l）褐红、黄褐、灰黄夹灰白色，可塑状，由下伏基岩残积而成，原岩结构清晰可辨，光滑，摇振反应无，干强度中等，韧性强，夹有2030%石英颗粒，局部偶含石英角砾。多呈透镜体状分布于素填土之下，分布不均匀，仅11个钻孔揭示该层。厚度起伏大，层厚1.6011.20m。标贯试验实测击数14击；根据室内试验：=1.731.88g/cm3、=34.6%45.9%、e=0.941.29、天然快剪试验测得凝聚力为20.9127.57Kpa，内摩擦角为7.817.4 o 。<8-3>砂（砾）质粘土（Qel）褐红、灰黄、黄夹灰白色，硬塑，由下伏基岩残积而成，原岩结构清晰可辨，局部夹少许砂岩角砾，光滑，摇振

17、反应无，干强度中等，韧性强。局部为粉土，岩芯呈土柱状。主要分布在人工素填土及冲洪积砂层之下、基岩面之上，基本呈层状分布，仅38个钻孔未揭示该层。厚度起伏较大，厚1.258.10m。标贯试验实测击数22.4击；根据室内试验：=1.662.03g/cm3、=19.8%55.8%、e=0.581.56、天然快剪试验测得凝聚力为20.0046.46Kpa，内摩擦角为5.520.0 o 、固结快剪试验测得凝聚力为21.8234.71Kpa，内摩擦角为17.624.8 o 。<15-1>全风化凝灰质粉砂岩、碎裂混合岩（J2tn）黄、褐红、灰黄夹灰黑色，原岩结构基本破坏，尚可辨认，裂隙极发育。岩

18、芯呈坚硬土柱状，手捻具砂敢，偶尔夹强风化角砾。区间范围内41个钻孔未揭示该层。厚度变化较大，厚0.810.40m，埋深8.818.00m。标贯试验实测击数37.6击；根据室内试验：=1.702.06g/cm3、=18.2%45.4%、e=0.531.32、天然平均=15.6o、天然快剪试验测得凝聚力为27.0647.27Kpa，内摩擦角为13.026.5 o 、固结快剪试验测得凝聚力为31.6539.40Kpa，内摩擦角为24.129.9 o 。<15-2>强风化凝灰质粉砂岩、碎裂混合岩（J2tn）灰黑、灰黄、褐黄色，原岩结构清晰可见，风化剧烈，裂隙发育，岩芯呈半岩半土状，岩块手折

19、可断，干钻困难。层状分布，厚度变化较大，厚1.814.10m。标贯试验实测击数55.8击；根据室内试验：=1.861.94g/cm3、=15.3%31.3%、e=0.610.89、天然快剪试验测得凝聚力为25.0154.54Kpa，内摩擦角为15.921.8 o 。<15-3>中等风化凝灰质粉砂岩、碎裂混合岩（J2tn）灰、浅灰色，粉粒结构，层状构造，泥质胶结，岩质较硬。节理裂隙发育，节理面见铁锈，岩芯呈块状，少量短柱状，锤击声脆，易碎。分布在<15-2>之下，埋深16.00m以下。本次勘察阶段14个钻孔未揭示该层。根据相临工点的试验资料揭示，其天然抗压强度18.194

20、1.17MPa，饱和抗压强度20.7055.00MPa。<15-4>微风化凝灰质粉砂岩、碎裂混合岩（J2tn）灰、深灰色，粉细粒结构，块状构造，硅质胶结为主，部分泥质胶结。断口新鲜，矿物成分主要为石英、长石、云母，岩体裂隙较较发育，偶见节理。岩体较完整，岩心多呈柱状状，岩石较坚硬，锤击声脆。勘察阶段16个钻孔揭示该层。根据本区间及相临工点的试验资料揭示，其天然抗压强度29.4759.85MPa，饱和抗压强度28.9148.65MPa。<22-1>断层角砾（Fbr）灰色、深灰色，土状及角砾土状，断层泥胶结，含大量粘土矿物，岩石经挤压破碎所致，角砾呈碎屑状，挤压破碎明显，手

21、捻不易碎，糜棱化明显。区间范围内Z3-2TDH-22#、Z3-2TDH-29#共2个钻孔揭示该层。13不良地质砂土液化:由于砂层均呈透镜或者薄层状分布,可不考虑砂土液化影响。断层破碎带：本区间段内共有5条断层穿过，属于罗湖断裂带。断层（FL8）揭示厚度为11.016.1 m，隧道穿越厚度约20 40m，洞身范围主要为断层角砾，右线隧道可能为断层泥，对施工影响较大；钻孔揭示断层（FL9）厚度为7.615.5 m，隧道穿越厚度约20 40m，洞身范围主要为中分化构造角砾岩，钻孔未揭穿该层。钻孔揭示断层（FL10）厚度约8.89.5 m，隧道穿越厚度约10 30m，洞身范围主要为中分化构造角砾岩，岩

22、质软硬不均，对盾构施工有一定影响；钻孔揭示FL11断层厚度为2.5 m，隧道穿越厚度约10 30m，断层带洞身范围主要为断层角砾，透水性强，需加强支护；钻孔揭示FL12断层，厚度约12.014.2 m，隧道穿越厚度约20 40m，断层带洞身范围主要为中分化构造角砾岩，岩质软硬不均。另断层破碎本身也是良好的排水通道，施工中可能会产生突水、涌砂、涌泥的情况。 14特殊岩土特殊岩土为人工填筑土、软土、砂岩风化岩及殘积岩土。人工填筑土：主要为素填土、填石、及杂填土等，地层代号分别为1-1、1-2、1-4。素填土褐黄、灰及褐红等色，松散或稍密，密实度不均匀，多为稍湿，局部潮湿，以粘性土及土状全风化砂岩为

23、主，局部含少量碎石及块石，表层多为石质路面。区间范围内分布较广泛，基本上分布于地表，局部分布于杂填土或填石之下，该层厚度起伏较大，厚06.90m。由于隧道大多在1127m的地下穿行，对区间隧道的盾构施工影响小，仅限于盾构起吊井附近。软土：淤泥质粘土。灰黑色、深灰色、软塑状，局部为流塑状，粘性土中含有机质，稍具臭味，局部含少量砂。钻孔揭示该层主要呈透镜状分布于填土及虫轰击冲洪积层之间，厚约03.70m，可能发生软土震陷。但区间采取盾构法进行施工，软土层位于隧道顶部以外，软土震陷对隧道工程影响很小。殘积土及凝灰质粉砂岩风化岩：凝灰质粉砂岩均匀性较差，强度不一，接近地表的残疾土受水的淋滤作用，形成网

24、紋结构，土质较坚硬，而其下强度较低，再下由于分化程度减弱强度逐渐增加。凝灰质粉砂岩殘积层及全风化具有与水软化、崩解，强度急剧的降低特点，基坑开挖中应及时封底、支护；强风化岩具有软硬不均特点。凝灰质粉砂岩风化残积土，厚度变化幅度大。区间隧道基本位于风化岩层15-2、15-3、15-4及断层破碎带中。残积土分布局限，对隧道施工影响较小；全风化岩呈尖硬土状；强风化岩呈半坚硬土夹少量碎块状，软硬不均。残积土、全、强风化岩层具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点。15水文地质 区间范围地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层及沿线砂（砾）质粘土层、人工素填土层中。地下水水

25、位埋深2.034.95m，以孔隙潜水为主，局部地段微承压。主要由大气降水补给。水量较丰富，水质易被污染。 岩层裂隙水较发育，但广泛分布在砂岩的中强风化带、构造节理裂隙密集带中。富水性因基岩裂隙发育程度、贯通度、与地表水源的连通性而变化，主要由大气降水、孔隙潜水补给，局部具有承压性。16工程特点本区间左右线穿越许多重要建筑及管线，盾构掘进施工对周围环境保护要求极高，施工风险及难度相当大，本工程主要有以下特点： 1）隧道洞身位于残积土层、全及强风化岩、中微风化岩层中，盾构掘进过程中，压力过大或过小，可能引起地面沉降、塌陷或者地面隆起。 2）同一断面软硬相间地段盾构掘进过程中，盾构机可能发生偏移或被

26、卡住。中等风化地段防止盾构机刀片被硬岩损坏。 3）隧道穿越强风化岩层，岩体破碎或半岩半土状，易形成洞顶坍塌。 4）隧道穿越FL6断层附近时，可能出现突水、涌砂及涌泥现象，施工中应作好相应的预防工作。 5）隧道底板埋深较深，局部基岩裂隙水可能承压，产生涌水、突水现象。施工止水会引起地下水局部上升，使影响范围内的部分岩土体软化，强度降低。若止水不当，易使管片上浮形成错台。 6）部分地段盾构穿越微风化带，根据取样，单轴抗压强度为90.7Mpa，对刀盘是个极大考验 。 7）既有建筑物 线路由叠线形式出站后拉开，下穿文锦路口到达黄贝岭站。深南东路现为双向八车道道路，路面交通繁忙。两旁为多层或高层建筑，建

27、筑物密集，商业繁华，人流密度较大。其中主要建筑物有罗湖商务中心、京鹏大厦、南方国际大酒店。区间由黄贝岭站单台盾构机右线始发，到达东门南站后，盾构隧道叠线出东门南站时，离建筑物较近，最近距离约为1.5m左右，地表沉降需严格控制。区间隧道离罗湖商业中心建筑物桩基础最小水平间距1.3m，下穿其预应力锚杆，竖向间距0.4m。二. 盾构施工法概述及盾构机的选型 21盾构施工法概述 盾构施工法于19世纪初在英国开始使用，经过反复摸索，在近3040年间取得了飞速发展，现在，该施工法已同矿山法一起成为城市隧道施工的两大主要施工方法。20世纪90年代该项技术被引进我国，主要集中应用盾构技术来进行上、下水道、电力

28、通讯隧道、人防工事、地铁隧道等施工。目前在上海、广州、深圳、南京等城市已经开始采用盾构法来施工地铁隧道，盾构法在国内逐渐开始发展普及。 盾构施工法与矿山法相比具有的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。其主要施工程序为：1、建造盾构工作井2、盾构机安装就位3、出洞口土体加固处理4、初推段盾构掘进施工5、隧道正常连续掘进施工6、盾构接收井洞口的土体加固处理7、盾构进入接收井解体吊出 盾构施工与矿山法施工具有以下优点：1、地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；2、自动化程度高、劳动强度

29、低、施工速度快；3、因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；4、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围可不受施工影响；5、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候影响；6、对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；7、在费用和技术难度上不受覆土深度影响。盾构法施工也存在一些缺点：1、一次性投入大，施工设备费用较高；2、覆土较浅时，地表沉降较难控制；3、用于施作小曲率半径（R20D）隧道时掘进较困难。 22盾构机的选型盾构施工法大体上分为开放式和封闭式两种。开放式就是没有隔墙而工作面开放的盾构，考虑到确保工作面稳定、高压气下的作业环境等问题，目前已基本上不再采用这个方法。

30、封闭式盾构是一个设有隔墙且用土或者泥水充满其室内，使土或者泥水保持一定的压力，以获得稳定的工作面的机械挖掘式盾构，即使在复杂围岩条件下，原则上也不需要实施辅助施工方法。由于可以控制工作面的稳定，所以对周围地基的影响小，目前，在施工中使用的绝大部分都是封闭式盾构。根据工作面保持方法的不同，封闭式盾构又分为土压式盾构和泥水式盾构。另外，根据是否有将挖掘出的沙土泥土化的添加剂注入装置，又将土压式盾构细分为土压盾构和加泥式土压平衡盾构。加泥式土压平衡盾构适用的土质为冲积砂砾、水、淤泥、粘土等固结度较低的软地基、洪积地基以及软硬相叠地基等，从土质面积来看它的适用范围最广。但是，在高水压地基中，仅仅用螺旋

31、输送机往往难以满足施工要求，所以有必要考虑安装各种压力送料装置、改良挖掘地质的性状等措施。泥水式盾构，其泥水压管理比较容易。由于可以通过选择不同的土质范围比较广，比如冲积砂砾、沙、淤泥、粘土层或者叠层中地基结构松软层、含水量较高而工作面不稳定层、以及洪积砂砾、沙、淤泥、粘土层，或者相叠层中水分较多，有可能由涌水引起地基崩坍层等。但是，在透水性较高的地基、巨砾地基中，工作面的稳定往往比较困难，所以有必要考虑采用辅助施工法。另外，还需要一定的基地面积，以保证安放泥水处理设备。盾构分类表按开挖方式分按挡土形式分按工作面加压方式分1、 手掘式2、 半机械式3、 机械式1、 开放式2、 密闭式1、 气压

32、式2、 泥水式3、 土压平衡式（削土、加泥）与其它隧道施工方法不同，盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、地下水条件、隧道断面大小、区间线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种条件的专用机械。也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。 盾构机在地下的施工是不可后退的。当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改。除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改。从这两点可知，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的最关键的环节。为了

33、设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型工作。可根据下述流程图进行考虑：盾构选型流程图：根据设计断面选择盾构根据衬砌类型选择配套系统装配式衬砌挤压式砼衬砌砼供给系统衬砌安装机械系统工作面稳定不好时讨论工作面是否稳定测定水压、松弛土层或围岩压力现场原位地层工作面稳定程度辅助工法种类及适用性的校核：压气工法；降水法；化学注浆法；冻结法。地质条件以外的条件：工期；外径、机长；造价；环境因数；沿线条件；基地条件；设计线路，线型条件；给排水条件及通风条件。机种及辅助工法的综合比较分析盾构的选定在国内，由于受工程造价及竖井用地面积和挖掘土处理的影响，大部分都选用加泥式土压平衡盾构。根据本工程的复杂的

34、地质条件和狭小的施工场地等原因，我们选择了德国海瑞克公司土压平衡盾构机(6250mm)。三. 土压平衡盾构机31盾构主体组成盾构机主要由刀盘、主盾体、螺旋输送机、管片拼装机、液压系统、皮带输送机、操作系统、四节后配套台车组成。1、刀盘设计如同一个切削盘体带有大的进料槽。刀盘面开口率为33。一个很厚的法兰板带3根支承条辐臂用来连接刀盘体与主驱动部件。3根支承条辐臂为厚壁管筒，八根泡沫剂管通过支承条辐臂连到刀盘面板上。根据海瑞克之前在深圳的项目经验，以对深圳地质的了解，采用安装了17”单刃滚刀、刮刀和铲刀的新刀盘。该刀盘设计对于从软土到中硬岩的地质状况是最佳的。在海瑞克刀盘设计里，中硬岩刀具 （滚

35、刀）可以根据地质情况换成软岩刀具（齿刀）。海瑞克公司对于刀盘设计选择了经过验证的适用于类似地质状况的掘进技术：海瑞克公司建议使用闭式刀盘从而使隧道开挖面获得机械支撑（包括某些检查刀盘的时候）并尽可能多的阻止大块的孤石进入开挖舱，否则，这些孤石有可能阻塞螺旋输送机。在正常的工作环境下，在硬岩地层中掘进时，刀盘、刀座和刀盘支承结构能够抵抗高达150MPa的硬岩，不会出现刀盘变形及超出正常的磨损。选择用于这项投标项目的刀座适合用于中硬岩隧道的工程项目。这种刀座为重载型铸件及高强度设计。边刀：根据经验，边刀的数量对掘进操作有重要的影响：贯入度：减少对刀刃的磨损；建议安装尽量多的边刀，留出可以接受的大的

36、开口率。海瑞克公司研究了刀盘设计：使其能够降低对刀具的磨损、保护刀盘的钢结构、能够实现高的贯入度、幅轮式设计以使每个旋转方向都有4个碴土出口、2个旋转方向(左/右)、刀盘前面4条独立的泡沫注入管用于渣土改良以降低磨损 (4条备用的泡沫注入管)、重型刀盘设计（前板厚50mm）、刀具/刀盘配有专门磨损保护 (例如刀盘面上焊有有hardox 板，外圈上有耐磨格条)。海瑞克公司生产的专用17”单刃滚刀连接到主驱动的牢固连接臂保证了刀盘良好的稳定性。出渣通道的专门几何设计使开挖舱的出渣更加容易，90°角渐变能够防止渣土沉淀，大的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域，这样便于将挖掘的物料运输到开挖

37、舱。渣土开口设计限制大于约520mmx290mm的石块进入。这些石块可以通过螺旋输送机运出去。 钢结构材料为S355J2G3质量标准(中国质量16MnR)。 结构：刀盘设计有8根辐臂，中心块为焊接方式，后面有4根支撑臂与主驱动和宽阔进料通道相连。刀盘在下列的开口边缘备有所需的刀具以便于将挖掘的物料运输到开挖舱： 刀盘中心的径向开口边缘 刀盘外圆周的开口边缘 中心回转体上配有注射调节土壤介质的通道。 中心回转体有四条泡沫/膨润土通道。 切削刀具：根据经验和专业设计技术，刀盘设计和安装都是精心设计的，这样能够预防刀具和刀盘的磨损。刮刀安装在碴土通道的一侧。滚刀/齿刀将在正面及外围区域使用。滚刀/齿

38、刀一般都比刮刀高35mm，滚刀/齿刀基本刃间距为不大于100mm。 刮刀：共48把，宽度160mm；可以从刀盘后面更换刀具；高质量的碳质刀刃。 铲刀：共8把，独创的刀盘设计包括安装在刀盘幅臂外缘的铲刀。它们可以双向进行开挖。铲刀的设计保证了快速、清洁的开挖；同时保证了开挖直径的稳定不变。铲刀用可更换的螺纹固定到钢结构上，因此，可以被单独更换。 超挖刀：刀盘上安装了1把超挖刀。该超挖刀可装配软或硬岩刀具。安装的超挖刀通过一个行程50mm的油缸进行操作。超挖刀的伸缩则在主控室内控制 耐磨保护 采用以下耐磨保护方法： 刮刀：软土齿形刀具有高耐磨的钢刀体和高质量的碳化切削边缘。刀齿的支撑有硬质堆焊层保

39、护。 铲刀：铲刀的前刀面硬质堆焊到切削边缘，同时刀具后端由碳化衬片保护 滚刀：滚刀带有高度耐磨的切削环，支撑有硬质堆焊保护。 刀盘：刀盘上某些极易磨损的部分安装了特殊的耐磨保护：圆周有耐磨保护环；刀盘面上焊有耐磨保护。 刀具更换所有的滚刀，刮刀和铲刀都可以在隧道内从刀盘后部更换。料槽和土仓相连，料口最大内宽为300mm。这样就保证了通过刀盘面的土料块就完全能通过螺旋输料机。（螺旋输料机能通过的最大块体尺寸为270mm）。一个旋转连接副用于向刀盘面输送入添加物（如泡沫等），安装于刀盘中心部位。刀盘驱动为全液压式。三台电动机驱动液压泵，每台功率315KW。三台泵装于后配套台车上，8套液压变量马达驱

40、动减速箱。通过变量泵与变量马达的配合，刀盘转速可在O至4.5rpm之间优化运转。最大刀盘扭矩为4400KNm。最大转速4.5rpm。刀盘可以正反两个方向旋转。刀盘驱动用螺栓安装在压力舱壁上，主要部件如下： 齿轮箱、主轴承、密封支撑、刀盘安装法兰环、密封压紧环、内外密封系统、小齿轮，齿轮马达和轴承。2、盾体由三部分管形筒体组成：前盾体；中盾体；尾盾。 前体和与之焊在一起的承压隔板作为刀盘驱动的支承，压力通过前体作用到开挖面以起到支撑开挖面的作用。前体部分也起到平衡由刀盘作用于土层而产生的力，前盾土仓侧装有五个土压传感器，盾构机掘进时在操作室中可以随时观察到土仓中土体的压力。用于驱动刀盘的八个液压

41、马达安装在前盾上，八套三级液压驱动变速齿轮箱带有齿轮油注入孔及水冷却系统。前盾装有气闸，可以使工作人员从承压隔板上的门进入开挖室检查或更换刀具。 中体上安装30个推进千斤顶，油缸都沿圆周装于中体前法兰上，顶杆侧支承端装有橡胶垫。推进千斤顶在与管片接触端装有支承靴，通过支承靴作用一环的管片环上，它们可以通过单个控制或分组控制以达到调整掘进方向的功能。 尾盾焊接成一个整体，通过被动跟随的14个铰接式油缸与主盾体相连。尾盾后端焊有三排钢丝刷环，三排钢丝刷环围成两个密封室。钢丝刷环的内径比管片的外径小很多，这样在盾构机掘进时钢丝刷环压在管片外表面，钢丝刷环之间不断地被注入密封油脂形成一道完整的密封，防

42、止地下泥水侵入盾体里。二号台车上装有活塞泵，用于泵入尾盾密封用油脂。3、螺旋输送机斜穿盾体，前部由连接法兰装于前盾承压隔板上，从土料仓底部进料到与皮带机连接处的出料口倾斜安装，倾角为约17度。螺旋壳体上设有总共3个R2的连接件，用于泡沫剂、水等注入。根据螺旋体及中心轴尺寸，单边通过最大块体尺寸为270毫米。4、管片拼装机位于尾盾。管片安装机安装在盾尾区域，用来安装衬砌管片。安装机所具有的各种动作进行了专门调节以使管片精确就位。管片安装机能拼装通用环管片和普通环类型的管片。它主要的运动构件的功能均可通过比例控制来实现。所有方向的运动均进行了可靠的计算，保证足够功率，以使各管片达到精确安装。管片安

43、装机由以下构件组成：悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头。5、皮带运输机用来把螺旋输料机排出的土料运至运料车。皮带运输机做成一个整体部件，包括电驱动单元。橡胶输送带装有横向滚轮。皮带运输机的主要组成部件为：带式结构；排料段；拉紧装置。6、后配套台车门架台车系统主要由以下部分组成：移送管片的电动葫芦；轨道；4节门架台车，上面安装盾构操作所需的液压、电气部件，还有运料车装料站、高压电缆卷盘、软管卷筒、通风管、操纵室、壁后注浆设备、泡沫与加泥装置。 1号门架台车上装有以下设备：主驱动液压动力站，液压油箱；操纵室；管片吊装用的电动葫芦；同步壁后注浆设备；主轴承润滑、密封脂注入的注脂泵；皮带输送器； 2号

44、门架台车上装有以下设备：用于推进、管片拼装机、螺旋输料机及附属设备的液压动力站；油冷却和过滤站；膨润土加入设备；吊车轨道。 3号门架台车上装有以下设备：泡沫发生装置；电气配电柜；空气压缩机。 4号门架台车上装有以下设备：变压器；中压开关；皮带输送机；辅助物件运输用吊车滑轨；皮带机支撑及卸料点；高压电缆绕线盘；软管绕管盘；。7、电气系统：高压到低压由变压器完成。变压器为密封式,户外型，功率2000 KVA；初级电压10KV ；次级电压0.4KV；频率55 Hz；保护等级最小IP 55。8、控制系统：西门子S7 PLC为控制系统关键部件，用于控制TBM的主要功能。安装于操作员控制台，在配电柜里装有

45、远程接口，PLC系统与控制台的工业计算机接口，通过测量数据采集系统可归纳：“记录、处理、存储、显示和评判盾构掘进机运行中的所有关监控参数”。9、SLS-SL/HRL激光导向系统：VMT公司生产的SLS-SL/HRL激光导向系统是为TBM按设计线路掘进而开发的系统，本系统为TBM高精度地沿着设计路线掘进提供各种所需的必要信息，SLS-SL/HR迅速成为世界范围内TBM广泛使用的标准导向系统。现场实践证明SLS-SL/HR导向系统是一套具有各种必要功能的完美的导向系统。本系统硬件连接简单，不需要复杂的电缆及部件连接。任何一个经过培训的技术人员均可以很快地掌握该系统的配置。值班工程师不用测量员在场就

46、能完成SLS-SL/HR的全部操作（包括激光站的前移），测量人员可以把工作重点放在控制测量方面。 10、泡沫生产系统：这个系统用于泡沫的控制、生产和泵送，泡沫生产是在泡沫发生器里通过机械混合空气、水和泡沫来实现。泡沫是一种调节介质，适合于靠土压支持的盾构在掘进过程中泥土粘性非常高的意外情况。泡沫可以增加泥土的流塑性，避免泥土附着于刀盘表面，减小刀具磨损、降低刀盘和螺旋输送机扭矩。泡沫发生系统由以下部件组成：刀盘上有8个注入点、土舱压力板上有4个注入点、螺旋输送机上有4 x 2个注入点、1个水泵7m3/hr (离心式)、1个 泡沫泵 300ltr./h (螺杆式)、混合液控制装置、压缩空气控制装

47、置、4个泡沫发生器、测量装置及其控制、用水冲洗时的切换装置。泡沫发生系统11、注浆系统：管片外表面与土层之间的环隙注浆由4根注浆管完成。一号台车上安装两台注浆泵，每台注浆泵有两个出料口和注浆管连接。盾构机掘进时，注浆泵开始工作，注浆材料被泵送到盾尾后端，及时添充管片外表面与土层之间的环隙，注浆量可由理论计算和注浆压力确定，同步注浆保证了成环管片在土体中的姿态。砂浆在地面准备，通过带搅拌器的砂浆车（由用户提供）输送到后配套系统上的砂浆搅拌罐中。砂浆转运泵（由用户提供）安装在砂浆罐车上，砂浆转运泵将砂浆车里的砂浆输送到后配套拖车的砂浆罐中。一般来讲, 砂浆里有适量的阻凝剂以防止砂浆在注浆前凝固。掘

48、进期间，注浆泵吸取砂浆罐的砂浆并将其注入盾尾管片与隧道的间隙中。砂浆泵从TBM上的砂浆罐向管片外环间隙注射砂浆，通过行程计数器和压力传感器控制，压力传感器连接到PLC以控制泵的速度，进而控制环间压力在预定的范围内。注浆设备：2个双活塞注浆泵共有4个独立压力出口,安装在后配套右侧，每个压力出口直接接在注浆管上并由压力传感器监视。注浆泵的注浆量可以根据所需来设定。这是由带有流量计的液压泵来实现的。注浆泵的砂浆通过工地提供的砂浆车来供给。 在每次注浆循环的结束，膨润土将被注入来清洗注浆管，这样来维保并能够阻止注浆管发生堵塞。在盾尾内表面上有维保口。通过它们可以检查注浆管内是否有堵塞情况。如果注浆管内

49、发生了堵塞情况，将使用高压水对注浆管进行冲洗，来去除堵塞。12、人闸和压缩空气设备 人闸：双室人闸仓的连接法兰安装在前盾上。连接法兰的结构与盾体和刀盘驱动装置的半径相对应。通过连接法兰能使人穿过舱壁密封门进入土仓，此门的直径为600mm。双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开。人闸仓的设计是按EN 12110标准。装在盾体上的压缩空气系统用于调节开挖面的支撑压力和调节人闸仓的空气压力。人闸工作，泡沫系统和工作时使用的刀具所需的压缩空气系统装在后配套上。压缩空气设备包括：电动螺旋式的空压机 10m3/min 7.5 bar 55kW、1台空气罐1000升、空气调节器、压力传感器、控制阀、安装

50、设备、工业空气可呼吸空气（双管路更加安全；一条运作，一条备用）。32加泥型土压平衡式盾构机的主要特点结构先进，自动化程度高，采用了国际盾构最新技术。开挖、出渣、衬砌均以液压为动力，易于控制、调整各种作业。施工效率与可靠性高；安全性能好。装备各种监控、传感、控制装置。设备的控制、仪表及监控系统均在盾构控制室内控制。控制室控制台有良好的视野，便于观察刀盘出料、管片安装。设有水平侧滚监控系统，甲烷气体监测报警系统等。采用防爆电机等电气防护措施。设有铰接液压油缸、超挖刀，盾构可以在垂直、水平方向上进行各种调整，能按设计要求完成曲线开挖。刀盘为混合式结构，既可适应较硬地质，也适应软土地层。机器功率强大、

51、结构牢固、操作方便、安全可靠，适应地质条件范围广。33盾构机关键技术参数计算 1、计算原理盾构千斤顶应有足够的推力克服盾构推进时所遇到的阻力。这些推进阻力主要有： 盾构四周与地层间的摩阻力或粘结力； 盾构切口环刃口切入土层产生的贯入阻力； 开挖面正面作用在切削刀盘上的推进阻力； 在盾尾处盾尾板与衬砌间的摩阻力； 盾构后面台车的牵引阻力。以上各种推进阻力的总和用下式表示，在使用时，须考虑各种盾构机械的具体情况，并留出一定的富余量，即为盾构千斤顶的总推力。 2、盾构千斤顶的总推力 盾体的摩擦力WM: WM·2·r·l(pvph) ·0.5Gs其中，摩擦系数0

52、.25(经验值); 盾构半径r3.125m； 盾体长度l7.8m; 垂直荷载pv（kN/m²）; 水平荷载ph（kN/ m²）; 盾构自重Gs 37000 kN； 盾体上分布的荷载包括垂直土压力pv和水平土压力ph； pv（285297）/2291 kN/m² ph205 kN/m² WM0.25×2×3.125×7.8×(291205)×0.53700 10420 kN。 刀盘推力WBA 48把刮刀，34把滚刀（相当于68把刮刀）和8把铲刀（相当于64把刮刀），每把可承受9.4 kN。 WBA（4868

53、864）×9.41692 kN。 盾尾在管片上的拉力Fs Fs10 kN/m(经验值) 则Fs2×3.0×10189 kN。 后配套系统拉力FNL 取FNL750 kN。 开挖面支撑压力FSP FSP400×（6.25²/2×）12272 kN。 油缸推力F F1042016921897501227225323 kN。 考虑到纵向坡度和曲线开挖及其它因素，推力增加50%，盾构最小推力应为W=1.5F =1.5×25323=37984.5 kN 推力的经验计算 F=pS=（5001200）×D24=4×6.252×（5001200） =1534036816 kN 本盾构机的总推力为39914kN，满足理论计算值和经验值范围要求。 盾构推进功率 盾构最大推进功率