隧道施工(第二版)-宋秀清-主编第十二章掘进机与盾构(改)

1、第十二章 掘进机与盾构本章学习的内容：掌握掘进机的结构组成；盾构的构造与分类。重难点：重点：掘进机和盾构机的构造，分别适用的地质情况；难点：掘进机与盾构机的区别。1 1 掘进机掘进机2 2 盾构法施工盾构法施工目 录12.1 掘 进 机一、掘进机的概述隧道掘进机（简称TBM）是一种机械化的隧道掘进设备。掘进机法是利用掘进机切削破岩，开凿隧道的施工方法。掘进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点。世界上采用掘进机施工的隧道已有1000余座，总长度在4000km左右。二、掘进机的类型1、开敝式掘进机一般而言，开敝式掘进机要适合于硬岩隧道的开挖。（1）单支撑式掘进机二、掘进机的类型（2）双支撑式掘进机二

2、、掘进机的类型2、护盾式掘进机护盾式掘进机在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑，围岩由于有护盾防护，在护盾长度的范围内，不暴露。因此护盾掘进机更适用于软岩。（1）单护盾掘进机双护盾掘进机在软岩及硬岩中都可以使用。当它在自稳条件不良的地层中施工时，其优越性更突出。二、掘进机的类型（2）双护盾掘进机Single Shield TBM 护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机二、掘进机的类型Double Shield TBM 可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；辅助推进油缸；管片二、掘进机的类型Gripper TBM支撑鞋；钢支架举升器；锚杆安装机构；钢筋网举升器二、掘进机的类型其基本

3、构造有刀盘开挖系统、支撑与推进系统、后配套等三大部分。1、刀盘刀盘具有足够的强度和刚度。从而使施加在刀盘上的推力平均分配到全部盘形滚刀上，使它们达到同时压挤岩石至同一深度，并使掘进机处高效率运转状态下。三、掘进机的基本构造一般掘进机能提供的支撑反力就是刀盘额定推力的3倍左右（秦岭隧道为60000KN），足够大的支撑反力是保证在强大推力下掘进时，刀盘有足够的稳定和正确的导向，并三、掘进机的基本构造2、支撑与推进系统（1）支撑系统有利于刀具减少磨耗。开挖刀盘推进力是按照每把盘形刀所能居爱的推力和盘刀数量来决定的，目前较为成熟的确良17英寸盘形刀，可承受的推力为250KN。隧道掘进机的推进是通过交叉

4、换步实现掘进循环的。后配套设备包括液压传动站、变电设备、开关柜、主驾驶室、通讯系统、备用发电机、空压机、通风系统、喷射混凝土设备、围岩加固堵水注浆设备以及供水系统。三、掘进机的基本构造（2）掘进机的推进方式3、后配套设备(1) 管片式衬砌其优点是：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低，支撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推力反力(2) 二次混凝土衬砌二次混凝土衬砌，根据地地质条件可用喷射混凝土做为永久衬砌四、掘进机施工 1、掘进岩石隧道掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。掘进时盘形刀沿岩石开挖面滚动，同时通过刀盘均匀地在每个盘形刀上对

5、岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩的。2、衬砌施工掘进机施工的隧道，其衬砌结构一般是初期支护和二次衬砌组成。拼装管片衬砌示意图模筑混凝土衬砌四、掘进机施工 为了满足不良地质的要求，掘进机可安装一些设备进行特殊功能作业。加装的地质超前钻机安装在主机顶部、刀盘后部的平台上，它在主机停机时进行掌子面前30m的超前钻孔，以预报前方地质情况，为掘进提供可靠消息。超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，以对围岩进行预先加固.TBM超前支护示意图四、掘进机施工 3、不良地质地段施工12.2 盾构法施工一、盾构机原理及发展1、盾构施工的基本原理盾构，英文名称为“shield machine”，它是一种具有金

6、属外壳的筒状机械，主要用于软土隧道暗挖施工，在金属外壳的掩护下盾构可以同步完成土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，将隧道一次开挖成形。2、盾构法施工的主要技术特点（1）对周围环境的影响很小。（2）盾构是根据隧道施工对象“量身定做”的。（3）对施工精度的要求高。（4）盾构施工是不可以倒退的。1806年，法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）从蛀虫在船板上蛀孔成洞的过程中得到启示，提出了使用盾构掘进隧道的构想，并注册了专利。在1823年制作了世界上第一台盾构机，用于修建伦敦泰晤士河隧道。布鲁诺尔设计的手掘式盾构一、盾构机原理及发展3、盾构施工的发展1963年，第一

7、台国产盾构正式问世到2008年4月，中铁隧道集团在引进消化吸收和自主创新的基础上，研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡式盾构。在短短的60年中，我国的盾构由无到有，在引进推广的同时坚持自主研发，当前，我国已经掌握了多种类型盾构的设计制造技术，盾构已被广泛应用于国家基础建设的各个领域尤其是地铁工程建设中，我国的盾构产业已经初具规模。一、盾构机原理及发展3、盾构施工的发展二、盾构机的构造与分类1、盾构机的构造（1）盾壳 1）前盾 2）中盾 3）盾尾（2）开挖系统1）刀盘与刀具有切刀、齿刀、滚刀及各种辅助刀2）主轴承与驱动系统主轴承与刀盘连接，为刀盘旋转与开挖提供动力。主轴承的动力来

8、源于其驱动系统，常见的驱动系统主要有变频电动驱动和液压驱动等。目前广州比较多采用的盾构机刀盘配备了17寸的单刃滚刀31把、 17寸的中心双刃滚刀4把、1把行程为50mm的超挖刀、64把切刀、8把刮刀。二、盾构机的构造与分类1）刀盘和刀具切 刀二、盾构机的构造与分类17寸单刃及双刃滚刀二、盾构机的构造与分类刮 刀二、盾构机的构造与分类超 挖 刀二、盾构机的构造与分类 推进系统 导向系统管片装运系统 壁后注浆系统 出渣系统 后配套系统皮带输送机出渣螺旋输送机二、盾构机的构造与分类2）主轴承与驱动系统刀盘驱动系统由三个315kW的电机驱动液压泵为刀盘后方的8个液压马达提供动力，这8个液压马达又带动其

9、相应的小齿轮来驱动大齿圈从而实现刀盘运转。 二、盾构机的构造与分类刀盘驱动系统二、盾构机的构造与分类主轴承大齿圈二、盾构机的构造与分类主驱动电机及液压泵推进系统由一个75kW的电机驱动液压泵提供动力，驱动20组油缸共30个千斤顶实现盾构机向前推进。二、盾构机的构造与分类推进系统（1）按断面形状分类单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构，其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。 单圆盾构 多圆盾构 矩形盾构 二、盾构机的构造与分类2、盾构机的分类 球形盾构 异性盾构 （2）按支撑条件分类盾构按支护地

10、层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式五种类型。二、盾构机的构造与分类盾构法施工的概貌其主要施工步骤为：（1）在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；（2）盾构在起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和安装衬砌管片；（5）及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置；（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。三、盾构施工1、盾构法施工程序以防止开挖面泥浆流失。目

11、前常用的密封止水装置如图所示，其中a为滑板式结构；b为铰接式结构。9080200120702030650503012 16防倒钢滑板1516橡胶密封板a 滑板式盾构内径盾构外径M20螺母140106565050505070206盾构内径盾构外径防倒装置M20螺母橡胶密封板b 铰接式2012 16图8-27 密闭止水装置密闭止水装置三、盾构施工2、盾构掘进（1）盾构密封装置和盾构出洞顺序土体开挖方式根据土质的稳定状况和选用的盾构类型确定。具体开挖方式有以下几种。1）敞开式开挖在地质条件好，开挖面在掘进中能维持稳定或采取措施后能维持稳定，用手掘式及半机械式盾构时，均为敞开式开挖。开挖程序一般是从顶

12、部开始逐层向下挖掘。2）机械切削开挖利用与盾构直径相当的全断面旋转切削刀盘开挖，配合运土机械可使土方从开挖到装运均实现机械化。三、盾构施工（2）土体开挖与推进3）网格式开挖开挖面用盾构正面的隔板与横撑梁分成格子，盾构推进时，土体从格子里是条状挤入盾构中。这种出土方式效率高，是我国大、中型盾构常用的方式。4）挤压式开挖挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或部分出土，对地层有较大的扰动，施工中应精心控制出土量，以减小地表变形。三、盾构施工（2）土体开挖与推进（1）衬砌施工（2）衬砌防水1）管片防水管片外防水涂层需根据管片材质而定，对钢筋混凝土管片而言，一般要求： 涂层应能在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压

13、摩擦下不损伤； 当管片弧面的裂缝宽度达0.3mm时，仍能抵抗0.6MPa的水压，长期不渗漏； 涂层应具有良好的抗化学腐蚀性能、抗微生物侵蚀性能和耐久性； 涂层应具有防迷流的功能，其体积电阻率、表面电阻率要高； 涂层要有良好的施工季节适应性，施工简便，成本低廉。 管片拼装。推 进 方 向环 向 螺 栓 孔纵 向 螺 栓 孔图 8-20 管 片 拼 装三、盾构施工3、衬砌施工与衬砌防水 弹性密封垫防水管片粘性密封材料底涂料管片底涂料底涂料粘性密封材料聚氯丁烯管片管片海绵状弹性密封材料底涂料图8-32 日本的密封垫类型日本的密封垫类型图 7-33 国 产 密 封 垫 型 式图 8-31 4孔 形 密

14、 封 垫四孔形密封垫 国产密封垫三、盾构施工2）管片接缝防水 接缝嵌缝防水52055R50工字型膨胀控制材水膨胀性腻子适用于变形缝处YJ-302界面处理剂氯丁胶乳水泥聚乙烯工字型膨胀控制材环缝（变形缝）1719821157 56.56611666.5 48R5R2.534.55.57.59.5水膨胀型胶（后2mm）氯丁橡胶环缝（变形缝）聚乙烯嵌条齿形嵌链条图8-34 接缝嵌缝防水构造图接缝钳缝防水构造图 接缝注浆 螺栓孔和压浆孔防水三、盾构施工为了防止隧道周围土体变形，有效控制地面沉降，在盾构施工中应及时对盾尾和管片间的空隙进行压注浆液，以增强隧道结构的整体防水性能，并改善隧道衬砌的受力状态。

15、 目前，衬砌背部注浆，一般都采用在衬砌脱出盾尾及盾构掘进时的盾尾同步注浆，且在60min内完成。盾尾注浆装置如图，它是在盾尾的表面设置了若干块凸板，每个凸板内装置一根同步注浆管，一根备用管，一根为盾尾密封刷的油膏注入管。L型密封衬砌U型密封水压掘进时密封交替空气衬砌水压图8-30 盾尾密封装置盾尾密封装置三、盾构施工4、盾构注浆室密封剂泥浆管片泥浆刷式密封1刷式密封3刷式密封2尾部机壳三、盾构施工盾尾密封：由三道钢板密封刷组成三、盾构施工盾尾密封刷三、盾构施工注浆系统三、盾构施工盾尾注浆管路1）地表变形的规律盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形，一般在盾构前方约与盾构埋深相等的距离内地

16、表开始产生隆起，在盾构通过以后地表逐渐下沉，其下沉量随着时间的推移由增加而最终趋于稳定，其变形规律如图所示。盾构前部变形盾构位置盾构推进距离45最终沉降量二次沉陷初次沉陷隆起沉陷（沉陷量）图8-36 地表变形纵向沉降规律地表变形纵向沉降规律三、盾构施工5、盾构法施工地面沉降机理和防治（1）地面沉降机理2）导致地面沉降的因素盾构法施工中，导致地面沉降的主要因素有以下几种： 盾构掘进时，开挖面土体的松动和崩塌，破坏了地层平衡状态，造成土体变形而引起地表变形。 盾构法施工中应采用降水疏干措施时，因地下水浮力消失，土体自重压力增加，地层固结沉降加速，引起地表下沉。 盾构尾部建筑空隙充填不实导致地表下沉。施工纠偏及弯道掘进的局部超挖，均会造成盾构与衬砌间建筑空隙的不规则扩大，而这些扩大量有时难以估计或无法及时充填，给地表下沉带来影响。三、盾构施工（2）地表变形及隧道沉降的控制盾构法施工中做不到完全防止地表变形，但能够设法减少地表变形并使地表下沉得以控制，可以采取如下措施：1）采用灵活合理的正面支撑结构或适当压力的压缩空气来疏干开挖面土层，以此保持开挖面土体的稳定。2）采用技术上较先进的盾构，如土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构、复合式盾构等。基本不改变地下水位，严格控制开挖面的挖土量，防止超挖。三、盾构施工3）及时、有