第四章盾构施工技术第13节

第四章盾构施工技术第13节第1页/共122页第2页/共122页二、盾构法主要施工程序1、建造盾构工作井2、盾构掘进机安装就位4、初推段掘进施工5、掘进机设备转换6、盾构连续掘进施工8、盾构进入接收井，并运出地面7、接收井洞口土体加固3、出洞口土体加固第3页/共122页三、盾构法施工的优缺点优点：1、作业场地小，因噪音、振动引起的环境影响小；2、在盾构保护下开挖和衬砌，施工安全；3、隧道施工不影响地面交通或水上航道；4、地下施工不受气候影响；5、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快（一般6m/d,最高12m/d）。第4页/共122页缺点：1、施工设备费用较高（直径6m土压平衡盾构机约500万美元，直径6m复合盾构机约800万美元）；2、短于750m隧道施工不经济；3、覆土较浅时，地表沉降较难控制；4、衬砌结构防水要求高；5、曲率半径较小的曲线段施工较困难。第5页/共122页适用范围：适用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤其适用于城市地下隧道工程。水底公路隧道；地铁区间隧道；排水污水隧道；引水隧道；公用管线隧道。第6页/共122页第7页/共122页第8页/共122页第9页/共122页已建成的地铁人行通道第10页/共122页地铁区间隧道第11页/共122页市政工程隧道第12页/共122页过江电缆隧道第13页/共122页第14页/共122页三、盾构法隧道技术的发展历史1、国外盾构隧道的发展

*1818年，法国的布鲁诺(Brunel)从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想，并获得发明专利。*1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）,世界上第一条盾构隧道。*1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。*1869年，英国的巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构和铸铁管片，在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。第15页/共122页*1874年，英国的格雷塞德(Greathead)较完整提出了气压盾构法施工工艺，首创盾尾空隙压浆的辅助工法，并用于伦敦地铁南线内径3.2m隧道施工。*1880～1890年，在英国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成直径6.4m、长1800m的水底铁路隧道。*1896年，开始应用刀盘式机械掘进盾构。*20世纪初，美国、英国、德国、苏联、法国等国开始采用盾构法修筑地铁和水底公路隧道。*1940年后，苏联用直径6.0～9.5m盾构在莫斯科和列宁格勒修建地铁。第16页/共122页*1939～1942年，日本首次用盾构施工国铁关门隧道工程（盾构直径7.18m，隧道长度725.8m）。*1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。*1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。*1987～1991年，英国、法国采用11台盾构掘进50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进21km的记录。*1989～1996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条隧道各长15.1km。第17页/共122页英法海峡隧道示意图第18页/共122页第19页/共122页2、我国盾构法隧道技术的发展*

50年代，东北阜新海州露天煤矿首次采用直径2.6m手掘式盾构在沙土层施工疏水巷道。*1957年，北京市政工程局采用2台直径2.0m和2.6m手掘式盾构进行城市下水道施工。*1963年，上海隧道工程股份有限公司在软土地层进行直径4.2m手掘和网格盾构的浅推进和深推进工程试验。*1965年，上海采用直径10.22m网格挤压盾构掘进国内首条水底公路隧道－打浦路隧道，掘进长度1322m。第20页/共122页*1985～1988年，上海采用自行研制的直径11.33m网格型水力出土盾构掘进机施工延安东路隧道，掘进长度1476m。*1985～1986年，上海引进日本川崎重工制造的直径4.33m小刀盘土压平衡盾构掘进芙蓉江路排水隧道1656m。*1987~1989年，上海研制了国内首台直径4.35m土压平衡盾构，掘进完成穿越黄浦江底的市南站电缆隧道583m。技术成果获国家科技进步一等奖。第21页/共122页*1991～1993年，上海与法国FCB公司合作设计制造7台直径6.34m土压平衡盾构，完成上海地铁1号线78km区间隧道掘进施工。*1995～1997年，上海引进日本三菱重工直径11.22m泥水加压盾构掘进延安东路隧道南线工程1300m主隧道。*1996～1998年，广州引进日本1台直径6.14m土压平衡盾构和2台直径6.14m泥水加压盾构，完成广州地铁1号线8.8km区间隧道掘进施工。第22页/共122页*1999年，上海研制国内首台3.8m×3.8m组合刀盘型矩形土压平衡盾构，掘进104m地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道。*1999年，北京市政总公司引进日本石川岛播磨直径3.6m土压平衡盾构，完成亮马河排水隧道工程。2000年，广州地铁2号线采用改制的直径6.14m复合型土压平衡盾构，进行风化岩地层中的区间隧道掘进施工。武汉长江隧道，2004年11月—2008年12月试通车。全长3630m，设计为左右道隔离双向4车道公路隧道。采用风格NFM公司生产的11.38m泥水加压平衡盾构和复合刀具，实现长距离不换刀掘进。第23页/共122页第24页/共122页第25页/共122页第26页/共122页第27页/共122页上海长江隧道，长江首条公铁隧道。2004年12月28日启动，08年9月6日双线贯通。全长8950m，水域隧道长7500m，双管双向6车道，单管外径15.0m,内径13.7m，采用德国海瑞克公司泥水平衡盾构机，直径15.43m，目前世界上直径最大的盾构机（盾构隧道）。北桥南隧越江工程第28页/共122页上海长江隧道第29页/共122页上海长江隧道第30页/共122页南京长江隧道，2008年1月开挖，2009年8月22日贯通。双向六车道，长3825m，采用德国海瑞克公司生产的直径14.93m泥水平衡盾构机。第31页/共122页南京长江隧道第32页/共122页第33页/共122页应用各国盾构隧道中，上下水隧道——70%，地铁和水底隧道15%，煤气、电力、通讯隧道15%。盾构技术发展方向大埋深、高水压、大直径、长距离、高速度、异园化、机械化、自动化、可视化、智能化。第34页/共122页第二节盾构的构造盾构基本构造：盾构壳体推进系统拼装系统出土系统第35页/共122页一、盾构壳体组成____切口环、支承环、盾尾三部分第36页/共122页1、切口环（1）位置——盾构最前端，切入土层，掩护开挖作业，长度≤2m；（2）形状——（3）设备——挖土设备（刀盘、挖土机）、排土设施、挡土千斤顶、活动平台等）（4）气压式、泥水平衡式、土压平衡式盾构，在切口环与支承环之间设置密闭隔板。垂直形——刀盘开挖，稳定土层手掘倾斜形——较不稳定土层手掘阶梯形——不稳定土层手掘第37页/共122页2、支承环（1）位置——是连接切口环与盾尾的中间部分；（2）结构——盾构结构的主体，较强刚性的圆环结构。设环向、水平、竖直支撑；承受荷载：地层土压力、千斤顶顶力、管片拼装等施工荷载；（3）设备——推进千斤顶（沿结构外沿布置）、操纵控制室、衬砌拼装机；（4）长度——取决于推进千斤顶长度，一般为衬砌环宽加0.2～0.3m。第38页/共122页第39页/共122页3、盾尾（1）结构——盾构外壳钢板延长，掩护隧道管片拼装；（2）盾尾装置——密封装置，防地下水、加压泥水、衬砌背后注浆浆液从盾尾流入隧道；密封材料性能要求：富弹性、耐磨损、耐撕裂、耐压力、止水好。

密封装置类型：橡胶密封：L形、U形钢丝束密封：弹簧钢板、钢丝束、密封油脂第40页/共122页二、推进系统

组成——液压系统（液压站、控制系统）、千斤顶群。作用——盾构的前进、方向调整(克服推进阻力)

千斤顶布置——在支承环周圈布置，单台推力，1000kN～2000kN，

行程比管片宽度长10～20cm。推进速度：50—100mm/min

油压：30—40MPa(高液压系统)第41页/共122页第42页/共122页第43页/共122页第44页/共122页三、拼装系统

管片拼装机——把管片按设计位置和形状进行拼装的机械装置；组成——由举重臂和真圆保持器组成；第45页/共122页第46页/共122页第47页/共122页第48页/共122页第49页/共122页四、出土系统1、皮带输送机用于手掘式或半机械化盾构；2、螺旋输送机用于土压平衡盾构或手掘式、半机械化盾构；3、泥浆泵用于泥水加压平衡盾构。半机械化盾构第50页/共122页第51页/共122页土压平衡盾构第52页/共122页螺旋输送机出土土箱运土井口土箱吊运第53页/共122页管片吊运下井◣◢管片水平运输第54页/共122页泥水平衡盾构第55页/共122页第三节盾构分类

盾构分类划分的依据有多种，主要按断面形状和挖掘方法分类。一、按盾构的断面形状分类1.圆形盾构2.半圆形盾构3.马蹄形盾构4.矩形盾构5.眼镜形盾构6.双圆盾构第56页/共122页1、圆形盾构应用最广——能承受较大外压、便于推进和管片安装、盾构转动不影响断面利用。第57页/共122页2、椭圆形特殊隧道（铁路隧道）第58页/共122页3、矩形断面断面利用率高，但盾构刚度小，受力不佳，纠偏困难，少用。第59页/共122页3.8Mｘ3.8M矩形土压盾构及工程应用上海地铁二号线一期工程陆家嘴路车站出入口工程第60页/共122页第61页/共122页4、双园盾构用于区间隧道修建。第62页/共122页双圆盾构隧道技术在上海地铁工程中的应用

上海地铁8号线黄兴路～开鲁路2.6km区间隧道采用双圆盾构，上海隧道工程股份有限公司引进了2台ф6300×W10900双圆盾构掘进机，于2003年8月始发推进，于2003年12月底完成866m区间隧道掘进。Ф6300×W10900双圆盾构掘进机的刀盘为辐条式，开口率较大（80％以上）。第63页/共122页双圆盾构掘进机第64页/共122页盾构尺寸

盾构外径6520mm×11120mm盾构内径6540mm盾构机全长3cm/min盾构机千斤顶

设备数20台+12台总推力68600KN刀盘装置支持方式中心轴支持式旋转数0.8rpm设备扭矩5046KN-m（常用）7570KN-m（最大）驱动方式电动机驱动设备数2台拼装装置旋转角度左右各220°设备数2台仿形刀设备数2台×2超挖量200mm土压计数隔仓部5个双圆盾构掘进机主要参数

第65页/共122页2003年8月8日双圆盾构始发推进双圆盾构管片堆放第66页/共122页

双圆盾构管片拼装双圆盾构管片拼装流程第67页/共122页双圆隧道施工双圆管片拼装第68页/共122页

二、按挖掘方式分为三大类

1.手掘式盾构

1）一般手掘式在切口环前檐及部分挡土千斤顶保护下，人工开挖盾构前方土层的方法。该方法适用于开挖稳定土层。特点：盾构构造简单；施工操作、管理简单；便于纠偏；但劳动强度大，效率低，人员易受正面塌方危险。第69页/共122页第70页/共122页2）挤压式盾构靠强大推力将前方土层全部或部分挤入盾构四周外侧而向前推进。在盾构的前方设置胸板，以挡住正面的土体。分为：全挤压式和局部挤压式（半挤压式）。a.全挤压式盾构——工作面胸板全部封闭不出土，而将盾构经过区域的土挤入到外部。适用于软塑土质。b.局部挤压式盾构——要部分打开胸板，部分土体从胸板土孔挤入盾构。第71页/共122页第72页/共122页3）网格式盾构盾构正面装有钢板网格。推进时，土层切成条状顺各网格挤入盾构内，通过输送机运走，停止推进时网格起挡土作用。网格盾构中网格的作用——防止开挖面塌塌，减小地面沉降变形，在土体较稳定的土层中适用。另外：盾构切口的网格上可布置液压启动闸门，可根据需要随时调节开挖面进土部位和进土量，以控制地面变形和纠偏。第73页/共122页第74页/共122页打浦路越江隧道工程第75页/共122页第76页/共122页第77页/共122页第78页/共122页延安东路隧道工程第79页/共122页2、半机械化盾构在手掘式盾构的正面装上挖土机械，以代替人工开挖。适用于良好地地质条件。特点：半机械式盾构，盾构造价低，效率也较高。第80页/共122页第81页/共122页3.机械式盾构在盾构切口环部分部分装上与盾构直径相仿的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。机械化盾构按稳定开挖面方式不同分：局部气压式；全气压式盾构；泥水加压式盾构；土压平衡式盾构。第82页/共122页第83页/共122页1）局部气压式盾构在盾构的切口环和支承环之间装有封闭隔板，使切口环形成一个封闭仓。仓内通入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，维护其稳定。缺点：在封闭仓、盾尾、管片接缝处易漏气。被泥水加压盾构和土压平衡盾构取代。第84页/共122页2）泥水加压盾构原理——向盾构封闭隔舱里注入调和泥浆，通过泥水压力与外部土压和水压平衡。排土方式——刀盘切削下来的沙土，进入泥水舱，经搅拌装置搅拌形成高浓度泥浆，通过排泥管道由泥浆泵排出，送至地面进行泥水分离，然后泥浆送入地下盾构泥水室，循环使用。泥水作用——泥水压力与开挖面水土压力平衡；在地层表面形成一层不透水泥膜，使泥水产生有效压力；加压泥水渗透到地层，可使渗透区域开挖面稳定。第85页/共122页泥水压力——比地下水压高0.2MPa。泥水容重——1.05~1.25g/cm3。特点——可抵抗水压，连续排土；对地层适应性广。但是盾尾漏水，开挖向状态不明，需较好的动态控制技术（泥水压力、泥水流量、泥水浓度等测定、控制技术，以确定挖土、排土量），需要专门泥水分离设备（设备贵、占用场地）。适用条件——适用范围广：软弱的淤泥质土层，松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层等土层。注意：松动卵石层、坚硬土层会产生漏水，泥水应加胶合剂堵漏。第86页/共122页泥水平衡盾构第87页/共122页泥水平衡盾构泥水处理系统第88页/共122页3）土压平衡盾构该盾构是在上述两种机械化盾构的基础上发展起来的，避免漏气漏水的缺点。原理——用刀盘切削下来的土，经刀盘后的叶片搅拌充满封闭仓，并保持一定压力，以平衡开挖面土压力，减少开挖面土体扰动，控制地表沉降。排土——螺旋输送机出土。螺旋输送机充满泥土，通过调整刀盘转速、推进速度、螺旋机转速来调整切削土量和出土量，并保持土舱压力，使之与开挖面水土压力保持平衡。第89页/共122页第90页/共122页第91页/共122页分类——根据开挖面的稳定机理分为：削土加压式、加水式、高浓度泥水加压式、加泥式4类。削土加压式——在土舱内喷入水、空气或添加混合材料，保证土舱内土砂流动性；加水式——向开挖面加入压力水，保证土的

流动性，平衡地下水压力；高浓度泥水加压式——向开挖面加入高浓度泥水，通过泥水与挖掘土搅拌，保证土的流动性，平衡开挖面土压和水压；加泥式——向开挖面注入粘土材料和泥浆，使挖掘土具有止水性和流动性，平衡开挖面土压和水压。目的——增加挖掘土流动性、止水性，防止其在土舱内压实固结。第92页/共122页优点——①适用性较广（有无水、粘结性、非粘结性、含砾石多种复杂土层）；②施工速度快；③无泥水处理设备，价格低。缺点——①开挖面状况不明，难处理；②刀、刀盘磨损大，寿命短。适用条件——最适用于软弱的冲积土层；砾石层或砂土层中，需加泥土。第93页/共122页应用现状

地铁区间隧道工程的施工已经越来越多地采用先进、安全地土压平衡盾构掘进。上海、广州、北京、深圳、南京、天津，目前有50余台土压盾构用于地铁区间隧道施工，其中90％为ф6.14m—ф6.34m的土压盾构，上海地铁还引进5台ф6.3m×W10.9双圆型土压盾构进行双圆隧道掘进施工。第94页/共122页上海地铁φ6.34m土压平衡盾构

盾构外径6.34m，长6.54m，前端为大刀盘，有6条轮辐，各装有两排切削刀头。刀盘有12条轮辐面板，正面开口率为30％。

第95页/共122页盾构本体外径6350mm盾尾内径6240mm最大推力33320kN推进速度3cm/min切削刀盘最大扭矩4635kN-m转速0-0.8r/min螺旋输送机螺杆直径Φ700mm扭矩0-15kN-m排土量200m3/h拼装机回转速度0-1.5r/min回转角度±210°提升重量82kN提升行程650mm平移行程1050mmΦ6.34m土压平衡盾构主要工作参数

第96页/共122页与法国FCB公司合作设计制作的Φ6.34M土压平衡盾构第97页/共122页盾构掘进施工管理

土压值取为0.18MPa～0.20MPa，盾构推力一般为10000kN～12000kN，推进速度为1.5cm/min～2.5cm/min。同步注浆量为2.5m3～3.5m3，注入率（注入量/盾尾空隙量）达140％～200％。注浆压力一般采用0.3MPa～0.4MPa。第98页/共122页7号盾构吊装就位2号盾构设备车架盾构设备车架盾构准确进入接收井第99页/共122页地铁隧道

装修照片第100页/共122页土压平衡盾构在上海地铁隧道工程中的应用

上海地铁区间隧道直径6.34m土压盾构掘进施工第101页/共122页

1995年上海地铁2号线24.12km区间隧道开始掘进施工，地铁1号线工程所用的7台ф6.34m土压盾构经维修以后，继续用于2号线区间隧道掘进，同时又从法国FMT公司和上海的联合体购置2台土压盾构，上海隧道工程股份有限公司制造1台土压盾构，共计10台土压盾构用于隧道施工。于2000年开工兴建的上海地铁4号线工程区间隧道仍使用这10台ф6.34m土压平衡盾构施工。2001年，向日本三菱重工购置4台ф6.34m土压平衡盾构，共计14台盾构掘进施工。第102页/共122页

2002～2003年，上海地铁8号线、6号线、9号线相继建设，由于1990年购置的7台土压盾构已经掘进9km/台以上，早已超过5km/台的设计使用寿命。2002年以来，又陆续采购10台ф6.34m土压盾构，使上海地铁使用的盾构达到24台。第103页/共122页南京地铁1号线区间隧道ф6.34m土压平衡盾构

南京地铁1号线全长22.72km，其中有10.9km区间隧道采用盾构法施工。隧道外径6.2m，隧道覆土6m～15m，隧道穿越的地层有粉质粘土、粉砂、粉土，含水量饱和，透水性强。

南京地铁隧道试验段盾构法区间地质剖面图第104页/共122页

南京地铁1号线三山街站～珠江路站区间段隧道由上海隧道工程股份有限公司施工，其它2个标段分别由中铁隧道集团公司和上海机施公司施工。3台ф6.34m土压盾构分别引进日本三菱和德国海瑞克公司。2001年7月，第1台盾构从三山街站始发推进，盾构的主要工作参数与上海土压盾构相近。其推力约为10000kN～12000kN，推进速度200～250m/月。盾构穿越内秦淮河时，河底与隧道的最小覆土约为0.7m，采取多种技术措施，土压力设定控制在0.05MPa～0.13MPa，使盾构顺利穿越。第105页/共122页

南京地铁一号线约16km区间隧道全部采用Φ6.34m土压盾构掘进施工，分别从日本和德国引进3台。目前，由上海隧道工程公司承包钓鱼台站－三山街站区间隧道已完成上行线。

第106页/共122页北京地铁5号线砂性地层ф6.19m盾构隧道试验段施工

北京地铁5号线北新桥站～雍和宫站区间隧道近688m作为盾构试验段工程，于2000年9月25日始发推进。隧道外径6.0m，由6块管片组成，环宽1.2m，管片厚0.3m，隧道覆土12m～18m，穿越地层为粉质粘土、细砂和砂卵石地层，地下水位10m，土砂的含水量较小（18％～23％），孔隙比小（0.6～0.7），内摩擦角大（ф＝18°～37°）。隧道施工选用德国海瑞克公司的ф6.19m土压盾构。北京地铁5号线地质纵剖图第107页/共122页盾构直径6200mm开口率38％盾构长度7600mm刀盘扭矩5000KN-m总推力28580KN刀盘转速0～3n/min油缸数量32只螺旋机直径900mm推进速度0～8cm/min螺旋输送机扭矩225KN-m出土量300m3/nΦ6.19m土压盾构掘进机第108页/共122页

由于粘土含水少，粘结力大，易粘附于盾构刀盘，不易排土，因此盾构在粉质粘土和粘质粉土地层中掘进时注入2％－4％泡沫，以润滑刀盘和螺旋输送机。在砂砾和卵石地层掘进施工，为减少对刀盘、刀具的磨损，提高砂砾、卵石塑流性和止水性，除添加3％－4％的泡沫剂外，还注入膨润土泥浆。盾构的正面土压控制为0.15MPa－0.2MPa，盾尾注浆采用单液同步注浆，地面沉降控制为0.5cm－2.0cm。隧道掘进施工还配有SLS-T自动导向系统，具有盾构姿态测量和管片选型预测功能。第109页/共122页复合型土压平衡盾构第110页/共122页广州地铁混合地层ф6.14m复合型土压盾构掘进施工

广州地铁1号线始建于1995年，全长18.5km，其中8.78km区间隧道采用2台泥水加压盾构和1台复合型土压盾构施工，盾构直径6.14m～6.25m；广州地铁2号线始建于1999年，全长21.34m，其中10.64km区间隧道采用6台ф6.14m复合型土压盾构掘进施工。第111页/共122页

1996年，广州地铁一号线工程中有8.825km区间隧道采用3台Φ6.14m盾构掘进施工，其中1台为复合型土压平衡盾构，2台为泥水加压盾构，均为日本川崎重工制造，由青木建设承包施工。烈士陵园站→农讲所站→公园前站2970m区间隧道采用复合型土压盾构，其刀盘上设置了两种刀具，切削粘土的割刀和切削风化岩石的盘形滚刀。

2000年，广州地铁二号线工程海珠广场站至江南新村站3423m区间隧道选用2台由上海隧道工程公司改制的Φ6.14m复合型土压盾构掘进施工。盾构从珠江底穿越，埋深16～28m，掘进地层为含水丰富的弱风化岩、强风化岩和中风化岩。

2001年，广州地铁工程购置4台Φ6.14m德国海瑞克公司制造的复合型土压盾构，掘进速度8m/d，最快达20m。第112页/共122页广州地铁二号线复合盾构掘进工程第113页/共122页

第114页/共122页广州地铁复合型土压盾构主要工作参数表

制造商名称日本川崎重工上海隧道工程股份公司德国海瑞克外径（mm）614061406250长度（mm）815081807600总推力（KN）323403234030100推进速度（mm/min）0～500～450～80扭矩（KN-m）/38104360刀盘转度（rpm）/