隧道与洞室工程盾构的基本构造

隧道与洞室工程盾构的基本构造第1页/共127页

1818～1880年敞口式手掘盾构盾构经过了四代发展第2页/共127页

1880～1960年机械式盾构、气压式盾构第3页/共127页

1960～1980年闭胸式盾构第4页/共127页

1980～至今

大断面，大深度，长距离，高速化；断面的多样化；第5页/共127页盾构机的种类多种多样一般可以根据断面形状分类开挖方式分类头部结构分类等。1概述

第6页/共127页第7页/共127页第8页/共127页第9页/共127页大型盾构机第10页/共127页椭圆式盾构机第11页/共127页以按掘削面不同敞开程度(隔离开挖面和盾尾衬砌作业空间之间隔板的有无)可分为三种：全部敞开式，半敞开式及封闭式盾构。第12页/共127页全部敞开式：人工掘削式，半机械式，机械式半敞开式：挤压网格式封闭式盾构：土压式，泥水式第13页/共127页手掘式盾构第14页/共127页半机械式盾构第15页/共127页敞开式盾构与封闭式盾构的主要不同就是没有设置隔板，开挖面全部或大部分敞开的盾构型式，以作业面能够自立稳定作为前提。对于不能自立稳定的作业面，要通过辅助施工方法，使其能够满足自立稳定条件。从使用情况来看，封闭式的使用比较广泛。敞开式盾构在近些年的城市地下工程施工中已很少使用第16页/共127页第17页/共127页敞开式机械切削式盾构第18页/共127页一、手掘系统盾构

1.手掘式盾构

手掘盾构是最原始的一类盾构，其构造简单，配备较少，造价低，目前在地质条件较好的工程中仍广泛使用。盾构顶部有活动前檐以支护上部土体。2盾构的种类与选型

第19页/共127页挖土由人工从上往下进行，每隔2~3m设一作业平台，可适应各种复杂地层，开挖面可根据地质条件全部敞开，也可采用正面支撑，随开挖随支撑。施工人员可观察到地层变化情况，遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理，容易进行盾构纠偏，也便于在曲线段施工。第20页/共127页2.挤压式盾构

挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种前者将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，没有水土涌入及土体坍塌的危险，并省去了出土工序。后者在封闭胸板上局部开孔，土体从孔中挤入盾构，装车外运，省去人工开挖，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高。挤压式盾构仅适用于软弱可塑的粘性土层。第21页/共127页挤压盾构第22页/共127页局部气压式盾构第23页/共127页3.网格式盾构

网格式盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进入盾构后运走，

当盾构停止推进时，网格起到挡土的作用，有效地防止开挖面坍塌。第24页/共127页这种盾构对土体的挤压作用比挤压式小，因而引起的地表变形也小些。网格式盾构只适用于软弱可塑的粘性土层，当地层含水时，尚需要辅以降水、气压等措施。第25页/共127页网格式盾构第26页/共127页二、半机械式盾构

敞开式盾构中的半机械式盾构是在盾构的原型—人工手掘式盾构正面装上挖土机械、装载机等出土装置，或者开挖装载两用机等之后形成的盾构。第27页/共127页第28页/共127页第29页/共127页挖土装置有铲斗式、切削式和混合式三种形式。铲土式适用于粘土和砂砾混合层切削式适用于硬粘土和硬砂土层混合式适用于自立性较好的土层如遇土质坚硬可安装软岩掘进机的切削头。其适用范围基本上与手掘式盾构一样。第30页/共127页为了防止开挖面崩塌，可安装可动式切口环、半月形千斤顶。但由于安装了开挖装置，故实际上难以设置前面千斤顶等挡土装置，大多在开挖过程中开挖面敞开得很大，对开挖面的稳定条件需进行研究。第31页/共127页三、机械系统盾构

1敞开式机械盾构

在手掘式盾构的切口环部分，安装与盾构直径大小相同的旋转大切削刀盘，可用机械连续地、全断面开挖的盾构，称为机械式盾构。通过刀盘支撑，可以得到一些挡土效果。第32页/共127页适用各类土层，尤其适用于极易坍塌的砂性土层中的长隧道，可连续掘进挖土。由刀盘切削产生的土经过刀盘上的预留槽口进入土舱，提升和流入漏斗后，再通过传送带运入出土车。作业环境好、省力、省时、省工、效率高后续设备多、发生偏差时难纠偏、造价高第33页/共127页2封闭式机械盾构通过设置于切口环和支承环之间的密封隔板，并在隔板和作业面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证作业面的稳定性。根据开挖面稳定机理可以分为土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。第34页/共127页2.1泥水加压盾构泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。第35页/共127页该盾构通过给泥浆一定的压力以保持开挖面的稳定性，并通过循环泥浆将盾构推进时切削下来的土砂等土体送入泥水室，以流体方式输送运出。第36页/共127页由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面把送出的浓泥水进行水土分离然后把分离后的泥水再送入泥水室,不断循环使用其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。第37页/共127页该盾构型式设置有切削土体的开挖机械，泥浆循环设备，给泥浆施加一定压力的送排泥设备，运出泥浆的分离设备，另外有的泥水加压式盾构还具有保证泥浆性能的调泥和泥水处理设备适用于以砂性土为主的洪积地层，也较适用于以粘性土为主的冲击地层，但泥水处理费用较高。第38页/共127页泥水加压式盾构第39页/共127页泥水加压式盾构第40页/共127页德国海瑞克泥水盾构机1－刀盘2－半隔板（沉浸墙）3－隔板4－推进油缸5－人仓6－破碎机7－拦石栅8－吸泥管9－铰接油缸10－管片11－排泥管12－送泥管第41页/共127页2.2土压平衡盾构

土压平衡盾构前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。第42页/共127页土压平衡式盾构第43页/共127页第44页/共127页适用于变形较大的淤泥、软弱粘土、粘土、粉质粘土、粉砂、粉细砂等土层。将开挖的泥砂进行泥浆化，通过控制泥浆的压力以保证作业面的稳定性。第45页/共127页该盾构设置有切削土体的机械、搅拌开挖土砂使其泥浆化的搅拌机械、切削土的排出机械并有能够保证切削土压力的控制机械的盾构型式。又可根据是否具有促进泥浆化的添加材料的注浆装置分为：A土压盾构B泥土压盾构第46页/共127页a．土压式盾构使用转动刀盘切削，并使作业面和隔板之间充满经过搅拌的土砂。

该施工方式通过盾构的推进力给切削土砂加压并使其作用于作业面整体来获取作业面的稳定性，同时通过螺旋式输送器进行排土。第47页/共127页b．泥土压式盾构通过一边注入添加材料一边转动刀盘，强制性地搅拌切削土砂和添加材料使其成为塑性流动化状态。与土压盾构相同，该施工方式也为一边保持作业面的稳定性一边通过螺旋输送器进行排土。第48页/共127页盾

构

之

选

型第49页/共127页第50页/共127页第51页/共127页第52页/共127页地质条件、外径、长度、施工程序、劳动力情况、施工环境、基地面积、不同盾构的特征1、开挖面有无障碍物。2、气压施工时开挖面能否自立稳定。3、气压施工并用其它辅助施工法后开挖面能否稳定。盾构的选型是一个综合性的工作2盾构的种类与选型

第53页/共127页4、挤压推进，切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定。5、开挖面在加入水压、加泥压、泥水压作用下，能否自立稳定。6、经济性。综合考虑第54页/共127页概括说来，盾构机由通用机构和专用机构组成。通用机构包括外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片组装机构、附属机构等组成而后者随机种不同而异。对土压盾构，其专用机构为排土机构、搅拌机构、添加材注入装置；对泥水盾构而言，则主要指排泥机构和搅拌机构。3封闭式盾构的基本构造

第55页/共127页一、盾构的外形和材料1.盾构的外形盾构的外形就是指盾构的断面形状，有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。圆形（又称半盾构）因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多。第56页/共127页2.制造盾构的材料盾构主要用钢板（单层厚板或多层薄板）制成，钢板一般用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法

大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。第57页/共127页第58页/共127页盾构机的现场组装第59页/共127页第60页/共127页第61页/共127页第62页/共127页盾构隧道剖面图1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆）；6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓第63页/共127页第64页/共127页第65页/共127页二、封闭式盾构的基本构造

盾构种类繁多，从盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分。盾构的主要构成部分，即盾构机体本身也就是盾构壳体，主要包括外壳、尾封和中折装置三部分组成。

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——盾构组成刀盘盾体后配套设备前盾中盾尾盾

配套台车、管片运输设备、出土设备、注浆系统、监控系统等。第67页/共127页

头部可以安全地开挖地层，尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌。其他必要的还有：推进机构，挡土机构，掘削机构，添加材注入装置(土压盾构)，搅拌机构，排土机构，送排泥水机构(泥水盾构)，管片拼装机构，油压机和电气设备等等。第68页/共127页（一）盾壳

外壳的主要目的就是保护掘进、排土、推进、做衬等所有作业设备、装置的安全。沿纵向可分为前、中、后三段，分别称为切口(切口环)、支承(支撑环)和盾尾三部分构成，借以外壳钢板联成整体。外壳采用钢板焊接成，并用环形梁加固支承。一般把圆形断面盾构的外壳板的厚度定在50~100mm。第69页/共127页1-1(切口环)；2-2(支承环)；3-3(纵剖面)第70页/共127页1.切口环部分

它位于盾构的最前端，用于开挖和挡土，容纳各种专门的挖土设备，施工时切入地层并掩护开挖作业。切口环前端设有刃口，以减少切土时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。第71页/共127页上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法以及挖土机具和操作人员的工作回旋余地。第72页/共127页大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按不同的需要安装各种不同的机械设备，这些设备是用于正面土体的支护及开挖，而各类机械是由盾构种类而定的。第73页/共127页①泥水盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口；②土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；③网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口；

在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中，因切口内压力高于隧道内常压，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。第74页/共127页地铁盾构常用的机型泥水平衡盾构土压平衡盾构第75页/共127页2.支撑环部分

它是盾构的主体，承受荷重的核心部分构。内部装有千斤顶、举重臂、真圆保护器等各种设备，它紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆环结构。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口入土正面阻力、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支撑环承担。第76页/共127页在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时、在支承环内要布置人行加、减压舱。

支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。第77页/共127页

水平隔板、竖直隔板增加盾构刚度

水平承受拉力

竖直承受压力。第78页/共127页3.盾尾部分

盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，所以盾尾长度要满足上述各项工作的进行。第79页/共127页盾尾钢壳厚度从结构上考虑尽可能减薄，这样可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙就小，从而压浆工作量也少，对地层扰动范围也小有利于施工。但盾尾也需承担土压力，除此外，在遇到纠偏及弯道施工时，还有难以估计的施工荷载，所以盾尾是一个受力复杂的圆筒形薄壳体，其厚度应综合考虑上述因素。第80页/共127页盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于在施工中纠偏的频率很高，因此，就要求密封材料要富有弹性，结构形式要耐磨，防撕裂，其最终目的是要能够止水。止水的形式有许多，目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。第81页/共127页第82页/共127页由于钢丝束内充满了油脂，钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个既有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。油脂加注采用专用的盾尾油脂泵，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要看土质情况如何，相对而言，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则寿命较长。

第83页/共127页盾尾的长度必须根据管片宽度和形状及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，最少必须保证衬砌组装工作的进行，但必须考虑在衬砌组装后因管片破损而需更换管片；修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需给予一些余裕量。第84页/共127页（二）推进系统

盾构的推进系统由液压设备和盾构千斤顶组成。盾构掘进的前进动力就是靠液压系统带动若干个千斤顶工作所组成的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。（1）盾构千斤顶的选择和配置

盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装衬砌的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意：第85页/共127页①采用高液压系统，使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30～40MPa；

②千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换；

③千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处，使管片受力均匀；

④千斤顶应与盾构轴线平行。第86页/共127页（2）千斤顶数量

千斤顶数量由设计总推力和千斤顶类型确定，根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。其直径宜小不宜大，故采用高压液压系统提供动力一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600～1500KN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000～4000KN。第87页/共127页（3）千斤顶的行程

盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片的拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上100mm～200mm的余裕量。

另外，成环管片总有一块封顶块存在，若采用纵向全插入封顶成环时，在相应的封顶块位置应布置数只双节千斤顶，其行程大致是其它千斤顶的一倍，以满足拼装成环所需。第88页/共127页（4）千斤顶的速度

盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式来定,一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好。（5）千斤顶块

盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面。

其次，根据管片材质的不同，还须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用。第89页/共127页盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的；其位置应均匀地安装在盾壳支撑环的内周，方向与隧道轴线平行。上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。第90页/共127页（三）正面支撑系统

开挖面支撑系统类型有千斤顶类、刀盘面板类和网格类。此外，采用气压法施工时由压缩空气提供的压力也可使开挖面保持稳定。开挖面支撑上常设有土压计，以监测开挖面土体的稳定性。

第91页/共127页（四）衬砌拼装系统衬砌拼装器或者管片拼装机又称举重臂，是盾构机拼装系统的主要设备，常以液压为动力。一般举重臂均安装在支承环上。为了能将管片按照所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、旋转和前后平移即沿隧道中轴线作往复运动等功能。第92页/共127页第93页/共127页盾构片填加第94页/共127页完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐，以便螺栓固定。衬砌拼装系统的主要设备除了衬砌拼装器外，还有所谓的真圆保持器。第95页/共127页联结盾构片

第96页/共127页如前如述，衬砌拼装器是一种专用的机械手，用于钳住管片并使其平转、升举和旋转，使管片能按预定的位置就位，并安全、迅速地拼装成环。一般设置在盾尾或支撑环内，也可安装在车架上。真圆保持器是使隧道管片保持真圆的装置。第97页/共127页当盾构向前推进时管片拼接环(管环)就从盾尾脱出，由于管片接头缝隙、自重力和作用土压的原因，管环会产生横向变形，使横断面成为椭圆形。当变形量大时，前面装好的管环与现拼的管环在连接时会出现高低不平，给安装纵向螺栓带来困难。为避免管环的高低不平，就需要使用所谓的真圆保持器，来修正、保持拼装后管环的正确真圆位置。第98页/共127页在软土地层施工隧道，衬砌支护是非常关键。盾构施工多采用预制拼装衬砌形式，对于防护要求高的隧道也有采用整体浇筑混凝土支护、复合式衬砌等。预制拼装衬砌特点：施工快可立即承受荷载（保证掘进速度）、易于机械化施工。预制拼装衬砌园环一般由标准块、邻接块和封顶块在盾尾拼装而成。园环的拼装形式有通缝和错缝两种，一般采用错缝形式。第99页/共127页箱形管片（钢筋混凝土）

第100页/共127页平板形管片（钢筋混凝土）

第101页/共127页第102页/共127页第103页/共127页第104页/共127页第105页/共127页单管大洞方案内径10米，外径11米；双管小洞方案内径5.4米，外径6.0米；

——断面方案第106页/共127页管片类型钢管片钢筋混凝土管片——管片结构第107页/共127页衬砌环形式普通环左转弯环+直线环+右转弯环通用环一种楔形环管片的不同角度的旋转拟合线路

——管片结构第108页/共127页管片拼装形式通缝拼装拼装难度小，衬砌空间刚度稍差。错缝拼装接缝刚度分布均匀，整体性较好，管片精度要求高，拼装难度较大。

——管片结构第109页/共127页管片接缝连接弯螺栓连接斜螺栓连接直螺栓连接

——管片结构第110页/共127页管片环宽１.5m；外径6.0m管片楔形量45mm；

C50通用环管片；管片厚度

300mm；管片分6块，5+1模式，小封顶

——管片结构

武汉地铁管片第111页/共127页（1）满足结构强度和刚度要求；（2）提高管片自身抗渗性和制作精度；（3）解决接头的密封问题。

目前广泛采用弹性密封防水，即有接头密封条和弹性密封垫。接头密封条是用橡胶沥青密封条，厚3mm，压缩后到1.5mm，靠加热粘接在管片上，用在无螺栓的钢筋混凝土管片中；弹性密封垫是预制的成品，嵌置在接头面上专设的密封垫沟槽内，其形式有硫化橡胶类弹性密封垫、复合型弹性密封垫、灌注密封剂、嵌缝填料和螺栓孔防水等。盾构法施工的衬砌结构主要解决以下问题第112页/共127页盾构外壳浆体管片衬砌1）初始应力场2）开挖阶段4）注浆阶段5）固结阶段3）盾尾管片拼装施工模拟注浆模拟－变刚体开挖阶段注浆和盾尾管片脱开阶段注浆体的短期固化阶段注浆体的长期固化阶段第113页/共127页（五）液压系统

液压系统由高压油泵、油马达、油箱、液压阀及管路等组成，为千斤顶、举重臂和大刀盘等提供动力。一般油泵和油箱设在盾构后面的车架上。

（六）操作系统

操作系统控制盾构掘进机的工作状态。第114页/共127页出土方式一般有三种：（1）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面。（2）无轨运输：自卸卡车（3）管道运输：混合泥浆，压力输出，出土连续化（六）出土系统第115页/共127页其他还有挡土机构，掘削机构，添加材注入装置，搅拌机构以及送排泥水机构等等挡土机构是为防止掘削时，掘削面地层坍塌和变形，以确保掘削面稳定而设置的机构。因盾构种类而