土压平衡盾构施工关键技术

土压平衡盾构施工关键技术LOGO一。

概述二。

盾构选型三。土压平衡盾构机四。施工关键技术LOGO提

纲LOGO盾构是一种全封闭的隧道掘进机（既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具）,衬砌管片提供反力,不能连续掘进。一边保持开挖面及围岩稳定，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾尾内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，从而在尽可能不扰动围岩条件下修建隧道的方法。4“盾”——“保护、庇护”,指刀盘、盾壳；“构”——“构筑、修建”，即管片拼装和注浆。LOGO

1.1

盾构法门吊自卸汽车管片存放区盾构始发井通风机运输设备（1）盾构法：以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法。（2）三大要素：l

开挖面的稳定l

盾构沿设计路线高精度推进（盾构姿态、隧道方向）l

衬砌（管片）作业LOGO

1.1

盾构法土压盾构挖掘机后配套（1）盾壳支承着围岩并保护着刀盘旋转，在千斤顶推力的作用下，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过开口进入密闭室，当密闭室内的泥土压力与开挖面压力取得平衡的同时，端部伸入密闭室下部的螺旋输送机开机排土，控制螺旋输送机的转速或者盾构机的推进速度，达到密闭室内的泥土压力与开挖面压力的动

态平衡。碴土通过配套的运输设备运至洞外。61.2

土压平衡盾构基本原理LOGO（2）土压平衡盾构开挖面稳定机理l泥土压必须可以对抗开挖面上地层的土压和水压。l必须可以利用螺旋输送机等排土机构，调节排土量。l对必须混入添加材的土质而言，注入的添加材料必须可使泥土（混入添加材

的开挖土）的塑流性和抗渗性提高到满足开挖面稳定要求的水准。71.2

土压平衡盾构基本原理LOGO盾构机是根据施工对象“度身定做”的。制造盾构机所依据的对象称之为施工环境，它是基础地质、工程与水文地质、气候地貌、建筑物以及地下管线和构筑物等特征的总和。（1）在施工环境的诸多因素中，掌握基础地质和工程地质特征最为重要，是盾

构选型及采用盾构施工工艺的先决条件。（2）盾构隧道施工扰动土体引起围岩不同程度的变形，浅埋对上部影响更严重。盾构施工时防止围岩变形，控制地面沉降，保护地面和地下建（构）筑物和管线安全就是一个很重在的因素。LOGO1.3盾构施工环境8（3）围岩的各向均匀性

均一地层：指在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由一种或若干种地

层组成，但其岩土力学、工程地质和水文地质等特征相近的地层或地层组合。在均一地层中盾构施工的特点：①施工中盾构机模式基本上不需要变化；②盾构机结构在施工中不需要进行改变；③需要在施工艺上做适当调整。LOGO1.3盾构施工环境9（4）复合地层：在地下工程开挖断面范围和开挖延伸方向上，由两种或两种以

上不同地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层。主要有：断面在垂直方向和水平方向上不同地层的组合。在复合地层中盾构施工的特点：①

经常变换盾构施工模式；②

盾构机的配置需做适当调整；③

用的施工工艺和施工参数要根据地层变化而变化；④

围岩变化极悬殊的地段及石英含量高或高强度硬岩地段等地层中掘进时需

频繁更换刀具；⑤在某些特殊地层要采取一些辅助工法。LOGO1.3盾构施工环境10（5）建（构）筑物和地下管线等的损坏程度与沉降量大小有关

地面建（构）筑物保护是地铁盾构隧道施工碰到的最严重的问题之一：房

屋、铁路、桥梁、电塔等。

地下构筑物：地铁车站、地铁隧道、地下车库、地下商场、地下管廊、建

（构）筑物基础等。

地下管线：供水管、排污管、各种电力和通信管线、各种燃气管线等、

地下异物：人类活动中，在地层当中出现的非自然物体。如：水域的沉船

及相关的锚、河堤抛石、房屋木桩、地下文物等。LOGO1.3盾构施工环境11盾构工程施工风险，主要有：“地质复杂性”、“盾构机的不适应性”、

“人认知的局限性、责任性、方案和措施的不合理性”。（1）地质风险：复合地层，富水断裂带或破碎带，溶洞、土洞，含承压水的粉细砂层，含瓦斯、煤成气地层，球状风化体或构造风化硬岩，砂砾石、卵石地

层等地层盾构掘进。（2）盾构机风险：盾构选型和功能性缺陷，大轴承或三大密封损坏，刀盘损坏

（解体、开裂、磨损），刀具磨损，减速箱及齿轮传动系统损坏等情况。（3）人为风险：认知的局限性（不能全面系统地了解地质变化、盾构机性能），

施工组织及责任心，方案和措施的合理性等问题。LOGO1.4盾构施工风险12二、

盾构选型LOGO盾构机根据地质条件、工程环境以及工程设计等具体特征“量身定做”，其核心技术不仅是设备本身的机电工业设计，还在于设备如何适用于各类工程地质。盾构施工的成功率，主要取决于盾构选型，决定于盾构是否适应现场施工

环境，盾构选型正确与否决定着盾构施工的成败。盾构的“型式”涉及盾构的“型”和“模式”。l

不论是适用于单一软土地层的软土盾构，还是适用于复杂地层的复合盾构，

都有土压平衡盾构和泥水盾构两种机型。“型”是在施工前决定的。l

土压平衡盾构一般具有敞开式、半敞开式、土压平衡式三种模式；泥水盾构一般具有泥水平衡模式和气压复合模式二种模式。“模式”是在施工过程中根据工程地质和水文地质由操作人员实时决策的。LOGO2.1盾构的“型式”14（1）盾构的“类型”l

盾构的“类型”是指与特定的盾构施工环境，特别是与特定的基础地质相匹配的

盾构的种类。l

根据施工环境，全断面隧道掘进机分为盾构和岩石掘进机二类：用于土质地层或

弱地质地层开挖的称为盾构；用于岩石地层开挖称为岩石掘进机。l

盾构的“类型”根据施工环境可划分为软土盾构和复合盾构两类。

软土盾构是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围

岩条件下的一类盾构。主要特点：刀盘仅安装软土刀具

(先行刀、切刀、刮刀)，无需滚刀。

复合盾构是指既适用于软土、又适用于砂卵石、岩层的一类盾构。主要特点：刀盘既安装有软土刀具，如切刀和刮刀，又安装硬岩刀具

(滚刀)。LOGO2.1盾构的“型式”15（2）盾构的“机型”l指根据工程地质和水文地质条件，盾构所采用的最有效的开挖面支护形式。l

盾构按支护地层的形式主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥

水支护式、

土压平衡支护式五种机型。（3）盾构的“模式”l盾构的“模式”是指在一定“型”的基础上，根据特定的盾构施工环境，在确保开挖面稳定的前提下，盾构所采用的掘进作业模式。l

“模式”是盾构的一种操作方式。

土压平衡盾构的

“模式”可分为土压平衡式、敞开式、半敞开式三种。

泥水盾构的“模式”可分为泥水平衡模式

(也称直接控制模式)和泥水气压复合

模式

(也称间接控制模式或D模式)两种。LOGO2.1盾构的“型式”16

土压平衡模式（EPB）：用于围岩不稳定或水压高、水量大的地层。掘进时，刀盘开挖下来的碴土填满泥土仓，借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，使之产生泥土压，这一压力作用于整个作业面，使作业面稳定，同时使刀盘切削下来的碴土量与螺旋输送机向外输送的卸土量相平衡。

敞开式模式（open）：用于开挖面足够稳定并且涌水能够被控制时。掘进时，由刀盘切削下来的碴土进入土仓后，不需要进行加压，而是由螺旋输送机直接排出土

仓，使土仓尽量处于排空的状态，以便减轻刀盘转动的阻力。

半敞开模式（semi-open）：用于开挖面具有足够的自稳能力，且水压小于1.5bar的地层。掘进时不完全靠维持泥土仓的土压力来稳定开挖面，而需要充以压

缩空气来稳定开挖面，施加气压的大小根据不同地层条件确定。压缩空气土压平衡式

敞开式

半敞开式LOGO2.1盾构的“型式”土仓压力分布

V级、VI级围岩，

重要建筑物土仓压力分布II级、IIII级围岩，

部分IV级围岩17IV级围岩，

重要建(构)筑物土仓压力分布

盾构选型应从地质适应性（也称安全可靠性）、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构机要能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件。（1）应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求；（2）地质适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑

技术先进性和经济合理性；（3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件；（4）满足安全、质量、工期、造价及环保要求；（5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，

同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；（6）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。LOGO2.2盾构选型原则18以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、

施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求、工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。（1）工程地质、水文地质条件；（2）隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；（3）周围环境条件；（4）隧道施工工程筹划及节点工期要求；（5）

宜用的辅助工法；（6）

技术经济比较。LOGO2.3盾构选型依据19（1）

在对工程与水文地质条件、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的

基础上选定盾构类型。（2）根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工

环境、安全等因素对土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。（3）对盾构各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动型式，刀盘结构型式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸，沉浸墙的结构设计与泥浆门的型式，破碎机的布置与型式，送排泥管的直径等），并根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。盾构的主要技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径，刀盘开口率，刀盘转速，刀盘扭矩，刀盘驱动功率，推力，掘进速度，螺旋输

送机功率、直径、长度，送排泥管直径，送排泥泵功率、扬程等。（4）根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。LOGO2.4盾构选型主要步骤2021（1）根据地层的渗透系数进行选型u地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。LOGO2.5盾构选型主要方法（2）根据地层的颗粒级配进行选型u一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的塑流体，容易充满土舱的每个部位，在土舱中可以建立压力，平衡开挖面的土体。u当岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时,通常会选用土压平衡盾构,相反

的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。筛分粒径淤泥i沙

砂砾粘土

细

中

粗

细

中

粗

细中

粗0,00,002

0,006

0,02

0,060,20,62,06,020.0

602,20LOGO2.5盾构选型主要方法1009080706050403020100土压盾构/泥水盾构的应用范围泥水盾构土压盾构（3）根据水压进行选型u当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。u当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输

送机的长度，或采用二级螺旋输送机。

粘土

淤泥

砂质

砾石

卵石

LOGO2.5盾构选型主要方法

土压平衡盾构含添加剂

泥水盾构含添加剂

土压平衡盾构不含添加剂

泥水盾构不含添加剂

232.6盾构选型程序[调查项目]地层构成地下水位（头）分布缺氧气体、有害气体有无

各层的工程性质（强度特

性、变形特性、透水性）土地利用状况将来计划道路种类、交通状况

施工用地状况河川、湖沼等的状况地上、地下建筑物

埋设物水井、废井旧建筑物、临时建筑

其它噪声、振动地基变形地下水利用施工垃圾处理

住房、文物等LOGO设计条件整理断面形状尺寸延长设计条件整理

断面形状尺寸

延长计

划

覆土

线路环境条件地质条件周围条件障碍物

工期•••••••••••••••••••242.6盾构选型程序[论证项目]•地下水污染、地

下水枯竭•振动、噪声•

日照、景观•交通•障碍物处理•开挖土的处理•开挖土的搬运•施工用地影响范围水平、铅直变形

临近建筑物变形LOGO闭胸式敞胸式•

自立性•地层构成•支护方式环境保护

其

他可能适用的方式选择地

•基

•条

•开挖面稳定性泥水加压式半机械式土

压

式泥土压式手掘式机械式平衡式土压件25安

全

经

济

工

期•

开挖面稳定•

环境保护

•

推进•

盾构

•

推进•

相关措施•

地基变形•

操作环境

•

衬砌•

相关措施

•

衬砌施工措施的论证••••开挖面的稳定地基变形出发到达部的保护

周围建筑物的保护•

长距离施工•

急曲线施工•

障碍物综合评价LOGO2.6盾构选型程序方法的选择[比较论证]26三、

土压平衡盾构机LOGO盾构机主要由开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、液压、电气、

控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后续台车、集中润滑装

置、超前钻机及预注浆孔、铰接装置、通风装置、碴土改良装置及其他装置如

盾壳、人闸等组成。（1）盾构机前部是旋转切削刀盘，工作时，在推进油缸作用下可以对开挖面

双向（顺时针，逆时针）切削，通过安装在切削刀盘上的刀具将开挖面土体切削下来送入土仓，然后与注入土仓中的添加材料搅拌后以塑流土体形式通过螺

旋输送机排出。（2）主机由前壳体和后壳体构成铰接盾构，是用钢板焊接而成的园型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，具有耐土压、水压的强度。（3）盾构机壳体和盾尾壳体是由管片的外形尺寸、盾构机壳体在施工时所受的载荷以及对应于隧道最小曲率半径而决定的，盾尾应有一定的间隙。LOGO3.1土压平衡盾构构造（4）前后壳体由铰接油缸联接，上下左右可弯曲，在铰接部分设有铰接密封。（5）在切口环部分装有切削刀盘驱动装置，在土仓壁下部装有螺旋输送机、中部装

有人行闸。（6）在支撑环部分的内周安装有推进、铰接油缸和管片拼装机。（7）在盾尾部分安装有悬臂工作操作台、盾尾密封等。（8）在盾构内设有检查维修时用的台面、液压、电气仪器、计量仪器、注入管等附

属装置。（9）台车上安装有完成盾构各种动作的动力、液压、电气、控制、测量设备、管路等。LOGO3.1土压平衡盾构构造29LOGO3.1土压平衡盾构构造3031（1）盾体是用钢板焊接而成的园型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，

具有足够的耐土压、水压的强度和刚度，抵挡周围土体压力。（2）盾体由前体（切口环）、中体（支撑环）和盾尾三大部分组成，盾构机前体前部安装有刀盘，盾构机本体内安装有刀盘驱动装置、推进油缸、铰接装置、螺旋

输送机、拼装机、气压人行闸、工作平台、电气系统、液压、同步注浆、加泥及添

加剂管路等装置。LOGO3.2

盾体（1）刀盘l

具有足够的刚度和强度用于支撑开挖面水土压力和承受掘进中的推力及扭矩。l盘面上有足够的刀具数量、种类和合适的安装位置，有效开挖并有足够的寿命。l合适的刀盘开口率以保证碴土进入土仓的顺畅性。l刀盘配置先行刀，提高刀盘的掘削性及刀盘与刀具的耐磨性。l刀盘上合理配置添加剂（膨润土或气泡）注入口，保证添加剂均匀的注入到开挖面，改善开挖土的塑流性。32LOGO3.3

刀盘与刀具复合刀盘软土刀盘33LOGO3.3

刀盘与刀具软土刀盘复合刀盘（2）刀具l

软土刀盘上配置切削刀具：包括正面切削刀、周边刮刀、中心切削刀、先行刀。先行刀比主切削刀高，先对开挖面进行切削以减轻对主切削刀及面板磨损。l

复合刀盘需布置滚刀或焊接撕裂刀（或齿刀），以满

足盾构破岩需要。34LOGO3.3

刀盘与刀具软土刀盘复合刀盘中心切削刀35LOGO切削刀、

刮刀安

装形式3.3

刀盘与刀具正面切削刀周边刮刀先行刀LOGO双

刃滚

刀

三

刃滚

刀3.3

刀盘与刀具滚刀安装形式单刃滚刀单刃齿刀撕裂刀3637（3）软土刀盘：主切削刀的布置一般是将刀盘分成内、中、外3部分，内部1条切

削轨迹上配置1把切削刀，中间部1条切削轨迹上配置2把切削刀及外周部1条切削轨迹配置3把切削刀，在刀盘最外周配置刮刀每个切削轨迹上有6把。这样配置可以大大减轻刀具及面板磨损，并且能有效的保证开挖直径。主切削刀配置先行刀配置LOGO3.3

刀盘与刀具（4）复合刀盘：满足盾构破岩需要，结合地质条件布置滚刀。滚刀在盾构推进千斤顶和刀盘旋转共同作用下，刀刃滚动切入岩体，切入区产生裂纹，而轨迹相邻的两滚刀间裂纹达到相接或相近到一定程度，岩石即可

崩裂破碎。破岩能力由垂直力和滚动力组成。盾构破岩效率与贯入度、转速正相关，针对一定的岩体强度及RQD条件，提高贯入度与转速将加大盾构额定推力与扭矩，需考虑推力、转速、扭矩等因素。38垂直力

刀间距示意图滚动力分析LOGO3.3

刀盘与刀具Vf

=f（D，

α

,

δ

,

ζ

,

S，P）=D1/2P3/2[4/3*δ+2ζ（S-2Ptanα/2）]tanα/2Rf=Vftanβ=VfC【式中：

δ--岩石单轴抗压强度；

ζ--岩石无侧限抗剪强度；S—刀间距；P—贯入度；D—刀具外径

α—刀具刃角；C—岩石切割系数；

β—合力夹角】上述各变量中：刀盘直径和滚刀尺寸确定后，几何尺寸基本相同，D、

α

、

β稳

定；针对一定的岩石强度及RQD，

δ

、

ζ

、C相当；则由上式知：破岩能力可视为仅

由S、P确定。贯入度P在掘进时可调整,而刀间距在刀盘设计时即固定。所以，刀间距的设计是提高破岩能力的关键。LOGO垂直力滚动力3.3

刀盘与刀具uu3940LOGO3.3

刀盘与刀具刀盘驱动用螺栓安装在压力舱壁上，刀盘驱动有变频电机驱动和液压驱动两种方式。刀盘在变频电机（液压马达）驱动和推进油缸的作用下，通过减速器、大小齿轮、三排圆柱滚子轴承完成力和运动的传递而实现转动和切入工作面，实现盾构开挖功能。（1）变频电机驱动装置：由固定部分、回转部分、三排园柱滚子轴承和密封部

分、变频减速电动机等构成。（2）液压驱动装置：主要部件有：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，齿轮马达和轴承等。在后配套上装有电机驱动液压泵，液压泵中有供给单元。液压驱动变速箱配备液压马达，结合变

量泵和液压马达，可将刀盘转速设定到最佳。LOGO3.4

刀盘驱动装置41LOGO3.4

刀盘驱动装置变频电机驱动液压驱动43LOGO3.4

刀盘驱动装置（1）盾体的前进由千斤顶完成。每一组油缸均可独立控制压力进行操纵而不会引

起管片移位或产生引起损坏的压力过载。在控制室里，盾构机司机可以看到数字显

示的每组油缸行程及压力。油缸的布置避开了管片接缝。（2）推进油缸安装在中盾上，布置在盾构机壳体四周。千斤顶顶在压力舱板后部。（3）推进系统配备大排量、高压力的变量泵。（4）千斤顶为每一个或两个一组，每对油缸均有独立的撑靴。在推进时，组油缸

各自独立进行压力调节。总的推进速度由一个总流量控制阀来调节。LOGO3.5

推进装置4445LOGO3.5

推进装置（1）盾尾和中盾通过铰接油缸连接。铰接接头是机加工的，铰接密封包括重载橡

胶密封和紧急密封（紧急膨胀密封）。（2）铰接油缸安装在前后壳体上可使前后盾体左右上下弯曲。LOGO3.6铰接装置（1）一般3道钢丝密封刷；（2）每条注脂管都连接到前

油脂腔和后油脂腔；（3）盾尾密封装置在加注密

封油脂后能抵抗预计的操作压

力，以防止漏浆；（4）注浆管路直径50mm整合

在盾尾；（5）注浆管设计有特制的窗

口以便于进行维修或清洗堵塞。LOGO3.7

盾尾（1）螺旋输送机形状一般有轴式和带式。螺旋机的作用是出碴和调节土仓土压力。

螺旋输送机安装在土仓壁的连接法兰上。把碴土从盾构机土仓底部运送到皮带输

送机进料端。排土能力应满足盾构机在最大掘进速度时排土要求。（2）螺旋输送机主要部件包括：•

安装/连接法兰（焊接在仓壁上）•

螺旋前段上有耐磨保护块•

前段带有耐磨保护•

伸缩段•

出料管•

驱动装置，包括：带有球面轴承的3排密封系统，带有行星齿轮的液压马达•

卸料口闸门及连接保压泵的接头LOGO3.8螺旋输送机4849LOGO3.8螺旋输送机（1）管片拼装机安装在盾尾区域，用来安装衬砌管片，整体外形为一圆环状，由

悬臂梁、移动机架、回转机架、安装头等构件组成。主要运动构件功能均可通过

比例控制来实现。（2）盾构内的操作员通过遥控器来操纵管片安装机。管片拼装操作采用无线遥控

装置但备有线控操作的电缆连接接头。（3）在掘进过程中要安装的管片由管片运输机车运送过来，放置在管片输送小车上。在完成掘进循环后，一部分千斤顶回缩，为第一片管片留出足够的空间。其

余千斤顶和已经装好的管片仍保持接触，以防止盾构机由于土压而后退。（4）管片安装机抓起管片并将其放在应放的位置，在此位置它可以和上一管片用

螺栓连接起来。在管片安装机夹头放开管片之前，一定要保证已回缩的千斤顶再次顶紧管片，以防止管片意外移动。其余管片的安装方法与此相同，直至完成整个管片环。LOGO3.9

管片拼装机51LOGO3.9

管片拼装机（1）同步注浆通过注浆管路、注浆泵及控制系统来实现。（2）砂浆在地面准备，通过带搅拌器的砂浆车输送到后配套系统上的砂浆搅拌罐中。

将砂浆车里的砂浆输送到后配套拖车的砂浆罐中。（3）掘进期间，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。砂浆泵从盾构机上的砂浆罐向管片外环间隙注入砂浆，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。52LOGO3.10

同步注浆系统固定装置止水刷止水性润滑油脂同步连续注浆管注油脂管LOGO3.10

同步注浆系统水、土压力管片（1）泡沫是改良碴土性质材料。使支持压力传递到隧道开挖面，流动性好，渗水性

能低，良好的弹性，降低对盾构机的附着性，减少对盾构机的磨损。（2）泡沫发生系统由以下部件组成：•

刀盘上有个注入点•

土舱压力板上有注入点•

螺旋输送机上有个注入点•

水泵

(离心式)•

泡沫泵

(螺旋式)•

混合液控制装置•

压缩空气控制装置•

泡沫发生器•

测量装置及其控制•

用水冲洗时的切换装置LOGO3.11泡沫发生系统（3）泡沫调节原理是基于气液两态的机械混合。水和发泡剂的混合是在后配套区间完成的。发泡剂装在可更换的罐中，发泡剂通过定量泵供给，水从工业用水管路获

得，二者混合后再通过流量控制装置供给到相关管路。（4）泡沫是在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂

量是通过PLC操作单元和流量计来计量的。是否进行调整主要是根据掘进速度、支持

压力和所给的配方来决定。泡沫发生系统有三种操作模式：手动、半自动和全自动。（5）通过控制可控制球阀，盾构机操作手通过操作控制台元件向有关注入点将泡沫

注入到刀盘前端、土仓和螺旋输送机内。（6）泡沫管路系统也可用于选择提供水或者聚合物。LOGO3.11泡沫发生系统55LOGO3.11泡沫发生系统（1）盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。采用

耐久性好的钢丝刷型盾尾密封。一个气动油脂泵安装在后配套系统中，采用气动油脂注入系统向盾尾钢丝刷中注入油脂。（2）一个气动油脂泵安装在后配套系统中。该泵连接到多管路自动的油脂泵，对主

轴承、主轴承唇密封、螺旋输送机唇密封和回转单元提供油脂。LOGO3.12油脂注入系统57（1）皮带输送机用于将螺旋机

送来的碴土转运到后部拖车的

尾部装在碴土列车上。（2）皮带机由驱动单元和位于

后配套上的出料口组成。主要

由皮带、卸料部件、

张紧装置

组成。在驱动装置部分装有一

个机械式可调节的刮料器。（3）带输送机有防跑偏装置、

急停拉线装置。LOGO3.13

皮带输送机58（1）双仓人行闸土仓自动压力调整装置（2）管片运输轨道梁（3）悬臂操作台（4）液压系统（5）电气系统（6）通风系统（7）数据采集存储和传输系统（8）故障自诊断报警联锁系统（9）自动导向测量系统（10）控制系统与操作面板LOGO3.14其它系统和装置四、

施工关键技术LOGO盾构机是集机、电、液、光于一体的技术含量高的大型隧道施工设备，性能先进、结构复杂，施工机械化、自动化程度高。盾构施工系统性强，往往牵一发而动全身。l盾构隧道施工一般经历的五个阶段：•盾构机制造、下井、组装、调试、验收等和盾构始发准备；•

盾构始发和试掘进；•盾构正常段掘进；•

盾构到达段掘进和盾构到达；•

盾构解体、吊出等。l

盾构施工三个主要工序：开挖出土、管片拼装、同步注浆l

施工控制的三个要点：开挖面的稳定、盾构沿设计路线高精度推进（盾构姿态、隧道方向）、管片作业LOGO4.1施工流程盾构总体施工流程：始发井交付使用→盾构托架就

位→盾构机下井、安装、调试→初

始掘进（L=80~100m）→负环拆除

及其它调整→正常掘进→盾构机到

达中间站→盾构机通过中间站→盾

构机再次安装、调试→盾构机再次

初始掘进→正常掘进→盾构机到达

终点站→盾构机解体外运→隧道清

理验收到达终点站再次始发L_____

洞门密封圈安装洞门围护墙凿除洞门密封圈安装始发端头加固反力架安装LOGO盾构机下井始发站4.1施工流程盾构机解体外运盾构机就位调试过

站到达车站初始掘进正常掘进再次就位调试设备调整盾构机托架到达端头加固中间站到达站!62（1）盾构下井组装l整机组装：始发井（场地）应具有容纳盾构主机和后部台车的条件，将盾构

主机及全部后配套台车一次组装完毕。顺序：后配套台车→

中盾→前盾→刀盘→管片拼装机→螺旋输送机→盾尾→

管线连接→组装完成。l分体组装：始发井应具有容纳盾构主机的条件，地面应有能放置盾构后配套台车的相应场地。盾构主机在井下完成组装，后配套台车在地面连接，主机与地面台车用加长管线连接后调试、始发，随盾构掘进并据井下条件将地面台车逐次下井组装。顺序：中盾→前盾→刀盘→管片拼装机→螺旋输送机→盾尾→加长管线连接

→后配套台车（根据工作条件逐次下井组装）。4.2盾构下井组装、调试与验收LOGO63（2）盾构调试l盾构在工厂及工地组装和连接完成后，应进行调试，主要调试内容包括：刀盘驱动、液压、润滑、冷却、配电、注浆、气压仓、注入系统等以及各种仪表的校正。

应着重观测刀盘转动和端面跳动是否符合要求。l空载调试合格后在试掘进期进行设备负荷调试。除空载调试内容外，还应进行下列负荷的调试：检查各种管线及密封的负载能力；各类阀的气密性或水密性；各

个工作系统和辅助系统达到满足正常生产要求的工作状态。（3）盾构验收验收程序一般为：由购买方和制造商共同认定《验收大纲》；共同逐项进行验收；购买方在验收过程中根据合同及设计联络会议中提到的设计要求，对盾构组装与调试中出现的问题向制造商提出整改要求。应包括:工厂验收、组装验收、试掘进验收。4.2盾构下井组装、调试与验收LOGO盾构始发施工阶段：指从破除洞门、盾构始发推进到盾构掘进、壁后注浆、渣土运

输等全工序展开前的施工阶段。盾构接收施工阶段：指盾构刀盘进入加固土体的掘进施工及盾构主机完全进入接收

基座的施工阶段。始发和到达施工时可能发生盾构隧道偏离、始发反力架与盾构基座变形或移位、洞

门涌水、涌泥砂、地表沉降过大以及坍塌等危险情况，施工风险大。通过对盾构工法原理与工况的深入认识、针对不同的地质与环境条件，采用适宜的技术方案和措施，加强技术管理、现场管理，盾构始发与接收的风险是可控的。应根据始发和到达部位地质、环境、隧道设计等条件，结合始发和到达阶段施工特点，制定始发和到达专项施工方案；应严格按方案实施，并对地表、临近地面建（构）

筑物、地下埋设物、始发反力架、盾构基座、洞门密封装置等进行观察和监测。LOGO4.3盾构始发与到达6566LOGO4.3盾构始发与到达4.3.1

始发与到达的基本工况与要求（1）盾构始发与到达时需拆除钢筋砼围护结构，要求裸露的土体应稳定、无漏水；（2）始发与到达是一段工作过程，盾构在此期间逐渐建压（或逐渐减压、失压），不能达到理想的土压平衡状态，难以支撑端头区域的水土压力。要求距洞门一定距离、一定范围的土体保持稳定及无漏水的状态；到达阶段：需逐渐降低土压直至降为0，以

确保洞门不发生坍塌。加固土体作为重力

式挡土墙越来越薄。始发阶段：刀盘初始切削土体、填充土仓、

逐渐建立反力是一个过程。其间开挖面的

平衡与无漏水状态由加固土体保证。注浆孔加固土体切削土加固土体LOGO4.3盾构始发与到达挡土墙反力架

注浆孔始发托架切削土接收托架原状土体同步注浆挡土墙4.3.2

端头加固方案（1）当洞口段土体不能满足防水土流失、防坍塌的安全要求时，必须采取地层加固措

施。应根据地质、施工环境、隧道埋深、盾构类型与外径等条件，制定地层加固施工方案，并严格按方案实施。（2）加固土体应达到自稳的强度及止水效果，并根据强度计算及工法的适用特点选择

加固方法。当洞口地层处于有承压水地层或砂性土层时，应采取降水、堵漏等防止涌

水、涌砂的措施。（3）加固范围应考虑地层与地下水特性（水、砂层）、盾构机长度以及盾构中盾圆

周径向孔位置等因素。（4）应对地层加固质量和效果进行检查，地层加固范围、加固体的强度、抗渗指标应

经现场取样试验确定并满足设计要求。LOGO4.3盾构始发与到达68（5）推荐加固方案l粘土、黄土、残积土等（条件：无水；有水，C、

φ值较高，但能实现可靠降水效果）推荐方案：素混凝土桩、墙挡土加固（+降水）。l粉土、淤泥质土、淤泥（条件：有水，C、

φ值较低）推荐方案：

旋喷桩（或搅拌桩、注浆等）加固止水+降水。l

富水、承压水砂等地层•基坑主体采用连续墙设计（一般墙趾深入隔水层）时，推荐加固方法：U型素混凝土连续+旋喷桩加固+降水•当用其他方法难以达到稳定开挖面土体时，采用冻结法可取得较好的效果，可使不稳定的含水地层能形成强度很高的冻土体，起到隔水和挡土墙的作用。LOGO4.3盾构始发与到达694.3.3

始发与到达施工流程盾构始发作业流程图盾构到达作业流程图

70LOGO4.3盾构始发与到达盾构调试安装反力架与洞门密封装置洞门封堵等墙后盾构完全上接收托架盾尾通过洞门密封后进行洞门封堵洞门密封装置安装洞门挡土结构物第一次凿除隧道贯通、盾构上接收托架盾构接收基座安装与加固盾尾通过洞门密封后洞门封堵洞门挡土结构第二次凿除洞门挡土结构物第一次凿除洞门挡土结构第二次凿除到达段掘进隧道贯通前测量安装负环管片、定位始发推进与负环管片安装盾构组装安装盾构始发基座洞口段地层加固掘进参数调整掘进方向控制盾构掘进与管片安装始发部位地层加固4.3.4

始发施工要点（1）盾构始发基座应能承受盾构机的荷载，规定正确的始发方向，稳固并有防盾

构旋转措施，对始发时的偏压保持有充分的强度。始发基座台面高度偏差不大于±30mm，前端左右高程偏差不大于

±20mm，始发基座与隧道轴线偏差不大于

±5‰；（2）洞门密封装置的内径略大于盾构外径，密封圈必须考虑盾构始发洞口的净空和

其材质、形状和尺寸。必须牢固地固定在盾构始发洞口上。在洞门密封压板上设置

防反转装置。（3）始发反力架应满足承受盾构推力的足够强度和刚度；由正式管片起始位置确定

负环管片和反力架位置；反力架基面要有足够的平整度。（4）负环管片定位时，管片横断面应与隧道轴线垂直。（5）凿除洞门范围钢筋混凝土，应检查始发洞口净空尺寸，确保没有钢筋、混凝土

侵入设计轮廓范围之内。（6）采用设置导台等措施防止盾构机机头下降。LOGO4.3盾构始发与到达（7）始发前应对盾构姿态作复核、检查，盾构位置应准确，盾构轴线应与隧道轴线

重合。（8）始发掘进应满足以下要求：•

采取小推力、低扭矩始发掘进。刀盘进入洞门前，在边缘刀具和橡胶密封圈上涂

抹油脂，避免损坏洞门密封装置。•对脱出盾尾的负环管片应及时进行加固，以保证在传递推力过程中管片不浮动及

下沉变位。最初的管片安装保持良好的真圆度•初始掘进过程中必须加强对地面沉降监测并及时反馈分析，不断调整盾构掘进施工参数。（9）盾尾完全进入接收井后以后调整洞门密封，采用同步注浆及二次注浆将管片

与洞门可靠封闭。（10）小半径曲线始发选择最优割线始发，洞门根据曲线的转弯要求，一般将洞门圈做大。LOGO4.3盾构始发与到达4.3.5

到达施工要点（1）在距离接收井100m对盾构位置进行准确测量，同时应对接收洞门位置进行复核测量，确定盾构姿态及纠偏计划；纠偏应逐步完成，每一环纠偏量不能过大。（2）在距离接收井50m时应调整掘进参数，逐渐放慢掘进速度，推力逐渐降低，缓慢均匀地切削土体，距离小于10m时，进一步控制盾构掘进速度和掘进参数。（3）临近接收井的20环管片应做好螺栓紧固、拉紧使之连成整体，防止管片松弛而

影响密封防水效果。（4）盾构中盾进入加固区后，应利用其径向注浆孔封堵加固区的漏水通道。（5）在拼装的管片进入加固范围后，应采用快硬性浆液封堵。（6）最后一环管片拼装完成后，通过二次注浆孔注入双液浆进行封堵。注浆过程中

应密切观察洞门情况，发现有漏浆现象应立即停止注浆并进行处理。（7）盾构前体盾壳被推出洞门时应束紧压板卡环上的钢丝绳，使压板压紧帘布橡

胶板，防止洞门泥土及浆液漏出。（8）盾构接收到基座上后，应及时做好管片与洞门密封圈间的密封。LOGO4.3盾构始发与到达4.3.6

分体始发l分体始发是指将盾体与全部或部分台车之间采用加长管线连接，盾体与全部或部分台车分开前行，待初始掘进完成后再将盾体与台车在隧道内安装连接进行正常掘进的施工方法。盾构整体始发一般依托车站施工过程中的空间来完成，在施工过程中占用大量空间，影响车站施工。在寻求解决盾构施工和车站施工相互影响的过程中，小空间内的分体始发成为了最好的解决办法。l盾构机的改造是分体始发的重中之重，也是施工过程中最大的一个难点。主要包括管路的接长连接、线路的接长连接、盾构机部分设备的改装、临时出土口的安装

等内容。LOGO4.3盾构始发与到达7475LOGO4.3盾构始发与到达76LOGO4.3盾构始发与到达4.3.7

几种特殊的接收工法到达施工中应逐渐降低土（泥水）仓压力，当有承压水砂性土层加固效果不理想或盾构推力挤压与施工扰动破坏加固土体时，地下水压力作用下，水砂从刀盘前方和盾体与围岩、洞门的间隙涌出，发生地层沉降过大以及坍塌等危险情况，也会因此而危及地面建（构）物和地下管线等的安全。为了规避此类风险，根据地质、环境条件，宜选择盾构土中接收或钢套筒接收或箱体接收等方法，模拟盾构在原状土中的掘进工况，保持土（泥水）仓内压力平衡，以控制地层沉降，防止出现险情。（1）钢筋混凝土挡墙、箱体与钢套筒等设施的结构物应经专门设计计算，满足盾构

自重、盾构掘进时的推力、扭矩、土（泥水）仓压力等受力要求。（2）为确保洞门挡土结构破除安全，应采取适当的地层加固措施。（3）破除洞门挡土结构前，应施做或安装好接收设施；箱体与钢套筒设施还应预留施工孔洞。LOGO4.3盾构始发与到达（4）盾构到达前，应破除洞门挡土结构，清除盾构通过范围内的障碍物；之后立即

进行填充：采用土中接收方法时，可对挡墙与洞门之间填充土砂和水，填充高度应能平衡土（泥水）仓压力；采用钢套筒或箱体接收方法时，可采用低标号砂浆对钢套筒或箱体进行填充，并封闭预留的施工孔洞。（5）盾构到达接收井后，应对洞门进行注浆封堵。（6）应在确认洞门密封可靠后方可进行填充物的清理和接收设施的拆除。盾构土中接收78LOGO4.3盾构始发与到达挡土墙注浆孔砼导台砂、土挡墙水主体结构的围护结构车站主体结构前后法兰,

螺栓连接

盾构机主体部分成型隧道顶推托轮组洞门预埋环板洞门凿除后的回填体进料口反力架

3后端盖钢管斜撑钢板预埋件钢套筒

43钢管直撑托架

吊耳挡土墙注浆孔LOGO4.3盾构始发与到达盾构钢套筒接收人孔

钢筋混凝土箱体盾构箱体接收砼导台

回填土79端头加固连续墙刀盘（1）土压平衡盾构既适用于较高强度的岩石地层和软流塑地层施工，也可适用于软

硬不均匀地层的施工，并能根据地层及环境条件需要采用适当的掘进模式掘进，确保开挖面稳定。掘进作业一般有土压平衡模式、开敞模式及半开敞模式三种模式。l

应根据地层软硬情况、地下水状况、地表沉降控制要求等选择合适的掘进模式。l

掘进模式由土压平衡模式向开敞模式的转换宜采用半敞开模式（局部气压模式）

作为过渡模式，并在地质条件较好的地层中完成。l

采用半敞开模式（局部气压模式）掘进时，应做好气压管理，并采取措施防止漏

气、喷涌。LOGO4.4盾构掘进模式土仓压力分布II级、IIII级围岩，部分IV级围岩V级、VI级围岩，重要建筑物IV级围岩，重要建(构)筑物土仓压力分布土仓压力分布压缩空气80（2）当地层为软硬不均匀且复杂变化的复合地层时，应根据地层软硬情况、地下水

状况、地表沉降要求等选择合适的掘进模式。当地层软弱、地下水丰富，且地表沉降要求高时，应采用土压平衡模式掘进；当地层较硬且稳定可采用开敞模式掘进；当地层软硬不均匀时，可采用半开敞模式或土压平衡模式掘进。（3）三种掘进模式在掘进中可以相互转换，在掘进模式转换过程中，特别是土压平

衡模式和开敞模式相互转换时，采用半开敞模式来逐步过渡并在地层稳定性较好地层中完成掘进模式转换，有利于防止在模式转换中发生涌水、地层过大沉降或坍塌。（4）选择半开敞模式（局部气压模式）时应综合考虑隧道覆土厚度、地层状况、隧

道直径等因素。应事先调查地层土的粒度组成、透水性和透气性、地下水状态等，掘进施工时应判断开挖面状态，测定并记录涌水量、空气消耗量、并与调查资料比

较，反馈指导施工。对可能发生漏气、喷涌等现象应制定相应控制措施。LOGO4.4盾构掘进模式81（1）盾构试掘进为正常掘进控制提供依据。l摸索、了解、掌握、验证盾构适应性能及施工规律。l根据控制地面变形及环保的要求，沿盾构推进轴线和与轴线垂直的横断面布设地表变形量测点，施工时跟踪测量地表沉降、隆起变形。l

分析、调整盾构掘进推力、刀盘扭矩、掘进速度、土仓压力、壁后注浆量和压

力等施工参数，为后续掘进取得可供借鉴的施工参数和施工操作经验。（2）目前，城市地铁盾构隧道试掘进段长度一般为100m。（3）当管片和围岩间的摩擦阻力满足盾构掘进所需的反力时，方可拆除负环管片

与始发反力架。拆除负环管片和始发反力架后，盾构掘进反力由管片与围岩间摩擦阻力提供。L＞F/

(

πDf）式中：L—从洞门开始的管片长度（m）；F—盾构千斤顶推力（

kN）；D—管片外径(m)；f—考虑壁后注浆材料的管片与围岩的摩擦阻力（kN/m2）。LOGO4.5盾构试掘进83（1）应根据地质条件，向开挖面或土仓内注入适当的添加剂进行渣土改良，保持

土仓内渣土塑流状态，并降低对刀盘、刀具和螺旋输送机等的磨损。（2）有选择地向开挖面或土仓内适当注入泥浆或水、泡沫剂、聚合物等添加材料，

提高土仓内渣土的塑流性，防止开挖土砂在盾构内粘附等。LOGO4.6碴土改良技术发泡

剂注

入后改良

效果碴土（1）盾构掘进过程中必须对成环管片与地层之间进行壁后注浆；掘进至一个管片

环宽度时，应停止掘进，进行管片拼装。（2）根据隧道埋深、地质条件、线路平面与坡度、地表环境、施工监测结果、盾

构姿态以及盾构初始掘进阶段的经验，选择盾构掘进模式，设定土仓压力、刀盘转速、推力、扭矩、螺旋输送机转速、排土量、盾构滚转角、俯仰角、偏角等掘

进参数。可从盾构掘进两环以上的状态测量资料分析出盾构掘进趋势，并通过地表变形量测数据判定预设的土仓压力的准确程度，从而调整施工参数，制定出当班盾构

掘进指令。（3）掘进中应监测和记录盾构运转情况、掘进参数变化、排出渣土状况，并及时

分析反馈，调整掘进参数，控制盾构姿态。4.7盾构掘进与参数管理LOGO84（4）土压平衡盾构掘进作业流程准备工作→转动刀盘→启动次级运

输系统（皮带机）→启动推进千斤顶→启动首级运输系统（螺旋机）→

回填注浆→停止掘进→安装管片→准备下一环掘进设定添加剂注入参数设定掘进速度设定螺旋输送机转速4.7盾构掘进与参数管理LOGO是盾构姿态是否正确土压平衡盾构掘进作业流程图渣土塑流性满足要求刀盘扭矩、推力是否不超过上限排土量是否正常

继续盾构掘进

调整掘进参数

与方向控制调整添加剂

注入参数调整螺旋输送机

参数调整掘进参数

与加强注浆盾构掘进设定刀盘扭矩、转速设定推力上限值调整掘进参数设定土仓压力P0地表沉降等监测数据

是否在允许范围内实际土仓压力P1

与P0是否相符

是85开始是是是是否否否否否否（5）盾构掘进过程：l

应通过盾构主监控室监视与监测设定的土压力、盾构推进速度与油压、刀盘转速与油压、螺旋机转速与油压、排土速度、盾构姿态，以及盾构分组推进油缸伸出

长度等施工参数是否正常，发现异常应及时调整。l

应保持盾构配套设备、抽排水与通风设备、运输设备、供电系统等正常运转。l

应保持盾构密封。l

应按设定的参数沿隧道轴线进行盾构掘进，并作好详细的施工记录（应包括：盾构推进油缸行程、掘进速度、推力、扭矩、土（泥水）仓压力、刀盘转速、螺旋

输送机转速、排土量、盾构姿态、盾构内壁与管片间隙、壁后注浆压力和数量等施

工参数。）l

重点对主要的施工管理指标（六大指标：土仓压力；推进速度；总推力；排土

量；刀盘转速和扭矩；注浆压力和注浆量）加强掘进控制管理。4.7盾构掘进与参数管理LOGO86（6）应使土仓内渣土具有适当塑流性并防

止地下水流出，保持土压平衡盾构开挖面稳定所需土仓压力，维持与盾构推进量相平衡的排土量，对渣土塑流性、土仓压力、掘进参数和排土量等进行动态管理。（7）设定的土仓压力应能抵抗开挖面前方

的水土压力，并应保持土仓压力。开挖面

前方水土压力计算可采用主动土压力和静

止土压力，一般：以控制地表沉降为目的

时取上限，确保开挖面稳定但允许产生少

量地表沉降时取下限。应通过施工监测数

据反馈和掘进参数等分析，适当调整土仓压力设定值。添加剂注入量、配比设定注入量增大降低掘进速度土仓压力设定注入量减少选择添加剂硬

软好高正常正常正常正常反馈螺旋排土器旋转速度降低

盾构刀盘掘进速度增加低超上限▲超上限过或不足超限塑流性管理土压力管理掘进参数管理排土量管理监视4.7盾构掘进与参数管理LOGO土压平衡盾构开挖面稳定管理流程图正常

87地表变形确认，检查螺旋排土器旋转速度增加

盾构刀盘掘进速度降低排土量土仓压力塑流状态刀盘扭矩推力掘进速度，盾构

负荷上限设定下一步掘进开挖面稳定管理（8）为在保持开挖面稳定的同时进行盾构掘进，应严格控制排土量，使实际排土量与

理论掘进排土量相平衡，采取测量排出渣土体积和重量的方法来计量排土量，与理论

排土量进行比较，判断排土量大小，并根据掘进状况进行调整和控制。由于土体经开挖后单位体积容重会有一定的变化，另外，由于添加剂的种类、添加

量或排土方式等因素影响，渣土容重也会发生变化，要准确地管理排土量比较困难。应根据土仓压力和排土量同时进行管理，防止地层沉降或开挖面失稳。（9）盾构掘进过程中遇到下列情况时，应及时处理：l

盾构前方地层发生坍塌或遇有障碍。l

盾构滚动角大于3

°。l

盾构轴线偏离隧道轴线大于50mm。l

盾构推力与预计值相差较大。l

管片严重开裂或严重错台。l

壁后注浆系统发生故障无法注浆。l

盾构掘进扭矩发生异常波动。4.7盾构掘进与参数管理LOGO（10）盾构暂停掘进时，应采取措施保持土（泥水）仓压力以稳定开挖面，防止水土

流失和地层坍塌；盾构停止掘进时间较长时，应结合隧道地层、开挖面稳定性、隧道埋深、地表变形等条件和设备特点，采取针对性的技术措施。当盾构因故临时停止掘进且时间较短时，可采取向土仓内注入泡沫或泥浆等措施

保持土仓压力。当盾构因故较长时间停止掘进时：l

在停止掘进前应做好停机准备工作。l

停止掘进前的最后一环掘进完后土仓压力比设定压力值略大。l

采取向土仓内注入泡沫或泥浆等措施保持土仓压力。l

停止掘进后应加大盾尾油脂注入量，保护盾尾密封。l

停止掘进后向盾体周围注入泥浆，预防盾体被包裹，并可减少盾构恢复掘进时的

摩擦阻力。l

采取措施保护盾构上的壁后注浆、泡沫和泥浆等注入管路。l

可定时做小距离不出土推进，防止盾尾被壁后注浆浆液包裹。4.7盾构掘进与参数管理LOGO（11）对脱出盾尾后的管片上浮应采取针对性措施，防止隧道轴线偏差过大和管片损

伤。管片脱出盾尾后，在未及时凝固的壁后注浆浆液和地下水的浮力或盾构推进油缸反力向上分力的作用下可能使管片上浮，造成隧道线形偏差较大，也会由于剪切力作

用使管片损伤，应采取措施防止管片上浮：l

可采用快凝浆液进行壁后注浆，尽快封闭管片与地层的间隙。l

应控制盾构姿态和正确地选择管片类型，减小盾构推进油缸反力向上分力。l

必要时，使盾构在设计轴线下方掘进，预留管片上浮量。4.7盾构掘进与参数管理LOGO904.8.1

主要问题（1）设定合适的土仓压力确保开挖面的稳定，关系到盾构施工效率和工程环

境安全。•开挖面地层稳定性较好时，土仓压力过大时会引起刀盘扭矩和推力增大、推进速度下降，存在盾构掘进效率降低、设备能耗和损耗加大等问题；•开挖面地层稳定性较差时，土仓压力不足则会发生开挖面的涌水或坍塌，造成地层水土流失过多，导致地层沉降难以控制等问题。（2）实际工程实践中土仓压力设定采用经验数据的现象较多，往往会出现土仓压力设定时或大或小的偏差，不利于施工控制。4.8土仓压力设定与控制LOGO914.8.2

盾构土压力设定（1）在土压平衡盾构土仓隔板上安装有土压力传感器，土仓压力值由土压传感

器测得并输送给可编程控制器（PLC），PLC将测得的土压力值与设定的土仓压力值相比较后输出电信号调控液压控制系统中的比例流量阀，以此改变螺旋输送机

转速或推进液压缸的伸出速度，使土仓压力的测定值与设定土仓压力相等。（2）盾构在土压平衡模式施工时，以开挖面前方土体土压力计算值为主要依据，土仓压力设定值与开挖面前方土体土压力基本相等；通过控制土仓压力的实测值

与设定值基本相等，实现开挖面土压力平衡。4.8土仓压力设定与控制LOGO92（3）计算开挖面前方土压力l

获取地层物理力学指标。地质勘探、土工试验或参考经验数据，得出

γ

、c、φ

以及地下水头高度等。l

计算隧道上方覆土自重应力和地面荷载引起的附加应力等。l

确定土压力系数。静止土压力系数K0（K0=1-sinφ

)

,主动和被动土压力系

数Ka=tg2

(45

°

-

φ/2)、Kp=tg2

(45

°+φ/2)。l

采用土压力计算公式计算开挖面前方土压力。934.8土仓压力设定与控制LOGO【开挖面前方土压力理论计算】【1】

三种类型土压力开挖面前方土体容重γ

,粘聚力

c

，有效内摩擦角φ

,静止土压力系数为K0。l

静止土压力时，p土=K0

(q+γh)则：p土1=K0qp土2=K0

(q+γD)l

主动土压力时，p土=(q+γh)tg2

(45

°-φ/2)-2ctg(45

°-φ/2)则：p土1=qtg2

(45

°-φ/2)-2ctg(45

°-φ/2)p土2=(q+γD)tg2

(45

°-φ/2)-2ctg(45

°-φ/2)l被动土压力时，p土

=(q+γh)tg2

(45

°

+φ/2)+2ctg(45

°

+φ/2)则：p土1=qtg2

(45

°

+φ/2)+2ctg(45

°

+φ/2)p土2

=(q+γD)tg2

(45

°

+φ/2)+2ctg(45

°

+φ/2)4.8土仓压力设定与控制LOGO【2】

开挖面前方土压力计算时应结合工程实际进行：

当开挖面前方土体有地下水时，还应考虑地下水对开挖面前方土体土压力影响：•

对砂土和粉土按分土分算，侧向压力为静止水压力和土压力之和，地下水位以下

的土压力采用浮容重和有效应力抗剪强度指标计算；•

对粘性土按分土合算，地下水位以下的土压力采用饱和容重和总应力抗剪强度指

标计算。

当隧道上方地面有建筑物或其它荷载时，还应考虑地面荷载引起的附加应力的作用，可采用近似方法将地面荷载换算成等值填土高度进行计算，其垂直应力与隧道开挖面以上的土体自重应力叠加。

开挖面前方土体成层分布时，各层土的容重γ、粘聚力

c

，有效内摩擦角φ等不同，在进行土压力计算时按各层高度及地层物理力学参数分层计算，土压力分布在地层交界面处发生突变，土压力呈折线分布。4.8土仓压力设定与控制LOGO96（4）确定土仓压力设定值l

结合盾构施工状态与工程实践经验，对开挖面前方地层的稳定性和沉降控制要求等综合分析，确定开挖面前方土压力的类型，以土仓压力与开挖面前方土压力

基本相等的原则，参照开挖面前方土压力计算结果，确定合适的土仓压力设定值。l

盾构隧道开挖后，围岩的应力释放和变形发展具有空间和时间效应，围岩变形不是瞬时就达到其最终值，而是随着时间的推移逐渐完成的，利用围岩变形的时空效应，在土体变形的初期阶段采用盾构壳体或管片及管片背后的注浆体来支承围岩，通过调整盾构施工速度缩短围岩未支承的时间，可以减少地层土体的变形，因此，允许围岩有一定变形且满足沉降要求时，可适当减小土仓压力设定值，有利于盾构推进参数控制和掘进效率提高。实际上，这种利用围岩变形的时空效应以适当减小土仓压力的做法在施工中会经常用到。l

理论计算被动土压力往往比较大，土仓压力设定值不会达到被动土压力的数值。4.8土仓压力设定与控制LOGOl

一般情况下：•地层稳定性较好且地面沉降要求不高，可用介于主动和静止土压力之间的某个数值为土仓压力设定值；•地层稳定性较好但地面沉降要求较高或地层稳定性较差但地面沉降要求不高，

可用静止土压力为土仓压力设定值；•地层稳定性较差且地面沉降要求较高，可用略高于静止土压力的某个数值为

设定土仓压力值。l

由于开挖面前方地层地质的复杂性以及土压力理论的假定对计算结果的影响，

实际施工中还应通过地面沉降等监测数据的分析对土仓压力设定值进行适当修正。4.8土仓压力设定与控制LOGO974.8.3

盾构土压力控制方法（1）实际工程施工中，经常会遇到土仓压力传感器显示土仓压力不稳定、土仓

内上下压力差大、土仓内压力线性分布规律不明显以及土仓内不能完全充满碴土等情况，土仓内土体性质不稳定或形成的土仓压力与开挖面前方土压力不平衡。因此，需利用土仓内的碴土并采取措施建立满足平衡条件的土仓压力，对土仓压

力进行控制。（2）开挖面前方土体的性质可通过地层加固等手段进行改善，但受加固条件和成本控制等的影响，一般情况下不可取，仅在特殊部位（如始发和到达端头等）采取地层加固措施。开挖面前方土体性质一般情况下不可人为改变，要实现土压平衡模式掘进，就需要通过改善土仓内土体性质，并采用辅助技术措施改变土仓内土压力的大小，使土仓压力的大小与开挖面前方土压力大致相等，因此，根据开挖面前方土压力的大小设定好土仓压力后，重点应进行土仓内土压力控制。4.8土仓压力设定与控制LOGO（3）采用土压力理论计算方法，估算土仓内土体的静止土压力和被动土压力，

以此为指导，采取技术措施对土仓压力的实测值进行控制。l

在盾构推进状态，对粘聚力较大（细颗粒含量较高）的粘土地层，要采取措施降低土仓内上下部的土压力；而对粘聚力较小（细颗粒含量较低）的地层，

则要采取措施增大土仓内上部土压，降低土仓内下部土压。l

在盾构停机状态，土仓上下部的土仓压力都要采取措施适当增大。（4）通过监测数据对土仓压力设定值进行修正是必要的，但由于地面沉降等

往往有滞后效应，盾构开挖过程中在开挖面前方产生的地层沉降会在盾构通过之后随时间的推移逐步发展到地面，这就使通过施工监测来控制土仓压力设定值产

生了一定难度，因此，关键还是要控制土仓压力的大小，以保持开挖面稳定。4.8土仓压力设定与控制LOGO994.8.4

盾构土压力控制技术措施结合理论分析和工程实践，一般采取土仓内土体改良、辅助压气以及严格控制出土量等技术措施进行土仓压力的建立和控制。（1）盾构推进时，对粘聚力较小的地层，需改善土仓内土体性质，通过提高粘聚力增大上部土仓压力，通过降低内摩擦角以减小下部土仓压力。比如对砂层，

采取向土仓内注入膨润土泥浆可以增大粘聚力并减小内摩擦角，对土仓压力的改

变效果明显。（2）盾构推进时，对粘聚力较小的地层，采用向土仓内注入泡沫或用空压机通过管道向土仓内压入高压气体等辅助措施，在土仓内形成了一定的气压，一是可补充上部土压力的不足，二是高压空气的注入可降低碴土的容重和内摩擦角，

降低土仓下部土压力。在进行注入泡沫或高压气体时，地层的气密性对气体“逃逸”有一定影响，必要时持续注入泡沫或高压气体以保证气压稳定。4.8土仓压力设定与控制LOGO（3）盾构推进时，对粘聚力较大的地层，采用注入泡沫或水的方法，降低土

仓内碴土的容重、粘聚力和内摩擦角，以降低土仓内土仓压力，同时可提高碴土

塑流性。（4）盾构停机时，土仓压力往往会有所下降，开挖面的稳定性会受到影响，因此，在盾构停机之前减少出土量，通过挤压提高仓内土体的容重，以提高停机时土仓内土压力；在盾构停机时通过注入泡沫或高压气体在土仓内形成气压，补

充土压不足，使土仓内土压与开挖面前方的主动土压力相一致。（5）实际施工中土仓内的碴土很难完全充满，对粘聚力较小的地层，由于土

仓上部土压较小，往往会在开挖面顶部形成一定体积的空腔，当空腔较小时对地面沉降影响较小，当空腔较大时开挖面就会产生较大沉降。空腔的形成主要是由于土仓上部压力较小所致，因此，一是要采取上述措施加大上部土压，二是在盾构推进与停机时，当地面沉降要求高的情况下尽量使土仓内充满碴土，减小开挖面前方土体进入土仓内的空间。4.8土仓压力设定与控制LOGO（6）通过螺旋输送机出土控制，使土仓压力保持相对稳定，防止出现较大波

动；同时严格控制出土量，通过对每一掘进进尺的出土量与理论计算的出土量进行对比分析，使实际出土量与理论出土量基本吻合。在实际施工中，通过观测土仓隔板上土压力传感器显示的土仓压力实测值与土仓压力设定值进行比较，判断土仓压力的偏差。根据具体情况采用上述一种或几种组合的技术措施，控制土仓压力的实测值与设定值基本一致，实现土压平衡以保持开挖面稳定。4.8土仓压力设定与控制LOGO1024.9.1

盾构姿态控制（1）盾构掘进时应采取正确分组控制盾构推进油缸、正确选择管片类型以及适当使用铰接装置等方法控制盾构姿态，使盾构按隧道线路正确地掘进。l

盾构掘进是通过盾构推进油缸的推力来实现的，推进油缸的正确使用是盾构按照隧道线路掘进