《盾构施工技术》课件-项目5 盾构掘进关键技术

《盾构施工技术》平衡的艺术1.土压平衡盾构掘进技术精要01

核心理念：土压平衡的原理与目的

操作准则：02

以管理原则驱动标准化施工流程

控制核心：03

土仓压力与排土量的精准调控04

秘密武器：渣土改良技术05

模式选择：不同地层的应对策略06

航向控制：盾构姿态与方向管理目录CONTENT

S核心理念：土压平衡的原理与目的目的稳定开挖面防止沉降防止隆起平衡出渣一、土压平衡的原理与目的水压力+土压力=土仓压力操作准则：以管理原则驱动标准化施工流程准则：精细化管理的基础以管理原则驱动标准化施工流程

掘进管理八大原则②严格控制盾构姿态，记录油缸行程。⑤纠偏量小，避免扰动。③每环测量盾尾间隙，预测管片布置。①采用试掘进确定的最佳参数施工。⑥严格开机顺序。⑧确保开挖面稳定，调整土压与出渣。④全过程严格受控，数据驱动决策。⑦开机前全面系统检查。二、以管理原则驱动标准化施工流程

土压平衡盾构掘进工艺流程地面沉降监测根据地面沉降

情况，设定土仓

压力及掘进速度管片出厂现场管片检验安装密封止水条吊运下井电瓶车运输就位螺旋输送机出土皮带输送机运输渣车装渣电瓶车运输门吊提升出井卸入弃渣坑反铲装车外运同步注浆推进油缸推进安装管片管片位置调整拧紧管片螺栓抹孔嵌缝质量检验土压平衡盾构法施工工艺流程测点坐标输入根据导向系统调整盾构姿态盾构掘进控制核心：土仓压力与排土量的精准调控沉降工作面状态土仓P与基准P。措施下沉超过基准坍塌Pmax<P₀增大P隆起超过基准支撑面压力过大Pmin>P₀减小P三、土仓压力与排土量的精准调控

土仓压力控制●可通过监测地表沉降，进行调整●

理论上，K≈1,渣土具有低透水性且处于良好的塑流状态●

渣土干硬，K<1,

排土速度慢，应增大转速●

渣土流动性好，K>1,

排土速度快，应降低转速●流动性非常好，

K≈0,

排土速度快，应降低转速或者增长螺旋机，避免

产生喷涌

排土量控制理论排土量

每转=VN螺旋输送机理论排土量掘进产生的理论渣土量三、土仓压力与排土量的精准调控k=Q

。=AVno切削断面

面积松散

系数理论

转速秘密武器：渣土改良技术常用添加剂泡沫膨润土聚合物四、渣土改良技术未改良的渣土改良后的渣土流塑、均匀、易流动干硬、粘结、易堵塞四、渣土改良技术

添加剂的选择根据地质条件选择添加剂粘性土/砂土泡沫需润滑/止水膨润土防喷涌聚合物模式选择：不同地层的应对策略掘进模式局部气压式压缩空气螺旋输送机—皮带输送机b)局部气压模式土仓部分填满，维持一定压力土压平衡式泡沫螺旋输送机皮带输送机c)

土压平衡模式土仓满仓，精密控制压力a)

敞开模式岩层，滚刀破岩，土仓基本无压五、土压盾构掘进模式螺旋输送器皮带输送机敞开式一人舱航向控制：盾构姿态与方向管理防止盾构轴线轨迹应与隧道设计轴线偏差过大，使隧道衬砌侵限、盾尾管片局部受力恶化，造成地层损失增大而使地表沉降加大。采用激光导向来保证掘进方向的准确性和盾构姿态的控制通过分区操作盾构推进油缸控制盾构掘进方向六

、盾构掘进方向的控制视频播放：6:03——6:55激光导向系统方法目

的盾构推进油缸分组图六

、盾构掘进方向的控制

蛇行与滚动控制蛇行和滚动的主要原因地层不均

系统性能

监控系统

水文条件等滚动(机身旋转)蛇行(轨迹偏差)目的：稳面/防水/控沉数据驱动/精细操作压力控制渣土改良调节及时核心理念：动态平衡管理基础：八大原则控制核心技术保障感知精准土压平衡

掘进成功关键排土控制模式选择系统协同小结SUMM

A

R

Y方向控制1.简述土压平衡盾构掘进的基本原理。为何说它是一个

“动态”平衡的过程?2.在掘进过程中，如果监测发现地表发生持续沉降，可

能是哪些核心参数控制不当?应如何调整?3.某盾构机在富水砂层中掘进时，螺旋输送机出口出现

喷涌现象。请分析原因并提出解决措施。思考T

HINKIN

G《盾构施工技术》泥浆护壁的艺术2.泥水平衡盾构技术揭秘目录CONTENT

S01

原理与舞台：何以平衡?何处适用?02

管理准则：掘进操作的“铁律”03

控制核心：四大关键参数调控04

系统心脏：泥水压力管理与循环05

净化再生：泥水分离与制备原理与舞台：何以平衡?何处适用?一

、泥水平衡的原理和应用

基本原理●依靠一定浓度泥浆，平衡开挖面的土压和水压。

适用范围●软弱的淤泥质土层、松散砂土层、砂砾层、卵砾层、硬土等地层。●尤其适用于地层含水量大越江和海底隧道施工。一、泥水平衡的原理和应用富水软弱地层的“克星”管理准则：掘进操作的“铁律”①依据地质、埋深、环境制定指令。②严格按规程操作，控制参数与姿态。③优化参数，同步注浆，控制变形(-30~10mm)。④坡度、轴线变化平缓(折角≤0.4%)。⑤全过程受控，微纠偏(水平≤9mm/环，竖直≤5mm/

环)。⑥专人监控泥水性能，管路卸压后操作。⑦遇大石块需破碎分离。准则：精细化的“操作手册”二

、掘进操作管理要点③设定掘进参数，优化掘进参数。掘进与管片背后注浆同步进行。控制施工后地表最大变形量在-30~10mm之内。④盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。①根据隧道地质状况、埋深、地表环境、盾构姿态、施工监测结果制定盾构掘进施

工指令与泥浆性能参数设置指令。并准备好壁后注浆工作、管片拼管工作。②施工中必须严格按照盾构设备操作规程、安全操作规程以及掘进指令控制盾构掘

进参数与盾构姿态。掘进过程中，严格控制好掘进方向，及时调整。采

二、掘进操作管理要点⑥施工中必须设专人对泥水性能进行监控，根据泥浆性能参数设置指令进行泥水参

数管理。泥水管路延伸、更换，应在泥水管路完全卸压后进行。⑦施工过程出现大粒径石块时，必须采用破碎机破碎、砾石分离装置分离。⑤盾构掘进施工全过程须严格受控，根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构姿态、刀盘扭矩、推进油缸推力等，即时调整。初始出现的小偏差应及

时纠正，尽量避免盾构走“蛇”形，在纠偏过程中，每一循环盾构的纠偏值水平

方向不超过9mm,竖直方向不超过5mm,以减少对地层的扰动。二、掘进操作管理要点控制核心：四大关键参数调控参数一：压力

——

“平衡”的支点切口泥水压力应介于理论计算值上下限之间，并根据地表建筑物情况和地质条件做适当调整。P=P₁+P₂+P₃静止或主动土压力泥浆压力

土压力地下水压力

变动土压力地下水压力①盾构启动时，检查推进油缸是否顶实，开始与结束推进之前速度要慢②每环正常掘进过程中，速度保持恒定，保证水压稳定和泥浆管畅通③

推

进速度快慢与每环掘进同步注浆量的协调④注意与地质和地表建筑条件匹配，避免损坏刀具或造成周围土体扰动过大正常掘进速度：20~40mm/min软硬不均地层：10~20mm/min参数二：速度——“节奏”的控制设定掘进速度需注意三

、四大关键参数调控三、四大关键参数调控参数三：掘削量——“出”与“入”的平衡实际掘削量

注意掘削量突然变大，应检查泥水密度、粘度及切口水压，调查工作面土体

坍塌情况，及时调整参数，确保开

挖稳定掘削时间

h送泥流量m³/h排泥流量

m³/h参数四：泥浆——“血液”的品质①泥水密度·

送泥时的密度控制在1.05~1.08g/cm³之间；·

排泥密度一般控制在1.15~1.30g/cm³②泥水黏度(漏斗黏度)·

一般控制在25~35s/500ml③析水率·

一般控制在5%以下④pH值·

泥

水

的pH

值一般在8~9,呈碱性“泥浆品质控制面板”动画。面板采用类似飞机驾驶舱的仪表盘设计，

清晰罗列核心指标及其安全范围三

、四大关键参数调控⑤API失水量·Q≤20mL(100kPa,30min)系统心脏：泥水压力管理与循环四、泥水压力管理与循环(一)泥膜——“动态屏障”的形成泥膜的形成机理：当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力

远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。微观动画。演示泥浆在压力作用下，如何渗入土体孔隙，颗粒被捕获、堆积，最终形成一层致密的泥膜。铁建重工泥水盾构(构成及工作原理)视频：02:43-03:00四、泥水压力管理与循环(二)泥水压力管理方式图6-24

间接控制型泥水盾构泥水压力控制1-气源，2-气源处理组件；3-减压阀；4-气动控制器；5-气动压力变送

器；6-气动执行器；7-气动定位器；8、9-气动调节阀隔

板

气垫注浆管限定压力大气压图6-23

泥水气平衡示意图CV-1V-1

CV-2图6-22

直接控制型泥水盾构泥水压力控制直接控制型间接控制型压力信号传送器

No.1(开挖面泥水压一

保持调节计分离面排渣管压力信

号传送

器No.2送泥水

调节计P1泵承压隔板流动方向调

整

槽泥水压CV-3系统构成●送排泥泵、送排泥管、延伸管线、辅助设备等四

、泥水压力管理与循环●

一

是稳定掌子面●二是输送开挖渣料到分离站泥浆处理系统干土外运掘进系统(三)泥水循环系统功能泥浆泵沉淀池

调浆池泥浆及渣土监测系统进浆管

竖井排泥管V4V16V15V21MV13

V17

M排泥泵四、泥水压力管理与循环图6-25开挖模式下的泥水循环PP2.Dv22V₂3中续接力泵

中续接力泵至泥水处理厂自膨润土厂通向泥水仓通向泥水仓M.中续接力泵V02V05

家V07通向气垫仓送泥泵V04V06PV20-V09V18V19V03V01laamlm

Eue

|*仿真气垫仓

换管装置掘进模式四

、泥水压力管理与循环(三)泥水循环系统旁通模式逆冲洗模式旁通模式应对不同工况的“战术控制模式掘进模式送浆管临时存浆装置排浆管维修保压模式停机停机保压模式管路延伸模式隔离模式管路维修四

、泥水压力管理与循环(三)泥水循环系统关键设备与控制●

伽马密度测量仪用以测定送排泥管内的密度的

“即

时”值。●泥浆密度超过预先设定的数值，则产生警报信号，

提示司机改变掘进的参数，或通知地面检查泥水分

离系统的工作状况。●如果密度超出设计的进泥密度和排泥密度过多，司

机应当停机通知相关人员检查，找出原因。在一个

行程结束时，密度的平均值将在掘进报告中给出，

根据这个平均密度，可以进行密度分析，进行泥水

改良工作。电

缆检测进

(

排

)

泥

管放射源操作装置温度计图6-26

泥水密度测量仪净化再生：泥水分离与制备开挖土渣与泥浆混合物由排浆泵送到洞外泥浆分离站，分离后进入泥浆调整池进行性状调整，再送回盾构重复使用五、泥水分离与制备

泥水分离站●与盾构推进速度适应，同时应考虑储备能力●有效分离泥土●泥水处理分三级①振动筛或旋流器处理74μm

以上颗粒②处理74μm

以下细小颗粒③对需要排放的水经PH处理后排放

泥浆制备泥水制备时，使用黏土、膨润土(粉末黏土)

提高密度；添加CMC

来增大黏度。五

、泥水分离与制备P₀

<控制值上限密度Po膨润土漏斗黏性试验Po>

控制值上限加水FV<控制值下限

YV<控制值下线添加增黏材料CMC黏性FV

、YyFV>

控制值下限YV>控制值下线

掘进开始掘进前，核对调解槽的泥浆

量、泥浆密度及泥浆的组成VG表试验过滤试验图6-27泥水制作流程图原理：泥浆压力平

衡+泥膜支管理：七大准则控制：四大参数系统：两大关键泥浆品质适用：富水软弱

地层精细化操作压力/速度/掘削量/

泥水指标压力管理压力稳定泥水平衡

技术成功关键小结SUMM

ARY循环分离系统协同1.

简述泥水平衡盾构中“泥膜”是如何形成的?它在稳

定开挖面中起到什么作用?2.如果泥水盾构在掘进过程中，地表监测点出现持续隆

起，可能是哪个核心参数控制不当?应如何调整?3.泥水循环系统为何需要多种控制模式(如掘进模式、旁通模式、保压模式)?它们分别在什么情况下使用?思考T

HINKIN

G《盾构施工技术》完美拼图3.盾构隧道管片拼装技术与质量掌控目录CONTENT

S01

拼图零件：认识管片02

拼图大师：管片拼装机03

拼图法则：拼装作业流程04

瑕疵鉴定：质量通病与预防拼图零件——管片管片是盾构法隧道施工中使用的预制混凝土构件，主要用于隧道衬砌结构，具有抵抗土层压力、地下水压力等功能。拼图零件——管片拼图零件——管片构成：标准块(A)、邻接块(B)、封顶块(K)b)e)d)a)拼图零件——管片拼装顺序：先标准块和邻接块，最后从径向插入封顶块。a)拼图大师——管片拼装机管片拼装机一般安装在盾尾保护下的支架上，由拖架梁、旋转架、移动架、带夹紧系统的十字梁组成。管片拼装机主要用于安装管片。拼图大师——管片拼装机管片拼装机结构及实物图拼图大师——管片拼装机管片拼装机具有伸缩、旋转和移动等功能，这些功能通过液压比例阀进行控制，可以使其对各元件进行精确定位。管片安装机实物图机械抓取式真

空吸

盘

式第一视角模拟动画或操作实录，展示拼装机操作员

在控制室内操纵手柄，完成

“抓取-平移-旋转-微调-插入”

的全过程。拼图大师——管片拼装机操作：抓取、移动、就位、插入拼图法则——拼装作业流程

一、拼装准备

⑧1.管片进场验收及临时存放管片进场必须对其进行验收，保证管片质量，对管片的生产日期和养护期进行校对。管片吊卸必须小心轻放，防止管片被撞坏，影响管片的质量。拼图法则——拼装作业流程管片吊运管片检查验收

一、拼装准备

⑧1.管片进场验收及临时存放管片堆放时，管片与管片之间必须防撞枕木，防止管片受力不均，使管片产生裂缝。管片的堆放高度不得高于3块管片的高度拼图法则——拼装作业流程管片临时存放

管片遮雨棚

一、拼装准备

2.管片拼装前的二次加工用胶水粘贴防水橡胶膨胀止水带拼图法则——拼装作业流程管片止水带安装刷胶胶水

一、拼装准备

2.管片拼装前的二次加工在管片两头粘贴丁腈软木橡胶传力衬垫拼图法则——拼装作业流程管片粘贴传力衬垫传力衬垫

一、拼装准备

2.管片拼装前的二次加工在管片对角粘贴包角腻子，保护管片的角部，防止拼装时碎裂包角腻子

成品管片堆放于防雨棚内拼图法则——拼装作业流程

二、管片垂直和水平运输

1.管片垂直运输管片垂直运输依靠龙门吊进行，吊运至井下，放置在管片运输车上。管片吊起

管片下井拼图法则——拼装作业流程

二、管片垂直和水平运输

2.管片水平运输管片水平运输依靠盾构施工配套水平运输车组的管片运输车进行，管片运输至车架内后，井下施工人员使用车架内的单、双轨梁对管片进行吊运、安放。管片水平运输车

管片单轨梁运输拼图法则——拼装作业流程通缝拼装：各环管片的纵缝对齐的拼装方法，这种拼装方法在拼装时定位容易，纵向螺栓容易穿进，拼装

施工应力小，但容易产生环面不平，并有较大累计误差，导致环向螺栓很难穿进，环缝压密量不够。一般分为两种：①通缝拼装；②错缝拼装。通缝拼装的衬砌管片错缝拼装的衬砌管片

三、拼装作业

1.管片拼装形式拼图法则——拼装作业流程错缝拼装：错缝拼装即前后环管片的纵缝错开拼装，一般错开1/2~1/3块管片弧长，用此法建造的隧道整体性

好，拼装施工应力大，纵向穿螺栓困难，纵缝压密差。但环面较平正，穿环向螺栓比较容易。一般分为两种：①通缝拼装；②错缝拼装。拼图法则——拼装作业流程

三

、拼装作业

1.管片拼装形式通缝拼装的衬砌管片错缝拼装的衬砌管片

三、拼装作业

2.管片拼装整体工艺流程管片止水条及衬垫粘贴管片选型、下井和运输组织盾构掘进管片吊装卸车、管片短驳掘进1.5m盾尾的清理

缩回安装位置油I拼图法则——拼装作业流程管片螺栓的连接整圆器就位管片放入

拼装机管片环脱离盾尾后的二次紧固管片水

平运输推进缸I顶紧就位管片管片

吊

运管片

就位管片就位先下后上进行拼装●第一步：拼装落底块D

块

；●第二步：拼装标准块B1、B2,左右交叉；●第三步：拼装邻接块L1、L2,

左右交叉；●第四步：拼装封顶块F,纵向插拼图法则——拼装作业流程

三、拼装作业

3.管片拼装顺序(B1)第二步第四步第一步(B)>第三步拼装落底块

拼装邻接块拼拼标准块

开装封顶块(D)(D)(D)(F)

三、拼装作业

4.拼装作业要点按拼装工艺逐块进行，从底部开始，相邻块，最后封顶。安装同时紧固连接螺栓。拼图法则——拼装作业流程

三、拼装作业

4.拼装作业要点封顶块安装前，对止水条润滑处理，先径向插入2/3管片宽度，调整位置后纵向顶推。拼图法则——拼装作业流程

三、拼装作业

4.拼装作业要点严格控制推进油缸压力及伸缩量，保持盾构位置不变，拼装到位后，及时顶紧管片拼图法则——拼装作业流程

三、拼装作业⑧4.拼装作业要点●连接螺栓紧固质量符合设计要求●拼装时防止管片及防水密封条损坏管片，拼装后及时顶紧管片，紧固螺栓，保证

防水效果

●抽查已拼装成环管片，确保拼装精度●曲线段拼装，注意管片环向准确定位。

●控制同步注浆压力不超限值橡胶止水条弯曲螺栓

螺栓孔软木衬垫拼图法则——拼装作业流程手孔端面瑕疵鉴定——质量通病与预防瑕疵鉴定——质量通病与预防一、质量通病图

1盾构施工中产生的错台●轴线：高程±50mm,

平面±50mm●管片错台<3mm,

接缝开口<

3mm●管片拼装无贯穿裂缝，无大于0.3mm

的裂缝及剥落现象●直径偏差：水平与径向偏差<

50mm瑕疵鉴定——质量通病与预防

二、拼装控制标准类型：标准/邻接/封顶抓取-平移-旋转-微调-插入顺序：从下至上对称核心：精度控制错台/防水内实外光不渗不漏

线形圆顺管片是隧道的骨架拼装机是精密机械手拼装法则质量目标小结SUMM

ARY管片拼装1.流程复述：请简述一环管片拼装的标准流程顺序。2.

因果分析：管片拼装中出现的“错台”缺陷，主要

是由哪些因素引起的?它会对隧道造成什么危害?3.

质量意识：“管片拼装质量是盾构隧道生命线”,

你如何理解这句话?思考T

HINKI

NG《盾构施工技术》筑牢地下长城4.盾构壁后注浆关键技术S注浆目的与重要性注浆分类与流程注浆材料与配比压力与注浆量控制特殊地层应对目录CONTENT0102030405注浆目的与重要性一

、注浆目的01注浆体充填管片外侧空隙，防止坍塌，控制地面沉降02注浆体固结能确保管片衬砌的早期稳定，防

止管片衬砌变

形一、注浆目的03避免管片外侧水、土

对管片侵

蚀，提高管片耐久性。一、注浆目的一、注浆目的04

通过对注浆量的调整，有利于盾构纠偏注浆分类与流程(一)注浆分类同步注浆二次补强注浆堵水注浆二、注浆分类与流程紧随掘进补充

加固应急封堵

1.同步注浆随着盾构的推进，在管片和土体之间会出现建筑间隙。为了填充这些间隙，就要

在盾构机推进过程中，保持一定压力不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结宋时，停止注浆。这个过程称为同步注浆。二、注浆分类与流程视频盾构同步单液注浆作业①同步注浆后，管片外侧空

隙充填密实性差

，地表沉

降不能有效控制时，实施

二次注浆。②根据地表沉降监测，结合

洞内超声波探测衬砌背后

空洞，决定是否进行二、注浆分类与流程

2.二次注浆二、注浆分类与流程⑧2.二次注浆③二次注浆通过管片上的注浆孔注浆

3.堵水注浆富水地区。二次注浆后，前期注浆受地下水影响浆液固结，或有渗水发生，可采

用堵水注浆。二、注浆分类与流程二、注浆分类与流程(二)同步注浆的流程浆液拌制浆液运输同步

注浆浆批浆机二、注浆分类与流程

1.浆液拌制拌浆推C二、注浆分类与流程

2.浆液运输强象室

版

储目耀上装丽1#台车注浆罐与注浆泵机二、注浆分类与流程

3.同步注浆注浆控制方式注浆可根据需要采用不同的控制方式，自动控制即预先设定

注浆压力，由控制程序自动调

整注浆速度，当注浆压力达到

设定值时，自行停止注浆。手

动控制则由人工根据掘进情况

随时调整注浆流量，以防注浆

速度过快，而影响注浆效果。注浆时间根据盾构机推进速度，同步注浆以每循环达

到总注浆量而均匀对

称注入，盾构机推进

开始注浆开始，推进

完毕注浆结束。注浆点位选择一般配置4个或8个(4个备用),均匀

分布，上部2个为自

动注浆点，下部2个

为手动注浆点。二、注浆分类与流程

3.同步注浆●同步注浆参数的控制注浆材料与配比注浆材料应具有的性质：①不发生材料离析②不丧失流动性③注浆后体积减少小④强度增长快⑤水密性好三

、注浆材料注浆材料●

单液

●双液三、注浆材料黄沙浆体中的填充料膨润土减缓浆液的材料分离，降低泌水率还具有一定的防渗作用水泥胶结剂，提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间水玻璃凝结剂，使浆液迅速固结粉煤灰改善浆液的

和易性(流动性)水泥(kg)粉煤灰(kg)膨润土(kg)砂(kg)水(kg)外加剂(kg)210315841180294按需要根据

试验加入1

:

1.5

:0.4

:5.62

:1.4(一)单液●一般采用水泥、砂子、粉煤灰、膨润土及一些外加剂●特点：凝固缓慢，不易黏结盾体，造价较低三、注浆材料盾尾注浆浆液

注入同步注浆示意图单液配比盾尾(二)双液①

材

料

：水泥+水玻璃及一些外加剂