1、盾构施工详解1111第 6 章 盾构施工技术第一节 概 述一、基本原理盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。先在隧道的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌、再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具盾构是一个既能支承地层压力，又能在地层中推进的钢筒结构钢筒的前面设置各种支撑和挖土装置钢筒的中段周圈内安装顶进千斤顶钢筒的尾部可安置数环隧道衬砌盾构每推进一环距离，就在盾尾
2、支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。二、国外盾构施工技术发展概述 1. 人工开挖盾构的发明 世界上第一条人工开挖盾构隧道是由Mare Brunel和他的儿子起在伦敦泰晤士河下建成的。该盾构呈矩形（11.6m宽，7m高），总共只有366m长的隧道耗时20年左右，曾经历很大困难，出现过五次以上涌水。1869年，James Henry Greathhead采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条外径为2.18m的行人隧道，该隧道衬砌是铸铁管片，隧道在不透水的粘土层中掘进，无地下水威胁，因此进展相当顺利。1
3、886年，Greathead在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中修建隧道的问题。 2. 机械化盾构的问世1876年：第一台机械化盾构的专利出现。第一台机械化盾构的设想是用由几块板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带输送机上。1896年，JPrice的专利比第一台盾构有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于19世纪和20世纪上半叶，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的粘土可说是地球上较理想的土层，因此，由当时最发达的国家率先
4、在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的。 3. 削土密封式压力平衡盾构的出现 1965年，日本首先制造了泥水盾构（Slurry Shield），其基本原理是用液体(水或加膨润土的水)平衡开挖面的土体。与压缩空气盾构相比，泥水盾构不需要人员在压缩空气条件下工作，但泥水处理系统比较复杂，泥水盾构虽然也可用于粘土地层，但绝大多数情况是在含水砂层中使用。1974年，日本的Sato kogyo有限公司发明了土压平衡盾构（Earth Pressure Balanced Shield）。在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构已能克服含水层中的施工问题，但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促
5、使日本的隧道专家寻找一个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了。泥水盾构和土压平衡盾构同属削土密封式压力平衡盾构。日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有其客观原因，首先，日本从60年代中期开始步人现代化国家行列，其科学水平已逐步接近欧美国家，这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持。其次，人口众多、土地贫乏、多岛，不得不开发地下空间。再次，一些大城市（如东京）的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难，激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道施工技术进步的动力。 4. 盾构技术的新发展 20世纪进入80年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸： （1
6、）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术； （近十多年来日本不仅科技水平在世界上处于领先地位，而且城市的地下空间利用率已经达到相当高的程度，如何在有限的地下空间中建造更多的隧道已经摆到了日本地下工程工作者的议事日程上。此外，地面建筑物的高度拥挤又迫使日本人构想诸如竖井隧道一体化的施工模式，从而使日本人研究出了各种类型的盾构）（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术（Combined Shields）。 欧洲幅员辽阔，地层条件复杂多变，于是就产生了各种各样的多功能盾构。 三、中国盾构施工技术发展简述 1950年，我国在第一个五年计划期间，辽宁阜新煤矿用直径2.6m盾构
7、及小型混凝土预制块建造了疏水巷道。 1957年，在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及2.6m的盾构。1963年，上海隧道公司开始系统地开发我国的盾构技术， 1964年，隧道公司开发了网格式盾构；1966年，用可封闭式网格盾构建造了直径为l0m的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路隧道）；19701973年，大屯煤电公司徐庄风井，首次用盾构（5.1m）施工了表土段（142米），1978年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片；1980年，上海地铁1号线试验段用6.1m的盾构。1984年，上海隧道工程公司用日本进口的4.33m小刀盘土压平衡盾构，建造了内径为3.6m的下水道总管；1988年，上海隧
8、道公司设计和使用了加泥式土压平衡盾构。经过工程实践，得到适合上海地层的加泥材料宜为粘土或膨润土类的结论；1990年，上海隧道公司设计了刀盘削土土压平衡盾构；1990年，上海地铁1号线全线开工，用7台盾构机1991年，上海隧道公司使用以法国FCB公司为主制造的土压平衡盾构施工了上海地铁一号线的大部分区间隧道；1995年，上海隧道公司使用以日本为主制造的11.22m泥水盾构建造了上海黄浦江下的延安路南线隧道。 1998年至今，上海隧道公司掌握了国际最新盾构施工技术，成为一家国际隧道界认可的盾构隧道施工专业公司，标志着20世纪末在总体上代表中国盾构施工技术预测：20002009年国内种类盾构机的需求
9、量在180台左右(含隧道掘进机)土压平衡盾构的产品化、系列化、国产率化达70%发展既适合软岩且又适合于土层的复合式盾构。(深圳、广州有这种地层)，国内尚无此种盾构异形断面盾构机的研究：椭圆形、矩形、马蹄形等 第二节 盾构构造、分类及适用范围 一、盾构的外形和材料 1.盾构的外形指盾构的断面形状，绝大多数采用传统的圆形，少数采用矩形。 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，A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接为运输和吊装方便，可制成分体式，现场拼装 二、盾构的基本构造盾构壳体推进系统拼装系统1. 盾构壳体 从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。 切口环 作用：掩护
10、开挖作业，保持工作面的稳定，把开挖下来的土砂向后方运输长度：主要取决于盾构正面支承、开挖的方法内部装置：土压平衡：有刀盘、搅拌器和螺旋输送机网格式：有网格、提土转盘和运土机械的进口水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器 支承环作用：承受于盾构上的全部荷载，结构：紧接于切口环，刚性圆形。外沿布置有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。 盾尾作用：掩护管片的安装工作。结构：盾尾末端设有密封装置长度：要满足上述各项工作的要求。必须根据管片宽度及盾尾的道数、盾尾密封的结构来确定厚度：应尽量薄，以减小建筑空隙、压浆量、地层扰动范围也小，有利于施工密封材料：要有弹性、耐磨、防撕裂等止水
11、形式：常用的是多道、可更换的盾尾密封装置，道数一般取23道。 钢丝束加油脂式图63 盾尾密封示意图1盾壳；2弹簧钢板；3钢丝束；4密封油脂；5压板；6螺栓 2. 推进机构千斤顶 千斤顶的选择和配置 经久耐用，易于维修保养和掉换 采用高液压系统，机构紧凑 均匀配置，使管片受力均匀 千斤顶的数量中小型盾构：每只推力6001 500kN，大型盾构：每只推力为20002500kN。 千斤顶的行程 通常取管片宽度加上100200mm的富余量。 千斤顶的速度一般取50mmmin左右，且可无级调速。回缩速度要求越快越好。 3. 管片拼装机俗称举重臂，常以液压为动力。拼装机能沿径向伸缩、前后平移和360旋转
12、拼装机的形式一般常用环型拼装机。是一个可自由伸缩的支架，能够转动的机械手。 三、盾构基本参数 （一）盾构直径 盾构直径是指盾壳的外径根据隧道限界和结构尺寸要求，在确定衬砌外径之后，可按施工要求或经验确定盾构直径。第1种确定方法：D=d+2（x+）式中 D盾构外直径（mm）； d隧道外径（mm）； x盾尾空隙，一般取2030mm； 盾尾钢板厚度（mm）。通常采用经验公式或类比法相近选取。 =0.02+0.01（D-4），m第2种确定方法： D=d内+2（十x十 T+ T+e）式中 d内隧道内径（mm）； T隧道衬砌厚度（mm）； T隧道内衬厚度（mm）； e最小富余量（mm）； ，x意义同前。（
13、二）盾构灵敏度和长度灵敏度: 盾壳总长L与外径D之比.经验数据：小型盾构（D=23m） （L/D）=1.50中型盾构（D=36m） （L/D）=1.00大型盾构（D6m） （L/D）=0.75长度L： L=切口环L W + 支承环L0 + 盾尾Lt1. 切口环长度LW机械化盾构仅考虑能容纳开挖机具即可。在手掘式盾构中要考虑到人工开挖的方便，LW可以较长些2支承环长度L0取决于千斤顶、刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等所需的空间千斤顶的长度：衬砌环宽度+200300mm3盾尾长度L t盾尾长度取决于管片的形状和宽度： （三）盾构的推力盾构的总推力： FF1F2F3F4F5F6 1盾构外壁周边与土体
14、之间的摩擦力或粘结力F1 砂性土 F1=1DL（Pm+W） （kN） 粘性土 F1=CDL（kN） 式中 1 钢与土的摩擦因数；D盾构直径（m）；L盾构长度（m）；Pm作用在盾构上的平均土压（kPa）;W盾构重量（kN）；C粘聚力（kPa）。2推进中切口插入土壤的贯入阻力F2 F2 =ltKpPm （kN） 式中 l工作面周边长度（m）；t刃脚贯人深度（m）；Kp被动土压力系数；3工作面正面阻力F3 F3=PtD2/4 （kN）式中 Pt工作面正面压力（支护千斤顶反力、作用在隔墙上的土压力、泥浆压力等）（kPa）。盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。盾构采用机械化开挖时，为作用在切
15、削刀盘上的推进阻力。4管片与盾尾之间的摩擦力F4 F4 =2G2（kN） 式中 2钢与钢或混凝土的摩擦因数； G2管片（成环）重量（KN）；5变向阻力（曲线施工/纠偏等因素的阻力）F5 F5 =RS（kN）式中 R地层抗力（承载力、被动土压力等）（kPa）； S抵抗板在推进方向的投影面积（m2）。6后方台车的牵引阻力F6 F6 =3G1（kN）式中 3车轮与钢轨之间的摩擦因数；G1后方台车重量（KN）；实际使用： Fj2（F1F2F3F4）经验公式： Fj=PjD2/4 式中 Pj开挖面单位截面积的推力（kN）。人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构：Pj =7001l00kPa封闭式盾构
16、、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：Pj=10001300kPa四、盾构的分类及其适用范围种类：按结构特点和开挖方法可分为四大类：手掘式 挤压式 半机械式 机械式（一）手掘式盾构开挖面可全部敞开：敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑：支撑式或将开挖面分为几层：棚式主要优点：（1）可以观测地层变化情况，及时采用应付措施（2）比较容易处理桩、大石块等地下障碍物（3）容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工（4）造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。主要缺点：（1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压等地层加固措施；（2）工作面若发生塌方时，易引起工程安全事故；（3）劳动强度大、
17、效率低、进度慢，但由于简单易行，在地质条件良好的工程中仍广泛应用。（二）挤压式盾构特点：开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，比较安全、可靠，没有塌方的危险。不用人工挖土，劳动强度小，效率高。类型：全挤压、局部挤压式、网格式适用：松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。对地层扰动较大，地面易隆起变形，只能用在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域网格式盾构是一种介于半挤压和手掘之间在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。 网格式盾构示意图2开挖面支撑千斤顶；3举重臂；4堆土平台（盾构下部土块由转盘提升后落入堆土平台）；5刮板运输机； 8开挖面钢网格； 9转盘； 当盾构向前掘进时，土体被网格切成条状，进入
18、盾构后被运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用，从而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体的挤压作用比挤压式盾构小，因此引起地面变形的量也小一些。（三）半机械式盾构在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖。适用范围：同手掘式，优点：可减轻工人劳动强度，其余与手掘式相似。（四）机械式盾构结构：在手掘式盾构的切口部分装上一个大刀盘型式：开胸式闭胸式：局部气压式、泥水式、土压平衡式1. 局部气压式盾构 结构原理：在切口环和支承环之间装上隔板，使切口环部分形成一个密封舱，舱中输入压缩空气，以平衡开挖面的土压力，保证正面土体自立而不坍塌。主要技术问题： 漏气，影响到正面压力舱内的压力控制。还有对
19、人体的健康问题故目前该类盾构使用已不多。2. 泥水式盾构和泥水加压平衡盾构原理：在密封舱内用泥水或泥浆来代替压缩空气利用泥水压力来支撑开挖面土体切削下来的土用泵通过管道输送到地面缺点：辅助配套设备多一套自动控制的泥水输送系统，一套泥水处理系统，设备费用较大。但是；辅助设备可重复利用，经济上还是可行的3. 土压平衡式盾构所谓土压平衡，就是盾构密封舱内始终充满了用刀盘切削下来的土，并保持一定压力，平衡开挖面的土压力。前端也是一个全断面切削刀盘，在盾构中心或下部有一个长筒形螺旋输送机的进土口，其出口在密封舱外。目前，土压平衡盾构与泥水加压平衡盾构，已成为比较成熟、可靠的新型设备，广泛地应用。适用：含
20、水饱和软弱地层五、盾构选型选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征，还要逐个研究以下项目：（1）开挖面有无障碍物；（2）开挖面能否保持自立稳定；（3）对地面的影响程度；（4）经济性。 第三节 施工准备 技术准备 前期工程准备 生产物资的准备 劳动力的准备 施工现场准备一、技术准备1熟悉施工图纸和有关的设计资料工程设计图纸充分了解和掌握设计人员的设计意图、结构特点和技术要求有关的地质资料地质报告、地质剖面图、钻孔柱状图、水文情况施工验收规范及有关的技术规定2了解沿线的地下、地下情况地下管线布置情况种类、结构、类型、埋深等与隧道的相互关系等情况地下构筑物情况 污水隧道、人防工事、地下室、桩基础等地面建
21、筑物情况建筑物的种类、结构、基础埋深与隧道的相互关系等情况。3熟悉施工用机械的特点熟悉盾构机的主要施工参数相应的盾构施工工法掌握施工要领4编制施工组织设计正确地确定各个关键工序的施工技术科学地制定施工方案合理地布置施工场地必须明确：（1）施工现场总平面布置（2）盾构基座及后靠布置形式（3）盾构出洞时洞门密封的方式；（4）盾构出洞地基加固方式；（5）材料垂直、水平运输的方式及隧道断面布置；（6）盾构推进的方案、工艺流程；（7）隧道注浆方法及控制地面沉降的技术措施；（8）经过特殊路段的施工技术措施；（9）盾构进洞地基加固方案及盾构进洞方案；（10）测量方法等。编写规范的施组还应包括以下内容：（1）
22、组织管理体系； （2）质量标准及质量保证措施；质量保证体系（3）安全生产措施（4）文明施工措施（5）工程用料及施工用料使用计划；（6）劳动力使用计划；（7）施工进度计划。二、前期施工准备1 完成始发井土建结构对于地铁隧道：一般是车站先施工，盾构施工提出始发井的设计要求，车站施工单位配合。对于过江公路隧道：需要单独施工始发井。始发井内须预留盾构出洞的洞门洞门须由钢板、钢板桩或地下连续墙围护2盾构选型根据地质及地面构筑物情况、施工进度、经济性等条件进行盾构选型，确定所用的盾构类型。3管片生产三、生产物资的准备1. 材料计算各种材料的规格、数量、使用时间、消耗量按施工进度编制出材料需要量计划组织货源
23、，运输、仓储、现场堆放2. 构件 主要指管片的预生产，并落实运输、堆放。3. 施工机械根据施工方案、施工进度，确定施工机械的类型、数量、进场时间、运输安装方式、放置的位置等，编制施工机械的需要量计划，保证施工顺利进行。四、劳动力的准备确定的劳动力使用计划组织劳动力进场技术培训，安全、消防和文明施工教育技术交底和质量交底 五、施工现场准备1盾构拼装或拆卸的工作井一般井宽应大于盾构直径1.62.0m井的长度主要考虑盾构设备安装及出洞要求2盾构基座盾构基座置于工作井的底板上，用作安装及搁置盾构，以及导向。基座结构：钢筋混凝土钢结构3盾构后座（后盾）后座: 在盾构与后井壁之间要的传力设施通常由隧道衬砌
24、、专用顶块、顶撑等组成4人行楼梯和井内工作平台搭设5地面辅助设施（1）做好三通一平、二堂一舍设计施工围墙、场区道路、管片堆场，铺设水管、电缆、排水设施、布置场地照明等。（2）设置行车或其他起吊和运输设备 （3）拌浆间及材料库。拌制管片壁后注浆的浆体 （4）配电间、充电间（5）空压机房（若采用气压施工）（6）地面运输系统：运输方式、道路施工垂直运输可采用行车、大吊车、电动葫芦等水平运输有铲车、汽车、电瓶车等。实现水平和垂直运输互为一体的系统（7）盾构出土的配套。干出土： 汽车运输，集土坑；水力掘进运土： 沉淀池。泥水盾构： 浆拌制及泥水分离等设施。（8）其他生产设备。油库、危险品仓库、设备料具间
25、、机械维修间等6. 隧道断面布置确定轨枕的高度，轨道的轨距等人行通道道板宽度要大于50cm，与电机车的安全距离要大于30cm，净空高度要大于1.8m。管线：通风管路及接力风机 清洗及排污管路第四节 盾构的出、进洞技术一、盾构出、进洞方法1. 临时基坑法在大开挖的基坑内，先完成盾构安装、后座施工及垂直运输出入通道的构筑，然后把基坑全部回填。此法没有洞门拆除等问题，一般只适用于埋置较浅的盾构始发端。2. 逐步掘进法适用于：纵坡较大的、与地面有直接连通的斜隧道施工，后座：可依靠己建敞开式引道来承担，盾构由浅人深进行掘进，直至盾构全断面进入土层，该法并没有盾构出、进洞的技术问题 3. 工作井进、出洞法
26、挖掘垂直工作井，盾构在井内安装就位、出洞这是目前使用较多的方法。 后盾由负环管片（开口环、闭口环）组成在闭口环后部用56#工字钢3榀3榀工字钢后用609mm钢支撑撑紧 利用专门构筑的工作井出洞 盾构出洞准备工作（1）后盾管片布置及后座混凝土浇筑（2）安装洞口止水装置、洞门混凝土凿除。出洞（1）出洞口加固土体达到强度，后盾负环拼装； （2）涂抹油：基座轨道面、刀头和密封装置、盾尾钢刷等（3）盾构后盾支撑、推进盾构进洞（1） 接收井的准备：接收井施工，洞口加固 安装盾构接收基座（2）盾构姿态的复核测量盾构进洞前100m作隧道贯通测量，根据测量数据及时调整盾构推进姿态 （3）混凝土洞门凿除（4）盾构
27、切口距洞门2050cm时，停止盾构推进，尽可能掏空平衡仓内的泥土二、临时封门的构造形式1. 钢结构封门横向钢板梁封门：由横向钢梁与梁间钢封板组成竖向钢板梁封门由型钢和钢板或全部用型钢组成。整块圆钢板封门等。2砖石或混凝土封门用砖石砌体作封门，也可以直接在井壁（地下墙）上凿孔出洞，拆除可用凿岩机或爆破的方法。3. 洞口加固直径大、埋深大、土质差时还应考虑降水、地基加固、局部冻结等辅助措施，以稳定洞口土体和防止泥水涌入。 出洞口加固第五节 盾构推进一、盾构正面开挖方法四种开挖方法：敞开、机械切削、网格、挤压1敞开式挖土手掘式及半机械式盾构都属于敞开开挖形式。2机械切削目前常用的以液压或电机为动力的
28、、可以双向转动的切削刀盘。这种掘进方法对正面的障碍排除及盾构超挖纠偏显得有些困难 3网格式开挖土体就从格子里呈条状挤进来 4挤压式开挖全挤式和局部挤压。对地层扰动较大可以不压浆盾构上浮趋势明显，在浅埋施工时，盾构轴线较难控制，严重时单用千斤顶编组已无法纠偏，在这种情况下，用调整挤压程度（即增大进土面积或调整进土孔位置）来控制。二、施工管理和掘进管理 排土量与工作面压力的平衡问题1. 土压平衡式盾构通过排土机构的机械控制方式调整排土量，使之与挖土量保持平衡，以避免地面沉降或对附近构筑物造成影响。控制方法：先设定推进速度，再根据容积计算控制螺旋输送机的转速。先设定推进速度，再根据密封舱内的土压计数
29、值和切削扭矩值调整螺旋输送机的转速将设定的土压力P和切削扭矩T作为基准值，同盾构推进时发生的土压P、切削扭矩T的数值作比较：PP、TT时，降低排土速度PP、TT时，提高转速，增加排土量2. 加泥式或加泥浆式盾构泥土、泥浆管理目的：通过向切削土内注入制泥材料并进行搅拌，将切削土改变成与开挖面土质相适应的泥浆土。 应根据切削扭矩、掘进速度、排出的泥土状态等对制泥材料的使用量作相应的增减。排土量管理：使掘进量和排土量之间平衡（1）重量管理。通过测定隧道出土车运出的土的重量来调节不太准确，不能反映出掘进情况，可作参考。（2）掘进量和螺旋输送机转速之间的控制 根据螺旋输送机的转速很难求出准确的排土量，掘进量和排土量之间也很难保持平衡。土压管理以土压计测出的泥土压力来保持土压力平衡。通常土压力P的范围是：主动土、水压力P被动土、水压力方法：根据土质情况求出控制土压力的上、下限，再在这一范围内设定基准土压力，控制盾构千斤顶的推进速度和螺旋输送机的转速，使实际土压同基准土压取得一致。3. 加水式盾构排土率的管理不间断地掌握掘土量和排土量之间的关系，将密封舱内的切削土的积存量保持在最佳状态附加水压力的管
