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1、盾 构 技 术,一、盾构设备选型,盾构机选型决定因素,地质条件及岩性,隧道埋深及地下水位,隧道沿线地面周边环境条件,盾构隧道衬砌类型,设备的智能化程度,工程造价,工期,盾构的选型要点,1、地质条件及岩性 主要为盾构施工断面岩石强度和密实度、成分及石英的含量、渗透系数等（主要决定于刀盘设计和刀具的配置）；2、隧道埋深、地下水位 地层构成、地下水位（头）分布、是否存在缺氧或有害气体；,3、隧道沿线地面周边环境条件 土地利用状况及将来计划、道路种类和交通状况、河川、湖沼等的状况、地上建筑物及地下埋设物（旧建筑物、临时建筑）、噪声、地下水利用、施工垃圾处理、水井、废井、文物等；4、盾构隧道衬砌类型 隧
2、道管片的环宽、厚度、防水防腐要求、曲线设计半径、坡度等；,5、设备的智能化程度6、工期7、工程造价 综合各项评价，优选于安全第一、文明环保、配备经济、智能效率的设备。,二、盾构设备配置,盾构主机外径的选择,1、盾构机外径主要由管片外径、盾尾操作间隙、盾尾壳体厚度、曲线半径、管片的形状尺寸、盾尾的安装方法等因素来决定。尾盾内表面和管片之间的距离。盾体外径决定于管片与土体之间空隙的大小,与同步注浆量和施工成本及地表沉降有直接关系.,盾构主机长度,盾构主机长度根据地质条件、隧道线路、盾构型式、铰接装置的形式、管片宽度和K管片插入型式等因素来确定。盾构主机长度的设计在满足边界条件时尽可能取小值。,刀盘
3、扭矩,刀盘的设计扭矩是根据地质条件、盾构刀盘型式来确定，主要组成为：刀具的开挖阻力产生的扭矩刀盘和碴土地摩擦阻力产生的扭矩搅拌碴土的阻力产生的扭矩轴承阻力产生的扭矩轴承密封的摩擦阻力产生的扭矩减速机的机械损失产生的扭矩,盾构总推力,盾构的总推力是由各种推进阻力的总和来确定。推进阻力主要由以下几项构成：盾构外周和土体的摩擦阻力或粘附阻力盾构正面阻力(土仓压力)管片与盾构本体内壁之间的摩擦力后配套台车的牵引阻力,刀盘型式,刀盘型式（旋转式）有辐条式和面板式两种，需根据地层及施工条件进行选择,辐条式刀盘,辐条式刀盘的优点:便于渣土搅拌，流动性好，减小旋转扭矩。但需要根据施工岩层卵石直径及刀盘强度选择
4、,并结合螺旋输送机通过粒径能力,防止螺机堵塞。,面板式刀盘形式,具有挡土功能，能防止围岩坍塌，刀盘强度高,配备刀具种类和数量较多,适合于软硬不均和中风化及强风化，石英含量较高的地层,面板式刀盘开口率相对较小,可限制大粒径岩石的进入,降低对螺旋输送机叶片设计要求。,刀盘支撑方式,刀盘支承方式需根据盾构开挖直径、地层条件选择。主要有中心支承方式、中间承方式和周边支承方式。,中心支撑方式 中心支承方式是用盾构机中央的中心轴支承刀盘的方式，结构简单。因旋转轴只在中央，所以刀盘开挖扭矩小，又因结构简单，粘性土附着的危险性小，适用于直径较小的盾构。中间支撑方式 中间支承方式是用数根梁臂支承刀盘的方式。该方
5、式刀盘旋转扭矩可以较大，主要适用于大、中直径的盾构。周边支撑方式 周边支承方式是用盾构机外周部支承刀盘的方式。该方式机内空间较大，处理巨砾、大卵石等较容易，但该方式刀盘外周部容易发生碴土粘附，适用于大直径盾构。,刀盘驱动方式,刀盘驱动方式主要有液压、电机离合器、电机变频器三种。,刀盘开口,刀盘开口是根据围岩条件、开挖面稳定、开挖效率等因素来决定其开口形状、尺寸和开口率大小。开口形状、尺寸 开口的形状、尺寸必须能保证开挖下的碴土不堵塞在刀盘面板前方，能顺利进入土仓内，同时应考虑地层中可能出现的最大砾石直径与排土设备的输送能力。开口率 刀盘开口率根据刀具配置情况,尽可能做到泄渣口和刀具布置的平衡,
6、在条件允许情况下选择较大开口率有利于渣土流动,对中心堵仓有良好效果。,配置方式,确定刀具配置需考虑围岩条件、盾构直径、刀盘转速、掘进距离等因素。一般地质越硬、盾构直径越大、刀盘转速越高、连续掘进距离越长，在运行距离较长的同一运行轨迹上布置的刀具数量越多，以减少刀具磨损，从而减少换刀次数；为有利于硬岩地段边刀的更换或保证盾构急曲线地段的正常施工，盾构常设置12把超挖刀，用于扩大开挖直径。,主轴承密封,主轴承密封功能是为了能阻止碴土、地下水、添加剂等侵入主轴承，并能安全承受土仓内的泥土压力、地下水压力、添加剂注入压力。对安装位置、排数、滑动速度、润滑油量、加油压力等条件有较高要求。,推进装置,盾构
7、推进装置主要由液压千斤顶和系统液压阀组、仪表等组成。根据盾构直径、液压油缸布置实行分组控制(需要考虑管片的分块形式与撑靴匹配)，一般分为4或5组(有固定分组和自由分组),推进压大约在300400bar之间。,液压油缸的数量直接决定于盾构总推力的大小,一般单根千斤顶装备的推力为10004000KN,应尽量均匀布置，且千斤顶中心应尽量与管片中心重合。液压油缸的工作速度直接关系到施工效率。主要通过系统流量和压力控制来实现；为提高施工效率，千斤顶回缩的速度一般高于伸出的速度。,拼装机选型,管片拼装机按结构特点分主要有环式和空心轴式两类，可根据施工需要确定具体型式。分为半自动型和全自动型，前者的作业范围
8、仅至管片粗定位即告结束；后者则从管片微定位至螺栓连接全部作业完成。采用自动组装机时，需考虑经济性、自动化的范围，还需考虑管片的形状、隧道内环境、机械耐久性、装置空间等因素。,拼装机能力,管片拼装机能力必须考虑管片的种类、形状、重量和组装的顺序等因素。主要有：推压力、吊运力、旋转力、转速、油缸伸缩速度、油缸行程、液压系统工作压力等。,推压力 推压力指拼装管片时，一般取值大于管片最大部件重量的5倍。吊运力 一般取管片的最大部件重量的1.52倍（每根千斤顶）。旋转力 拼装机的旋转力必须满足能够轻松的将管片最大部件以最大的设计旋转速度旋转到指定的位置，并具备锁定功能。转速 根据需要拼装机可以采用无极调
9、速和微速、高速两级速度控制方式。采用两级速度控制方式时，以圆周线速度计算，大直径盾构一般高速取250400mm/s、微速取50100mm/s。,盾尾密封装置,盾尾密封装置一般由盾尾密封刷和油脂注入装置组成。盾尾密封刷装在盾尾壳板与管片外表面之间，目的是水、防注浆材料泄漏、渗入盾构内，同时也可以保持开挖面的压力，必须考虑其密封性、耐压性和耐久性。选择盾尾密封装置时，需考虑材质、数量、优质性能等,背衬注浆装置,同步注浆装置必须考虑注浆材料、注浆方法、注浆量等因素。选择的注浆设备必须具有能满足砂浆的连续注入、压力测量和自动控制、防止砂浆倒流等功能；配置清洗系统应根据施工需要选择。,油脂注入装置,盾构
10、注入油脂主要有润滑和密封两大作用，其密封的部位有主轴承外密封，润滑的部位主要有主轴承内外密封、驱动马达减速机、螺旋输送机、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机等。,碴土改良装置,该系统是设备配备的关键。系统功能与效果的结果将影响施工进度和成本.主要作用可减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，减少壳体与刀盘上粘土的粘着力，渣土流动性.目前使用较多的添加剂包括：泡沫剂、膨润土、泥浆、高分子聚合物，根据施工需要，可选择配置一种或同时配置多种添加装置。,气体检测装置,盾构必须配置必要的气体检测装置，以防止地层中冒出有害的可燃性气体和危害气体等造成灾害。在有可能产生可燃性气体地层，必须采取防止可燃性气体发生爆炸、火
11、灾的措施，一般配置气体浓度测量、记录、警报装置，采用防爆电气设备等；在可能发生有害气体地层，必须配置气体浓度测量、记录、警报装置，并配置通风设备，加强通风。,三、土压平衡盾构机施工技术,盾构机组装及调试流程,土压平衡盾构施工技术,土压平衡盾构的结构原理,1 土压平衡盾构的概念 土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的岩层并顺利进入土仓，通过搅拌棒及刀盘支撑进行均匀拌合,然后由螺旋输送机排出至皮带机输送渣车内运输洞外.依靠油缸的推力通过隔板给土仓进行压力平衡，达到水压和土体的压力平衡。,2 主要结构 土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输
12、送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。见下图。,3 土压平衡盾构的基本配置3.1 刀盘土压平衡盾构的刀盘有两种形式：1）面板式（见下图）2）辐条式,面板式刀盘在中途换刀时安全可靠，但刀挖土体进入土仓时易粘结易堵塞，在刀盘易形成泥饼。辐条式刀盘仅有几根辐条，辐条后设有搅拌叶片，土砂流动顺畅，不易堵塞。但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。,3.2 刀盘驱动 刀盘驱动方式有3种：1）变频电机驱动 2）一般电机驱动，3）液压驱动 驱动方式特性比较如下：,3.3 螺旋输送机 螺旋输送机安装在压力壁的法兰上，由伸缩筒、出碴筒、液压马达、螺旋轴、出碴闸门组成。螺旋输送机是土压平
13、衡盾构的重要组成部分，是盾构的排土装置，主要有以下三个功能：1）将盾构土仓内开挖出来的土体向外连续排出，2）土体在螺旋输送机内向外排出的过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持土仓内土压的稳定。3）将盾构土仓内的土压值自动与设定土压值进行比较，随时调整向外排土的速度，控制盾构土仓内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构连续正常向前掘进。,3.4 皮带输送机 皮带输送机将碴土从螺旋输送机的出碴口运到碴车内。3.5 同步注浆系统 同步注浆系统的主要目的是控制地面沉降，防止地下水或地层的裂隙水向管片内泄漏，使土压力作用均匀以及使管片组成的衬砌环及早稳定。同步注浆是盾构法施工中的一项十分重要的工序
14、，其目的主要有以下三个方面：及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩体，有效地控制地表沉降；凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，改善管片结构防水和抗渗性能，增强盾构隧道的防水能力；为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，限制隧道结构蛇行，有利于盾构姿态的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。,3.6 盾尾密封系统 盾尾密封系统是盾构正常掘进的关键系统，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常在盾尾。铰接式盾构的盾尾密封系统包括铰接密封和盾尾密封。1）铰接密封盾尾,单排充气式 双排充气式,3.7 盾尾密封系统 2）盾尾密封 盾尾止水采用钢丝刷密封装置，是集弹簧钢、钢丝刷及不锈钢金属网于一体的结
15、构。盾尾油脂泵向每道钢丝刷密封之间供应油脂，以提高止水性能。,3.8 数据采集系统 数据采集系统“采集、处理、储存、显示、评估出现的与盾构有关的数据”。采用此系统，可输出环报、日报、周报等数据；有各种参数的设定、测量、掘进、报警以及历史曲线和动态曲线。所有采集数据均能保存下来，供日后分析、判断和参考。,4 刀具的切削原理 4.1 切刀 切刀呈靴状，切刀的切削原理主要是盾构向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样切削地层。切刀的前后角等斜面结构有利于软土切削时的导碴
16、作用，同时可用于在硬岩掘进中的刮碴，其结构形式有利于碴土流动进入土仓。,在硬岩中掘进时，切刀有利于碴土及时顺利地流入土仓中。考虑到在硬岩掘进时破碎下来的岩石可能撞坏切刀、刮刀，在刀具的布置上作了以下的考虑：把切刀、刮刀背向布置，并拉近两刮刀、切刀之间的距离，在硬岩双向掘进时能够对切刀和刮刀有一定的保护作用。刀具离刀盘的中心越远，其线速度也就越大，则碴土流动的轨迹线越缓，两个切刀的背向布置间距就可以适当的加大。,4.2 滚刀 在硬岩中掘进时，采用滚刀进行破岩。,滚刀滚压破岩示意图1断裂体 2碎断体 3密实承载,滚刀破岩属于滚压（也称挤压）破碎岩石。滚压破岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，其
17、特点是靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的。轴力P使滚刀压入岩石，滚动力矩M使滚刀滚压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎。,5 始发3.1 始发架的安装 始发架采用钢结构形式，主要承受盾构的重力和推进时的摩擦力。始发架必须具有足够的刚度、强度。在始发架两侧每隔1.5m利用工字钢作横向支撑，以提高始发架的稳定性。在盾构主机组装时，在始发基座的轨道上涂黄油以减小盾构在始发架上向前推进时的摩擦阻力。,5.2 反力架的安装与定位 反力架为钢结构，用来提供盾构推进时所需的反力，安放反力架前，先清理底板，反力架安放至里程位置后进行精确定位，使之与盾构的中心轴线保持垂直。定位完毕后
18、，用18#工字钢将反力架支撑在车站底板和中板之上。反力架安装完毕后对其姿态进行复核。,在安装始发架和反力架时，反力架左右和上下偏差控制在10mm之内，高程偏差控制在5mm之内。始发架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角2，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差2，水平趋势偏差3。,5.4 辅助装置的安装1）盾构防扭装置 盾构刀盘切削加固区土体时产生巨大的扭矩，为了防止盾壳在始发架上发生滚动（偏转），必须在始发架两侧的盾壳上焊接防扭装置，见图。随着盾构的前行，当防扭装置靠近洞门密封时，将之割除。,2）负环管片支撑 在拼装负环管片的同时，在负环管片底部安装三角支撑，三角支撑座落在始发架基础上并与始发架之间用螺
19、栓进行连接，每侧的三角支撑上部用一根工字钢相连用以支撑负环管片，三角支撑上的工字钢与负环管片之间以及始发架与负环管片之间的间隙用木楔子垫实。盾构始发时由于油缸推力较小，为防止管片之间发生位移，在负环管片之间可加设槽钢拉紧，槽钢焊接在管片连接螺栓上。5.5盾构姿态复核 当盾构刀盘到达始发里程时，必须对盾构的姿态进行测量复核，以确定盾构的平面位置、高程以及盾构中心轴线的坡度，盾构的高程与设计高程的差值应小于5mm，平面位置与设计的差值应小于10mm，坡度误差应小于2。,5.6 洞门砼的凿除车站围护结构为600mm厚的地下连续墙。由于车站端头土体采用搅拌桩加固，加固区土体暴露时间不能太长，在盾构刀盘
20、进入预留洞门前只能将部分围护结构进行凿除以保证安全。施工时先凿除500mm厚，并将外层钢筋割掉；当盾构组装调试完毕以及完成负环管片的拼装工作后。将最后一层钢筋割掉，凿除剩余围护结构。在第二次凿除施工时，准备好喷浆机及喷浆料，一旦工作面出现失稳的迹象，马上进行喷浆以封闭掌子面。,5.7安装洞门密封 为防止盾构始发时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失以及盾尾通过洞门后背衬注浆液的流失，在始发时需安装洞门密封，洞门密封由帘布橡胶、扇形压板、防翻板、垫片和螺栓等组成。安装前对帘布橡胶的整体性、硬度、老化程度进行检查，对圆环板的成圆螺栓孔位等进行检查，提前把帘布橡胶的螺栓孔加工好。,然后将洞门预埋件的
21、螺栓孔清理干净，最后按照帘布橡胶板、圆环板、扇形压板、防翻板的顺序进行安装。盾构进入预留洞门前在外围刀盘和帘布橡胶板外侧涂润滑油以免刀盘挂破帘布橡胶板影响密封效果。在盾尾通过之后，立即进行壁后注浆。,5.8 始发注意事项 盾构始发前要根据地层情况，设定掘进参数。开始掘进后要加强监测，及时分析、反馈监测数据，动态地调整盾构掘进参数，同时还应注意以下事项：始发前检查地层加固的质量，确保加固土体强度和渗透性符合要求；始发架导轨必须顺直，严格控制其标高。加强盾构姿态的测量，发现盾构有较大转角时，采用刀盘正反转的措施进行调整；在拼装第一环负环管片时，为防止两块邻接块失稳，可在管片抓取头归位之前，在盾壳内
22、与负环钢管片之间焊接一根槽钢以扶住邻接块。及时封堵洞圈，以防洞口漏泥水、漏浆液；严格控制盾构操作，调节好盾构推进千斤顶的压力差，防止盾构发生摆动、上飘或叩头；在拆除延长管线时要注意推进油缸压力的保持，防止盾构后退。,6 到站掘进（到达掘进）到达掘进前对地层进行土体加固。到站掘进，是指盾构到达车站端头井之前15m范围内的掘进。盾构掘进到达车站时必须准确进入预留洞门，虽然盾构配备有先进的测量导向系统及盾构姿态显示系统，但为了确保盾构顺利到站，在到站掘进前，进行一次全面的测量复核工作。测量工作不仅包括盾构姿态的测量（隧道中线及标高的测量），还对车站预留洞门位置进行闭合测量复核（复测），测量无误后再进
23、行掘进施工。此时盾构隧道中心与设计隧道中心有一定的偏差，按照实际的偏差拟定一条盾构掘进线路（拟合线），在到达阶段严格控制盾构姿态，使盾构顺利通过洞门而且隧道衬砌不超限。,5 到站掘进（续）随着盾构的推进，盾构越来越接近车站，掘进过程中要严格控制盾构推力和土仓压力，降低推进速度和刀盘转速，保证车站结构的安全以及避免较大的地表沉降。1）到站掘进的难点控制 穿越加固区 到达掘进同始发掘进一样要穿越加固区，存在刀盘启动困难或扭矩较大、螺旋输送机扭矩较大的现象，到达段盾构的掘进参数如下：刀盘转速控制在0.750.8rpm，推进速度控制在15mm/min以下，出碴门的打开程度可根据实际情况而定，当发生喷碴时可开启150200mm，不发生喷碴时可开启300350mm。,刀盘破土 刀盘破土即刀盘从加固区掘出土体的过程。此时盾构掘进从土压平衡模式进入非土压平衡模式，须派专人在洞外时刻观察洞口的变化情况，并和盾构主司机保持实时联系，在破土时，宜降低刀盘转速、降低推进油缸压力、降低推进速度。推进速度宜控制在812mm/min。盾构接收 盾构接收是盾构刀盘破土后，推进到接收架的过程，此时刀盘、螺旋输送机、皮带输送机已停止工作，整个推进过程由推进系统独立完成。推进速度一般控制在6080mm/min。,盾构进出洞示意图,盾构进出洞门止水密封装置,盾构进洞前凿除封门（地下墙）,盾尾进洞,谢 谢！,
