土压平衡盾构始发工艺流程
3.4.1工艺概述盾构始发是隧道盾构法施工的一大关键环节，也是盾构法施工隧道的难点之一，
始发的成败
将对隧道施工质量、进度、安全、工期及经济效益产生决定性的影响。
3.4.2作业内容主要作业内容：包括始发端头地层加固、始发台定位安装、盾构机下井组装并调
试、反力架
定位安装、洞门围护桩破除、洞门导轨安装、洞门密封装置安装、负环管片安装等。
3.4.3质量标准及验收方法
一、附属设施
1．始发基座主要作用是用于稳妥、准确地放置盾构，并在基座上进行盾构安装与试掘进，所以基座必须有足够的强度、刚度和安装精度，并且考虑盾构安装调试作业方便。
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2．对始发台、反力架进行全面的检查与修理，反力架受力要检算，安装固定必须在定位完成后进行，反力架支柱底部必须以钢板垫实，始发台必须通过加固挡块固定于地面上，近洞门端须支撑于车站二衬墙上；
3．洞门防水装置安装时必须将连接螺栓栓接牢固，根据实际情况合理对扇形压板的位置进行调整，防止帘布橡胶板外翻影响防水效果；在进行洞门凿除、始发台加固等施工操作时，注意对帘布橡胶板的保护；确保将洞门圈周边的钢筋及混凝土清除干净，避免对盾构掘进造成影响；
二、始发掘进
1．洞口拆除后必须尽快将盾构向前推进，使盾构刀盘切入土层，尽量缩短正面土体的暴露时间，在拆除封门的同时，作好盾构掘进和管片拼装的准备工作。
2．洞门凿除前，应对洞门经改良后的土体进行质量检查，合格后方可进行洞门凿除；应制定洞门围护结构破除方案，采取适当的密封措施，保证始发安全。
3．第一环负环管片定位时，应先保证管片横断面应与路线中线垂直，待管片完成定位后，将管片与反力架之间的空隙填充密实。
4．盾构空载调试运转正常后开始盾构始发施工，在开始进行负环管片后移时，应通过控制推进油缸行程的方法控制负环管片后移，所有推进油缸行程应尽量保持一致。
5．盾构在始发基座上向前推进时，应注意对反力架的保护，根据反力架的强度制定推力限制，并尽量做到不调向，油缸均匀施加推力。
6．始发掘进过程中应严格控制盾构的姿态和推力，并加强监测，根据检测结果调整掘进参数。
7．为防止管片发生旋转，始发阶段应注意扭矩控制，一般情况下，始发阶段的盾构扭矩值不得大于正常掘进的70%，并可在盾壳与始发台接触部位焊接“防扭挡块”，在推进过程中注意及时割除。
8．在盾构始发阶段，应注意各部位油脂的使用和消耗情况。
3.4.4工艺流程图
图3.4.4-1 土压平衡盾构始发流程框图
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3.4.5工序步骤及质量控制说明
一、端头加固
1．进出洞区外土体一般采用SMW 工法、注浆法、深层搅拌法、高压旋喷法和冰冻法等方法进行加固，加固后土体渗透系数降低、抗剪强度提高，在洞圈内封门拆除后能保持自立，不发生滑移，不发生渗流。
2．洞圈外土体加固应根据工程实际情况计算加固体厚度、宽度和深度，并确定合适的加固后土体物理力学指标。
3．经土体加固后，可在不采取其他措施的情况下凿除洞门内围护结构，盾构机直接切入加固体并开始掘进施工，所以该法施工工艺较简单，施工进度较快。但该方法成功的关健在于土体加固的效果，如土体加固后存在强度达不到设计要求、加固不均匀等问题就可能给盾构出洞施工带来灾难性的后果。
二、盾构机的组装
1．对组装的总体要求
（1）组装开始前把组装方案向所有参加组装的人员进行技术交底，便于理解和执行。组装前编制有关的基础知识读本并对职工进行培训。
（2）对于机械部件的组装，组装前需要弄清其结构及安装尺寸的关系，螺栓连接紧固的具体要求等基本常识，自始至终保持清洁的习惯。
（3）清洁工作直接关系到液压件工作寿命。组装前必须先检查泵、阀等液压件的封堵是否可靠，如有可疑情况，必须进行现场清洗，管件在组装前如没有充满油液，也必须进行严格清洗。
（4）对于高低压设备和电气元件的安装，严格执行制造厂所提供的有关标准和我国电气安装的有关规定和标准。
（5）组装前必须对所使用设备、工具进行安全检查，杜绝一切安全隐患，保证组装过程的安全顺利进行。该项工作是组装过程中极为重要的内容。
（6）组装前将车站内清理干净，并根据车站内的尺寸，必要时对盾构机上的设备进行内移。
（7）组装前对端头进行硬化，并确认其承载能力满足盾构组装要求。
（8）盾构机的运输委托给专业的大件运输公司运输进场。
（9）盾构机吊装由具有资质的专业队伍负责起吊，吊机组装完成验收合格后才可作业。
（10）组建组装作业班组，承担盾构机组装工作，由生产副经理负责组织、协调盾构机的组装工作。
（11）每班作业前按起重作业安全操作规程及盾构机制造商的组装技术要求进行技术交底，严格按有关规定执行。
2．组装步骤
组装始发台、托架→后配套拖车下井→组装设备桥→吊装螺旋输送机→吊装前体→组装前体与中体→组装刀盘→安装管片安装机、盾尾→组装螺旋输送机；设备连接、安装反力架→完成组装、准备调试。
若由于始发井长度尺寸限制，后配套可以采取长管线连接。
3．盾构机调试
（1）空载调试盾构机组装完毕后即可进行空载调试。空载调试的目的主要是检查设备是否能正常运转。调
试内容为：配电系统、液压系统、推进系统、润滑系统、注脂系统、冷却系统、控制系统、导向系统、注浆系统、碴土改良系统、驱动系统等运行是否正常以及校正各种仪表。
（2）负载调试空载调试完成并证明盾构机满足初步要求后，即可进行盾构机的负载调试。负载调试的目的
是检查各种管线及密封设备的负载能力，对空载调试不能完成的项目进一步完善，以使盾构机的各个工作系统和辅助系统达到满足正常要求的工作状态。
4．组装注意事项
（1）组装前必须熟知所组装部件的结构、连接方式及技术要求。
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（2）组装工作必须本着由后向前、先下后上、先机械后液压、电气的原则。 （3）对每一拖车或部件进行拆包时必须做好标记。
（4）对液压管线的连接必须保证清洁，绝对禁止使用棉纱等易脱落线头的洁品擦拭，而应用绸布进行清洁。
（5）组装过程中严禁踩踏、扳动传感器、仪表、电磁阀等易损部件。 （6）组装场内的氧气、乙炔瓶必须定点存放、专人负责。
（7）组装工具必须由专人负责，专用工具必须严格按照操作规程进行使用。 （8）对盾构机所有部件的起吊，必须保证安全、平稳、可靠，严禁野蛮操作。 （9）必须认真填写交接班记录并作好技术总结。
（10）在机器上需进行焊接时，焊把线与焊点的距离不允许超过1m ，严防烧坏机器上的精密元件。
三、盾构始发和试掘进施工盾构始发是盾构施工的关键环节，需特别注意和加强控制。 1．始发前施工准备工作
（1）盾构始发所需材料、工具准备； （2）准确的始发定位测量。
2．盾构始发施工盾构始发主要内容包括：盾构机就位、组装、安装反力架、安装洞门密封帘布橡胶板、拼装
负环管片（含钢环、钢支撑）、盾构机试运转，洞门处理、盾构机加压贯入作业面和掘进等。采 用安装反力架和拼装负环管片的方案。
3 .始发设施的安装
（1）始发基座安装盾构机组装前，依据隧道设计轴线与洞口定
出盾构始发姿态的空间位置，然后反推出始发基座的空间位置。始发基座的安装注意始发、到达段所处的线路平、纵面条件。由于始发基座在盾构始发时要承受纵向、横向的推力以及约束盾构旋转的扭矩，所以在盾构始发前，必须对始发基座两侧与车站预埋件及钢支撑进行连接固定，加固的方式见右图。考虑到盾构机可能叩头的影响，始发基座的安装高程可根据端头地质情况进行适当抬高10～20mm 。盾构始发基座具有足够的刚度和强度，导轨必须顺直。
（2）反力架的安装在盾构主机与后配套连接之前进行反力架
的安装；反力架提供盾构机推进时所需的反力，因此反力架须具有足够的刚度和强度。为了保证盾构推进时反力架横向稳定，用型钢对反力架的支撑进行横向固定。反力架左右偏差控制在± 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‰。
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（3）洞门密封
图3.4.5-1 盾构始发基座加固示意图
图3.4.5-2 洞门折叶压板示意图其施工分两
步进行，第一步在始发端墙施工工程中，做好始发洞门预埋件的埋设工作。在埋 设过程中预埋件必须与端墙结构钢筋连接在一起；第二步在盾构正式始发之前，清理完洞口的碴土，完成洞口密封固定板、折叶压板及洞门帘布橡胶板的安装，洞门临时密封以及防水装置见图 3.4.5-2所示。
（4）盾构始发段管片纵向拉紧装置盾构始发段车站与区间隧道的连接构造（钢筋混凝土洞圈）未做或未达到设计强度前，为防
止管片在失去后盾管片支撑或盾构推力后产生松弛导致管片环缝张开，设置近洞口处隧道纵向拉紧装置，并保持到洞门现浇钢筋混凝土保护圈达到设计强度。拉紧装置在后盾管片拆除前或盾构推力卸去前进行设置安装，设置环数一般为洞口10环。
5．始发掘进注意事项
（1）在进行始发基座、反力架和首环负环管片的定位时，要严格控制始发基座、反力架和负环的安装精度，确保盾构始发的轴线与设计线路重合；
（2）第一环负环管片定位时，管片的后端面与线路中线垂直。负环管片轴线与线路的切线重合，负环管片采用错缝拼装方式；
（3）始发前在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力，在刀头和帘布橡胶板上涂抹油脂，避免推进时刀头损坏洞门帘布橡胶板；
（4）在始发阶段，由于地层受加固影响相对较硬，而盾构始发基座相对不会变形，要特别注意盾构机姿态控制，尽量避免盾构机低头与偏离。由于盾壳与地层间摩擦力较小，盾构易旋转，宜加强盾构姿态测量，如发现盾构有较大转角，可以采用刀盘正反转的措施进行调整。始发掘进时采取低推力、低速度向前推进，尽量减少对土体的扰动；
（5）盾构在始发基座上向前推进时，通过控制推进油缸行程使盾构机基本沿始发基座向前推进；
（6）始发初始掘进时，盾构机处于始发基座上，因此需在始发基座及盾构机上焊接相对的防扭转支座，为盾构机初始掘进提供反扭矩。在盾构机推进过程中要对即将进入洞口的防扭支座 割除打磨，以免损坏帘布密封；
（7）始发阶段要注意对推力、扭矩的控制，同时也要注意各部位油脂的有效使用。掘进总推力控制在反力架承受能力以下，同时确保在此推力下刀具切入地层所产生的扭矩小于始发台提供的反扭矩；
（8）始发掘进过程中还必须对后盾支撑进行全程监视，如有异常及时进行处理加固，确保始发顺利。
6．始发阶段出渣及材料运输始发阶段通过车站预留孔洞作为出碴和材料进出口，垂直运输采用32T 龙门吊进行；水平运 输采用电瓶车牵引四节碴车、一节砂浆车和两节平板车的方式进行，平板车上可以放管片、渣斗或其他材料，根据施工需要实现材料及渣土从工作面至预留出土口的水平转运。
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实际施工中可能由于始发井长度限制，不能采用常规的列车编组方式，需要根据现场实际进行调整，采取“短车多趟”的编组方式。
7 .盾构试掘进土压平衡模式掘进，平衡压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值
又是盾构推进操作中的重要环节，其中包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，对盾构施工轴线和地层变形量的控制起主导作用。因此，盾构推进过程中，要根据不同地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果及时调整设定土仓压力，推进速度要保持相对平稳，控制好每次的纠偏量，减少对土体的扰动，为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量要根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整，将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。
（1）试掘进段的目的用最短的时间对盾构机的操作方法、机械性能进行熟悉。了解和认识本工程的地质条件，掌握该地质条件下的土压平衡盾构掘进的施工方法。熟悉管片拼装的操作工序，提高拼装质量，加快施工进度。通过本段施工，加强对地面变形情况的监测分析，反映盾构机始发时以及掘进时对周围环境
的影响，掌握盾构推进参数及同步注浆量的调整方法，为全线盾构掘进提供参考依据。通
过在不均匀断面土体推进施工，摸索出在不均匀地层中盾构推进轴线的控制规律。 （2）盾构掘进参数的初步设定与控制
①土仓压力值P 的选定盾构在掘进过程中根据土压力与水压力取得平衡压力的设定值，具体施工时，根据盾构所在
位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。
②出碴量的控制
盾构推进出碴量控制在98%～102%之间，每环出碴量需要根据管片宽度、土质确定。 ③推进速度掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，根据施工的实际情况确定并调整掘进速度及
推力。正常情况下为20～40mm /m in 。
④盾构轴线及地面沉降控制盾构轴线偏离设计轴线不大于±50mm ，地面隆陷控制在+10mm ～-30mm 。
3.4.6作业组织
表3.4.6-1 人员配备表
3.4.7材料消耗
表3.4.7-1材料消耗表
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3.4.8生产效率
始发阶段受场地、设备等因素的影响很大，也和现场地质情况有关，生产效率视具体情况而定。
3.4.9安全生产及
环境保护一、安
全保证措施
1．做好施工场地平面布置，合理安排场内临时设施。施工场地采取全封闭模式，设置门卫
24 小时值班，严格限制非施工生产人员进入场地，施工人员挂牌上岗。加强夜间施工的
工地照明及道路防滑措施。
2．根据工地情况，布置安全防护设施和统一的安全标志（牌）、安全色灯。在各显要位置设置大幅安全宣传标语。
3．按照防火防爆的有关规定设置油库等临时性构筑物，临时设施区要按规定配足消防器材，所有施工人员要熟悉并掌握消防设备的性能和使用方法。
4．加强防雷电、防火、防洪教育，建立防洪组织，制订措施和管理制度，并落到实
处。
5．施工场地的油库、料库、变电站、门吊及其他高大建筑，设置防雷设施，定期检查接地电阻，防止雷击。
居民生活和安全的构筑物，制订专门的监控量测方案，实行专人负责，及时反馈监测信息，调整施工方法，确保地表构筑物的安全。
7．工地设置救护室，配备医务人员。
8．工程实施前，对投入本工程施工的机电设备和施工设施进行全面的安全检查，未经有关安全部门验收的设备和设施不准使用，不符合安全规定的地方立即整改完善。
9．加强现场洞内外用电管理、照明、高压电力线路的架设顺直、标准，保证绝缘良好。各种施工机械和电气设备均设置漏电保护器，确保用电安全。
10．各种吊运机具设备正式使用前必须组织试吊、试运行。吊装作业中严禁超载。
，确保施工作业人员的安全。
起重作业人员要严格执行《起重作业安全操作规程》
11．施工用的工程机械和车辆经常检查维修，对驾驶人员进行安全意识教育和交规教育，严禁违章开车，各种车辆严格遵守各地方交通规则，确保行车安全。
二、环境保证措施
1．指定专人负责施工现场和施工活动的环境保护工作，完成施工环保设计方案和环保工作方案中的各项工作。
2．将环保工作和责任落实到岗位、落实到人，在日常施工中随时检查，出现问题及时纠正。
3．根据不同的施工阶段和季节特征及时调整环保工作内容，保证工作质量。
4．每周对环保工作进行一次例行检查，内容包括：施工概况；污染情况——污染种类、强度、环境影响等；污染防治措施的落实情况、可行性和效果分析；存在问题和拟采取的纠正措施；下步环保工作计划；其它需说明的问题，如措施变更、污染事故和纠纷处理等。
5．指定专人负责计划的执行，施工单位至少每季度进行一次应急计划落实情况的检查工作，一旦发生事故或紧急状态时，要积极处理并及时通知业主。
6．在事故或紧急状态发生后，组织有关人员及时对事故或紧急状态发生原因进行分析，编写事故或紧急状态分析报告，并根据分析报告制定减少和预防环境影响的措施，报送业主批准后组织实施。同时，施工单位要根据事故或紧急状态发生后，内、外部条件的
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变化，对有关的应急计划进行评审、修订。
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 傅德明 上海市土木工程学会 1 土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口 处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理 就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3 土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1 土压盾构的种类 图1 土压盾构基本形状
土压平衡盾构施工工艺 作业指导书 3.6.1 工艺概述土压平衡盾构施工中,由刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先 设定值时，土 仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。 3.6.2 作业内容一、启动皮带机、刀盘、螺旋输送机等机电设备，根据测量系统面板上显示的盾 构目前滚动 状态选择盾构旋向按钮，一般选择能够纠正盾构滚动的方向；开启螺旋输送机的出渣口仓门并开 始推进。二、根据测量系统屏幕上指示的盾构姿态，调整各组推进油缸的压力至适当的值，并逐渐增 大推进系统的整体推进速度。三、在盾构的掘进过程中，值班工程师及设备主管人员随时注意巡检盾构的各种设备状态， 如泵站噪声情况，油脂及泡沫系统原料是否充足，轨道是否畅通，注浆是否正常等。操作室内主司机应时刻监视螺旋输送机出口的出渣情况，根据测量系统屏幕上显示的值调整盾构的姿态。发现问题立即采取相应的措施。 四、掘进完成后停止掘进按以下顺序停止掘进：停止推进系统、逐步降低螺旋输送机的转速至零、停止螺旋输送机、关闭螺旋输送机出渣口仓门、停止皮带机、停止刀盘转动。 3.6.3 质量标准及验收方 法 1、盾构本体滚动角不大于3度。 2、盾构轴线偏离隧道轴线不大于50mm。 3、盾构推进过程中壁后注浆不小于设计方量，设计方量根据地质情况、地表监测情况调整。 4、根据横向偏差和转动偏差，应采取措施调整盾构姿态，防止过量纠偏。 5、盾构停止掘进时应采取适当措施稳定开挖面，防止坍塌。 6、必须对盾构姿态和管片姿态进行人工复合测量。 3.6.4 工艺流程图以两趟列车完成一个 掘进循环为例。 - 221 -
土压平衡盾构施工技术难点及处理措施 【摘要】土压平衡盾构以其高效、安全、环保等优点，已被广泛应用于地铁施工中，虽然技术成熟，但施工中一些常见的问题，施工方依然应当采取预防及处理措施，从而确保地铁工程的施工质量。本文根据实际工作经验，对施工中几个常见的难题探讨了其预防及处理措施。 【关键词】土压平衡盾构；盾构法隧道；事故预防；处理 一、盾构刀盘结泥饼问题 盾构机穿越粘土地层时，如掘进参数不当，则刀盘和土仓会产生很高的温度，这样粘土在高温、高压作用下易压实固结成泥饼，特别是刀盘的中心部位。当泥饼产生，最终会导致盾构无法掘进。 施工中采取的主要技术措施为：1）施工前分析隧道范围内的地层情况，在到达此地层前把刀盘上的部分滚刀换成齿刀，增大刀盘的开口率。3）合理增加刀盘前方泡沫的注入量，增大碴土的流动性，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。5）必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加渣土的流动性，利于渣土的排出。6）如果刀盘产生泥饼，可空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落，施工过程中确保开挖面稳定。7）如上述方法均未能奏效，则可采用人工进仓处理的方式清除泥饼，人工进仓处理前如掌子面地层软弱，则需进行预加固。 二、桩基侵入盾构隧道 城市地铁线路规划设计应避开重要建（构）筑物、避开建筑物的桩基，但城市中心区内房屋建筑较为密集，要求线路选线时避开所有的建筑物是不现实的，因此难免会有一些建筑物桩基侵入隧道，由于许多桩基为钢筋混凝土结构，盾构机无法通过，需要对桩基进行拆除。针对侵入盾构隧道的桩基，采取的措施为：1）具有承载力的桩基，采取桩基托换方法。2）大竖井暗挖拆除桩基方法。3）小竖井开挖分区拆除桩基方法。4）人工挖孔+暗挖横通道拆除桩基方法。 深圳市地铁龙岗线西延段3153标盾构区间下穿燕南人行天桥，开工前该桥地表以上部分已经拆除，但桩基并没有拆除。调查资料显示共有8根直径为1.2m 的人工挖孔桩侵入右线隧道，盾构机无法安全、顺利通过。为了使侵入隧道的桩基不对盾构施工造成影响，采用比原桩基直径大的人工挖孔桩自地表而下来破除侵入隧道范围内的桩基。燕南人行天桥与盾构区间隧道位置关系如图所示。侵入隧道桩基与隧道纵面位置关系如图1和图2所示。 图1 燕南人行天桥与盾构区间隧道位置关系图 图2 侵入隧道桩基与隧道纵面位置关系图
16土压平衡盾构施工工艺 16.1总则 16.1.1适用范围 本标准适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工。 16.1.2编制参考标准及规范 16.1.2.1地下铁道工程施工及验收规范(GB 50299-1999)。 16.1.2.2地下铁道设计规范（GB 50157-2013）。 16.1.2.3铁路隧道设计规范（TB10003-2016）。 16.1.2.4盾构掘进隧道工程施工验收规范。 16.1.2.5公路隧道施工技术规范(JTJ042－94)。 16.1.2.6公路工程质量检验评定标准(JTGF80/1-2004)。 16.2术语 16.2.1土压平衡式盾构 土压平衡盾构也称泥土加压式盾构，它的基本构成见图16.2.1。在盾构切削刀盘和支承环之间有一密封舱，称为“土压平衡舱”，在平衡舱后隔板的中间装有一台长筒形螺旋输送器，进土口设在密封舱内的中心或下部。用刀盘切削下来的土充填整个
16.2.2 端头加固 为确保盾构始发和到达时施工安全，确保地层稳定，防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，根据各始发和到达端头工程地质、水文地质、地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析，确定对洞门端头地层加固形式。 16.2.3 盾构后座 盾构刚开始掘进时，其推力要靠工作井井壁来承担。因此，在盾构与井壁之间需要设传力设施，此设施称为后座。 16.2.4 添加材 采用土压平衡盾构掘进时，为改善土体的流动性防止其粘附在盾构机上而注入的一些外加剂。添加材的功能是：辅助掘削面的稳定（提高泥土的塑流性和止水性）；减少掘削刀具的磨耗；防止土仓内的泥土压密粘附；减少输送机的扭矩和泵的负荷。 16.3 施工准备 16.3.1 技术准备 16.3.1.1 根据隧道外径、埋深、地质、地下管线、构筑物、地面环境、开挖面稳定及地表隆陷值等的控制要求，经过经济、技术比较后选用盾构设备。盾构选型流程如图16.3.1.1所示。 16.3.1.2 认真熟悉工程设计文件、图纸，对工程地质、水文地质、地下管线、暗
TABLE OF CONTENTS TECHNICAL DATA E D I T I O N 09/2010V E R S I O N 001S -591/592 G U A N G D O N G I N T E R C I T Y R A I L W A Y L O T 3I I - 1 D O C U M E N T : 7686-001 II. Technical Data 1. Tunnel boring machine general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 3 1.1Tunnel boring machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.2Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.3Segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 4 2. Shield general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 5 2.1Steel construction shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.2Tailskin articulation cylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.3Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.4Man lock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 62.5Screw conveyor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 6 3. Cutting wheel general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 7 3.1Steel construction cutting wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 7 4. Drive general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 8
加泥式土压平衡盾构施工技术 内容提要：本文详细介绍了土压平衡盾构机组成、工作原理，并结合深圳地铁盾构隧道的施工，重点对盾构隧道的主要施工过程和关键工艺技术进行总结和分析。 关键词：土压平衡盾构施工技术 一、盾构施工法概述及盾构机的选型 1．1盾构施工法概述 盾构施工法于19世纪初在英国开始使用，经过反复摸索，在近30～40年间取得了飞速发展，现在，该施工法已同矿山法一起成为城市隧道施工的两大主要施工方法。20世纪90年代该项技术被引进我国，主要集中应用盾构技术来进行上、下水道、电力通讯隧道、人防工事、地铁隧道等施工。目前在上海、广州、深圳、南京等城市已经开始采用盾构法来施工地铁隧道，盾构法在国内逐渐开始发展普及。 盾构施工法与矿山法相比具有的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。其主要施工程序为： 1、建造盾构工作井 2、盾构机安装就位 3、出洞口土体加固处理 4、初推段盾构掘进施工 5、隧道正常连续掘进施工 6、盾构接收井洞口的土体加固处理 7、盾构进入接收井解体吊出 盾构施工与矿山法施工具有以下优点： 1、地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小； 2、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快； 3、因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证； 4、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围可不受施工影响； 5、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候影响； 6、对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全； 7、在费用和技术难度上不受覆土深度影响。 盾构法施工也存在一些缺点：
土压平衡盾构机技术规格及要求 1.土压平衡盾构机（以下简称盾构机）技术要求的说明 1.1盾构机技术要求以南昌轨道交通工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 1.2本技术要求为南昌轨道交通3号线盾构区间掘进的盾构机最低技术规格和施工要求。 1.3本技术要求对盾构机部件结构不作具体的规定，但其必须满足本标准对盾构机所需的功能、性能、配置等要求。 1.4本技术要求仅限于主要部件、总成、系统的功能、性能、配置等，未描述部分应自动满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件。 2.新机技术规格要求 2.1整机 盾构机技术规格必须满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 盾构机的各项安全性能指标必须满足国家及南昌地区相关安全使用和施工规范要求。 盾构机应满足南昌地铁三号线管片规格：外径Φ6000mm，内径Φ5400mm，宽度1200/1500mm，纵向螺栓分度36°。 盾构机最大推进速度应≤80mm/min。 盾构机最小掘进转弯半径应≤250m；适用隧道纵向坡度应≥±45‰。 盾构机最大工作压力应≥0.5Mpa。 盾构机主要部件及总成使用寿命应≥10km或10000小时。 盾构机主要部件应采用世界知名厂商品牌及产品。 盾构机主要结构件材料应采用国内知名厂商品牌及产品。 2.2刀盘 2.2.1基本结构 刀盘支腿数量≥4个，≤6个。 宜采用复合式刀盘，刀盘开口率应≥30%。 复合式刀盘滚刀的安装刀座宜采用单楔块方式。软岩刀具的安装可采用螺栓紧固或销轴安装方式。
简析土压平衡盾构掘进施工工艺 发表时间：2017-12-30T16:11:46.590Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第21期作者：谢妃三 [导读] 本文主要对土压平衡盾构的掘进施工的工作原理、特点及具体的施工工艺进行了具体分析。 广州市盾建地下工程有限公司 510000 摘要：土压平衡盾构以其高效、安全、环保等优点，已被广泛应用于地铁施工中。土压平衡盾构机的施工过程是一个各系统组合、运行与协调的过程，按照各施工过程的顺序和特点，可将其分解为掘进系统、衬砌系统、衬砌背后注浆系统、维修系统、动力系统等，本文主要对土压平衡盾构的掘进施工的工作原理、特点及具体的施工工艺进行了具体分析。 关键词：土压平衡；盾构；掘进；施工工艺 1.土压平衡盾构掘进施工原理 盾构在粉质粘土、粉质砂土和砂质粉土等粘性土层中掘进施工时，由刀盘旋转切削下来的土体进入密封土仓后，可对开挖面地层形成被动土压力，与开挖面上的主动土压力相抗衡。使开挖面的土层处于稳定状态。当盾构推进时，启动螺旋输送器排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面地层始终处于稳定。排土量一般通过调节螺旋输送器转速和出土口装置予以控制。当地层含砂量超过某一限度时，因土的摩阻力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，泥土塑流性将明显变差，密封仓内的土体可因固结作用而被压密，导致渣土难于排出，甚至形成泥饼而无法推进，而且单靠切削土提供的被动土压力，常不足以抵抗开挖面的水土压力。出现这种状况时，可向密封仓内注入水、泡沫、膨润土等，同时进行搅拌，以期适当改善仓内土体的塑流性，顺利排土。 2.土压平衡盾构掘进施工特点 2.1初始掘进技术特点 2.1.1一般后续设备临时设置于地面。在地铁工程中，多利用车站作为始发工作井，后续设备可在车站内设置。 2.1.2大部分来自后续设备的油管、电缆、配管等，随着盾构掘进延伸，部分管线必须接长。 2.1.3由于通常在始发工作井内拼装临时管片，故向隧道内运送施工材料的通道狭窄。 2.1.4由于初始掘进处于试掘进状态，且施工运输组织与正常掘进不同，因此施工速度受到制约。 2.2正常掘进技术特点 2.2.1后续设备设置在隧道内，仅部分管路和电缆需要延长，作业效率高。 2.2.2始发井内的临时管片、临时支撑、后背支撑等被拆除，始发井下空间变得宽阔，施工材料与弃土运输容易。 2.3到达掘进技术特点 2.3.1盾构停止掘进后，准确测量盾构机坐标位置与姿态，确认与隧道设计中心线的偏差值。 2.3.2根据测量结果制订到达掘进方案。 2.3.3继续掘进时，及时测量盾构机坐标位置与姿态，并依据到达掘进方案进行及时进行方向修正。 2.3.4掘进至到达洞口加固段时，确认洞口土体加固效果，必要时进行注浆加固。 2.3.5进入到达洞口加固段后，逐渐降低土压（泥水压）设定值至0MPa，降低掘进速度，适时停止加泥、加泡沫（土压式盾构）、停止送泥与排泥（泥水式盾构）、停止注浆，并加强工作井周围地层变形观测，超过预定值时，必须采取有效措施后，才可继续掘进。 3.实例探析某地铁隧道中的土压平衡盾构掘进施工工艺 3.1工程概况 某城市地铁线路区间长度1189.413米，区间中部设一处联络通道。其中该区间工程在里程K41+613.000处下穿城市的站前北街公路桥，桥基位于区间隧道右线北侧仅1.55m，距离较近。此公路桥主要通行机动车辆，车流量主要集中在正常上下班时间。 盾构穿越站前北街公路桥段地层自地面往下依次为杂填土层、粉质填土层、粉土层、粉质粘土层、细中砂层、粉质粘土层，本盾构区间线路主要穿越粉质粘土层和细中砂。 3.2总体施工思路 3.2.1穿桥前对盾构机及配套设备进行检修，保证盾构机在下穿公路桥时所有设备运行正常。 3.2.2对所有施工人员进行专项技术交底，由专人对整个掘进过程进行24小时严密监控，发现异常立即汇报，确保盾构安全、顺利通过。 3.2.3穿桥之前对隧道轴线进行复测，确保盾构沿着设计轴线推进。调整盾构姿态至最佳，避免盾构穿桥时频繁纠偏。 3.2.4盾构掘进时严格控制推力、掘进速度、注浆量及出碴量，根据地面监测情况及时合理调整掘进参数，减小土体变形对桥梁基础桩的影响。 3.3盾构掘进 3.3.1掘进参数设置 ①合理设置土压力值 盾构推进时，控制螺旋输送机出土量与掘进速度的关系，根据盾构上方的覆土厚度及地面沉降监测信息的反馈，及时调整土压，科学合理地设置土压力值及相宜的推进参数，以减少对土体的扰动。 ②刀盘转速设定 降低刀盘转速，刀盘转速设定在0.9～1.2r/min，减少刀盘对土体的扰动，防止地表沉降。 ③掘进速度设定 穿越隧道时掘进速度控制在20～30mm/min，防止掘进速度快引起的刀盘扭矩增大。 3.3.2掘进过程中姿态的控制 盾构机在掘进过程中运动轨迹为蛇行运动，该轨迹应始终围绕着隧道轴线波动，在实际控制时，可根据显示屏上自动测量系统测得值
海瑞克土压平衡式盾构机分析 盾构机的工作原理 1．盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2．掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。 前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后
土压平衡盾构机流体输送控制系统工作原理 何於琏 (中铁隧道股份公司河南新乡 453000 摘 要流体输送系统用于盾构机的润滑、密封、填充以及碴土改良 , 是盾构机中的重要系统。本文介绍了流体输送系统的组成 , 并简明叙述了衬砌背后注浆控制系统、碴土改良控制系统、主轴承油脂密封润滑控制系统、盾尾密封油脂注入控制系统的工作原理。关键词流体输送 非传动介质控制系统原理 W orki n g Pri n c i ple of Control Syste m of Flui d Conveyi n g Syste m s of EPB Shi eld Machi n es HE Yu 2lian (China R ail w ay Tunnel S tock Co . , L td . , X ingxiang 453000, Henan, China Abstract:Fluid conveying syste m, which is app lied in the lubricati on, sealing, backfilling and conditi oning of EP B shield machines, is one of the i m portant syste m s of EP B shield This compositi on of the fluid conveying syste m and the working p rinci p les of contr ol syste of ment lining, gr ound conditi oning syste m, main bearing grease sealing and grease injecti on syste m. Key words:fluid conveying; non 2transit; p le
土压平衡盾构始发工艺流程 3.4.1工艺概述盾构始发是隧道盾构法施工的一大关键环节，也是盾构法施工隧道的难点之一， 始发的成败 将对隧道施工质量、进度、安全、工期及经济效益产生决定性的影响。 3.4.2作业内容主要作业内容：包括始发端头地层加固、始发台定位安装、盾构机下井组装并调 试、反力架 定位安装、洞门围护桩破除、洞门导轨安装、洞门密封装置安装、负环管片安装等。 3.4.3质量标准及验收方法 一、附属设施 1．始发基座主要作用是用于稳妥、准确地放置盾构，并在基座上进行盾构安装与试掘进，所以基座必须有足够的强度、刚度和安装精度，并且考虑盾构安装调试作业方便。 -209-
2．对始发台、反力架进行全面的检查与修理，反力架受力要检算，安装固定必须在定位完成后进行，反力架支柱底部必须以钢板垫实，始发台必须通过加固挡块固定于地面上，近洞门端须支撑于车站二衬墙上； 3．洞门防水装置安装时必须将连接螺栓栓接牢固，根据实际情况合理对扇形压板的位置进行调整，防止帘布橡胶板外翻影响防水效果；在进行洞门凿除、始发台加固等施工操作时，注意对帘布橡胶板的保护；确保将洞门圈周边的钢筋及混凝土清除干净，避免对盾构掘进造成影响； 二、始发掘进 1．洞口拆除后必须尽快将盾构向前推进，使盾构刀盘切入土层，尽量缩短正面土体的暴露时间，在拆除封门的同时，作好盾构掘进和管片拼装的准备工作。 2．洞门凿除前，应对洞门经改良后的土体进行质量检查，合格后方可进行洞门凿除；应制定洞门围护结构破除方案，采取适当的密封措施，保证始发安全。 3．第一环负环管片定位时，应先保证管片横断面应与路线中线垂直，待管片完成定位后，将管片与反力架之间的空隙填充密实。 4．盾构空载调试运转正常后开始盾构始发施工，在开始进行负环管片后移时，应通过控制推进油缸行程的方法控制负环管片后移，所有推进油缸行程应尽量保持一致。 5．盾构在始发基座上向前推进时，应注意对反力架的保护，根据反力架的强度制定推力限制，并尽量做到不调向，油缸均匀施加推力。 6．始发掘进过程中应严格控制盾构的姿态和推力，并加强监测，根据检测结果调整掘进参数。 7．为防止管片发生旋转，始发阶段应注意扭矩控制，一般情况下，始发阶段的盾构扭矩值不得大于正常掘进的70%，并可在盾壳与始发台接触部位焊接“防扭挡块”，在推进过程中注意及时割除。 8．在盾构始发阶段，应注意各部位油脂的使用和消耗情况。 3.4.4工艺流程图 图3.4.4-1 土压平衡盾构始发流程框图 -210-
土压平衡盾构机的工作原理 一、盾构机的工作原理： 1、盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾构井口垂直运至地面。 2、掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3、管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
二、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的刀盘直径为6.28m，总长80余m，其中盾体长8.5m，后配套设备长72m，总重量约480t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩 5300kN?m，最大推进力为36400kN，最快掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状筒体，其外径是分别为6250mm、6240mm和6230mm。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推进油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土仓压力值。前盾的后部是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接。中盾内侧的周边位置装有推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后部已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力。推进油缸按照安装布置被分成A、B、C、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。中盾的后部是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接方式使盾构机易于转向。
土压平衡盾构施工技术 一、盾构施工法概述 1.盾构施工程序。盾构施工法与矿山法相比具有的特点是地 层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等主要作业都在盾构保护下进行，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。其主要施工程序为：建造盾构工作井；盾构机安装就位；出洞口土体加固处理；初推段盾构掘进施工；隧道正常连续掘进施工；盾构接收井洞口的土体加固处理；盾构进入接收井解体吊出。 2.盾构施工优点。盾构施工与矿山法施工具有以下优点：地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围可不受施工影响；穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候影响；对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；在费用和技术难度上不受覆土深度影响。 二、盾构推进隧道施工 1. 掘进原理。盾构在粉质粘土、粉质砂土和砂质粉土等粘性土层中掘进施工时，由刀盘旋转切削下来的土体进入密封土仓后，可对开挖面地层形成被动土压力，与开挖面上的主动土压力相抗衡。使开挖面的土层处于稳定状态。当盾构推进时，启动螺旋输送器排
土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面地层始终处于稳定。排土量一般通过调节螺旋输送器转速和出土口装置予以控制。当地层含砂量超过某一限度时，因土的摩阻力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，泥土塑流性将明显变差，密封仓内的土体可因固结作用而被压密，导致渣土难于排出，甚至形成泥饼而无法推进，而且单靠切削土提供的被动土压力，常不足以抵抗开挖面的水土压力。出现这种状况时，可向密封仓内注入水、泡沫、膨润土等，同时进行搅拌，以期适当改善仓内土体的塑流性，顺利排土。 2.轴线控制。盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技 术，怎样控制盾构能在已定空间轴线的允许偏差范围内是必须掌握的技术，在实际施工中盾构推进轴线控制不可能是理想的状况，轴线控制不佳状况除地质不均匀引起的正面阻力不均匀及隧道的平面和竖曲线要求外，往往是产生于人为因素，这是指施工不精心及对轴线控制操作技术水平不够两个原因，而后者占多数。 三、影响盾构轴线控制的原因 1. 地层土体对盾构产生的偏向。盾构在向前推进过程中将受 到盾构切口贯入土层的阻力、盾构正面阻力、盾构四周土体与盾构壳体间的摩阻力，盾构自重与下卧土层的摩阻力等组成。由于受到地层土质变化、隧道埋深变化、地面建筑物等因素，造成各种阻力不均匀的作用于盾构，从而导致盾构推进时偏向。 2. 盾构制作误差造成盾构推进轴线的偏向。圆形断面盾构是 中心对称的结构，这是对轴线控制极为有利的形式，但由于加工误
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 上海市土木工程学会 1土压平衡盾构的结构原理 1.1土压平衡盾构的基本原理 图1土压盾构基本形状 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图6.1所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1土压盾构的种类
土压平衡盾构机选型 1选型程序 由于施工与工程本身的各种条件密切相关，盾构法施工较之一般的隧道施工技术具有更大
2选型依据 2.1工程、水文地质条件 1）工程地质 需要着重考虑下述施工地层特性的影响： 隧道埋深及上覆地层的软硬程度； 掘进地层的软硬程度及软硬不均情况的分布； 岩石抗压强度； 岩石完整性系数； 岩石变形模量大小； 不良地质与特殊地质的有无； 2）水文地质 岩土的富水性及渗透性大小； 地下水类型及赋存与补给方式； 地下水力联系好坏； 2.2掘进长度及过程 除掘进总长度以外，有无调头、过站施工。 2.3管片尺寸、拼装 盾构隧道管片外径、内径，管片厚度，管片宽度，分块数，管片的拼装方式。 2.4线路平面条件 平曲线半径、直线段曲线段长比率。 2.5线路纵断面条件，隧道埋深 竖向转弯半径，最大坡度，最小坡度，竖曲线个数。隧道平均埋深，最小埋深等。 2.6掘进速度要求 2.7掘进方向误差要求 一般不超过±50mm。 2.8地表沉降量要求 一般情况下须控制在+10mm/-30mm范围内； 2.9盾构机寿命 分主要部件寿命及主轴承寿命要求。 2.10周围环境 1）地面建筑物
建筑物分布密度； 建筑物平面与盾构隧道相位置关系； 建筑物层高、结构类型、完好程度、重要程度、规模大小； 建筑物基础类型、桩基与盾构隧道的相对位置关系。 2）地下管线 地下管线平面分布、埋深、类型、抵御变形能力、重要程度、盾构隧道相对位置关系有关。 2．11盾构机价格 除价格因素外，盾构机制造商的业绩、信誉、实力、售后服务水平、允许的制造周期等因素。 3盾构机可靠性设计 由于盾构推进的不可逆转性；在推进过程中基本不存在大范围深层次维修的空间及时间；再加上单段掘进距离较长，因此一旦推进开始，除了少量可快速处理的问题允许出现以外，一般不应也不能出现较大的机电故障及缺陷问题，这既是施工进度方面的需要，也牵涉了很大的质量、安全问题。因此盾构机的可靠性设计显得十分重要。一般在选型时以下几个方面需要予以重点考虑: 1>．盾构机设计参数是否按照掘进区间的工程条件确定。 2>．主轴承寿命大小设计。 3>．螺旋输送机的耐磨性及密封性设计。 4>．刀盘扭矩大小的设计。 5>．刀盘开口率及耐磨性设计；刀具类型、数量、刀间距；刀体材料及抗压性能；换刀方式。 6>．土仓内碴土改良系统的设计（数量、分布及防堵塞设计）。 7>．铰接设计方式，可否满足曲线施工、方向修正时的要求。 8>．设计平均掘进速度能否满足要求。 9>．控制系统是否具有自动及手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速等参数。数据采集处理传输系统的及时有效性，是否具有故障自动诊断系统。 10>．盾构机掘进方向控制能力及自动纠偏能力牵涉的导向系统设计。 11>．管片背侧注浆方式的设计。
土压平衡式盾构机 1发展概况和工作原理 土压平衡式盾构机（如图1所示）的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressure balance system，即EPBS）。 1．切削刀盘2．开挖室3．承压隔板4．压缩空气闸室 5．推进千斤顶6．尾盾密封7．油箱8．带式输送机 9．管片拼装机10．刀盘驱动11．螺旋输送机 图1土压平衡式盾构机 土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。 根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。 土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，盾构千斤顶的推
一般土压平衡盾构机工作原理 ? 1.4 土压平衡盾构 ?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 挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。 ?土压平衡工作原理 ?刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底 部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。 ? ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ? ? 1.4.1 土压平衡盾构机组成 ?土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装
机、推进油缸、同步注浆系统和辅助装置等组成。 ?适用：软土、软岩（含水/不含水）地层的隧道开挖与衬砌 ?Φ4.33m加泥式土压平衡盾构 ? 1.4.2土压平衡盾构（EPB）工作原理 ?土压平衡盾构的工作原理 ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ?EPB工作原理图 ?EPB ? 1.4.3 土压平衡盾构特点 ?土压平衡盾构的特点： ?主要通过控制盾构开挖速度和螺旋输送机转速，达到控制土压的目的 ?整体结构 ? 1.5 盾构机的构造 ?土压平衡盾构机构成： ? 1.盾壳、盾构推进千斤顶、盾尾密封、铰接装置、人员舱 ? 2.刀盘和刀盘驱动支承机构 ? 3.螺旋输送机 ? 4.管片拼装机 ? 5.后配套设备。 ? 盾壳是一个用厚钢板焊接而成的圆筒，是盾构受力支撑的主体结构。
土压平衡盾构密闭套筒始发施工工法 中铁二局股份有限公司城通分公司 1 前言 盾构施工过程中，盾构始发与到达是最易产生事故的工序，直接影响盾构隧道的顺利贯通。当盾构始发端头地质条件复杂，端头加固龄期长无法满足施工节点要求或由于盾构始发端头存在较多较大地下管线且管线迁改难度大、时间长、费用高时，如何确保盾构机安全始发成为一个工程难点。 广州市轨道交通六号线二期工程【施工三标】土建施工项目高塘石站～黄陂站区间隧道计划从高塘石站始发2台盾构机向高黄中间风井方向掘进。因端头11根10KVA电缆未迁改，且迁改周期较长，为满足工期节点要求，尽早完成该区间洞通节点目标，减少管线迁改及端头地基加固的周期影响，依据平衡始发原理，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构机，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进，解决了盾构始发的难题。 2 工法特点 1、施工占用场地小，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构，盾构机在密闭钢套筒内实现始发。 2、工期短，能够解决始发端头加固龄期长，影响施工工期的问题。 3、无需端头加固，依靠钢套筒这个密闭空间，提供平衡掌子面的水土压力，解决了管线迁改周期长，费用高的难题。 3 适用范围 土压平衡盾构在施工场地受限、工期短、端头加固困难且加固期龄太长、管线迁改困难等施工条件下始发。 4 工艺原理 密闭钢套筒平衡始发依据平衡始发原理，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，使盾构机破除洞门前即已建立了水土平衡的环境，始发等同于常规掘进，从而避免了盾构机始发过程中因为欠压或渗漏而出现塌方的情况。从直径和长度进行设计，通过把直径与长度设计成比盾构略长的钢套筒与洞口密闭连接，盾构机安装在钢套筒内，然后在钢套筒内填充回填物，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进进入前方土体，最终使盾构能够正常掘进施工。
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置 随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。 控制原理 土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。 土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。 主要参数 抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。 过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。 比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。 积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。积分时间越小，调控效果越好。 微分时间：根据偏差变化率de/dt 的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，可以克服因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。 参数设定 参数设置分为两步，第一步是在设备组装完毕，无负荷的状态下进行的一次调试，第二步是在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行的微调。 1、无负荷调试 （1）比例系数P，首先不执行 I和D，I调至数值上限，D设定为 0,这样系统只执行比例动作P，变动土压目标值，制造约0.01 － 0.03Mpa 的系统偏差,接下来逐渐增大 P 值，使螺旋机转速逐渐增大，当 P 值上升到一定值时，螺旋机的旋转速度会出现大幅度地反复升降，即系统形成振荡，我们把出现振荡时P 值的 85% － 90% 设定为系统的比例系数。