2015年6月
第44卷增刊施工技术
CONSTＲUCTION TECHNOLOGY
浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术
郭海
（中铁六局集团有限公司，北京100036）
［摘要］在富水砂层中采用土压平衡盾构下穿河流及既有建筑物施工，具有较大的风险和难点。结合北京地铁6号线工程土压平衡盾构施工的成功实例，从盾构机设备的性能配置、施工工艺参数（掘进参数）、辅助措施（渣土改良）等方面，分析、论证了在富水砂层中采用土压平衡盾构机掘进施工的关键技术。［关键词］土压平衡盾构；富水砂层；掘进参数；渣土改良；沉降控制［中图分类号］
U455．43［文献标识码］A
［文章编号］1002-
8498（2015）S0-0251-05Construction Technology of EPB Shield Machine
in Water-rich Sand Crossing Below Ｒisk Sources
Guo Hai
（The Sixth Engineering Bureau of CＲEC ，Beijing 100036，China ）
Abstract ：Using EPB shield in the water-rich sands through rivers and undercrossing existing buildings has great risks and
difficulties．This paper combining with successful examples of Beijing subway line six with EPB shield ，the key construction technology is introduced from the shield performance configuration ，construction process parameters （driving parameters ）and supporting measures （ballast soil improvement ）．
Key words ：EPB shield ；water-rich sands ；diving parameters ；ballast soil improvement ；settlement control
［作者简介］郭海，高级工程师，工程管理部副处长，
E-mail ：8415720@qq．com
［收稿日期］2015-03-15
引言
在地铁建设施工中，由于受到全线地质分布、场地条件、工程成本等方面的制约，土压平衡盾构机在下穿河道及既有建筑物施工中也广泛应用，但由于本身设备的适应性问题，在施工中往往会遇到掘进扭矩大、速度慢、渣土喷涌、沉降大、管片上浮和破损等很多棘手的问题，给工程建设带来很多困难，本文结合以上问题进行探讨，并针对性地采取了一系列措施，取得了较好的效果。1
工程概况
北京地铁六号线二期14标玉—郝区间线路西起玉带河大街站，线路出站后自西向东下穿滨河中路、北运河及北运河热力隧道、京哈铁路、杨坨村民房区、东六环路，到达运河东大街北侧的郝家府站，如图1所示。玉带河大街站—郝家府站区间段全长2210m ，采用盾构法施工，覆土厚度约为9 23m 。
盾构区间穿越地层主要为饱和的粉细砂⑤层、中粗砂⑤1层、
细中砂⑦层；局部穿越粉细砂②3层、圆砾⑤4层、中粗砂⑦1层，地层的标贯值N63．5=30 70。其中，粉细砂②3层地层颗粒级配不良，有轻微液化现象，颗粒级配曲线如图2所示。经勘察发现2层地下
图1玉带河大街站—郝家府站盾构区间平面示意
水，地下水类型为上层滞水（1）、潜水（2）。潜水（3）水位埋深约7 10m ，侧壁围岩土体的自稳能力差，再加上潜水（2）的影响，容易出现涌水涌砂和流土等不良现象，极易发生隧道坍塌。
图2颗粒级配曲线
2工程难点分析
2．1
水文地质情况复杂，土压平衡盾构掘进风险大根据盾构穿越的水文地质条件进行盾构机选型，
应该选用泥水平衡盾构机进行施工，但受场地条件和盾构设备资源的限制，只能采用土压平衡盾构机进行施工。
1
52
2．2穿越风险源之间相互叠加，沉降要求高
盾构区间下穿京哈铁路、北运河、热力隧道、东六环、杨坨村民房区等诸多特一级风险源，且盾构隧道与运河下方的热力隧道斜交，结构之间最小距离为3．90m，斜交部位为暗挖与明挖交界处，盾构穿过对其影响较大。
2．3管片上浮，导致出现管片破损
隧道处于富水砂层中，浆液注入盾尾后很快被地下水稀释，不能迅速凝结填充地层，这就导致成型隧道管片出现上浮，容易造成叠瓦式错台和管片边角部位破损。
3类似工程案例分析
工程案例1：哈尔滨地铁某盾构区间：地层为富水砂层采用复合式土压平衡盾构机进行施工（刀盘开口率为28%），盾构始发后，掘进异常困难，推进速度只有5 10mm/min，扭矩超过5000kN·m，且在掘进过程中出现“喷涌”和“泥饼”现象，部分地段地面沉降超过100mm，工程一度陷入困境，后采取冷冻法对刀盘周围土体进行固结，并在洞内对刀盘进行改造，增大了开口率，并增加了膨润土注入系统，掘进状况得到改善，最终成功完成区间施工任务。
工程案例2：北京地铁某盾构区间：地层为粉细砂地层，采用土压平衡盾构机进行施工，泡沫系统为一泵4管8个喷口，在掘进过程中经常出现喷口堵塞现象，最终8个喷口全部堵塞，且无法疏通，不得不强行推进，地面沉降难以控制造成地面多栋建筑物受损，出洞后发现刀盘磨损严重。
4本工程采取的措施
通过对工程的难点进行分析，并结合类似地层工程案例的调研，为更有效地应对各种风险源，本工程主要采取了如下措施。
4．1盾构机设备适应性改造
该工程采用2台土压平衡盾构机设备进行施工，原盾构机主机长8．7m，开挖直径6280mm，推进千斤顶20个，总推力32000kN，刀盘额定扭矩4500kN·m，刀盘为面板式刀盘，开口率为28%，刀具配置94把刮刀，22把撕裂刀，中心配置10把中心撕裂刀，螺旋机为带式螺旋，泡沫系统为一泵4管到刀盘上分为8个注入孔，无膨润土注入系统，无高分子注入系统。为适应砂性地层掘进施工，对盾构机设备进行了部分改造。
1）更换刀盘，重新定制辐条式刀盘替代原来的面板式刀盘，刀盘开口率由28%增大到42%，增加了刀具的层次，从原来的2层变为3层，且加强了刀盘边缘的耐磨措施。
2）将泡沫系统改造为单管单泵系统，4路泡沫系统分别对应刀盘上的4个孔，在后配套台车上加设膨润土注入设备及高分子聚合物注入系统。
3）将原来的带式螺旋改造为中心轴式螺旋，并将原来的1道闸门增加到2道闸门，提高了盾构设备的防“喷涌”能力。
4）采用加强型盾尾刷，这种加强型尾刷在钢丝密度及耐磨性上均有所提高，且加长最后一道铁板，更有效地保护第2道钢丝不被浆液侵蚀，增加其使用寿命，同时在盾构机上配置了应急止水钢板，当盾尾被击穿后可利用千斤顶配合棉纱和止水钢板进行紧急封闭。4．2掘进参数及施工过程控制
1）严格控制正面压力
在掘进过程中严格保持掘进面的土压稳定，控制土压波动在?0．1bar（1bar=0．1MPa）范围之内，合理使用泡沫等软土压，防止地下水的流失，确保盾构掘进开挖引起的沉降在允许范围之内。在停机的时候要派人密切注意土压的变化，超过预定的值及时注入膨润土保压。
土压力要保持均匀性，防止忽高忽低。这就要求盾构司机在操作的过程中要精心操作，推进速度，螺旋转速，刀盘转速都要平缓过渡。土压的控制要和地面监测密切配合，如果地面监测发现刀盘前的地面总是隆起超过预警值，这时候就要适当降低土压力；相反就应该提高土压力。土压地面监测要形成一个良好的反馈通道，便于盾构司机及时调整土压力控制参数。
2）推进速度控制
在穿越运河下方热力隧道等风险源的过程中，盾构机推进速度不宜过快，也不宜太慢，以4 5cm/min 左右为宜，推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越风险源，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对地层的影响。
3）出土量
盾构的挖掘断面每环理论出土量=π?D2?L/4 =π?6．28?6．28?1．2/4=37．15m3/环。在盾构穿越铁路过程中，应将出土量控制在理论值的98%即36．4m3/环左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起。考虑土层渗透性、工程经验以及添加剂的使用，结合本工程实际，取松散系数为1．3 1．35，即每环控制出土量在47 49m3（根据添加剂使用情况调整）。在盾构出土时严格控制出土量，按照土斗容积为16m3，每出一斗土，盾构进尺约40cm，掘进的时候按照进尺和土压均匀控制出土量。同时要注意出土量和注浆量的匹配。
4）注浆量的控制
盾构每环和周围土体的建筑间隙=π?（D2－d2）?L/4=3．24m3。考虑地层的渗透系数和注浆的饱满性，取充填系数为1．3，控制每环注浆量＞4．2m3。
5）严格控制盾构掘进轴线
252施工技术2015增刊
盾构轴线的控制是盾构工法的重点，是保证盾构顺利施工的重要因素。尤其在曲线掘进时必须注意以下几个方面：①控制好掘进的技术参数，如土压、推速等。当土压过低时，不仅容易造成地层的沉降，而且对盾构轴线的控制也有影响，容易造成盾构下沉，另外注浆的位置及压力，注浆压力过大一方面对地层的扰动较大，另一方面也会使得盾构向注浆位置的反方向移动，不利于盾构的轴线控制。②正确进行盾构千斤顶的编组及分区油压的控制，因推进时对千斤顶选择的正确与否将直接关系到盾构轴线的轨迹。
6）操作中的纠偏控制
控制好盾构推进轴线，盾构机前后端和设计轴线偏差控制在20mm以内，并严格控制盾构姿态，避免盾构机频繁或大幅度调整姿态。在盾构进入运河前将盾构姿态调整到最佳状态，进入施工范围后严格按照设计轴线推进。同时加强盾构机姿态的人工复核，确保盾构机推进轴线和设计轴线的偏差在设计允许范围内。
7）严格管片拼装质量的控制
为了提高管片的拼装质量，推进油缸行程在1650mm以上才能进行管片拼装，否则会加大k块的拼装难度，也可能降低拼装质量。要先进行盾尾间隙的测量，然后根据油缸行程、测量系统提供的参数和行进轨迹与趋势进行管片类型（直环，左转环，右转环）选择及k块位置的选择。管片拼装操作手在拼装之前，应检查管片、止水胶条有无破损情况，如有破损应修复，不能修复的应该更换管片，清理止水胶条上的泥砂等杂物（包括已拼装和等待拼装的管片）。清理盾尾内沉积的泥砂和污水。在拼装的时候操作拼装机尽量柔和，防止管片之间剧烈撞击而损坏止水胶条和管片。纵向和环向管片平面平整，不错台。在每拼装完一块管片后，及时拧紧螺栓，在整环拼装完成后要对整环管片的螺栓进行复紧。在管片脱出盾尾（倒数第2环）后再次进行管片螺栓的复紧。
4．3渣土改良措施
富水砂层颗粒松散、无黏聚力，颗粒之间的传力方式为点对点。向开挖面土体添加泥浆后，泥浆包围在颗粒周围，形成了1层泥膜，增加了颗粒之间的黏聚力，使得颗粒之间的传力得到扩散，改善了土体的受力状况。另外，泡沫的体积极小，混合后泡沫的泥浆扩散性得到增强，可以在刀盘的搅拌下迅速渗透到土层中，将沙粒包裹起来，降低了土体的密实度，改善了土体的塑流性。利用泡沫优良的润滑性能，改善土体粒状构造，同时吸附在颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒与刀盘系统的直接摩擦，降低土体的渗透性。又因其密度小，搅拌负荷轻，容易将土体搅拌均匀，从而做到既能平衡开挖面土压，又能连续向外顺畅排土。同时泡沫具有可压缩性，对土压的稳定也有积极作用。在富水砂层中的掘进主要是要降低对刀具的磨损，降低刀盘扭矩、螺旋输送机的磨损，防止喷涌，采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入泡沫、膨润土和高分子聚合物混合液的方法来改良渣土。
4．3．1泡沫注入
本工程中地层含水量较大，因此需使用“较干”的泡沫，即泡沫具有较高的发泡率，泡沫参数设置为：泡沫总流量700 800L/min；泡沫混合液流量20 25L/ min；原液含量3% 4%；发泡倍率30 35倍。4．3．2膨润土注入
盾构机开挖地层为中砂层，含泥量低（约5%），注入膨润土可提高砂土的含泥量，改善渣土性能，其主要作用为：①使碴土具有较好的土压平衡效果，利于稳定开挖面，控制地表沉降；②降低土体的渗透系数，使其具有较好的止水性，以控制地下水流失；③使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土，提高掘进速度；④可有效提高土体的保水性，防止渣土离析、沉淀板结；⑤使土体具有较低的内摩擦角，降低刀盘扭矩，减少对刀具和螺旋输送机的磨损；⑥提高高分子聚合物改良剂的使用效果。
膨润土采用天然钠基膨润土，膨润土浆液材料及配合比如表1所示。
表1膨润土浆液性能
材料配合比/（kg·m－3）
膨化时
间/h
相对密度
用量/
（m3·环－1）钠基膨
润土
膨润土水
100 2001000
＞61．08 1．16 8 4．3．3高分子聚合物
高分子聚合物具有较强的吸水膨胀性和增稠性。注入高分子聚合物材料主要目的是提高渣土黏稠度，将渣土改良成塑性流动体，防止或减轻螺旋输送机排土时产生“喷涌”现象，并防止渣土黏结刀盘而产生“泥饼”。
高分子聚合物材料配合比与用量：高分子聚合物1 4kg/m3；水1000kg/m3；用量4 6m3/环。4．3．4渣土改良
1）改良剂注入方式
渣土改良剂要充分发挥改良效果，必须注入刀盘前方，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌使改良剂与渣土充分混合。采用盾构机配置的专用装置通过刀盘上4个注入孔向刀盘前方注入改良剂，其中2个注入孔注泡沫，一个注入孔注膨润土，另外一个孔根据渣土状况，选择膨润土或高分子聚合物，实现了改良剂与渣土的充分混合，使渣土具成为塑性流动状态，即所谓的“挤牙膏”效应。改良材料的注入量和注入速率通过注入装置调节控制。
2）改良剂注入注意事项
泡沫注入过程中要经常检查泡沫的效果，泡沫要
352
2015增刊郭海：浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术
细密，不易破裂，手捧能成型，泡沫注入量要达到开挖土体的40%以上。
膨润土泥浆要符合以下要求：①保证膨润土材料的质量；②严格按照配合比拌制，并保证膨润土膨化时间；③每环注入量6 8m3，即注入体积为富水砂层总体积的15% 20%，使砂层含泥量达到15%以上。
高分子聚合物材料的配合比和注入量应根据螺旋机出渣的具体情况确定，若喷涌现象轻微，则减小高分子聚合物混合液浓度或注入量；反之则需提高高分子聚合物混合液浓度或（和）注入量。每环高分子混合液的注入体积一般为富水砂层总体积的6% 12%。4．4注浆措施
4．4．1同步注浆
盾构施工引起的地层应力损失和盾构隧洞周围受扰动或受剪切破坏的土体的再固结以及地下水的流失，是导致地表沉降的重要原因。为了减少和防止沉降，在盾构掘进过程中，随着管片脱出盾尾，要同步注入足量的浆液以充填盾尾与管片之间的环形建筑空隙，支撑管片周围土体，同时，凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第1道防水屏障，增强隧道的防水能力，为管片提供早期的稳定并使管片与周围土体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定和成型质量。
1）注浆材料
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，充分发挥该浆材结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用P·O32．5，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。同时为了提高浆液的抗冲刷能力，根据试验加入一定比例的熟石灰以提高浆液的泌水性。
2）浆液配合比及主要物理力学指标
针对由于地下水丰富、水压高、容易稀释浆液的问题，对浆液进行了优化，选取了3种浆液配合比进行试验对比，如表2所示。分别做1组试块对3种浆液的凝结时间、结石率进行对比分析。
表2浆液配合比对比
编号强度/
MPa
配合比/（kg·m－3）
水泥粉煤灰膨润土砂水
生石灰/
（kg·m－3）
第1组2．5180320489604080
第2组2．51803204896040845
第3组2．51803204896040875经过试验分析，得出结论：加入总质量5%的生石灰可以很好地缩短浆液的初凝时间，且初凝后的浆液结石率提高5%，故选取第3种作为下穿风险源段的浆液配合比，管片上浮现象得到了很好控制，从最初的60 80mm逐步减少到10 20mm。
3）注浆方法和工艺
同步注浆通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用单泵四管路（四注入点）对称同时注浆。
4．4．2二次注浆
当盾构下穿热力隧道等风险源的过程中要及时进行二次补充注浆，尽早补填建筑空隙，防止结构产生沉降。二次补充注浆一般以注浆压力为控制标准，对于富水砂层中的盾构隧道，注浆压力宜控制在0．6 0．8MPa。二次注浆在管片脱出盾尾6 8环进行，以防止损坏盾尾密封装置和堵塞同步注浆管道，二次注浆采用水泥+水玻璃双液浆，浆液配合比如表3所示。
表3二次注浆浆液配合比
浆液配合比凝结时间A液B液
水泥?水=1?1水玻璃（35Be'）
A液?B液=3?1
30s
5沉降控制
为保证盾构安全穿越各类风险源，在盾构到达风险源前，在地面空旷地段选取了试验段，进行试验段掘进沉降分析，从按正常模式掘进到上述措施逐步到位对地面沉降状况进行分析研究，沉降量从最初的100 120mm逐步减少到30mm以内，说明采用上述措施可有效地降低地面沉降量，保证了下穿各类风险源的安全，沉降规律如图3，4所示。
5．1
监测数据分析
图3
地面沉降速率柱状
图4累计沉降量－盾构掘进过程曲线
根据柱状图可分析在盾构机通过时沉降速率的基本情况如下：盾构机刀盘到达时，沉降最大为－7．1mm，沉降最小为－2．2mm，普遍沉降约为－2 －6mm。盾构机通过过程中，沉降最大为－10．8mm，沉降最小为－3．8mm，普遍沉降约为－8 －10mm。盾构机拖出盾尾时，沉降最大为－9．9mm，最小沉降为－1．3mm，普遍沉降约为－2 －6mm。盾构机通过后基本就趋于稳定。
根据曲线图可分析在盾构机通过时累计沉降量的基本情况如下：累计沉降量最大的为－23．3mm，累计沉降最小的为－19．6mm，普遍沉降约为－19 －25mm。
452施工技术2015增刊
监测数据分析总结：沉降集中在刀盘到达对土体扰动时、盾构通过过程中、盾尾拖出3个时间段，盾尾拖出后基本趋于稳定，从刀盘扰动至稳定需2d时间。沉降速率一般在－2 －10mm/d，累计沉降量在－19．6 －25．2mm。
5．2总体分析
在盾构机参数正常，渣土改良效果良好、同步浆液及二次浆液补充及时的情况下，最终沉降量可以控制在20mm左右（分别为盾构刀盘到达前4 6mm，盾构通过时7 9mm，拖出盾尾时2 6mm，后期稳定基本无沉降）；由于液化砂层地层原因，盾构到达前因刀盘扰动土体的造成沉降6 8mm较为普遍，在全断面富水砂层总结出的盾构掘进相关参数如表5所示。
表5富水砂层掘进参数
6结语
本工程下穿建构筑物种类繁多，且地层变化较大，地层埋深从23 9m，地层水位埋深同样变化极大。通过对不同地质条件下盾构施工情况进行详细分析，对各种重难点工作深入剖析，找出其本质，再对应地采取措施，因而能够安全、高效的施工。对类似地层条件下的盾构隧道提出以下结论建议。
1）针对全断面富水砂层掘进，通过对地层特点详细分析，对土压平衡盾构机进行适应性改造，使盾构机对地层更加适应，为盾构成功下穿运河及各类风险源打下良好的基础。
2）通过精细化的管理，对各项控制措施灵活应用，科学合理地控制各项掘进参数是安全穿越系列风险源，实现全断面富水砂层2210m不换刀的关键。
3）运用有效的渣土改良和及时、充分的壁后注浆等辅助措施并通过信息化施工及时反馈修正掘进参数，是确保了各建（构）筑物的安全和隧道成型管片的质量的保障。
通过以上措施的综合运用，提高了施工效率，节约了施工成本，确保了工程的安全和质量处于可控状态，取得了较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
［1］张凤祥，朱合华，傅德明．盾构隧道［M］．北京：人民交通出版社，2004．
［2］竺维彬，鞠世健．复合地层中的盾构施工技术［M］．北京：中国科学技术出版社，2006．
［3］贺少辉，乐贵平，罗福荣．北京地铁盾构隧道技术［M］．北京：人民交通出版社，2012．
［4］赵合全，刘天祥，吴遁．哈尔滨地铁富水砂层盾构施工技术总结［Ｒ］．
［5］朱伟译．隧道标准规范（盾构篇）及解说［M］．北京：中国建筑工业出版社，2001．
［6］徐永福．盾构推进引起地面变形的分析［J］．地下工程与隧道，2000（1）：21-25．
552
2015增刊郭海：浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术
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。
海瑞克土压平衡式盾构机结构分析 [2008-08-07] 关键字：盾构机结构分析 承担修建深圳地铁—期工程第七标段(华强至岗厦区间内径为5.4m的双线隧道)的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。 本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 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＆#82 26;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
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
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。
土压平衡式盾构机的组成及工作原理 随着科学技术日新月异的发展，新事物不断涌现，盾构机的出现虽然有一定时间，但是，盾构机集成了很多现代科技。大型PLC,各种性能优良的液压泵，各种先进的控制理念都体现在了盾构机上。我们要去学习和了解它，从而去创新和改造它。 现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。 盾构机挖掘主要靠刀盘切削来完成，不同地质刀盘通常配备有不同数量的切刀或滚刀。为了确保切刀的耐久性，要选择与土质相适应的切刀形状。刀刃材料通常是以钨碳化合物为主烧结超硬合金。切刀要合理排列以达到能切削整个掌子面的目的。地层为岩石或地层中存在大块卵石情况下，安装滚刀是必不可少的，盾构机掘进时刀盘旋转的同时启动推进千斤顶将刀盘压紧岩层，刀盘上的滚刀一边滚动一边破岩，刀盘旋转推力使得滚刀不断滚动前进，从而对整个掌子面的岩石开挖。刀盘上有仿形刀装置，此装置为液压缸驱动，由切削刀，液压油缸构成，在必要时（如纠偏，转弯）进行盾体外周超挖或余掘。主驱动系统有两个变量柱塞泵（分别有两个315KW电机，电机分别由两个软启动器驱动），8个液压马达（用来驱动刀盘），补油泵（75KW电机驱动），控制泵，恒功率阀块，HBV油脂系统，轴承润滑系统，冷却水系 统组成。 1.启动控制泵，缓慢调节控制泵的切断阀（顺时针增大压力），泵输出压力逐步升高，控制泵的安全压力设定为8.0Mpa。2. 启
动补油泵，再缓慢调节溢流阀，溢流阀压力升至 2.0Mpa。 锁紧补油泵旁路溢流阀和换油流量调节溢流阀锁紧螺母； 3. 启动冷却水泵（主驱动有8 个液压马达，每个液压马达带一个减速器，用来冷却减速器，）。4.启动润滑油脂系统，HBV系统，齿轮油系统）4.硬件上强制给PLC—个启动信号（不需要启主驱泵）。选择刀盘旋转方向（即主泵上三位四通换向阀得电情况两个泵需一致），观察两个主泵斜盘变化，变化正常后再按正常程序启动主泵。 5. 调节主驱动恒功率控制模块比例溢流阀（该比例溢流阀是一个型号为VT3000力士乐放大板，放大板使能端接了一个中间继电器常开触点，刀盘启动条件满足完全满足时，这个PLC有相应的Q点输出，中间继电器常开触点闭合，放大板正常工作，通过电位计（0-10v 直流电压）来控制放大板的输出从而控制斜盘斜率，控制泵的排量。 螺旋输送机作用是出渣和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，将渣土输送到输送机后腹部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，推进速度一定时，通过调节出土闸门开启度和螺旋机转速变化来实现对土仓内土仓压力的调节，保证隧道开挖面的稳定性。螺旋输送机排土口有两个由液压缸控制的出土闸门，通过它控制螺旋输送机排土量，开启油缸上安装有行程传感器，根据掘进速度在操作盘上任意控制闸门开启度，随时调节排土量实现土塞效应，形成良好的排土 止水效果，土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力作用。螺旋轴采用驱动端固定，一端浮动支撑形式，取土端外壳焊接耐磨合金条，螺
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
【提要】：结合工程实践，研究复合式盾构电气系统，从供配电、盾构控制、检测仪器、数据采集等方面分析系统特点。 【关键词】：复合式盾构电气监控特点 Abstract: Incorporating engineering practices, this paper studies electrical system from analyses of system characteristics of power supply and distribution, shield control, testing instrumentation, data acquisition on Compound Shield EPBM. Keywords:Compound Shield, shield, electrical monitoring features. 1 概述 φ6.14m复合式土压平衡盾构(简称复合式盾构)是隧道股份为广州市地铁总公司建造地铁2号线新研制开发的。盾构需穿越软土、硬土(岩土)及复合土等多种土层，并穿越珠江，掘进距离约1.7km。原用于1号线施工的进口泥水平衡盾构已不能满足施工需要；而另一台进口土压平衡盾构，在1号线施工结束时已损坏，为适应2号线的施工，必须对该泥水平衡盾构作彻底的改造。 复合式盾构既要适用于软土土层的施工工况，又要适应硬土、复合土(软、硬土混合)土层的掘进工况。它采用全断面切削布置的滚刀和割刀组合的互交型刀盘来开挖岩土，当工作面岩土稳定时，可以在土压不平衡状态下进行掘进；当遇软土和复杂地层时，则在土压平衡状态下进行掘进，以确保工程安全和质量。复合式盾构在软土层施工，其平衡机理是与一般土压平衡盾构一致的，均使充满切削土的密封舱土压保持在设定值上，求得盾构开挖面的稳定；而显著不同的是复合式盾构具有更大的切削岩土能力和更复杂的控制功能，因而刀盘的动力要大大增加，并具有多种控制模式。然而泥水平衡盾构的掘进机理是与土压平衡盾构完全不同的，它是靠泥水动态平衡来达到开挖面的稳定，以泥水输送和泥水处理来排土；其构造和设备配置也完全不同，以盾构的设备配置为例，土压平衡盾构要增加螺旋机、皮带机及其它辅助设备，故将泥水平衡盾构改制成土压平衡盾构是有一定难度的，要改制成复合式土压平衡盾构就更难。 2 原泥水平衡盾构概况 在广州现场勘查到盾构已解体成刀盘、切口环、支承环、拼装机、整圆器等部件(散件)堆放在露天仓库。盾构一共有7节台车，控制室设在1号台车，动力设备分布在2号～6号台车，低压配电柜安装在7号台车。盾构本体主要电气设备有：控制台、高压柜、低压柜、电容器柜、仪表柜；电动机14台；传感器14只(套)；遥控装置1套；电磁阀80余只；1套PLC(主机A3NCPU，输入/输出模块30块)；现场的按钮盒、限位若干(遗失和损坏较多)。 独立的泥水输送系统由日本大平洋公司设计制作，在盾构中有切换阀、EV阀、排泥泵、控制柜(箱)、泥泵流量计和密度计等。PLC自成系统，有1个主站和4个从站，主站和从站靠ME信号传送器进行通信。 3 计研究的难点 （1）开发复合式盾构需从研究盾构工作机理出发，在深入研究控制模式和施工管理方式后，再进行电气系统的设计研究。 （2）改制旧泥水盾构，设计时缺乏原盾构完整的技术资料。在缺少所需的系统原理图、传感器、仪表、PLC等技术资料的情况下，必需对原进口电气设备作深入的消化和研究，掌握基本的技术性能和参数，为改制设计提供必需的资料。
本文主要介绍的是海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机的工作原理，组成部分及各组成部分在施工中的应用。 0引言 我单位承担修建深圳地铁—期工程第七标段华强至岗厦区间内径为5．4m的双线隧道的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 1 盾构机的工作原理 1．1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。 1．2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。 1．3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。 2 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1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·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，他们分别是盾休、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。 2.1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
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。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/aa5645525.html, 复合式土压平衡盾构机常见故障分析及处理办法 作者：张海涛 来源：《城市建设理论研究》2012年第33期 【摘要】盾构机在隧道施工中运用广泛，其安全、高效、经济、环保的优点非常显著，因此，盾构机在隧道施工中的扮演着非常重要的角色。本文主要研究了复合式土压平衡盾构机常见的故障，并提出了相应的解决办法。 【关键词】复合式土压平衡盾构机；常见故障；分析 中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A 文章编号： 引言 随着我国城市地铁建设的快速发展，盾构工法凭借其对地面、地下环境影响小、掘进速度快、地表沉降小等优势，成为目前城市地铁区间建设和隧道施工的主要施工工法。复合式盾构机得到了非常广泛的运用，然而，在复合式盾构机得施工使用过程中，常常会出现各种故障，严重影响了盾构机的使用效率，拖慢工程的施工进度，甚至在一定程度上影响了施工质量。因此，对复合式盾构机常见故障进行分析及处理的现实意义重大。 复合式盾构机的工作原理如下：通过旋转的刀盘切削前方的土层，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在油缸的推力下仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力和水压力，通过添加外加剂并搅拌土体使其具有适宜的流动性和不透水性，然后在基本保持土压平衡的条件下，从螺旋输送机排除土体。成洞后由管片拼装机拼管片来支撑洞体，同时对盾尾与洞体的缝隙注浆填充，最后实现设计的线路和其结构尺寸要求。 一、复合式土压平衡盾构机常见故障分析 盾构施工中往往遇到各种复杂的地层，变化性比较大。由于地质条件的复杂性．决定了盾构机刀盘的配置及刀具的选用将非常关键．刀具的配置和选用直接影响到刀具使用的寿命，盾构机刀具配置、维修和管理是盾构施工设备管理的重要内容。在复合式土压平衡盾构机的施工使用过程中，作为盾构机主要部件的刀盘最容易出现各种故障，以下详细分析： 1.1刀盘常见故障及原因分析 盾构机的刀盘根据地层的差异，分为三类：软岩刀盘、硬岩刀盘和复合刀盘。软岩刀盘适用于未固结成岩的软土地层和某些全风化或强风化的软岩地层，硬岩刀盘适用于硬岩地层，复
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。
土压平衡盾构机标准◇前言 ◇ 1. 范围 ◇ 2. 规范性引用文件 ◇ 3. 术语和定义 ◇ 4. 符号 ◇ 5. 总则 ◇ 6. 盾构主机 ◇7. 液压系统 ◇8. 附属系统 ◇9. 盾构电气系统 ◇10. 技术要求 ◇11. 试验方法 ◇12. 检验规则 ◇13. 标志、标签、使用说明书 ◇14. 包装运输贮存 ◇附录A（资料性附录）刀盘扭矩计算法 ◇附录B （资料性附录）盾构装备推力阻力计算法 ◇附录C （资料性附录）液压元件的选择
我国从六十年代开始用盾构法开挖隧道，先后制造了各种类型的盾构，取得了用盾构法开挖隧道的经验，盾构的制造技术也不断提高，生产的盾构广泛用于地下工程，为我国的城市建设做出了重大贡献。然而到目前为止，我国还没有盾构的国家标准。为了促进技术进步、提高产品质量、扩大对外开放、加快与国际惯例接轨，根据多年来制造盾构的经验，特制定了本标准。 本标准由建设部标准定额研究所提出 本标准由建设部给水排水产品标准化技术委员会归口。 本标准主要起草单位：上海隧道工程股份有限公司
本标准规定了土压平衡盾构掘进机（以下简称盾构）设计应遵守的基本原则和计算方法，并规定了盾构制造和验收的技术要求、试验方法、检验规则及包装、标志、储运。 本标准适用于在软土、粘土、砂土中运用的5.5m～7.0m土压平衡盾构。
规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB150-1998 钢制压力容器 GB699—1999 优质碳素结构钢 GB755—2000 旋转电机定额和性能 GB3098.1—2000 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 GB4028-1993 外壳防护等级（IP代码） GB4205-2003 人机界面（MMI）—操作规则 GB7947-1997 导体的颜色或数字标识 GB14048.2-2001 低压开关设备和控制设备低压断路器 GB50017-2003 钢结构设计规范 GB50052－95 供配电系统设计规范 GB50054－95 低压配电设计规范 GB50055－93 通用用电设备配电设计规范 GB50062－92 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 GB50150-1991 电气装置安装工程电气设备交接试验标准 GB50168-1992 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范 GB50169-1992 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 GB50170-1992 电气装置安装工程旋转电机施工及验收规范 GB50171-1992 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范 GB50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范 GB/T985—1988 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸 GB/T986—1988 埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸 GB/T987-1991 带式输送机基本参数与尺寸 GB/T1184—1996 形状和位置公差未注公差值 GB/T1231—1991 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件 GB/T1801-1999 极限与配合公差带和配合的选择 GB/T2900.18-1992 电工术语低压电器 GB/T3633—1995 钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件 GB/T3766—2001 液压系统通用技术条件 GB/T4942.2—1993 低压电器外壳防护等级 GB/T7935—1987 液压元件通用技术条件 GB/T10595-1989 带式输送机技术条件 GB/T13869—1992 用电安全导则 GB/T14048.1-2000 低压开关设备和控制设备总则 GB/T15622-1995 液压缸试验方法 GB/T17468-1998 电力变压器选用导则 GB/T18268-2000 测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求 GB/T18858.1-2002 低压开关设备和控制设备控制器—设备接口（CDI）第1部分：总则GB/T18858.2-2002 低压开关设备和控制设备控制器－设备接口（CDI）第2部分：执行器