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
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 -
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
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
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
浅谈土压平衡盾构穿越不良地质施工技术 发表时间：2019-07-24T12:07:10.493Z 来源：《基层建设》2019年第11期作者：王铎 [导读] 摘要：土压平衡式盾构机的发展是在挤压式盾构机和泥水式盾构机的基础上发展起来的。佛山市铁路投资建设集团有限公司广东佛山 528000 摘要：土压平衡式盾构机的发展是在挤压式盾构机和泥水式盾构机的基础上发展起来的。它的原理是控制其排土量和开挖量均衡即可使开挖面的地层一直保持稳定。着重剖析土压平衡盾构穿越不良地质作业技术在作业中遇到的很多突出性问题，尤其是盾构隧道施工中遇到的问题，并且有针对性地对工程的难点提出了一些建设性的应对措施。 关键词：土压平衡盾构；施工技术；轨道交通 土压平衡盾构法作业在国际以及我国轨道交通盾构区间修建中得到了大量应用，盾构法施工在工序上相对简单明了，更容易实施，并且作业时间相对较短，作业人员的安全等更容易在控制范围之内。同时，盾构施工还具有以下方面的优点：地下作业、比较隐蔽，不会因为噪音和震动而影响环境；自动化程度颇高、低劳动强度等等。 虽然这种作业技术已经慢慢地变得成熟，但是仍然有诸多问题值得我们去探讨，去解决。 一、盾体机身出现滚动现象 盾构机身的滚动大多数是因为刀盘切削开挖面土体产生的扭矩比盾构机壳体与隧道洞壁之间的摩擦力矩大而形成的。在两个地层分界面开挖掘进时，由于岩性差别太大而且岩层稳定性较好，此时扭矩较大，而盾构机壳体与洞壁之间只有部分地方产生了摩擦力，当摩擦力矩与刀盘切削土体产生的扭矩不能互相平衡时将会引起机身的滚动，过大的滚动就会影响管片的拼装，也会引起隧道轴线的偏移。大多数情况下，当滚动偏差超过0.5时，我们就应该采用以下方法进行补救.。 （1）加入泡沫； （2）补充浆液，保证足够桨液量，活性浆液应用等等方法以加大盾构周边的摩擦力；（3）变化刀盘旋转的方向，把推进速度慢下来； 二、泥饼现象 盾构机穿越粘土层时，刀盘面需要始终保持较高的压力，温度一般会变得很高，尤其是粘性土在高温和高压作用下，易压实形成泥饼，特别是刀盘的中心部位。一旦产生泥饼，掘进的速度下降，刀盘扭矩升高，拉低作业效率，严重影响施工。所以建议采取以下举措应对： （1）在作业之前把刀盘上的部分滚刀换用刮刀，增加了刀盘的开口率； （2）加注泡沫，降低碴士的黏附性； （3）刀盘背面和土仓压力隔板上加置搅拌棒，提升强搅拌强度和增大范围，向土仓中加注泡沫，改善渣土和易性；（4）往螺旋输送机内注入泡沫，加大碴土的流动性； （5）在2/3仓土处增加气压； （6）一旦泥饼产生后，使刀盘空转，在离心力的作用下，泥饼自然就会脱落，在保证开挖面稳定的情况下，可进行人工人为的清除掉； 三、管片上浮现象 盾构机在作业的过程中，有一种情况较常见：隧道管片发生错位，大部分原因为上浮的管片，管片上浮又受工程地质、水文地质、衬背注浆质量、盾构机姿态控制等因素的影响。一旦管片脱出至盾尾后，由于盾构作业途中形成的蛇形运动、超挖以及理论间隙，管片与地层间就会形成-环形建筑空间，而空间大多采用衬背注浆工艺填充解决，注浆量不够或者是注浆压力不足，就会导致衬背浆液不密实，特别是隧道顶部，从而导致管片上浮。盾构机在含水地层作业时，盾构机作业形成的环形建筑空间充满水，隧道管片全被包围，在盾构作业时形成“圆形坑道”，当管片所受到的浮力比管片本身重时，管片本身就会上浮。建议按以下操作来解决如上问题。（1）选择充填性好的浆液比如注入双液浆，初凝时间与早期强度，限定范围防止流失；（2）浆液配比实行动态监管模式，地质情况，水文情况，隧道埋深情况等不同而相应地调整，从而防控地表的下沉和保证管片的稳定； 四、螺旋输送机喷涌现象 基岩裂隙水丰富时，隔水层厚度不一致日常缺失。这样的地层中，如果盾构机非连续作业或作业空档，以及同步注浆不密实所形成的流水通道，水压很大，土质欠优，进入土仓的渣土缺乏很好的塑性（这种粘土一般矿物质含量不多，密水性不好），从而承压水与没有塑性的渣土就容易形成螺旋输送器喷涌，建议以以下方法去解决。 （1）隧道开始下坡并已经到达硬岩富含水地层中时，这时可以砸断管片与围岩间隙汇集的地下水与开挖面的水力联系。管片处于硬岩含水层中长度越长，管片背后存储的水力和压力就会更大，这就需要同步注浆效果必须达到完全封闭衬翻空隙并阻水，避兔土仓与管片背后形成水力通道； （2）把进尺出土量控制下来，从而盾构机就能很好地通过； （3）盾构机没有作业时，土仓内压力与外界水土压力一致，继续保持压力平衡。在螺旋机第二次排土之前，应用刀盘把土仓内的水和土充分拌匀，使其具有良好的密水性，从而规避喷涌。 五、盾尾漏浆现象 造成盾尾漏浆主要有以下几个原因：一是因为盾尾刷作业磨损；二为盾尾与管片两者间隙不均匀；三是因为衬背注浆的压力很高.建议采取如下措施。 （1）作业前对盾尾密封系统进行一次全面检查与维护，更换掉已存在磨损的密封刷；（2）在管片拼装前清理干净盾壳内的杂物，防止对盾尾刷造成损坏；每30环全面检查1次盾尾密封腔油脂状况，严格控制盾尾油脂的压力； （3）经常检查盾尾周边与管片的间隙，控制盾构机的姿态和管片姿态，保持间隙均匀；
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。
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 gr ound conditi oning of EP B shield machines,is one of the i m portant syste m s of EP B shield machines .This article intr oduces the compositi on of the fluid conveying syste m and the working p rinci p les of contr ol syste m s of backfilling gr outing behind seg ment lining,gr ound conditi oning syste m,main bearing grease sealing and lubricati on syste m and tail skin sealing grease injecti on syste m.Key words:fluid conveying;non 2transit;medium;contr ol;syste m;p rinci p le 1 流体输送系统的组成 在土压平衡盾构机中,除以液压油为介质进行传 动的流体传动系统外,还存在一个庞大的流体非传动系统,它们的工作介质是油脂、油液、水泥砂浆、泡沫剂、泥浆等,工作目标是实现盾构机某些部位的润滑、密封、填充以及碴土物理性能的改良。该系统我们称之为流体输送系统,在保证盾构机的正常工作中起着重要的作用。 流体输送系统由衬砌背后注浆系统、碴土改良系统、主轴承密封润滑系统、盾尾密封系统等组成,如图1所示 。 图1 流体输送系统的组成 Fig .1 Compositi on of fluid conveying syste m 2 衬砌背后注浆控制系统 由于刀盘的开挖直径大于管片衬砌的直径,当盾 尾随盾构机前进而抽脱后,在管片的外壁与隧洞的内壁之间就会形成空隙。这一空隙如不及时填充,可能引起围岩的松动,导致地表沉降,危及地表建筑物的安 全。同时还不利于管片的固定,当盾构机推进的反力作用在管片上时,容易造成管片的偏斜,影响盾构机掘进的姿态。为此,在管片衬砌完成后,应及时向其背后的空隙进行填充注浆。 背衬注浆有及时注浆与同步注浆两种形式,由于同步注浆与盾构的推进同步进行,防止地表沉降的效果好,所以本文只讨论同步注浆系统。 在控制面板上设有显示盾构机工作状态的指示灯,当处于掘进状态时,指示灯亮,提示可进行同步注浆。 注浆速度是注浆系统需要控制的一个重要参数,它必须与盾构机的掘进速度相适应,过快可能会导致堵管,过慢则容易引起地层塌陷或使管片受力不均,控制方法就是通过电磁比例阀调节注浆泵的流量。 注浆泵流量的调节有手动控制与自动控制两种方式,两种方式的选择,可通过控制面板上的旋钮来切换。 当选择手动控制模式时,通过人工调节电位器旋钮,可改变电磁比例流量阀的开度。当选择自动控制模式时,可通过注浆压力的大小对注浆流量进行负反馈调节。注浆的起始压力和停止压力通过上位机设定,其数值应根据工程实际综合地质、注浆量等情况考虑。压力参数设定后,当注浆压力达到最大设定压力时,注浆泵将自动停止。随着盾构机的继续掘进,压力 第25卷 第6期2005年12月 隧道建设Tunnel Constructi on 25(6):57～59,66 Dec .2005
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。
浅谈土压平衡盾构几种不同的分体始发技术 范延晓 （中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南，郑州） 摘要:从设备组织和生产工序组织方式对不同的分体始发方式进行归类分析，总结其特点，为类似盾构施工选择不同的始发技术提供借鉴。关键词:盾构;分体始发;生产工序 Introduction To Several Different EPB Separate Shield Launching Program FAN Yanxiao (China Railway Engineering Equipment Group Technology Service Co.Ltd,Zhengzhou 450000,Henan,China) Abstract: From equipment and production process tissue way to classify the different way of separate shield launching program, summarizes its characteristics, to choose different from similar shield launching program for reference. Key words: shield; separate shield launching program; production process 1、概述 地铁车站主要选择在城市的繁华街区或者交通枢纽地段，作业空间十分有限，而且由于工期安排等其它限制因素，从经济效益和设备安全等方面综合可虑，可选择分体始发方式在有限的空间内开展隧道掘进施工。本文主要从设备结构和生产工序安排两个方面介绍如何选择合适的分体始发方式。 2、限制始发方式的主要因素 盾构专用始发井或者始发车站的空间尺寸为选择盾构始发方式
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。