盾构分类及选型
第二章盾构分类及选型
隧道建设与盾构掘进机不可分离，所以盾构掘进机对各种地层的适应性非常重要。1823年～1843年，世界上第一条人工开挖盾构隧道是由法国人Brunnel在伦敦泰晤士河下建成的，由于隧道掘进机与地层条件的不适应，长366m的隧道耗时达20年左右，隧道施工过程中遭遇了多次涌水，并付出了6个隧道工人生命的代价。
1991年6月29日贯通的长达49km（单条）英法海底隧道，耗时仅仅两年半，在如此短时内取得如此的成绩与隧道盾构正确选型密不可分。英法海峡隧道法国侧隧道工程是在含水的白色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层，选择了土压平衡盾构；而英国侧则根据地层的变化采用了通用型盾构。前者掘进速率达1071m/mon，后者更是达到1487m/mon，说明该隧道的盾构选型是合适的。
1989开始动工建设的东京湾海底公路隧道全长15.1km，其中盾构隧道长9.1km，穿越的地层为软弱的冲积、洪积性土层，另外，该盾构隧道的一个最大特点是盾构必须能够承受 0.6MPa的水压，故采用8台直径14.14m的泥水式土压平衡盾构施工，东京湾隧道的成功建设也表明该类盾构的选择是合适的。
第一节盾构的构造
一、盾构外形和材料
1．盾构的外形
作为一种保护人体的空间，隧道的形状因其使用要求不同、而造成盾构外形不同是理所当然的。隧道掘进，无论盾构的形状如何，总是向轴线方向发展而成，所以，盾构的外形就是指盾构的断面形状。从采用过的盾构来看，其外形有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是采用传统的圆形。
2．制造盾构的材料
盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物，要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以，盾构整体要求具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板成型制成。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型的方法。盾构壳体可有单层厚板或多层薄板制作而成。
二、盾构的基本构造
盾构种类繁多，从盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分。
图2-1-1 盾构基本构造示意图
1．盾构壳体
所有盾构的形式，其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分，借以外壳钢板联成整体。
（1）切口环
切口环部分是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时最先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口以减少切入掘进时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为把开挖下来的土砂向后方运输的通道，因此，采用机械化开挖、土压式、泥水加压式盾构时，应根据开挖下来土砂的状态，确定切口环的形状、尺寸。
切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方法，就手掘式盾构而言，考虑到正面施工人员挖土机具工作要有回旋的余地等。大部分手掘式盾构切口环的顶部比底部长，犹如帽檐，有的还设有千斤顶控制的活动前沿，以增加掩护长度；对于机械化盾构切口环内按不同的需要安装各种不同的机械设备，这些设备是用于正面土体的支护及开挖，而各类机械是由盾构种类而定的。主要内容如下：
① 泥水盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和吸泥口；
② 土压平衡盾构，安置有切削刀盘、搅拌器和螺旋输送机；
③ 网格式盾构，安置有网格、提土转盘和运土机械的进口；
④ 棚式盾构，安置有多层活络平台、储土箕斗；
⑤水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器。
在局部气压、泥水加压、土压平衡等盾构中，因切口内压力高于隧道内常压，所以在切口环处还需布设密封隔板及人行舱的进出闸门。
（2）支承环
支承环是盾构的主体结构，是承受作用于盾构上全部载荷的骨架。它紧接于切口环，位于盾构中部，通常是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力，以及切口入土正面阻力、衬砌拼装时的施工载荷均由支承环来承受。
在支承环外沿布置有盾构千斤顶，中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。当切口环压力高于常压时、在支承环内要布置人行加、减压舱。
支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度，对于有刀盘的盾构还要考虑安装切削刀盘的轴承装置、驱动装置和排土装置的空间。
（3）盾尾
盾尾一般由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾密封装置损坏、失效时，在施工中途必须进行修理更换，所以盾尾长度要满足上述各项工作的进行。
盾尾厚度从整体结构上考虑应尽量薄，这样可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙就小，从而压浆工作量也少，对地层扰动范围也小有利于施工，但盾尾也需承担土压力，在遇到纠偏及隧道曲线施工时，还有一些难以估计的载荷出现。所以盾尾是一个受力复杂的圆筒形薄壳体，其厚度应综合上述因素来确定。
盾尾密封装置要能适应盾尾与衬砌间的空隙，由于在施工中纠偏的频率很高，因此，就要求密封材料要富有弹性，结构形式要耐磨，防撕裂，其最终目的是要能够止水。止水的形式有许多，目前较为理想且常用的是采用多道、可更换的盾尾密封装置，如图2-2-2，盾尾的道数根据隧道埋深、水位高低来定，一般取2～3道。
图2-1-2 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
由于钢丝束内充满了油脂，钢丝又为优质弹簧钢丝，使其成为一个既有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于生锈损坏。油脂加注采用专用的盾尾油脂泵，这种盾尾密封装置使用后效果较佳，一次推进可达500m左右，这主要看土质情况如何，相对而言，在砂性土中掘进，盾尾损坏较快，而在粘性土中掘进则寿命较长。
盾尾的长度必须根据管片宽度和形状及盾尾的道数来确定，对于机械化开挖式、土压式、泥水加压式盾构，还要根据盾尾密封的结构来确定，最少必须保证衬砌组装工作的进行，但必须考虑在衬砌组装后因管片破损而需更换管片；修理盾构千斤顶和在曲线段进行施工等因素，故必需给予一些余裕量。
2．推进机构
盾构掘进的前进动力是靠液压系统带动若干个千斤顶工作所组成的推进机构，它是盾构重要的基本构造之一。
（1）盾构千斤顶的选择和配置
盾构千斤顶的选择和配置应根据盾构的灵活性、管片的构造、拼装衬砌的作业条件等来决定。选定盾构千斤顶必须注意以下事项：
① 采用高液压系统，使千斤顶机构紧凑。目前使用的液压系统压力值为30～40MPa；
② 千斤顶要尽可能地轻，且经久耐用，易于维修保养和掉换；
③ 千斤顶要均匀地配置在靠近盾构外壳处，使管片受力均匀；
④ 千斤顶应与盾构轴线平行。
（2）千斤顶数量
千斤顶的数量根据盾构直径、千斤顶推力、管片的结构、隧道轴线的情况综合考虑。一般情况下，中小型盾构每只千斤顶的推力为600～1500KN，在大型盾构中每只千斤顶的推力多为2000～4000KN。
（3）千斤顶的行程
盾构千斤顶的行程应考虑到盾尾管片的拼装及曲线施工等因素，通常取管片宽度加上100mm～200mm的余裕量。
另外，成环管片总有一块封顶块存在，若采用纵向全插入封顶成环时，在相应的封顶块位置应布置数只双节千斤顶，其行程大致是其它千斤顶的一倍，以满足拼装成环所需。
（4）千斤顶的速度
盾构千斤顶的速度必须根据地质条件和盾构形式来定,一般取50mm/min左右，且可无级调速。为了提高工作效率，千斤顶的回缩速度要求越快越好。
（5）千斤顶块
盾构千斤顶活塞的前端必须安装顶块，顶块必须采用球面接头，以便将推力均匀、分布在管片的环面。其次，根据管片材质的不同，还必须在顶块与管片的接触面上安装橡胶或柔性材料的垫板，对管片环面起到保护作用。
3．管片拼装机
管片拼装机俗称举重臂，是盾构的主要设备之一，常以液压为动力。为了能将管片按照所需要的位置，安全、迅速地进行拼装，拼装机在钳捏住管片后，还必须具备沿径向伸缩、前后平移和360o(左右叠加)旋转等功能。
拼装机的形式有环形、中空轴形、齿轮齿条形等，一般常用的是环型拼装机（如图2-1-3）。这种拼装机安装在支承环后部，或者盾构千斤顶撑板附近的盾尾部，它如同一个可自由伸缩的支架，安装在具有支承滚轮的、能够转动的中空圆环上的机械手。该形式中间空间大，便于安装出土设备。
图2-1-3 拼装机（环型）图2-1-4 拼装后成环隧道目前，欧洲国家制作盾构时，常采用真空吸盘装置，具有管片夹持简便、拼装平稳及碎裂现象少等优点。在超大型盾构制作中，较多应用此类拼装机。
4．真圆保持器
盾构向前推进时管片就从盾尾部脱出，管片受到自重和土压的作用会产生变形，当该变形量很大时，即成环和拼装环拼装时就会产生高低不平，给安装纵向螺栓带来困难，为了避免管片产生高低不平的现象，就有必要让管片保持真圆，该装置就是真圆保持器。真圆保持器支柱上装有上、下可伸缩的千斤顶，上下装有圆弧形的支架，它在动力车架挑出的梁上是可以滑动的。当一环管片拼装成环后，就让真圆保持器移到该管片环内，支柱的千斤顶使支架圆弧面密贴管片后，盾构就可进行下一环的推进。盾构推进后由于它的作用，圆环不易产生变形而保持着真圆状态。
三、盾构的基本参数选定
1．盾构直径
盾构直径必须根据管片外径、盾尾空隙和盾尾钢板厚度进行确定，而盾尾空隙应根据管片的形状尺寸、隧道的平面形状、纠偏、盾尾密封结构的安装等进行确定。
盾构直径是指盾壳的外径，而与刀盘、同步注浆用配管等突出部分无关。
所谓盾尾空隙，是指盾壳钢板内表面与管片的外表面的空隙。
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。下面根据图2-2-3,介绍二种计算方法。
（1）D=d+2(x+δ)
（式1）
式中： D －盾构直径(mm)
d －隧道外径(mm)
x －盾尾空隙(mm)
δ－盾尾钢板厚度(mm)。
图2-1-5 盾构直径计算图
为了满足盾构曲线段施工或推进施工时纠偏所需要间隙，盾尾空隙可由下式计算：
X＝
ML/d (式2) 式中：M －盾尾和管片的搭接长度(mm)
L －盾尾内衬砌环顶端能够转动的最大水平距离 (mm)
根据实际经验，盾尾空隙一般取20～40mm。
（2） D=d内＋2(δ+ x + T + T’+ e ) (式3)
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 －最小余裕量(mm)
D、δ、x 意义同前
上面二式中均有一个盾尾钢板厚度δ，此值应通过函数关系式求得，可是计算工作较为复杂，所以通常采用经验公式或类比法相近选取。
δ=0.02+0.01(D -
4) (式4)
式中D为盾构外径，单位为m。
当D<4m时，式中的第二项为零。
2．盾构长度和灵敏度
盾构长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式和盾构的灵敏度(即盾壳总长L与盾构外径D之比)。一般在盾构直径确定后，灵敏度值有一些经验数据可参考：
小型盾构(D=2～3m) (L/D) =1.50
中型盾构(D=3～6m) (L/D) =1.00
大型盾构(D > 6m ) (L/D) =0.75
盾构总长度由切口环、支承环、盾尾三部分组成，它不包括盾构内设备超出盾尾的部分，如后方平台、螺旋输送机等。
盾构长度计算公式：
L=Lw+ Lc+
Lt (式5) （1）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，所以正面土体稳定时Lw最大值为：
Lw =D . tgφ或 Lw
≤2m (式6)
式中：φ －开挖面坡度与水平面的夹角一般取45ｏ
在棚式盾构中，其分层是按人的高度分隔：
N=D/H
(式7)
式中： N －层数(计算后数值归整)
H －人的高度(m)
由于分了层的H值比D小得多，所以这时的切口环长度为：
Lw =H .
ctgφ (式8) 注意：式中H值应取层高的最大值Hmax 。
有些盾构根据需要将另设前檐，其长度大约300～500mm左右，具体取多少要按盾构直径大小适当选取。
（2）支承环长度Lc
该部分长度取决于盾构千斤顶、切削刀盘的轴承和驱动装置、排土装置等空间，而盾构千斤顶的长度又与预制衬砌的宽度有关。
Lc = Wc
+ιc(式9) 式中：Wc －最宽衬砌宽度，包括楔形环、加宽环
ιc－余裕量，一般取200～300mm，主要考虑到盾构千斤顶的修理因素
如果支承环长度不能满足刀盘的轴承或驱动装置的安装，支承环长度还要考虑这些结构的宽度。
（3）盾尾长度Lt
盾尾长度取决于管片的形状和宽度：
Lt =K. Wc + Ls +
C (式10)
式中： K －常数，一般取1.5～2.5 ,
这与是否需调换损坏的衬砌及盾尾密封装置有关；
Wc －衬砌环宽度(m)；
Ls －千斤顶顶块厚度(m)；
C －施工余裕量，一般取80～200mm，选取时应考虑拼装衬砌时环面清洗工作，以及穿拼装螺栓、特别是首尾相接的纵向螺栓等工作的方便。
3．盾构的推力
盾构向前行进是靠安装在支承环周围的千斤顶顶力，各千斤顶合力就是盾构的总推力，在计算推力时，一定要考虑周全，要将工程的施工全过程中对盾构可能产生的阻力都要计算在内。
盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构无法向前推进。盾构的各种推力和计算公式如下：
（1） F1－盾构外壁周边与土体之间的摩擦力或粘结阻力；
①砂性土 F1＝μ1 (πDLPw+W) (KN) (式
11)
②粘性土F1＝
CπDL(KN) (式12) （2） F2－推进中切口插入土壤的贯入阻力；
F2＝
ι.t.Kp.Pm (KN) (式13) （3） F3－工作面正面阻力；
F3＝
Pf.πD2/4 (KN) (式14)
① 盾构在人工开挖、半机械化开挖时为工作面支护阻力。
② 盾构采用机械化开挖时，为作用在切削刀盘上的推进阻力。
（4）F4－管片与盾尾之间的摩擦力；
F4＝
μ2.G2 (KN) (式15) （5）F5－变向阻力(曲线施工/纠偏等因素的阻力);
F5＝
R.S (KN) (式16) （6） F6－后方台车的牵引阻力；
F6＝μ3.G1
(KN) (式17) 其中：
μ1 －钢与土的摩擦系数
μ2 －钢与钢或混凝土的摩擦系数
μ3 －车轮与钢轨之间的摩擦系数
D －盾构直径 (m)
Ｌ－盾构长度 (m)
W －盾构重量 (KN)
G1 －后方台车重量 (KN)
G2 －管片(成环)重量 (KN)
Pm －作用在盾构上的平均土压 (KPa)
Pf －工作面正面压力(KPa)
c －粘聚力 (KPa)
Kp －被动土压力系数
R －地层抗力(承载力、被动土压力等) (KPa)
L －工作面周边长度 (m)
T －刃脚贯入深度 (m)
ｓ－抵抗板在推进方向的投影面积 (m2)
总推力ΣF＝F1＋F2＋F3＋F4＋F5＋F6 （式18）
盾构总推力也可由以上F1＋F2＋F3＋F4 的总和再乘以2来求出。事实上，在施工中、盾构总推力一般按经验公式求得：
Fj＝Pj
πD/4 (式19)
式中 Fj－盾构的总推力 (KN)
pj－开挖面单位截面积的推力 (KN)
① 人工开挖、半机械化开挖盾构、机械化开挖盾构：
Pj＝700～1100KPa
② 封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：
Pj＝1000～1300KPa
第二节盾构分类
由于盾构法施工隧道得到广泛应用，从60年代以来盾构技术发展极快，为适应各种不同的土质，所以形成盾构的种类繁多。盾构选型是根据不同的工程地质、水文地质条件，与施工环境的要求，合理地选择盾构掘进机，对保证施工质量，保护地面与建（构）筑物和加快施工进度是至关重要的。盾构的种类按其构造特点和开挖方法，可归纳为以下四类：
盾构掘进机类型及功能表1
盾构掘进机类型及功能表2
第三节盾构选型
一般来说，用盾构施工的地层都是复杂多变的，因此对于复杂的地层要选定较为经济的盾构是当前的一个难题。
实际上，在选定盾构时，不仅要考虑到地质情况，还要考虑到盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类一般要求掌握不同盾构的特征。同时，还要逐个研究以下几个项目：
(1) 开挖面有无障碍物；
(2) 气压施工时开挖面能否自立稳定；
(3) 气压施工并用其它辅助施工法后开挖面能否稳定；
(4) 挤压推进、切削土加压推进中，开挖面能否自立稳定；
(5) 开挖面在加入水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定；
(6) 经济性。
盾构选型时通常需要判别盾构工作面是否稳定，布诺姆氏试验法是一种较为实用的判别方法。
1．盾构机选型依据及一般程序
盾构机选型依据按其重要性排列如下：
· 土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）
· 开挖面稳定（自立性能）
· 隧道埋深、地下水位
· 设计隧道的断面
· 环境条件、沿线场地（附近管线和建构筑物及其结构特性）
· 衬砌类型
· 工期
· 造价
· 宜用的辅助工法
· 设计路线、线形、坡度
· 电气等其它设备条件
2．盾构机选型的一般程序
综合盾构机的特性与选型的依据，盾构机选型的一般程序可用下面的流程图来描述。
从该流程图可以看出，盾构机选型石先要看该盾构机是否有利于开挖面的稳定，其次才考虑环境、工期、造价等限制因素，同时还必须将宜用的辅助工法也必须加以考虑。只有这样才能选择出一种较为合适的盾构机。
3．根据地质条件选择盾构机类型
砂质土类自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工。若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑使用泥水平衡盾构；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构。砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。因在相同条件下，盾构复杂，操作困难，造价高，反之，盾构简单，制造使用方便，造价低。
针对地下水条件，若其压力值较高（大于0.1MPa），就应优先考虑使用密封型的盾构，以保证工程的安全，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。
对于砾径较小的地层，可以考虑各种盾构的使用。若砾径较大，除自立性能较好的地层可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，－般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构的话，须增加一个鳄式碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。
4．盾构机选型的其它条件
除了地质条件以外的盾构机选型的制约条件还很多，如工期、造价、环境因素、基地条件等。
5．工期制约条件
因为手掘式与半机械式盾构机使用人工较多，机械化程度低，所以施工进度慢。其余各类型盾构机因为都是机械化掘进和运输，平均掘进速度比前者快。
6．造价制约因素
一般敞口式盾构机的造价比密闭式盾构机低，主要原因是敞口式盾构机个象密闭式盾构机那样有复杂的后配套系统，在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，宜优先选用敞口式盾构机。
7．环境因素的制约
敞口型的盾构机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的掘进机。
8．基地条件的制约
泥水平衡式的掘进机必须配套大型的泥浆处理和循环系统，若需使用泥水平衡盾构开挖隧道，就必须具备较大的地面空间。
9．设计线路、平面竖向曲线形状的制约
若隧道转弯曲率半径太小，就需考虑使用中间铰接的盾构。例如直径为6m的盾构，其长度也有何6～7m，如将其分为前后铰接的两段，显然增加了施上中转弯的灵活性。
10．辅助工法的使用
掘进机施工隧道的辅助工法一般有：压气法、降水法、冻结法、注浆法等。前三种属于物理方法，注浆法属于化学方法。这些方法也主要是用于保证隧道开挖而的稳定，注浆法还能减少盾构机开挖过程中引起的地表沉降。一般密闭式掘进机使用最多的是注浆法。盾尾注浆用以填补建筑间隙，以减少地面沉降。在地层自立性能差的情况下，若采用手掘进、半机械式或网格式掘进机施工，就需采用压气法辅助施工，以高气压保证开挖面的稳定，在这一辅助工法下，施工人员易患气压职业病。当盾构机在砂质土或砂砾层中施工时，可考虑使用降水的方法改变地层的物理力学指标，增加其自立性能，确保开挖面的稳定。冻结法的施工成本较高，一般情况下不采用，但在长隧道的盾构对接中使用。
2002年10月，上海隧道工程股份有限公司针对中国隧道盾构发展的现状，开展了“我国主要区域性土层盾构选及适应性研究”的课题论证，提出了盾构选型的一些研究方法，如盾构机械设计所需的土力学参数的研究方法见表1；隧道掘进工程中的各种关键因素的相互关联见表2；采用ESQ方法对隧道施工各关键因素进行量化见表3；隧道掘进机施工各关键因素的量化值之和见表4；量化的隧道掘进机选型见表5；量化的出土运输方法选用见表6；量化的隧道掘进机附加功能选择见表7。
盾构机械设计所需的土力学参数的研究方法表1
盾构选型分析
盾构选型分析 1.地质因素 1.1工程地质盾构选型分析 对于细颗粒含量多的地层，切削下来的渣土能形成不透水的塑流体，容易实现土压平衡，并且渣土输送简单，多选用土压平衡盾构，如果选用泥水平衡盾构则渣土分离困难。粗颗粒含量高的地层，切削下来的碴土为流体状，仅依靠大颗粒充满土仓来形成机械力支撑土体时，即使土仓充满也建立不了压力，因而不易实现土压平衡，同时螺旋机不能形成土塞，渣土输送困难，如果采用土压平衡盾构需要通过添加膨润土等添加剂对渣土进行改良，而采用泥水平衡盾构时渣土输送和分离相对简单，因此这种地层多采用泥水平衡盾构。一般来说当地层中的黏粒和粉粒总量达到40%以上时适宜选用土压盾构，反之则选用泥水盾构。地层 1. Zeile bleibt immer frei EPB Methods 土压平衡区间Slurry Methods 泥水盾构区间60,0 20.06,02,00,60,20,060,020,0060,0020,001100 90 40 30 20 10 080 70 60 50 Sieve Size Fine Clay Silt Sand Gravel Medium Medium Coarse Fine Coarse Fine Medium Coarse Grain diameter d (mm) 粒径直径MM EPB / Slurry Range.粒径分布与盾构选型图 土和砂质粘土夹层。 从地层看，基本属于泥水盾构适用范围，根据在以往的施工经验，也可以采用土压盾构。
1.2水文地质盾构选型分析 在地下水丰富的地层，泥水盾构依靠泥浆粘粒渗入开挖面形成泥膜隔离层，依靠泥浆与碴土混合液的压力，作用在泥膜上平衡开挖面压力，能够有效隔离地下水渗入土仓，使开挖面前方地层不因水位的下降而引起地表的前期沉降；土压盾构由于没有这种泥膜，对地下水的控制能力稍差一些，需要加入更多泡沫等添加剂对渣土进行改良，有时甚至需要昂贵的特种添加剂。 根据施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可选用土压平衡盾构;当渗透系数在10-7m/s到10-4m/s之间时，既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构，如采用土压平衡盾构，开挖仓中添加剂将被稀释，水、砂、砂砾相互混合后，土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋机出碴门处易发生喷涌。 本区域是地中海岸含水区，地下水可能有海水补给。首先需要确定地层渗透系数，根据地层涌水量来确定盾构选择。涌水量大时适宜选用泥水盾构，如果选用土压盾构，将无法止水，造成掘进困难。 1.3 水土压力影响
盾构管片的选型和拼装2018.6
管片的选型和拼装（2018年6月） 一、管片的选型原则 1、管片选型符合隧道设计线路； 2、管片选型要适合盾构机的姿态； 3、管片选型尽量采用ABA的拼装型式； 说明： 1、管片选型如何符合隧道设计线路 根据隧道中线的平曲线和竖曲线的走向，管片分为标准环、左转弯、右转弯三类。直线上选标准环，左转曲线上选左转环，右转曲线上选右转环。其中转弯环数量的计算公式如下： θ=2γ=2*arctg（δ/D） 式中： θ——转弯环的偏转角 δ——转弯环的最大楔型量的一半 D——管片直径 每条曲线上的转弯环个数为 N=（α0+β）/θ 式中： α0——曲线上切线的转角 β——缓和曲线偏角 经计算本标段所需左转弯环131环，右转弯环131环。 根据圆心角的计算公式
α=180L/（πR） 式中： L——段线路中心线的长度 R——曲线半径 而θ=α，将之代入的到L=6.33m，所以在圆曲线上每隔6.33m一个转弯环（N=6.33/1.5=4.2环，即平均4.2环一个转弯环）。经过实际计算，在缓和曲线上，也近似于6m一个转弯环。 2、管片选型要符合盾构机的姿态 管片是在盾尾内拼装，所以不可避免的受到盾构机姿态的约制。管片平面尽量垂直于盾构机轴线，让盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上，这样使管片受力均匀，掘进时不会产生管片破损。同时也要兼顾管片与盾尾之间的间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而破损管片。当因地质不均、推力不均等原因，使盾构机偏离线路设计轴线时，管片的选型要适宜盾构机的姿态，尤其在曲线段掘进时更要注意。 3、根据现有的管模数量和类型，及生产能力 现有管模四套，两套标准环管模，一套左转环管模，一套右转环管模，每套管模每天能生产两环管片。为了满足每天掘进8~9环的进度要求，用转弯环代替标准环，例如用一套左转环和一套右转环来代替两个标准环。 二、影响管片选型的因素 1、盾构机的盾尾间隙的影响 盾尾与管片之间的间隙叫盾尾间隙。 盾尾间隙是管片选型的一个重要的一个重要依据。如果盾尾间隙过
(完整版)地铁盾构的选型和使用
地铁盾构的选型及现场管理和使用 一、概述 1、概念 盾构是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有主机和辅助设备，既能支承地层的压力，又能在地层中整体掘进，进行土体开挖，碴土排运和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械。 盾构是相对复杂的集机、电、液、传感、信息技术于一体的隧道施工专用工程机械，主要用于地铁、铁路、公路、市政、水电等工程。 盾构的工作原理就是一个钢结构组件依靠外壳支承，沿隧道轴线一边对土壤进行切削一边向前推进，在盾壳的保护下完成掘进、排碴、衬砌工作，最终贯通隧道。 盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌和壁后注浆三大要素组成。 盾构是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的一种非标设备。盾构不同于常规设备，其核心技术不仅仅是设备本身的机电工业设计，还在于设备通过不同的设计如何满足工程地质施工的需求。因此，盾构的选型正确与否决定着盾构施工的成败。
2、盾构的类型 盾构的类型是指与特定的施工环境、基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构种类。 一般掘进机的类型分为软土盾构、硬岩掘进机（TBM）、复合盾构三种。软土盾构的特点是仅安装切削软土用的切刀和括刀，无需开岩的滚刀。TBM主要用于山岭隧道。复合盾构是指既适用于软土，又适应于硬岩的一类盾构，主要用于复杂地层的施工。地铁盾构就是一种复合盾构。主要特点是刀盘既安装用于软土切削的切刀和括刀，又安装破碎岩石的滚刀，或安装破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。 复合盾构分为土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构。 3、盾构的组成 地铁施工可供选择的复合盾构机机型只有两种，即土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机。 一台盾构按外观结构形式分为刀盘部分、前盾、中盾、尾盾、后配套部分和辅助设备（管片和砂浆运输设备、泥水站等）。 土压平衡盾构由以下十一部分组成：⑴、刀盘（分为面板式、辐条式、复合式三种），⑵刀盘驱动（分为电机和液压两种），⑶刀盘支承（主轴承），⑷膨润土添加系统和泡沫系统，⑸螺旋输送机，⑹皮带输送机，⑺同步注浆系统，⑻盾尾密封系统，⑼管片安装机，⑽数据采集系统，⑾导向系
盾构机的设计选型依据
盾构机的选型 盾构法以其具有较高的可靠性及对周边环境适应性强的特点而在国内外地铁建设中得到了广泛应用，盾构法涉及多门学科，专业性强，尤其是其施工过程完全是工厂化的流水作业，机械化、自动化程度高，其施工效率较其他方法非常明显的优势。在国内地铁工程中，我国上海市六十年代开始盾构法的试验研究工作，并随着城市建设的发展，特别是近几年来科学技术的进步，新技术、新工艺、新材料、新设备的发展广泛应用，盾构法施工技术也取得较大的发展，至今已使用过近五十余台盾构。配套施工技术也相应在逐步完善，工程规模和应用范围也相应扩大。 地铁施工条件复杂，涉及城市建筑、管线水网、交通环境、污染控制严格，盾构施工在城市地铁施工中越来越显出其无可比拟的优越性，但是城市施工的首先要保证的前提条件是，由施工造成的地面隆起和沉降不能超出限制标准，否则将破坏地面和其它建筑物，造成巨大的经济损失，甚至人员伤亡的严重后果。这是城市施工和山岭隧道施工的根本区别，同时也是盾构施工首先需要解决的技术和组织问题。在围岩状况不佳的地质条件下，采用土压平衡和泥水式盾构开挖能起到保证安全的作用。 盾构施工，首先需要决定盾构机的类型，盾构的形式取决于地质条件。按结构模式盾构机分为泥水式盾构、敞开式、土压平衡式盾构、硬岩盾构四类。 敞开式盾构用于整个地层稳定，透水率低，涌水能够不采取其它辅助措施则能被控制的区段。 硬岩盾构用于硬度较大，且能够自稳、涌水不大的岩石地层开挖。 土压平衡盾构和泥水式盾构都是利用控制推进的速度和出料的速度来使推进所产生的压力同掌子面的压力相平衡，从而达到维持掌子面稳定，继而维持地面沉降和隆起在控制范围内的作用。这两类盾构的最大区别是泥水式盾构需要有昂贵的泥浆制备和分离设备，将泥浆通过管路注入到盾构机混合仓内，与开挖下来的碴土进行混合，通过泥浆泵将混合后的碴土抽出到地面以后进行分离处理，泥浆再循环利用。而土压平衡盾构则不需要进行分离处理，只是在涌水较大，但透水率不超过一定数值，掌子面不稳的地段才需要使用土压平衡开挖模式，也不需要专门的分离设备进行碴土分离。 盾构设计选型的主要依据取决于如下几个因素：碴土的粘合系数，渗透系数。 盾构选型设计的一个重要依据，是碴土的渗透系数，按照盾构设计的理论，碴土的渗透
盾构选型及参数计算方法
盾构选型及参数计算方法 1.1、序言 盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4～10倍。较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有十分明显的技术和经济优势。 采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。 1.2盾构机选型主要原则 1.2.1盾构的选型依据 盾构选型主要应考虑以下几个因素： 1）工程地质、水文条件及施工场地大小。 2）业主招标文件中的要求。
3）管片设计尺寸与分块角度。 4）盾构的先进性、适应性与经济性。 5）盾构机厂家的信誉与业绩。 6）盾构机能否按期到达现场。 1.2.2 盾构的型式 1）敞开式型盾构 敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触，对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。这种盾构适用于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌。有人工开挖盾构、半机械开挖盾构、机械开挖盾构。 2）部分敞开式型盾构 部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员可以直接观察开挖面土层工况，开挖土体通过网格孔或挤压胸板闸门进入盾构。根据以往大量工程经验，通常都将挤压胸板和网格切削装置组合在一起安装在盾构上，形成网格挤压盾构。这种盾构适用于不能自立、流动性在的松软粘性土层、尤其是对隧道沿线地面变形无严格要求的工程。当盾构采用网格开挖时，应将安装在网格后面的挤压胸板部分或大部分拆除，利用网格孔对土层的摩擦力或粘结力对开挖面土层进行支护，当盾构向前推进时（一般是盾构穿越江湖、海底或沼泽地区），应将挤压胸板装上，盾构向前推进时，可将土体全部
盾构选型
盾构选型 盾构选型包括盾构机选型与衬砌选型两个方面。 1.盾构的种类与选型 盾构机是一种用钢板作成圆筒形结构的活动支撑,是通过软弱、含水地层,特别在海底、河底、城市内修建隧道的一种施工机械。在盾构的支护下,可安全地进行掘进和衬砌。盾构施工法是使用盾构机在地下掘进,边防止开挖面土砂崩塌边在机内安全地进行开挖作业和衬砌作业从而构筑成隧道的施工方法。因此,盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。一般地,按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为敞式、半开敞式及密封式三种。密封式又可分为泥水加压式盾构和土压平衡式盾构。 泥水加压式盾构,是在切削刀盘后方设隔墙将盾构封闭起来,压力泥水送入此隔墙与掌子面之间的所谓泥水室,用泥水压力形成承压面,以抵抗地层水压,防止开挖面的塌方。用切削刀盘进行开挖,切削下来的砂土经搅拌机搅拌成泥浆,由泥浆泵经排泥管道抽出,输送到地面泥水处理场。一面切削,一面用千斤顶向前推进盾体,至一个衬砌管片宽度时,用盾尾拼装机进行管片安装。泥水加压盾构有盾尾的漏水以及难以确认开挖面状态及刀具磨耗等确点,还需要较大的泥水处理场地。泥水加压盾构对于不稳定的软弱地层或地下水位高,含水砂层,粘土以及冲积层以及洪积层等流动性高的土质,使用效果较好。泥水加压平衡盾构具有土层适应性强、对周围土体影响小、施工机械化程度高等优点。根据日本的实践,在砂层中进行大断面、长距离推进
的盾构机,大多采用泥水加压式盾构机。实践证明,掘进断面越大,用泥水加压式盾构机的效果越好。泥水加压式盾构机除在控制开挖面稳定以减少地面沉降方面较为有利外,还在减少刀头磨损、适应长距离推进方面显示出优越性。 土压平衡盾构是在切削刀架及螺旋输送机内部充填的土砂所产生的压力与开挖面的土压保持平衡。施工中一边掘进,一边控制推进千斤顶推力、推进速度、刀盘和螺旋输送机回转扭矩、速度以及闸门千斤顶的开口度,使之不断与开挖面的土压保持平衡。有软稠度的粘质粉土和粉砂是最适合使用土压平衡式盾构机的土层。根据土层的稠度,有时不需要水或只需要加很少量的水。通过搅拌装置在开挖室内的搅拌,即使十分粘着的土层也能变成塑性的泥浆。 盾构机的种类很多,施工时盾构机的选择是否合适,直接影响到工程的经济性、安全性以及可靠性等。影响盾构机选择的因素主要有土质条件(土的强度、软硬程度、土的颗粒级配、石英的含量、是否含有砂砾和大卵石等)、地下水的含量、隧道长度和线形、后续设备与盾构机的配套能力、工作环境以及有无辅助工法等。盾构机的合理选择要保证开挖面的稳定性,要具有良好的掘进性能,要结合衬砌的类型防止渗漏和坍塌,而且还要与配套系统具有紧凑的配合关系。另外,以盾构机选型为核心的整个系统的经济性也是不可忽视的。图1表示了以盾构选型为核心的各因素的影响关系及其相互作用。
盾构机选型标准
1、盾构机选型依据 地铁区间，线路总长：隧道埋深9～13米。 隧道洞身大部分处于残积层中，局部地段穿越花岗岩、辉绿岩全、强风化带或断层破碎带，结构松散，易软化、变形，产生坍塌。花岗岩层面起伏大，存在差异风化现象。 地下水按赋存条件分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，砂层中具承压性。主要补给来源为大气降水。地下水埋深5.2～8.4米。 盾构隧道内径：5400mm，管片厚度：300mm，隧道外径：6000mm。标准管片宽度：1200mm，分块数：6块。 本盾构隧道区间采用两台盾构机。盾构机由站西端下井始发，推进至站东站起吊出井。 隧道地质情况、工程要求、环境保护要求、经济比较、地面施工场地大小等因素是盾构选型的基本依据。根据国内外盾构施工经验与实例，我们认为，盾构机的选型必须满足以下几个要求： 必须确保开挖空间的安全和稳定支护； 保证隧道土体开挖顺利； 保证永久隧道衬砌的安装质量； 保证隧道开挖碴土的清除； 确保盾构机械的作业可靠性和作业效率； 保证地面沉降量在要求范围内； 满足施工场地及环保要求。 2、不同开挖模式的工作原理 2.1 盾构机的型式与工作特点 目前世界上流行的盾构机按开挖模式主要可以分为两大类：敞开式与密闭式。 敞开式指盾构机的开挖面与机内的工作室间无隔板或隔板的某处设置可调节开口面积的出土口。开挖面基本依靠开挖土体的自立保持稳定。敞开式适用于
地层条件简单、自立性好且无地下水的地层。 密闭式盾构机是在盾构机的开挖面与机内的工作室间设置隔板，刀盘旋转将开挖下来的碴土送入开挖面和隔板间的刀盘腔内，由泥水压力或土压或气压提供足以使开挖面保持稳定的压力。密闭式盾构机适用于地层变化复杂、自立条件较差、地下水较丰富的地层，因为采用密闭式掘进可以有效地保证开挖面的自立与稳定，保证施工安全。 密闭式盾构机主要分为泥水平衡式、土压平衡式两类，代表了不同的出土方式和不同工作面土体平衡方式的特点，但适用地质与范围有一定的区别。 泥水平衡式盾构机是在盾构机的前部设置隔板，装备刀盘面板、输送泥浆的送排泥管和推进盾构机的盾构千斤顶。在地面上还配有分离排出泥浆的泥浆处理设备。开挖面的稳定是将泥浆送入泥浆室内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的碴土以泥浆形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥浆处理设备设在地面，需占用较大的施工场地。另外泥水式盾构机及其配套系统价格较高。 土压平衡式盾构机是在盾构机的前部设置隔板，隔板与刀盘之间形成一个用于土压平衡、碴土搅拌、碴土排出的碴土仓。装配有各种刀具的刀盘不断旋转切削土体，切削下来的碴土通过刀盘进料槽进入碴土仓。碴土仓内和排土用的螺旋输送机内充满开挖碴土，依靠盾构机千斤顶的推力给土仓内的开挖土砂加压，使碴土仓的土压作用于刀盘开挖面以使其稳定。土压式盾构机占用场地较小，价格较低。 土压平衡式盾构机又可分为纯土压平衡式与加泥型土压平衡式。 纯土压平衡式盾构机单纯依靠开挖下来的碴土压力稳定开挖面。这种盾构机较适用于开挖含砂量小的塑性流动性软粘土。 加泥型土压平衡盾构机装备有注入添加材料促进开挖砂土塑性流动的机构。对于含砂量、含水量较大的土层，盾构机的加泥装置可以根据土质，选用泡沫、膨润土、高吸水树脂等添加材料，将其注入开挖面和泥土仓。通过搅拌机构将添加材料与开挖下来的碴土强力搅拌，将开挖碴土变成具有可塑性、流动性、防渗性的泥土，这种泥土充满土仓和螺旋输送机内。当土仓内压力小于开挖面压力时，
盾构分类及选型
第二章盾构分类及选型 隧道建设与盾构掘进机不可分离，所以盾构掘进机对各种地层的适应性非常重要。1823年～1843年，世界上第一条人工开挖盾构隧道是由法国人Brunnel在伦敦泰晤士河下建成的，由于隧道掘进机与地层条件的不适应，长366m的隧道耗时达20年左右，隧道施工过程中遭遇了多次涌水，并付出了6个隧道工人生命的代价。 1991年6月29日贯通的长达49km（单条）英法海底隧道，耗时仅仅两年半，在如此短时内取得如此的成绩与隧道盾构正确选型密不可分。英法海峡隧道法国侧隧道工程是在含水的白色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层里施工，然后进入完全不渗透的兰色白垩地层，选择了土压平衡盾构；而英国侧则根据地层的变化采用了通用型盾构。前者掘进速率达1071m/mon，后者更是达到1487m/mon，说明该隧道的盾构选型是合适的。 1989开始动工建设的东京湾海底公路隧道全长15.1km，其中盾构隧道长9.1km，穿越的地层为软弱的冲积、洪积性土层，另外，该盾构隧道的一个最大特点是盾构必须能够承受 0.6MPa的水压，故采用8台直径14.14m的泥水式土压平衡盾构施工，东京湾隧道的成功建设也表明该类盾构的选择是合适的。 第一节盾构的构造 一、盾构外形和材料 1．盾构的外形 作为一种保护人体的空间，隧道的形状因其使用要求不同、而造成盾构外形不同是理所当然的。隧道掘进，无论盾构的形状如何，总是向轴线方向发展而成，所以，盾构的外形就是指盾构的断面形状。从采用过的盾构来看，其外形有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。例如：将人行隧道筑成矩形，最大地利用了挖掘空间；将水利隧道筑成马蹄形，使流体的力学性能达到最佳状态；将穿山隧道筑成半圆形，可以使底边直接与公路连接等等。但是，绝大多数盾构还是采用传统的圆形。 2．制造盾构的材料 盾构在地下穿越，要承受水平载荷、垂直载荷和水压力，如果地面有构筑物，要承受这些附加载荷，盾构推进时，还要克服正面阻力，所以，盾构整体要求具有足够的强度和刚度。盾构主要用钢板成型制成。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型的方法。盾构壳体可有单层厚板或多层薄板制作而成。 二、盾构的基本构造 盾构种类繁多，从盾构在施工中的功能而言，其基本构造主要分为盾构壳体、推进系统、拼装系统三大部分。 图2-1-1 盾构基本构造示意图 1．盾构壳体 所有盾构的形式，其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分，借以外壳钢板联成整体。 （1）切口环
盾构机选型资料
第1章.第2章.第3章.第4章.第5章.第6章.第7章.第8章.第9章.
第10章.盾构、配套设备与管模 10.1.盾构机选型 10.1.1.选型原则 盾构机的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。 本合同段盾构区间工程的盾构机选型按照性能可靠、技术先进、经济适用相统一的原则，依据招标文件、颐和园站－圆明园站和圆明园站－成府路站区间岩土工程勘察报告等资料，并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范进行。 10.1.2.选型依据 盾构机选型具体依据如下： （1）本合同段盾构工程施工条件 隧道长度：3032+2044.286单线延米； 线路间距：8～19m； 隧道覆土厚度最小：6m，最大：15.4m； 平面最小曲线半径：350m； 最大坡度：20.801‰； 隧道衬砌管片内径：5400mm 外径：6000mm （2）工程施工环境特点 本工程施工环境具有如下特点对盾构机施工有一定的影响： 本合同段区间隧道沿线地下管线、建（构）筑物密集。颐和园－圆明园区间线路下穿颐和园、圆明园，与万泉河高架桥相交；圆明园～成府路站区间线路通过成府小学、化工研究院，下穿万泉河。区间线路与万泉河高架桥相交时，隧道外轮廓与桩基距离最小为5m，下穿圆明园一座池塘时覆土厚度仅6m，万泉河底部区域隧道覆土厚度为9m。 本合同段区间线路主要沿颐和园路、清华西路布置，与中关村北大街相交，所经道路尤其是中关村北大街交通繁忙、车流量大。 （3）区间地质特点 本合同段区间隧道穿越地层主要有粉质粘土、粉土层，局部夹有砂层、卵石圆砾等。具体的地质统计表见表10-1-1和图10-1-1。
10.1.3. 本工程地质特点对盾构机功能的要求 针对以上工程地质条件及特点，盾构应具备以下功能： （1）盾构机对地层条件的适应性要求 本合同段隧道地层主要由粉质粘土、粉土层、卵石圆砾层组成，局部夹有砂层，所以盾构对软土地层的适应性应是重点考虑的问题。盾构在软土地段的施工时应重点考虑以下功能： 具备土压平衡掘进功能； 足够的推力和刀盘驱动扭矩； 良好的加泥、加泡沫等碴土改良能力； 合理的刀盘及刀具设计； 具有完善的防喷涌功能； 能够有效防止中心泥饼的生成； 较好的人员仓条件； 圆明园－成府路站区间 颐和园－圆明园站区间 图10-1-1 盾构区间隧道洞身主要地质比例图
地铁盾构的选型和使用
地铁盾构的选型和使用
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地铁盾构的选型及现场管理和使用 一、概述 １、概念 盾构是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳,壳内装有主机和辅助设备,既能支承地层的压力,又能在地层中整体掘进,进行土体开挖，碴土排运和管片安装等作业,使隧道一次成形的机械。 盾构是相对复杂的集机、电、液、传感、信息技术于一体的隧道施工专用工程机械，主要用于地铁、铁路、公路、市政、水电等工程。 盾构的工作原理就是一个钢结构组件依靠外壳支承,沿隧道轴线一边对土壤进行切削一边向前推进,在盾壳的保护下完成掘进、排碴、衬砌工作，最终贯通隧道。 盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌和壁后注浆三大要素组成。 盾构是根据工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来“量身定做”的一种非标设备。盾构不同于常规设备，其核心技术不仅仅是设备本身的机电工业设计，还在于设备通过不同的设计如何满足工程地质施工的需求。因此，盾构的选型正确与否决定着盾构施工的成败。
2、盾构的类型 盾构的类型是指与特定的施工环境、基础地质、工程地质和水文地质特征相匹配的盾构种类。 一般掘进机的类型分为软土盾构、硬岩掘进机（TBＭ)、复合盾构三种。软土盾构的特点是仅安装切削软土用的切刀和括刀，无需开岩的滚刀。TBＭ主要用于山岭隧道。复合盾构是指既适用于软土，又适应于硬岩的一类盾构,主要用于复杂地层的施工。地铁盾构就是一种复合盾构。主要特点是刀盘既安装用于软土切削的切刀和括刀,又安装破碎岩石的滚刀，或安装破碎砂卵石和漂石的撕裂刀。 复合盾构分为土压平衡盾构和泥水加压平衡盾构。 3、盾构的组成 地铁施工可供选择的复合盾构机机型只有两种,即土压平衡盾构机或泥水平衡盾构机。 一台盾构按外观结构形式分为刀盘部分、前盾、中盾、尾盾、后配套部分和辅助设备(管片和砂浆运输设备、泥水站等)。 土压平衡盾构由以下十一部分组成：⑴、刀盘（分为面板式、辐条式、复合式三种),⑵刀盘驱动(分为电机和液压两种)，⑶刀盘支承（主轴承),⑷膨润土添加系统和泡沫系统，⑸螺旋输送机,⑹皮带输送机，⑺同步注浆系统，⑻盾尾密封系统，⑼管片安装机,⑽数据采集系统,⑾导向系统。
广州地铁盾构机选型参考
广州地区地铁隧道施工用盾构机选型 1.1 选型依据 本标段的盾构选型主要依据广州地铁三号线【AA站一BB站盾构区间】（以下简称【A- B】区间）盾构工程招标文件和岩土工程勘察报告，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范，按照适用性、可靠性、先进性、经济性相统一的原则进行盾构机的选型。 1.1.1 工程条件 AA站?BB站区间隧道左右线总长6002.210m,其中盾构隧道左线长3000.010m,右线长3002.200m, 最小转弯半径800m最大坡度29.2 %。；隧道内径? 5400mm管片外径? 6000mm管片环宽1500mm本标段隧道采用两台盾构机施工，先后由AA站始发，向BB站掘进，施工隧道右、左线，掘进到达BB站后拆除。右、左线隧道盾构始发时间相差一个月。 1.1.2 地质概况 （1）岩性特点 根据岩土工程勘测报告，本区地层由第四系、白垩系下统组成，中间缺失第三系，第四系（Q）厚8?18米。上部为第四系人工填土，厚0?4米，全新统海陆交互相沉积的淤泥或淤泥质土、淤泥质砂，厚0?7.9 米；下部为上更新统陆相冲洪积形成的砂土层，厚0?8.2 米；底部基岩残积形成的粘性土层，厚0?17.3米。白垩系下统白鹤洞组广岗段（K i b2）厚400?450米，由紫红色钙质粉砂岩，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹浅灰色泥灰岩、泥岩组成，微层理发育，含方解石，常见钙质斑块及少量斑点状石膏。 洞身穿过的围岩有<3-2>、<4-1>、<4-2>、<5-1>、<5-2>、<6>、<7>、<8>、<9>各岩土层，洞身范围内主要为<7>、<8>、<9>岩土层，稳定性较好。 在隧道靠车站两端的YK13+824.2?YK15+950及YK12+25C?YK14+344.7段隧道直接穿越淤泥层和砂层，隧道在该段埋深最浅（约为6.4m），且YK13+87C?YK13+950段地表有淋砂涌通过，隧道在该段埋深最浅，与涌河内地表水存在较强的水力联系，在掘进过程中极易坍塌，还可能发生喷砂、喷涌，是盾
盾构的种类及选型
第四章盾构的种类及选型 4.1 盾构机的种类 盾构的分类方法较多，可按盾构切削断面的形状；盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能；挖掘土体的方式；掘削面的挡土形式；稳定掘削面的加压方式；施工方法；适用土质的状况等多种方式分类。见表4.1。 1. 按挖掘土体的方式分类 按挖掘土体的方式，盾构可分手掘式盾构、半机械式盾构及机械式盾构三种。 ①手掘式盾构：即掘削和出土均靠人工操作进行的方式。 ②半机械盾构：即大部分掘削和出土作业由机械装置完成，但另一部分仍靠人工完成。 ③机械式盾构：即掘削和出土等作业均由机械装备完成。 2. 按掘削面的挡土形式分类 按掘削面的挡土形式，盾构可分为开放式、部分开放式、封闭式三种。 ①开放式：即掘削面敞开，并可直接看到掘削面的掘削方式。 ②部分开放式：即掘削面不完全敞开，而是部分敞开的掘削方式。 ③封闭式：即掘削面封闭不能直接看到掘削面，而是靠各种装置间接地掌握掘削面的方式。 3. 按加压稳定掘削面的形式分类 按加压稳定掘削面的形式，盾构可分为压气式、泥水加压式，削土加压式，加水式，加泥式，泥浆式六种。 ①压气式：即向掘削面施加压缩空气，用该气压稳定掘削面。 ②泥水加压式：即用外加泥水向掘削面加压稳定掘削面。 ③削土加压式（也称土压平衡式）：即用掘削下来的土体的土压稳定掘削面。 ④加水式：即向掘削面注入高压水，通过该水压稳定掘削面。 ⑤泥浆式：即向掘削面注入高浓度泥浆（ ＝1.4g/cm3）靠泥浆压力稳定掘削面。 ⑥加泥式：即向掘削面注入润滑性泥土，使之与掘削下来的砂卵混合，由该混合泥土对掘削面加压稳定掘削面。 4. 组合分类法 这种分类方式是把2、3两种分类方式组合起来命名分类的方法（见表4.2）。这种分类法目前使用较为普遍，是隧道标准规范盾构篇中推荐的分类法。这种方式的实质是看盾构机中是否存在分隔掘削面和作业舱的隔板。 全开放式盾构不设隔板，其特点是掘削面敞开。掘削土体的形式可为手掘式、半机械式、机械式三种。这种盾构适于掘削面可以自立的地层中适用。掘削面缺乏自立性时，可用压气等辅助工法防止掘削面坍落稳定掘削面。 部分开放式盾构，即隔板上开有取出掘削土砂出口的盾构，即网格式盾构也称挤压式盾构。
浅谈盾构机设备选型及使用效果
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/5314054720.html, 浅谈盾构机设备选型及使用效果 作者：胡瑞 来源：《装饰装修天地》2016年第08期 摘要：盾构施工技术具有高效、安全、优质等优点，在隧道与地下工程的掘进中应用越 来越广泛。盾构机作为盾构法施工的大型专用机械设备，在选型过程中既要考虑地层条件， 还需要堪虑到盾构机本身的设计、各部件的配置以及盾构对地层条件的适应性。本文详细介绍了盾构的种类与组成、盾构选型的原则以及一些实际的使用情况。 关键词：盾构施工技术；盾构机；选型；使用效果 引言 随着我国在土木工程领域的不断发展，现已经进入了地下空间的开发和利用的时代。随着地下工程安全、快速开挖的需要和科学技术水平的提高，盾构机技术在我国得到了快速的发展。盾构机是盾构施工中的主要施工机械，主要用于开挖地下通道工程的大型高科技施工设备，具有开挖快、优质、安全、有利于保护环境和劳动强度低等优点。盾构施工法是在地面 下暗挖隧洞的一种施工方法，它是使用盾构机在地下掘进，并能有效防止软基开挖面崩塌和保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖控制和衬砌作业。本文对盾构机在使 用时的选型及使用效果进行简要论述。 一、盾构机工作原理和主要构造 盾构机的基本工作原理是一个圆形、矩形或其它异型的钢组件沿隧道设计轴线进行全断面切削、出渣、衬砌等作业，使隧道一次成型，施工高效、优质、安全。 二、盾构的选型 1.盾构的组成与种类 盾构施工法由盾构机挖掘、稳定开挖面和衬砌三大要素组成。盾构机的构造主要由开挖机构、护盾、推进机构、排土机构、衬砌机构及辅助机构等部分组成。开挖机构主要由刀盘及其支承装置组成；常归护盾一般由切口环、支撑环和盾尾三部分组成；排土机构主要有螺旋输送机（或泥浆泵、泥浆管路）、皮带输送机组成；推进机构主要由泵、液压千斤顶等组成；衬砌机构主要是管片拼装机；辅助机构包括壁后注浆装置、辅助加水（或加泥、泡沫、聚合物）、导向测量及控制装置等。 盾构机按开挖面的闭合程度，可分为开敞式、半开敞式和密封式；按开挖方式可分为手 掘式、挤压式和机械式（刀盘旋转切削）；按开挖面稳定和密封方式可分为泥水式和土压式。不同形式的盾构设备对应不同的施工工法，各有特点，在施工时如果选错了盾构机型和工
盾构选型方案
目录 第一章工程概况 0 工程概况 0 隧道区间地质概况 0 盾构区间地质情况 (1) 盾构区间水文情况 (1) 工期要求 (2) 第二章本工程重点难点分析 (2) 第三章选型依据及主要参数 (3) 本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求 (3) 针对施工难点设备的针对性设计 (3) 盾构机参数 (4) 盾构机简图 (5) 拟选盾构情况 (5) 盾构机后配套简图 (5) 第四章盾构机适应性分析 (6) 盾构机组成 (6) 刀盘和刀具 (6) 驱动系统 (7) 推进系统 (8) 螺旋输送机 (9) 渣土改良系统 (9) 耐磨措施 (10) 双室人闸系统 (10) 皮带输送机 (11) 管片运输设备 (11) 拼装机 (12) 土压控制系统 (12) 注浆系统 (13) 盾尾密封系统 (14) 数据采集系统 (14) 盾构机适应性分析 (15) 盾构机掘进速度计算 (16) 第五章类似工程盾构机选型成功案例 (16) 第六章结论 (17) 第七章附件 (17)
第一章工程概况 工程概况 宁高城际轨道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01标段盾构区间起讫里程为DK4+350～DK6+450，盾构隧道长度为2100m（双线延米）。区间隧道采用盾构施工法。隧道轴线间距离。管片外径6200mm，管片内径5500mm,管片厚度350mm，环宽1200mm。 表1隧道相关参数表 工程区域附近市政道路有将军大道、徒盖东路，进出场道路采用临时混凝土便道。盾构区间沿线穿越范围内地面建（构）筑物主要为徒盖东路、农田、荒地和河塘。平面图见图1 图1隧道区间平面图. 隧道区间地质概况 本标段区间隧道穿越地层主要以J3l-2强风化安山岩、J3l-3中风化安山岩为主，其余部分穿越地层为粉质粘土、含卵砾石粉细砂（卵砾石含量为5%-15%），少量残积土。沿线下伏全~中风化安山岩，天然状态下强度高，平均值。 隧道区间地质概况见图2。 图2隧道区间地址概况图
盾构选型的原则
盾构选型一般遵循原则归纳如下： (l)以开挖面稳定为核心，盾构选型应在充分把握地层条件的基础上进行。 (2)应考虑土的塑性流动性、土的渗透系数等，这对开挖面的稳定非常重要。塑性流动性直接影响土的顺畅排出，若地层透水性太高，地下水则可能通过开挖腔室和螺旋输送机内的废渣流入隧道。一般认为，10m/d的渗透系数是土压平衡盾构作业的经验上限值。 (3)应考虑地下水的含量及水压，这往往要与土的塑性流动性及透水性结合考虑，高水压、高渗透性的情况是非常不利的。这涉及到是选用泥水盾构还是土压盾构以及盾尾密封的选型。在日本，特别是饱和砂土层中泥水盾构的使用占绝大多数。 (4)应视地层中有无砂砾和大卵石，这直接影响到土的渗透性、切削刀盘的磨耗、切削刀开挖时对地层的扰动范围、刀盘的开口率、对卵石的破碎方式及其排出方式。 (5)应考虑土层的粒径分布，一般都采用土层颗粒曲线来界定不同盾构的适用土层总的来说，粒径大时宜采用泥水盾构，粒径小时宜采用土压盾构。 (6)隧道的线形和转弯半径也是应考虑的因素，盾构机本体的长度与直径比及盾尾间隙直接影响盾构的转弯及纠偏能力。一般，长度与直径之比(UD)应妻1.0。当转弯半径过小时可考虑采用铰接式盾构。 (7)盾构选型时，必须根据土质条件决定切削刀的形状、材质和配置。必要时同时配置切削刀和滚刀，形成盾构和TBM的混合刀盘。 (8)刀盘的装备扭矩也与盾构选型有关，盾构装备扭矩T=aD3(D为盾构外径，a为扭矩系数，对泥水盾构a=9一15;土压盾构a=8一23)。显然，采用泥水盾构有利于减小刀盘切削阻力，从而减轻主轴承的负荷。 (9)盾构施工对周围环境的影响也是盾构选型时应考虑的因素。比如地层变形的许可程度、有无地下构筑物等，再比如泥水处理以及废渣的倾倒是否对环境有污染等。 (10)盾构的选型还应考虑对工作环境的影响。比如，盾构的刀盘驱动是液压驱动还是电动驱动。液压驱动效率低，噪声大，洞内温度上升快，而电动驱动效率高，洞内环境好(噪声小、温度低)网。 盾构掘进机壳体选型及力学问题大连理工大学
盾构选型及参数计算方法
盾构选型及参数计算方法 盾构选型及参数计算方法 1.1、序言 盾构是一种专门用于隧道工程的大型高科技综合施工设备，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），盾构内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，进行土层开挖、碴土排运、衬砌拼装和盾构推进等系列操作，使隧道结构施工一次完成。它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点，从松散软土、淤泥到硬岩都可应用，在相同条件下，其掘进速度为常规钻爆法的4?10倍。较长地下工程的工期对经济效益和生态环境等方面有着重大影响，而且隧道工程掘进工作面又常常受到很多限制，面对进度、安全、环保、效益等这些问题，使用盾构机无疑是最好的选择。些外，对修建穿越江、湖、海底和沼泽地域隧道，采用盾构法施工，也具有十分明显的技术和经济优势。 采用盾构法施工，盾构的选型及配置是隧道施工中关键环节之一，盾
构选型应根据工程地质水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。 1.2盾构机选型主要原则 1.2.1盾构的选型依据 盾构选型主要应考虑以下几个因素： 1）工程地质、水文条件及施工场地大小。 2）业主招标文件中的要求。 3）管片设计尺寸与分块角度。 4）盾构的先进性、适应性与经济性。 5）盾构机厂家的信誉与业绩。 6）盾构机能否按期到达现场。 122盾构的型式 1）敞开式型盾构 敞开式型盾构是指盾构内施工人员可以直接和开挖面土层接触，对开挖面工况进行观察，直接排除开挖面发生的故障。这种盾构适用于能自立和较稳定的土层施工，对不稳定的土层一般要辅以气压或降水，使土层保持稳定，以防止开挖面坍塌。有人工开挖盾构、半机 械开挖盾构、机械开挖盾构。 2）部分敞开式型盾构 部分敞开式型盾构是在盾构切口环在正面安装挤压胸板或网格 切削装置，支护开挖面土层，即形成挤压盾构或网格盾构，施工人员可以直
盾构选型方案
目录 第一章工程概况 (1) 1.1工程概况 (1) 1.2 隧道区间地质概况 (2) 1.3 盾构区间地质情况 (2) 1.4 盾构区间水文情况 (3) 1.5 工期要求 (4) 第二章本工程重点难点分析 (4) 第三章选型依据及主要参数 (5) 3.1 本工程区间隧道施工对盾构机的技术要求 (5) 3.2针对施工难点设备的针对性设计 (5) 3.3 盾构机参数 (6) 3.4 盾构机简图 (7) 3.5 拟选盾构情况 (7) 3.6 盾构机后配套简图 (8) 第四章盾构机适应性分析 (10) 4.1 盾构机组成 (10) 4.2 刀盘和刀具 (10) 4.3驱动系统 (13) 4.4推进系统 (14) 4.5螺旋输送机 (15) 4.6 渣土改良系统 (15) 4.7 耐磨措施 (16) 4.8 双室人闸系统 (18) 4.9皮带输送机 (19) 4.10 管片运输设备 (20) 4.11 拼装机 (20) 4.12 土压控制系统 (21) 4.13 注浆系统 (21) 4.14 盾尾密封系统 (23) 4.15 数据采集系统 (24) 4.16盾构机适应性分析 (24) 4.17盾构机掘进速度计算 (25) 第五章类似工程盾构机选型成功案例 (25) 第六章结论 (26) 第七章附件 (27)
第一章工程概况 1.1工程概况 宁高城际轨道交通二期（剩余段）土建施工NG-TA01标段盾构区间起讫里程为DK4+350～DK6+450，盾构隧道长度为2100m（双线延米）。区间隧道采用盾构施工法。隧道轴线间距离13.5m。管片外径6200mm，管片内径5500mm,管片厚度350mm，环宽1200mm。 表1隧道相关参数表 盾构区间上行线长 度m 下行线长 度m 最小曲线 半径 最小埋深最大埋深最大纵坡 区间2100 2100 1000m 6m 16m 26‰ 工程区域附近市政道路有将军大道、徒盖东路，进出场道路采用临时混凝土便道。盾构区间沿线穿越范围内地面建（构）筑物主要为徒盖东路、农田、荒地和河塘。平面图见图1 图1隧道区间平面图.