加泥式土压平衡盾构施工技术

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：1、一次性投入大，施工设备费用较高；2、覆土较浅时，地表沉降较难控制；3、用于施作小曲率半径（R＜20D）隧道时掘进较困难。

1．2盾构机的选型盾构施工法大体上分为开放式和封闭式两种。

开放式就是没有隔墙而工作面开放的盾构，考虑到确保工作面稳定、高压气下的作业环境等问题，目前已基本上不再采用这个方法。

封闭式盾构是一个设有隔墙且用土或者泥水充满其室内，使土或者泥水保持一定的压力，以获得稳定的工作面的机械挖掘式盾构，即使在复杂围岩条件下，原则上也不需要实施辅助施工方法。

由于可以控制工作面的稳定，所以对周围地基的影响小，目前，在施工中使用的绝大部分都是封闭式盾构。

根据工作面保持方法的不同，封闭式盾构又分为土压式盾构和泥水式盾构。

另外，根据是否有将挖掘出的沙土泥土化的添加剂注入装置，又将土压式盾构细分为土压盾构和加泥式土压平衡盾构。

加泥式土压平衡盾构适用的土质为冲积砂砾、水、淤泥、粘土等固结度较低的软地基、洪积地基以及软硬相叠地基等，从土质面积来看它的适用范围最广。

但是，在高水压地基中，仅仅用螺旋输送机往往难以满足施工要求，所以有必要考虑安装各种压力送料装置、改良挖掘地质的性状等措施。

泥水式盾构，其泥水压管理比较容易。

由于可以通过选择不同的土质范围比较广，比如冲积砂砾、沙、淤泥、粘土层或者叠层中地基结构松软层、含水量较高而工作面不稳定层、以及洪积砂砾、沙、淤泥、粘土层，或者相叠层中水分较多，有可能由涌水引起地基崩坍层等。

但是，在透水性较高的地基、巨砾地基中，工作面的稳定往往比较困难，所以有必要考虑采用辅助施工法。

另外，还需要一定的基地面积，以保证安放泥水处理设备。

盾构分类表与其它隧道施工方法不同，盾构机是根据每一个施工区段的地质条件、地下水条件、隧道断面大小、区间线路条件、周围建筑物环境等条件进行设计制作。

所以，盾构机不是通用机械，而是针对于某种条件的专用机械。

也就是说一般很难将盾构机转用到设计隧道以外的工程中加以利用。

盾构机在地下的施工是不可后退的。

当盾构机在地下开始掘进施工后，就很难对盾构机的结构组成进行修改。

除刀头等部位可以通过特殊的设计得到更换以外，盾构刀盘、压力舱、排土器、推进系统等很难在施工过程中进行修改。

从这两点可知，盾构机的设计、制作从根本上决定了隧道施工的成功与否，是盾构隧道施工的最关键的环节。

为了设计最为合理的盾构机械就必须进行周密的盾构选型工作。

可根据下述流程图进行考虑：盾构选型流程图：在国内，由于受工程造价及竖井用地面积和挖掘土处理的影响，大部分都选用加泥式土压平衡盾构。

二、加泥式土压平衡盾构机2．1盾构主体组成盾构机主要由刀盘、主盾体、螺旋输送机、管片拼装机、液压系统、皮带输送机、操作系统、四节后配套台车组成。

1、刀盘设计如同一个切削盘体带有大的进料槽。

刀盘面开口率最小为30％。

一个很厚的法兰板带3根支承条辐臂用来连接刀盘体与主驱动部件。

3根支承条辐臂为厚壁管筒，八根泡沫剂管通过支承条辐臂连到刀盘面板上。

在料槽的左右侧装有齿刀，刀具布满整个料槽长度；刀盘外缘面装有槽口刮刀和边缘滚刀；刀盘中心位置装有六把中心滚刀；刀盘边缘还装有一把超挖刀，靠液压伸缩，行程为50mm。

起挖刀可用于曲线段掘进。

视地质情况，如果是软土地层也可把滚刀换成软土刀具，所有刀具都能从刀盘后面更换。

料槽和土仓相连，料口最大内宽为300mm。

这样就保证了通过刀盘面的土料块就完全能通过螺旋输料机。

（螺旋输料机能通过的最大块体尺寸为270mm）。

一个旋转连接副用于向刀盘面输送入添加物（如泡沫等），安装于刀盘中心部位。

刀盘驱动为全液压式。

三台电动机驱动液压泵，每台功率315KW。

三台泵装于后配套台车上，8套液压变量马达驱动减速箱。

通过变量泵与变量马达的配合，刀盘转速可在O至4.15rpm之间优化运转。

最大刀盘扭矩为4350KNm。

最大转速4.15rpm。

刀盘可以正反两个方向旋转。

刀盘驱动由螺栓牢固地连接于前盾承压隔板上的法兰上。

2、盾体由三部分管形筒体组成：前盾体；中盾体；尾盾。

2.1前体和与之焊在一起的承压隔板作为刀盘驱动的支承，压力通过前体作用到开挖面以起到支撑开挖面的作用。

前体部分也起到平衡由刀盘作用于土层而产生的力，前盾土仓侧装有五个土压传感器，盾构机掘进时在操作室中可以随时观察到土仓中土体的压力。

用于驱动刀盘的八个液压马达安装在前盾上，八套三级液压驱动变速齿轮箱带有齿轮油注入孔及水冷却系统。

前盾装有气闸，可以使工作人员从承压隔板上的门进入开挖室检查或更换刀具。

2.2中体上安装30个推进千斤顶，油缸都沿圆周装于中体前法兰上，顶杆侧支承端装有橡胶垫。

推进千斤顶在与管片接触端装有支承靴，通过支承靴作用一环的管片环上，它们可以通过单个控制或分组控制以达到调整掘进方向的功能。

2.3尾盾焊接成一个整体，通过被动跟随的14个铰接式油缸与主盾体相连。

尾盾后端焊有三排钢丝刷环，三排钢丝刷环围成两个密封室。

钢丝刷环的内径比管片的外径小很多，这样在盾构机掘进时钢丝刷环压在管片外表面，钢丝刷环之间不断地被注入密封油脂形成一道完整的密封，防止地下泥水侵入盾体里。

二号台车上装有活塞泵，用于泵入尾盾密封用油脂。

3、螺旋输送机斜穿盾体，前部由连接法兰装于前盾承压隔板上，从土料仓底部进料到与皮带机连接处的出料口倾斜安装，倾角为约17度。

螺旋壳体上设有总共3个R2’’的连接件，用于泡沫剂、水等注入。

根据螺旋体及中心轴尺寸，单边通过最大块体尺寸为270毫米。

4、管片拼装机位于尾盾。

它用于拼装单层管片衬砌。

它的设计根据施工现场的特定条件而进行，并且使管片能够准确放置到位。

管片拼装机由盾体内的操作员，通过可动的控制台操作。

管片拼装机由下列部件组成：拼装机大梁；支承架；旋转框架；拼装头横向移动机构。

5、皮带运输机用来把螺旋输料机排出的土料运至运料车。

皮带运输机做成一个整体部件，包括电驱动单元。

橡胶输送带装有横向滚轮。

皮带运输机的主要组成部件为：带式结构；排料段；拉紧装置。

6、后配套台车门架台车系统主要由以下部分组成：移送管片的电动葫芦；轨道；4节门架台车，上面安装盾构操作所需的液压、电气部件，还有运料车装料站、高压电缆卷盘、软管卷筒、通风管、操纵室、壁后注浆设备、泡沫与加泥装置。

1号门架台车上装有以下设备：主驱动液压动力站，液压油箱；操纵室；管片吊装用的电动葫芦；同步壁后注浆设备；主轴承润滑、密封脂注入的注脂泵；皮带输送器；2号门架台车上装有以下设备：用于推进、管片拼装机、螺旋输料机及附属设备的液压动力站；油冷却和过滤站；膨润土加入设备；吊车轨道。

3号门架台车上装有以下设备：泡沫发生装置；电气配电柜；空气压缩机。

4号门架台车上装有以下设备：变压器；中压开关；皮带输送机；辅助物件运输用吊车滑轨；皮带机支撑及卸料点；高压电缆绕线盘；软管绕管盘；。

7、电气系统：高压到低压由变压器完成。

变压器为密封式,户外型，功率2000 KVA；初级电压10KV ；次级电压0.4KV；频率55 Hz；保护等级最小IP 55。

8、控制系统：西门子S7 PLC为控制系统关键部件，用于控制TBM的主要功能。

安装于操作员控制台，在配电柜里装有远程接口，PLC系统与控制台的工业计算机接口，通过测量数据采集系统可归纳：“记录、处理、存储、显示和评判盾构掘进机运行中的所有关监控参数”。

9、SLS-T激光导向系统：SLS-T APD隧洞导向系统带有自动位置确定和隧洞掘进软件，它给出关于TBM空间位置和定位的不断更新的信息，因而通过正确操作，TBM能够与DTA保持在一个很小的圆圈公差范围内。

10、泡沫生产系统：这个系统用于泡沫的控制、生产和泵送，泡沫生产是在泡沫发生器里通过机械混合空气、水和泡沫来实现。

泡沫可以增加泥土的流塑性，避免泥土附着于刀盘表面，减小刀具磨损、降低刀盘和螺旋输送机扭矩。

11、注浆系统：管片外表面与土层之间的环隙注浆由4根注浆管完成。

一号台车上安装两台注浆泵，每台注浆泵有两个出料口和注浆管连接。

盾构机掘进时，注浆泵开始工作，注浆材料被泵送到盾尾后端，及时添充管片外表面与土层之间的环隙，注浆量可由理论计算和注浆压力确定，同步注浆保证了成环管片在土体中的姿态。

2．2加泥型土压平衡式盾构机的主要特点结构先进，自动化程度高，采用了国际盾构最新技术。

开挖、出渣、衬砌均以液压为动力，易于控制、调整各种作业。

施工效率与可靠性高；安全性能好。

装备各种监控、传感、控制装置。

设备的控制、仪表及监控系统均在盾构控制室内控制。

控制室控制台有良好的视野，便于观察刀盘出料、管片安装。

设有水平侧滚监控系统，甲烷气体监测报警系统等。

采用防爆电机等电气防护措施。

设有铰接液压油缸、超挖刀，盾构可以在垂直、水平方向上进行各种调整，能按设计要求完成曲线开挖。

刀盘为混合式结构，既可适应较硬地质，也适应软土地层。

机器功率强大、结构牢固、操作方便、安全可靠，适应地质条件范围广。

2．3刀具选择盾构推进中，刀盘上刀具的合理配置非常重要，针对不同的地层设置适合的刀具，不但可以确保正常推进而且可以减少刀具磨损和不必要的浪费。