盾构施工技术

图 6—3 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 2. 推进机构－千斤顶
▲千斤顶的选择和配置 ① 经久耐用，易于维修保养和掉换 ② 采用高液压系统，机构紧凑 ③ 均匀配置，使管片受力均匀 ▲千斤顶的数量
中小型盾构：每只推力 600～1 500kN， 大型盾构：每只推力为 2000～2500kN。 ▲千斤顶的行程 通常取管片宽度加上 100～200mm 的富余量。 ▲千斤顶的速度 一般取 50mm／min 左右，且可无级调速。
式中 μ3——车轮与钢轨之间的摩擦因数； G1——后方台车重量（KN）；
实际使用： Fj＝2（F1＋F2＋F3＋F4） 经验公式： Fj=PjπD2/4 式中 Pj——开挖面单位截面积的推力（kN）。
人工开挖、半机械化开挖盾构，机械化开挖盾构：Pj =700～ 1l00kPa
封闭式盾构、土压平衡式盾构、泥水加压式盾构：Pj=1000～ 1300kPa
作用：承受于盾构上的全部荷载， 结构：紧接于切口环，刚性圆形。
外沿布置有千斤顶 中间布置拼装机及部分液压设备、动力设备、操纵控制台。
▲盾尾 作用：掩护管片的安装工作。 结构：盾尾末端设有密封装置 长度：要满足上述各项工作的要求。 必须根据管片宽度及盾尾的道数、盾尾密封的结构来确定 厚度：应尽量薄，以减小建筑空隙、压浆量、 地层扰动范围也小，有利于施工 密封材料：要有弹性、耐磨、防撕裂等 止水形式：常用的是多道、可更换的盾尾密封装置，道数一般取 2～3 道。 钢丝束加油脂式
1957 年，在北京下水道工程中也用过直径为 2.0m 及 2.6m 的盾构。
1963 年，上海隧道公司开始系统地开发我国的盾构技术， 1964 年，隧道公司开发了网格式盾构； 1966 年，用可封闭式网格盾构建造了直径为 l0m 的上海第一条黄浦江越江隧道 （打浦路隧道）； 1970—1973 年，大屯煤电公司徐庄风井，首次用盾构（5.1m）施工了表土段（142 米）， 1978 年在地铁试验段使用了自己生产的高精度管片； 1980 年，上海地铁 1 号线试验段用Φ6.1m 的盾构。 1984 年，上海隧道工程公司用日本进口的φ4.33m 小刀盘土压平衡盾构，建造了 内径为 3.6m 的下水道总管； 1988 年，上海隧道公司设计和使用了加泥式土压平衡盾构。经过工程实践，得到 适合上海地层的加泥材料宜为粘土或膨润土类的结论； 1990 年，上海隧道公司设计了刀盘削土土压平衡盾构； 1990 年，上海地铁 1 号线全线开工，用 7 台盾构机 1991 年，上海隧道公司使用以法国 FCB 公司为主制造的土压平衡盾构施工了上 海地铁一号线的大部分区间隧道； 1995 年，上海隧道公司使用以日本为主制造的φ11.22m 泥水盾构建造了上海黄 浦江下的延安路南线隧道。 1998 年至今，上海隧道公司掌握了国际最新盾构施工技术，成为一家国际隧道 界认可的盾构隧道施工专业公司，标志着 20 世纪末在总体上代表中国盾构施工技术
回缩速度要求越快越好。 3. 管片拼装机
俗称举重臂，常以液压为动力。 拼装机能沿径向伸缩、前后平移和 360°旋转 拼装机的形式一般常用环型拼装机。是一个可自由伸缩的支架，能够转动的机械 手。
三、盾构基本参数
（一）盾构直径
盾构直径是指盾壳的外径
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
一、盾构的外形和材料
1.盾构的外形 指盾构的断面形状，绝大多数采用传统的圆形，少数采用矩形。 2. 制造盾构的材料 盾构主要用钢板(单层厚板或多层薄板)制成，A3 钢。钢板间连接可采用焊接和 铆接
为运输和吊装方便，可制成分体式，现场拼装 二、盾构的基本构造
盾构壳体 推进系统 拼装系统
1. 盾构壳体 从工作面开始可分为切口环、支承环和盾尾三部分。 ▲切口环 作用： 掩护开挖作业，保持工作面的稳定， 把开挖下来的土砂向后方运输 长度：主要取决于盾构正面支承、开挖的方法 内部装置： 土压平衡：有刀盘、搅拌器和螺旋输送机 网格式：有网格、提土转盘和运土机械的进口 水力机械盾构，安置有水枪、吸口和搅拌器 ▲支承环
4. 盾构技术的新发展 20 世纪进入 80 年代后，盾构技术发展的主流大致从以下两个方面延伸：
（1）日本人注重的开发不同几何形状的盾构技术； （近十多年来日本不仅科技水平在世界上处于领先地位，而且城市的地下空
间利用率已经达到相当高的程度，如何在有限的地下空间中建造更多的隧道已经摆到 了日本地下工程工作者的议事日程上。此外，地面建筑物的高度拥挤又迫使日本人构 想诸如竖井隧道一体化的施工模式，从而使日本人研究出了各种类型的盾构）
钢筒的中段周圈内安装顶进千斤顶 钢筒的尾部可安置数环隧道衬砌 ●盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬 砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖 面排出适量的土方。
二、国外盾构施工技术发展概述
1. 人工开挖盾构的发明 世界上第一条人工开挖盾构隧道是由 Mare Brunel 和他的儿子—起在伦敦泰晤 士河下建成的。该盾构呈矩形（11.6m 宽，7m 高），总共只有 366m 长的隧道耗时 20 年左右，曾经历很大困难，出现过五次以上涌水。 1869 年，James Henry Greathhead 采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下再建了一条 外径为 2.18m 的行人隧道，该隧道衬砌是铸铁管片，隧道在不透水的粘土层中掘进， 无地下水威胁，因此进展相当顺利。 1886 年，Greathead 在建造伦敦地铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水 地层中修建隧道的问题。
T'——隧道内衬厚度（mm）；
e——最小富余量（mm）；
δ，x 意义同前。
（二）盾构灵敏度和长度
灵敏度: 盾壳总长 L 与外径 D 之比.经验数据：
小型盾构（D=2～3m） （L/D）=1.50
中型盾构（D=3～6m） （L/D）=1.00
大型：
L=切口环 L W + 支承环 L0 + 盾尾 Lt
世纪上半叶，英国是全球最强盛的工业化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的粘土可说 是地球上较理想的土层，因此，由当时最发达的国家率先在较理想的土层中发展盾构 技术是合乎技术发展的逻辑的。
3. 削土密封式压力平衡盾构的出现 1965 年，日本首先制造了泥水盾构（Slurry Shield），其基本原理是用液体(水或 加膨润土的水)平衡开挖面的土体。与压缩空气盾构相比，泥水盾构不需要人员在压 缩空气条件下工作，但泥水处理系统比较复杂，泥水盾构虽然也可用于粘土地层，但 绝大多数情况是在含水砂层中使用。 1974 年 ， 日 本 的 Sato kogyo 有 限 公 司 发 明 了 土 压 平 衡 盾 构 （ Earth Pressure Balanced Shield）。在此之前，虽然压缩空气盾构和泥水盾构已能克服含水层中的施工 问题，但压缩空气对人体的危害和泥水对环境的不利影响促使日本的隧道专家寻找一 个更好的解决问题的办法，土压平衡盾构便应运而生了。 泥水盾构和土压平衡盾构同属削土密封式压力平衡盾构。 日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚也有其客观原因， 首先，日本从 60 年代中期开始步人现代化国家行列，其科学水平已逐步接近欧 美国家，这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持。 其次，人口众多、土地贫乏、多岛，不得不开发地下空间。 再次，一些大城市（如东京）的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难， 激励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道施工技术进步的动 力。
2. 机械化盾构的问世
1876 年：第一台机械化盾构的专利出现。第一台机械化盾构的设想是用由几块板
构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体运到皮带
输送机上。 1896 年，J．Price 的专利比第一台盾构有较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动
驱动由长轴传递，其外形也与现代盾构较为接近。 早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于 19 世纪和 20
▲预测： 2000—2009 年国内种类盾构机的需求量在 180 台左右(含隧道掘进机) 土压平衡盾构的产品化、系列化、国产率化达 70% 发展既适合软岩且又适合于土层的复合式盾构。(深圳、广州有这种地层)，国
内尚无此种盾构 异形断面盾构机的研究：椭圆形、矩形、马蹄形等
第二节 盾构构造、分类及适用范围
盾构施工技术
第一节 概 述
一、基本原理
盾构法是暗挖隧道的专用机械在地面以下建造隧道的一种施工方法。 先在隧道的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁 预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾 构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌、再传 到竖井或基坑的后靠壁上。 ●盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具 ●盾构是一个既能支承地层压力，又能在地层中推进的钢筒结构 ●钢筒的前面设置各种支撑和挖土装置
（2）欧洲诸国（特别是德国）致力于研究能适合不同地层的多功能盾构技术 （Combined Shields）。
欧洲幅员辽阔，地层条件复杂多变，于是就产生了各种各样的多功能盾构。
三、中国盾构施工技术发展简述
1950 年，我国在第一个五年计划期间，辽宁阜新煤矿用直径 2.6m 盾构及小型混
凝土预制块建造了疏水巷道。
四、盾构的分类及其适用范围
种类：按结构特点和开挖方法可分为四大类： 手掘式 挤压式 半机械式 机械式 （一）手掘式盾构
开挖面可全部敞开：敞开式 或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑：支撑式 或将开挖面分为几层：棚式
主要优点： （1）可以观测地层变化情况，及时采用应付措施 （2）比较容易处理桩、大石块等地下障碍物 （3）容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工 （4）造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。 主要缺点： （1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压等地层 加固措施； （2）工作面若发生塌方时，易引起工程安全事故； （3）劳动强度大、效率低、进度慢，