隧道TBM施工.pdf

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1、1 1 （一） 概述（一） 概述 1、TBM国内外应用情况1、TBM国内外应用情况 TBM始于20世纪30年代； 世界上已用TBM掘进了1000余座隧道，总长度4000km左右。 TBM始于20世纪30年代； 世界上已用TBM掘进了1000余座隧道，总长度4000km左右。 典型隧道有：典型隧道有： 英法海峡隧道：三座平行隧道，长约50km，使用了11台掘 进机。1802年开工，1883年停工，1986年开始隧道施工，直到 1993年完成，其中海底主要工程部分不到3年，1993年建成。 英法海峡隧道：三座平行隧道，长约50km，使用了11台掘 进机。1802年开工，1883年停工，1986年开

2、始隧道施工，直到 1993年完成，其中海底主要工程部分不到3年，1993年建成。 二、掘进机法施工二、掘进机法施工二、掘进机法施工二、掘进机法施工 2 2 3 3 瑞士的费尔艾隧道：长19km，约9.5km用TBM施工。 瑞士拟建的穿越阿尔卑斯山的新圣哥达隧道，长57km，用 TBM施工。 美国芝加哥TARP污水隧道：长40多公里，用TBM施工。 我国的秦岭隧道：长18.5km，直径8.8m，用TBM施工了9公 里多。 瑞士的费尔艾隧道：长19km，约9.5km用TBM施工。 瑞士拟建的穿越阿尔卑斯山的新圣哥达隧道，长57km，用 TBM施工。 美国芝加哥TARP污水隧道：长40多公里，用TB

3、M施工。 我国的秦岭隧道：长18.5km，直径8.8m，用TBM施工了9公 里多。 2、TBM施工特点2、TBM施工特点 隧道施工是以掘进、支护、装运等三项工作为基础进行 的。TBM施工与钻爆法施工相比在作业序列上有着很大的不同。 TBM施工是作为工厂化的施工系统来运行的，它有三个基本特 点： 隧道施工是以掘进、支护、装运等三项工作为基础进行 的。TBM施工与钻爆法施工相比在作业序列上有着很大的不同。 TBM施工是作为工厂化的施工系统来运行的，它有三个基本特 点：协调性、连续性和密集性协调性、连续性和密集性，这三点决定了其施工组织的 原则。 ，这三点决定了其施工组织的 原则。 4 4 (1)

4、协调性(1) 协调性 作为工厂化的施工系统，其各个工作单元都是紧密相关的、 而且是非常有序的。任何不协调的工作环节都将对掘进机施工 效果效率产生很大的影响。量化工作单元能力匹配和作业组 织，以及各工序作业时间的有序排列，是协调性要求的主要内 容。 作为工厂化的施工系统，其各个工作单元都是紧密相关的、 而且是非常有序的。任何不协调的工作环节都将对掘进机施工 效果效率产生很大的影响。量化工作单元能力匹配和作业组 织，以及各工序作业时间的有序排列，是协调性要求的主要内 容。 (2) 连续性(2) 连续性 掘进机施工的各个单项作业都是连续平行循环交替进行 的，而不像钻爆法施工，各个单项作业在工序上是间

5、断循环进 行的。这是TBM连续破岩的机理所决定的。在掘进机施工中， 任何一道工序和单项作业的故障，都将可能导致整个机械施工 系统的生产停顿。因此，工序间的连续运作的时间性要求，是 施工组织连续性要求的主要内容。 掘进机施工的各个单项作业都是连续平行循环交替进行 的，而不像钻爆法施工，各个单项作业在工序上是间断循环进 行的。这是TBM连续破岩的机理所决定的。在掘进机施工中， 任何一道工序和单项作业的故障，都将可能导致整个机械施工 系统的生产停顿。因此，工序间的连续运作的时间性要求，是 施工组织连续性要求的主要内容。 5 5 (3) 密集性密集性 作为工厂化系统连续掘进施工的破岩方式，要求掘进机生

6、 产设备根据掘进、支护、排运等三项基础工作集中所有的隧道 施工的功能。因此， 作为工厂化系统连续掘进施工的破岩方式，要求掘进机生 产设备根据掘进、支护、排运等三项基础工作集中所有的隧道 施工的功能。因此，TBM施工单项作业的密集性是其一个重要 的特点。 施工单项作业的密集性是其一个重要 的特点。 3、掘进机类型、掘进机类型 全断面全断面TBM分：分： (1) 开敞式：适合硬岩隧道的开挖。开敞式：适合硬岩隧道的开挖。 (2) 护盾式： 单护盾式：适用软岩或自稳时间较短的地质差的地层； 双护盾式：在软岩和硬岩中都可以使用。 护盾式： 单护盾式：适用软岩或自稳时间较短的地质差的地层； 双护盾式：在软

7、岩和硬岩中都可以使用。 6 6 （二） 敞开式掘进机基本构造（二） 敞开式掘进机基本构造 主机及后配套主机及后配套 7 7 （三） 滚压破岩机理（三） 滚压破岩机理 刀刃在静压作用下侵入岩石的情况和岩石破碎的过程：刀刃在静压作用下侵入岩石的情况和岩石破碎的过程： (1) 在静压压力P作用下刀刃侵入岩石，首先岩石与刀刃 接触面前方发生局部粉碎或显著的塑性变形而形成一个核，也 称为密实核； (1) 在静压压力P作用下刀刃侵入岩石，首先岩石与刀刃 接触面前方发生局部粉碎或显著的塑性变形而形成一个核，也 称为密实核； 8 8 (2) 其次侵入深度增加到一定深度时（此过程侵入深度与 荷载按一定的比例增长

8、），由于锥形刀刃在垂直荷载作用下对 周围岩体产生侧向挤压，密实核旁侧的岩石会突然出现崩碎； (2) 其次侵入深度增加到一定深度时（此过程侵入深度与 荷载按一定的比例增长），由于锥形刀刃在垂直荷载作用下对 周围岩体产生侧向挤压，密实核旁侧的岩石会突然出现崩碎； 9 9 (3) 由于这种崩碎的突然出现，会导致荷载突然降低出现 跃进现象，越是脆性岩石，这种跃进式侵入特点越明显，塑性 岩石则较缓和； (4) 因此在脆性岩石中应用滚压破岩方式其效率高，而相 对来说在塑性岩石中采用滚压破岩的效率要低。 (3) 由于这种崩碎的突然出现，会导致荷载突然降低出现 跃进现象，越是脆性岩石，这种跃进式侵入特点越明显

9、，塑性 岩石则较缓和； (4) 因此在脆性岩石中应用滚压破岩方式其效率高，而相 对来说在塑性岩石中采用滚压破岩的效率要低。 盘刀在滚压破岩过程：盘刀在滚压破岩过程： (1) 盘刀在滚压岩石面上连续做同心圆运动，其外荷载之 一为轴压力（推力）使盘刀刀刃压入岩石，产生类似于静压破 岩； (2) 其外荷载之二为滚动力（扭矩）使盘刀刀刃沿轨迹线 连续滚压岩石，并在盘刀通过处对岩体作用侧向压力，使盘刀 运动轨迹线周边的岩石不断产生崩裂，从而达到连续破岩。 (1) 盘刀在滚压岩石面上连续做同心圆运动，其外荷载之 一为轴压力（推力）使盘刀刀刃压入岩石，产生类似于静压破 岩； (2) 其外荷载之二为滚动力（扭

10、矩）使盘刀刀刃沿轨迹线 连续滚压岩石，并在盘刀通过处对岩体作用侧向压力，使盘刀 运动轨迹线周边的岩石不断产生崩裂，从而达到连续破岩。 1010 1111 （四） TBM法施工（四） TBM法施工 1、TBM施工方式的选择1、TBM施工方式的选择 (1) 必须的地质调查：(1) 必须的地质调查：充分了解沿线地质、岩体特性、地 下水状况，尤其对不良地层的调查，这对TBM形式的选定和施 工速度影响很大，而且还决定是否能适用TBM施工法的主要原 因。 充分了解沿线地质、岩体特性、地 下水状况，尤其对不良地层的调查，这对TBM形式的选定和施 工速度影响很大，而且还决定是否能适用TBM施工法的主要原 因。

11、 (2) 适度的开挖长度：(2) 适度的开挖长度：一般隧道在6km以上较适合TBM，延 长越大优点越突出。 一般隧道在6km以上较适合TBM，延 长越大优点越突出。 (3) 适宜TBM法施工的选址条件：(3) 适宜TBM法施工的选址条件：机械设备搬运、组装场 地、施工用电等。 机械设备搬运、组装场 地、施工用电等。 (4) 合理的机型和后配套系统。(4) 合理的机型和后配套系统。 1212 2、施工前准备、施工前准备 (1) 洞外场地布置：洞外场地布置：混凝土拌合系统、仰拱预制厂、材料 库、供风水电系统等。 混凝土拌合系统、仰拱预制厂、材料 库、供风水电系统等。 (2) 预备洞、出发洞开挖：预

12、备洞、出发洞开挖：秦岭隧道预备洞秦岭隧道预备洞300m，出发洞，出发洞 10m（在掌子面附近，衬砌后（在掌子面附近，衬砌后45cm的模筑混凝土，能提供撑靴 支护反力）。 的模筑混凝土，能提供撑靴 支护反力）。 (3) TBM供电、水、风系统供电、水、风系统。 (4) 其它准备：其它准备：仰拱预制块生产线、机修车间、材料厂等。仰拱预制块生产线、机修车间、材料厂等。 3、TBM的运输、组装与调试的运输、组装与调试 1313 4、TBM掘进作业掘进作业 (1) 掘进操作：掘进操作：主控室的掘进操作分主控室的掘进操作分6步：启动准备、启 动、掘进、停机、换步和调向。 步：启动准备、启 动、掘进、停机、

13、换步和调向。 (2) 掘进模式的选择：掘进模式的选择：自动控制掘进模式、自动控制扭矩 模式、手动控制模式。 自动控制掘进模式、自动控制扭矩 模式、手动控制模式。 (3) 掘进参数的选择： 贯 入 度 ： 掘进参数的选择： 贯 入 度 ： 硬 岩 时 为硬 岩 时 为 912mm ， 软 岩 时 为， 软 岩 时 为 36mm （mm/r/min）；）； 推力：推力：硬岩时为额定值的硬岩时为额定值的70%，软岩时为，软岩时为40%； 扭矩：扭矩：硬岩时为额定值的硬岩时为额定值的50%，软岩时为，软岩时为80%； 刀盘转速：刀盘转速：硬岩时为硬岩时为6.0r/min，软岩时为，软岩时为2.0r/m

14、in； 撑靴支撑力：撑靴支撑力：硬岩时为额定值，软岩时为最低限值。硬岩时为额定值，软岩时为最低限值。 1414 秦岭隧道掘进效果：创造秦岭隧道掘进效果：创造TBM日掘进日掘进40.5m，月掘进，月掘进 528.1m全国最高纪录。全国最高纪录。 5、出碴与进料运输系统、出碴与进料运输系统 秦岭隧道出碴与进料都采用列车轨道运输系统。轨道为秦岭隧道出碴与进料都采用列车轨道运输系统。轨道为4轨轨 2线，材料车按编组顺序进洞。掘进时保证有一列空矿车在后 配套卸碴区。 线，材料车按编组顺序进洞。掘进时保证有一列空矿车在后 配套卸碴区。 6、TBM施工通风与除尘施工通风与除尘 7、混凝土仰拱预制块生产及铺设

15、、混凝土仰拱预制块生产及铺设 TBM每掘进一个循环，需要铺设一块仰拱块。仰拱预制场 是 每掘进一个循环，需要铺设一块仰拱块。仰拱预制场 是TBM配套系统的组成部分，秦岭隧道按每天配套系统的组成部分，秦岭隧道按每天8块来安排生产。块来安排生产。 1515 1616 8、超前地质预报、超前地质预报 秦岭隧道采用平导超前进行地质预报，既直观，精度又高。秦岭隧道采用平导超前进行地质预报，既直观，精度又高。 9、TBM施工中的测量控制技术施工中的测量控制技术 TBM上均配有激光导向系统，秦岭隧道采用上均配有激光导向系统，秦岭隧道采用ZED-260激光 导向系统，并与其它仪器配合适用，使控制测量和施工测量

16、取 得成功。横向贯通误差 激光 导向系统，并与其它仪器配合适用，使控制测量和施工测量取 得成功。横向贯通误差10mm；纵向贯通误差；纵向贯通误差13mm；高程贯通 误差 ；高程贯通 误差4mm；掘进偏差；掘进偏差30mm。 10、二次衬砌施工、二次衬砌施工 秦岭隧道采用穿行式模板台车进行二衬施工，达到秦岭隧道采用穿行式模板台车进行二衬施工，达到1070m/ 月月的速度。的速度。 1717 （六） 施工管理（六） 施工管理 1、TBM作业系统分析作业系统分析 (1) 掘进与弃碴排运作业系统掘进与弃碴排运作业系统 TBM掘进是刀盘推进掘进是刀盘推进-旋转旋转-切削的过程。切削下来的岩 石通过刀盘上

17、的铲斗和刮板进入刀盘的空腔内，再由此通过 皮带机倒运出去。 切削的过程。切削下来的岩 石通过刀盘上的铲斗和刮板进入刀盘的空腔内，再由此通过 皮带机倒运出去。 掘进换步 掘进系统 排碴系统列车转运系统列车卸载系统洞外转运系统 1818 (2) 隧道支护及施工安全系统隧道支护及施工安全系统 支护除应满足工程质量要求、对相应的设备及人工作业要求 外，还应根据掘进的速度和时间顺序进行规划设计。 支护除应满足工程质量要求、对相应的设备及人工作业要求 外，还应根据掘进的速度和时间顺序进行规划设计。 掘进系统 地层改良 挂网支护 锚杆加固 钢拱支护 喷砼支护二次衬砌 异形支护 铺设防水 1919 (3) 运

18、输系统运输系统 运输主要是弃碴转载与仰拱块材料的运输。材料部分主要包 括工程用材及设备维护用材。运输系统是隧道施工的重要系统。 运输主要是弃碴转载与仰拱块材料的运输。材料部分主要包 括工程用材及设备维护用材。运输系统是隧道施工的重要系统。 运输系统 掘进循环 当前掘进循环 新掘进循环 排运系统 支护系统 转运系统 材料供应 弃碴 洞外 物料组织 2020 (4) 能源供应与劳动环境系统能源供应与劳动环境系统 电力是掘进机的重要能源，因此，供电质量的好坏与配电 系统的优劣直接关系到掘进机系统能否正常运转。必须根据用 电设备的配电标准，以及掘进系统的各种工况要求进行配电设 置。 风、水、电等是进行

19、隧道施工须消耗的基本能源，采用 电力是掘进机的重要能源，因此，供电质量的好坏与配电 系统的优劣直接关系到掘进机系统能否正常运转。必须根据用 电设备的配电标准，以及掘进系统的各种工况要求进行配电设 置。 风、水、电等是进行隧道施工须消耗的基本能源，采用 TBM施工亦如此。因此，保证风、水、电的供应，是正常有 效施工的基本条件。 施工亦如此。因此，保证风、水、电的供应，是正常有 效施工的基本条件。 2121 2、施工管理、施工管理 (1) TBM设备管理设备管理 TBM组装管理：组装管理：TBM组装顺序如下：安装初始部件内部 凯氏外部凯氏和后支撑设备桥 组装顺序如下：安装初始部件内部 凯氏外部凯氏

20、和后支撑设备桥1号拖车号拖车D盘盘D盘护盾 主机辅助设备设备桥 盘护盾 主机辅助设备设备桥1号拖车设备桥号拖车设备桥1号拖车上的辅 助设备 号拖车上的辅 助设备2-7号拖车液压及电气设备号拖车液压及电气设备7-17号拖车及斜坡轨 风水电等设施。 号拖车及斜坡轨 风水电等设施。 TBM的维修养护管理：的维修养护管理：主轴承的维护；刀具检查及更换主轴承的维护；刀具检查及更换(刀 具管理是 刀 具管理是TBM施工中重中之重的重点施工中重中之重的重点)；除尘风机维修保养；其 它部位维修保养。 ；除尘风机维修保养；其 它部位维修保养。 TBM的拆卸管理：的拆卸管理：管线拆解阶段；拖车拖出拆卸阶段；主 机

21、解体拖运阶段；设备、部件和检查鉴定与存放。 管线拆解阶段；拖车拖出拆卸阶段；主 机解体拖运阶段；设备、部件和检查鉴定与存放。 2222 (2) TBM施工管理施工管理 洞外配套设施管理：洞外配套设施管理：结合列车编组顺序和运输方式将刀具 修理车间、砼拌合站、仰拱块预制厂、机修车间、翻车机等配 套设施沿运输轨线成条形布置，达到各工序协调动作，保证出 碴运输及材料供应的连续。洞外配套设施管理的重点是仰拱块 预制厂的生产管理。 结合列车编组顺序和运输方式将刀具 修理车间、砼拌合站、仰拱块预制厂、机修车间、翻车机等配 套设施沿运输轨线成条形布置，达到各工序协调动作，保证出 碴运输及材料供应的连续。洞外

22、配套设施管理的重点是仰拱块 预制厂的生产管理。 洞内施工管理：洞内施工管理：TBM掘进循环主要由开挖、出碴、运输、 支护、仰拱块安装、 掘进循环主要由开挖、出碴、运输、 支护、仰拱块安装、TBM换步、激光定位、通风除尘、风水电 管路及轨道延伸等工序组成。施工中必须建立统一的调度指挥 系统，协调洞内外各工序的关系，保证施工的连续性。 换步、激光定位、通风除尘、风水电 管路及轨道延伸等工序组成。施工中必须建立统一的调度指挥 系统，协调洞内外各工序的关系，保证施工的连续性。 2323 保障系统管理：保障系统管理：作为工厂化隧道施工系统，必须要有强有 力的保障系统，才可保证整个工作系统正常运转。物料的

23、流量 可以根据施工等作业的需要，以进度和工作时间为参照进行量 化管理。对于不能直接参照进度等进行量化的项目，是量化分 析的主要内容。根据不同的保障性质，可将其划分为：施工生 产保障、设备维护保障、环境及安全保障、技术保障。 作为工厂化隧道施工系统，必须要有强有 力的保障系统，才可保证整个工作系统正常运转。物料的流量 可以根据施工等作业的需要，以进度和工作时间为参照进行量 化管理。对于不能直接参照进度等进行量化的项目，是量化分 析的主要内容。根据不同的保障性质，可将其划分为：施工生 产保障、设备维护保障、环境及安全保障、技术保障。 质量与安全管理：质量与安全管理：由于施工方法的改变，由于施工方法

24、的改变，TBM施工质量管 理的内容也发生了变化：掘进方向控制、支护质量、地质预报、 不良地质的处理等。安全管理的主要内容：运输安全管理、设 备安全管理和人员安全管理。 施工质量管 理的内容也发生了变化：掘进方向控制、支护质量、地质预报、 不良地质的处理等。安全管理的主要内容：运输安全管理、设 备安全管理和人员安全管理。 2424 3、提高、提高TBM作业工时利用率的方法作业工时利用率的方法 TBM的作业工时利用率即其净掘进时间与总的施工时间的 比值，它是衡量 的作业工时利用率即其净掘进时间与总的施工时间的 比值，它是衡量TBM的使用及管理水平的重要指标之一，并在 很大程度上决定着工程的施工进度

25、。 的使用及管理水平的重要指标之一，并在 很大程度上决定着工程的施工进度。 TBM总的工作时间是：净掘进、换步、刀具更换、总的工作时间是：净掘进、换步、刀具更换、TBM的 保养、维修及故障处理、停机进行的喷锚支护、石碴及材料运 输、仰拱块预制及轨道铺设时间的总和。 的 保养、维修及故障处理、停机进行的喷锚支护、石碴及材料运 输、仰拱块预制及轨道铺设时间的总和。 提高提高TBM作业工时利用率的方法：作业工时利用率的方法： (1) 减少超载故障；减少超载故障； (2) 减少刀具更换时间；减少刀具更换时间； (3) TBM保养维修及故障处理；保养维修及故障处理； 2525 (4) 石碴及材料运输、支

26、护、量测及其它；石碴及材料运输、支护、量测及其它； (5) 对总工时的合理分配；对总工时的合理分配； (6) 新技术、新工艺推广应用。新技术、新工艺推广应用。 秦岭隧道作业工时分配如图：秦岭隧道作业工时分配如图： 纯掘进时间 24% 设备工作时间 20% 换步工作时间 6% 设备原因停机 15% 现场原因停机 35% 2626 （掘进机施工模拟动画掘进机施工模拟动画） 2727 三、导坑超前扩挖方法三、导坑超前扩挖方法 掘进机法需要大型的机械设备和完善的后配套设施，在 目前的条件下，还很难大面积地推广。因此， 掘进机法需要大型的机械设备和完善的后配套设施，在 目前的条件下，还很难大面积地推广。

27、因此，有一种趋势， 就是在大断面隧道中，采用小型掘进机先行开挖一个导坑， 而后用爆破方法进行扩挖。 有一种趋势， 就是在大断面隧道中，采用小型掘进机先行开挖一个导坑， 而后用爆破方法进行扩挖。此时，扩挖是在既有的导坑临空 面的条件下进行爆破的。爆破对遗留围岩的损伤，得到了控 制。 实际上，这种做法我们并不陌生。例如，在爆破中我们 曾采用所谓 此时，扩挖是在既有的导坑临空 面的条件下进行爆破的。爆破对遗留围岩的损伤，得到了控 制。 实际上，这种做法我们并不陌生。例如，在爆破中我们 曾采用所谓“预留光面层预留光面层”的爆破方法。就与此类同。也有先 行开挖一个超前导坑，而后再进行扩挖到设计断面。这些

28、方 法都可以大大减缓爆破对遗留岩体的影响。 的爆破方法。就与此类同。也有先 行开挖一个超前导坑，而后再进行扩挖到设计断面。这些方 法都可以大大减缓爆破对遗留岩体的影响。 2828 、小型、小型TBM开挖超前导洞扩挖爆破法开挖超前导洞扩挖爆破法 日本在日本在19681969首次在惠那山隧道的首次在惠那山隧道的4.45m的导坑开 挖中采用了 的导坑开 挖中采用了TBM（图（图1）。约掘进）。约掘进1000m。之后在三车道的 舞子隧道用于开挖直径的 。之后在三车道的 舞子隧道用于开挖直径的5m的运输坑道，岩层的单轴抗压 强度是 的运输坑道，岩层的单轴抗压 强度是10002500kSfcm2的花岗岩，

29、平均掘进速度是的花岗岩，平均掘进速度是1.0 1.7mh，共掘进，共掘进2400m(图图1)，之后又相继采用，之后又相继采用TBM修建了 汤田 修建了 汤田2号隧道号隧道(图图2)等。 在其他国家用 等。 在其他国家用TBM修建的公路隧道的施工长度已超过修建的公路隧道的施工长度已超过 20km以上，包括导坑在内有以上，包括导坑在内有30件左右。瑞士的件左右。瑞士的Bozberg隧道 是世界上开挖直径 隧道 是世界上开挖直径(11.9m)最大的，最大的，TBM开挖长度开挖长度3750m的 双车道隧道 的 双车道隧道2座。此外，以瑞士为中心，采用导坑扩挖式座。此外，以瑞士为中心，采用导坑扩挖式 T

30、BM掘进大断面隧道的事例有掘进大断面隧道的事例有6件。如件。如Aten隧道及挪威的隧道及挪威的 Bergen隧道等。隧道等。 2929 、钻爆法开挖超前导坑扩挖爆破法、钻爆法开挖超前导坑扩挖爆破法 考虑靠近既有隧道施工时，为了减少爆破的影响，日本 在一座高速公路隧道中，曾采用钻爆法开挖超前导坑 考虑靠近既有隧道施工时，为了减少爆破的影响，日本 在一座高速公路隧道中，曾采用钻爆法开挖超前导坑+扩挖 的方法。隧道与既有隧道的相互关系示于图 扩挖 的方法。隧道与既有隧道的相互关系示于图3。 图图1 惠那山隧道的导坑惠那山隧道的导坑TBM掘进图掘进图2 汤田隧道的导坑汤田隧道的导坑TBM掘进掘进 30

31、30 既有隧道混凝土衬砌的爆破振动控制值采用既有隧道混凝土衬砌的爆破振动控制值采用V=17cm/s。隧 道的开挖爆破如图 。隧 道的开挖爆破如图4所示。所示。 图图3 隧道间的相互位置关系隧道间的相互位置关系 3131 图图4 分部爆破的模式图分部爆破的模式图 3232 四、盾构法四、盾构法 盾构实质上就是软土隧道掘进机。不过，它既可能是 机械开挖，也可能是人工开挖。它既是一种施工机具，又 是一个强有力的临时支撑结构。在盾壳的保护下，既可进 行开挖，又能进行衬砌；采用盾构施工，具有不影响地面 交通、没有振动、对地面邻近建筑物危害较小；施工费用 不受埋深的很大影响；在土质差、水位高的地方建设埋深

32、 较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性等优点。 盾构由盾壳、推进机构、取土机构、拼装或现浇衬砌 机构以及盾尾等部分组成(图6-62)。 盾构实质上就是软土隧道掘进机。不过，它既可能是 机械开挖，也可能是人工开挖。它既是一种施工机具，又 是一个强有力的临时支撑结构。在盾壳的保护下，既可进 行开挖，又能进行衬砌；采用盾构施工，具有不影响地面 交通、没有振动、对地面邻近建筑物危害较小；施工费用 不受埋深的很大影响；在土质差、水位高的地方建设埋深 较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性等优点。 盾构由盾壳、推进机构、取土机构、拼装或现浇衬砌 机构以及盾尾等部分组成(图6-62)。 3333 盾构

33、的类型可以从不同的方面进行分类。盾构的类型可以从不同的方面进行分类。 1. 按开挖方式：按开挖方式： 手掘式盾构，开挖和出土可用人工进行 半机械式盾构，大部分的开挖工作和出土由机 械进行 手掘式盾构，开挖和出土可用人工进行 半机械式盾构，大部分的开挖工作和出土由机 械进行 图6-62 盾构的组成 3434 机械式盾构，从开挖到出土均采用机械 机械式盾构，从开挖到出土均采用机械 2. 按开挖面的支护方式：按开挖面的支护方式： 无固定支护式的盾构 固定机械支护式盾构 工作面近旁带有气压室的盾构 泥水加压式盾构 土压式盾构 无固定支护式的盾构 固定机械支护式盾构 工作面近旁带有气压室的盾构 泥水加压

34、式盾构 土压式盾构 盾构法的施工过程盾构法的施工过程 在隧道某段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开孔出发，在地层中沿着设计轴 线，和向另一竖井或基坑的设计孔洞推进 盾构掘进相当于装配式衬砌的一环长度 在隧道某段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开孔出发，在地层中沿着设计轴 线，和向另一竖井或基坑的设计孔洞推进 盾构掘进相当于装配式衬砌的一环长度 3535 千斤顶顶在已拼装好的管片上，使盾构前进 缩回千斤顶 用举重设备拼装管片衬砌，同时在开挖面进行开挖 图 千斤顶顶在已拼装好的管片上，使盾构前进 缩回千斤顶 用举重设备拼装管片衬砌，同

35、时在开挖面进行开挖 图6-65为盾构的施工概貌为盾构的施工概貌 图6-65 盾构的施工概貌 3636 盾构法的施工过程动画 ? ? 盾构与硬岩掘进机（盾构与硬岩掘进机（TBMTBM）的区别：）的区别： 1.1. TBMTBM不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。 2.2.盾构通过盾尾千斤顶支顶已安装好的管片来获得反力；盾构通过盾尾千斤顶支顶已安装好的管片来获得反力； TBMTBM通过支在岩壁上的支撑靴的弯矩和扭力获得反力。通过支在岩壁上的支撑靴的弯矩和扭力获得反力。 3737 盾构机施工成型的广州地铁越三区间 3838 盾构的三大要素：盾构的三大要

36、素： 1 1、开挖面稳定、开挖面稳定 2 2、掘进及排土、掘进及排土 3 3、管片衬砌及壁、管片衬砌及壁 后注浆。后注浆。 3939 大吨位龙门吊 4040 管片生产 管片养生 4141 盾构分类盾构分类盾构分类盾构分类 ? ? 按断面形状分类按断面形状分类 ? ? 按支护地层的形式分类按支护地层的形式分类 ? ? 按开挖面与作业室之间隔板的构造分类按开挖面与作业室之间隔板的构造分类 4242 1.2.1 1.2.1 按断面形状分类按断面形状分类按断面形状分类按断面形状分类 ? ? 单圆盾构、复圆盾构（多圆盾单圆盾构、复圆盾构（多圆盾 构）、非圆盾构。构）、非圆盾构。 ? ? 异形盾构包括复圆

37、盾构（双圆异形盾构包括复圆盾构（双圆 和三圆）和非圆盾构（椭圆形和三圆）和非圆盾构（椭圆形 盾构、矩形、马蹄形、半圆形）盾构、矩形、马蹄形、半圆形） 4343 双圆和多圆盾构双圆和多圆盾构 4444 自然支护式自然支护式 机械支护式机械支护式 压缩空气支护式压缩空气支护式 泥浆支护式泥浆支护式 土压平衡式土压平衡式 1.2.21.2.2 按支护地层的按支护地层的 形式分类形式分类 4545 手掘式盾构手掘式盾构 全敞开式全敞开式半机械式盾构半机械式盾构 机械式盾构机械式盾构 敞开式敞开式部分敞开式部分敞开式挤压式盾构挤压式盾构 盾构盾构压气式压气式压缩空气盾构压缩空气盾构 闭胸式闭胸式 泥水式

38、泥水式土压平衡盾构土压平衡盾构 土压平衡盾构土压平衡盾构 土压式土压式 加泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构 4646 典型盾构介绍典型盾构介绍典型盾构介绍典型盾构介绍 ? ? 敞开式盾构敞开式盾构 ? ? 压缩空气盾构压缩空气盾构 ? ? 泥水盾构泥水盾构 ? ? 土压平衡盾构土压平衡盾构 ? ? 复合盾构复合盾构 4747 3.13.1敞开式盾构敞开式盾构敞开式盾构敞开式盾构 （Open face shield OFOpen face shield OF盾构）盾构） 1 1 全敞开式：手掘式（砂性土和黏性土地层均能适用，便于全敞开式：手掘式（砂性土和黏性土地层均能适用，便于 观察地层，清除

39、障碍，易于纠偏）观察地层，清除障碍，易于纠偏） 2 2 半地机械（部分断面开挖盾构半地机械（部分断面开挖盾构适用于良好层适用于良好层：反铲式：反铲式 和铣削头式）和铣削头式） 3 3 机械式（全断面开挖）机械式（全断面开挖） OFOF盾构盾构自稳性强的围岩，各种非黏性和黏性地层在地下自稳性强的围岩，各种非黏性和黏性地层在地下 水位以下地层或渗漏地层掘进时，必须用井点降水降低地水位以下地层或渗漏地层掘进时，必须用井点降水降低地 下水位。下水位。 4848 敞开式盾构敞开式盾构 4949 ? ? 半机械式盾构半机械式盾构 5050 ? ? 反铲式盾构反铲式盾构 5151 ? ? 机械式盾构机械式盾

40、构 5252 4 4 挤压式盾构挤压式盾构 (Blind type shield (Blind type shield 盲式盾构盲式盾构) ) 对底层的扰动较大，地面易产生较大的隆陷变化，在地面有对底层的扰动较大，地面易产生较大的隆陷变化，在地面有 建筑物地区不宜使用。建筑物地区不宜使用。 仅适用于自稳性很差，流动很大的软黏土和粉砂质围岩，不仅适用于自稳性很差，流动很大的软黏土和粉砂质围岩，不 适用于含砂率高的围岩和硬质围岩。适用于含砂率高的围岩和硬质围岩。 盖板式挤压盾构盖板式挤压盾构 利用隔板将开挖面全部封闭，只在一部分上设面积可利用隔板将开挖面全部封闭，只在一部分上设面积可 调的排土盖板

41、，盾构正面向前推进，使贯入部位土砂呈塑调的排土盖板，盾构正面向前推进，使贯入部位土砂呈塑 性化流动，由盖板部位出土。通过调节盖板开口的大小和性化流动，由盖板部位出土。通过调节盖板开口的大小和 排土阻力使千斤顶推力和开挖面土压力达到平衡。排土阻力使千斤顶推力和开挖面土压力达到平衡。 5353 螺旋出土式挤压盾构螺旋出土式挤压盾构 利用封板将开挖面封闭，盾构正面贯入围岩向前推利用封板将开挖面封闭，盾构正面贯入围岩向前推 进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由螺旋输送机进行排进，使贯入部位土砂呈塑性化流动，由螺旋输送机进行排 土。通过调节土。通过调节 螺旋输送机的速度和土闸门打开度，来实现千斤顶推力螺旋

42、输送机的速度和土闸门打开度，来实现千斤顶推力 和开挖面土压力的平衡，以稳定掌子面。和开挖面土压力的平衡，以稳定掌子面。 网格挤压盾构网格挤压盾构 在上海软土地层中常常被采用，进土量接近或等于在上海软土地层中常常被采用，进土量接近或等于 全部隧道其出土量，且往往带有局部挤压性质，盾构正面全部隧道其出土量，且往往带有局部挤压性质，盾构正面 装钢板网格，在推进中可以且学土体，而在停止推进时可装钢板网格，在推进中可以且学土体，而在停止推进时可 以起到稳定开挖面的作用。可有效控制地表变形。以起到稳定开挖面的作用。可有效控制地表变形。 5454 网格挤压式盾构网格挤压式盾构 5555 3.23.2压缩空气

43、盾构压缩空气盾构压缩空气盾构压缩空气盾构 ? ? （ air pressure balance APB air pressure balance APB 盾构）盾构） ? ? 适用于黏土，黏砂土，多水松软地层适用于黏土，黏砂土，多水松软地层 ? ? 原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自 然或机械的支撑承受。然或机械的支撑承受。 要保证压力平衡要保证压力平衡 ，否则顶部过剩的压力，否则顶部过剩的压力“ “喷发喷发” ”的危险的危险 已被泥水盾构取代已被泥水盾构取代 5656 3.33.3泥水盾构泥水盾构泥水盾构泥水盾构 ? ? （slu

44、rry pressure balance shield SPB slurry pressure balance shield SPB 盾构）盾构） ? ? 泥水盾构的构成：泥水盾构的构成： ? ? 一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进盾构掘进系统一边利用刀盘挖掘整个开挖面、一边推进盾构掘进系统 ? ? 可调整泥浆物性，并将其送到开挖面，保持开挖面稳定可调整泥浆物性，并将其送到开挖面，保持开挖面稳定 的泥水循环系统的泥水循环系统 ? ? 综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状综合管理送排泥状态、泥水压力及泥水处理设备运转状 况的综合管理系统况的综合管理系统 ? ? 泥水分离处理系统泥水

45、分离处理系统 ? ? 壁后同步注浆系统壁后同步注浆系统 5757 ? ? 目前最大的泥水盾构目前最大的泥水盾构 5858 ? ? 目前最大的泥水盾构目前最大的泥水盾构 5959 ? ? 日本泥水盾构日本泥水盾构土压平衡盾构土压平衡盾构 ? ? 德国泥水盾构德国泥水盾构混合型盾构混合型盾构 ? ? 日本体系：泥水仓全是泥水，直接控制型泥水盾构，日本体系：泥水仓全是泥水，直接控制型泥水盾构， 调节控制阀来开度，来进行泥浆压力控制。调节控制阀来开度，来进行泥浆压力控制。 ? ? 德国体系：泥水仓中设置了气压仓，间接控制型泥水德国体系：泥水仓中设置了气压仓，间接控制型泥水 盾构，气压复合模式，调节空气

46、压力来进行泥浆压力盾构，气压复合模式，调节空气压力来进行泥浆压力 控制，液位传感器根据液位的高低来调整液位。控制，液位传感器根据液位的高低来调整液位。 6060 ? ? 泥水盾构泥水盾构 6161 ? ? 1 1开挖面稳定机理开挖面稳定机理 ? ? 2 2泥膜形成机理泥膜形成机理 泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的 黏性、泥水压力：土压力、水压力、预留压力）黏性、泥水压力：土压力、水压力、预留压力） 尽快形成不透水的泥膜尽快形成不透水的泥膜 。掘进速度与泥膜的关系：掘进速度与泥膜的关系： 高质量泥水成膜时间高质量泥水成膜时间1 1- -

47、2 2秒秒 ? ? 3 3地质适用范围地质适用范围 1.1.黏性土层黏性土层2.2.砂层砂层3.3.砾石层砾石层4.4.贝壳层贝壳层 6262 3.4 3.4 土压平衡盾构土压平衡盾构土压平衡盾构土压平衡盾构 (earth pressure balance EPB(earth pressure balance EPB盾构盾构) ) 一一. . 基本配置基本配置 1.1.刀盘刀盘 刀具的三大功能：开挖功能、稳定功能、搅拌功能刀具的三大功能：开挖功能、稳定功能、搅拌功能 土压平衡式盾构的刀盘有两种形式：面板式和辐条式，其中土压平衡式盾构的刀盘有两种形式：面板式和辐条式，其中 面板式安全性高，但易堵

48、塞面板式安全性高，但易堵塞; ;辐条式开口率大，不易堵辐条式开口率大，不易堵 塞，但不能安装滚刀，安全性差，费用高，需加固土体。塞，但不能安装滚刀，安全性差，费用高，需加固土体。 2.2.刀盘的驱动方式：变频电机驱动、液压驱动、定速电机驱刀盘的驱动方式：变频电机驱动、液压驱动、定速电机驱 动动 3.3.刀盘支承：中心支承方式（中小型盾构）、中间支承方式刀盘支承：中心支承方式（中小型盾构）、中间支承方式 （中大型）、周边支承方式（小型盾构）（中大型）、周边支承方式（小型盾构） 6363 ? ? 土压平衡盾构（面板式和辐条式）土压平衡盾构（面板式和辐条式） 6464 4.4.膨胀土添加系统和泡沫系

49、统膨胀土添加系统和泡沫系统 5.5.螺旋输送机螺旋输送机 6.6.皮带输送机皮带输送机 7.7.同步注浆系统（作用：防地表沉降、防水、与围岩一体）同步注浆系统（作用：防地表沉降、防水、与围岩一体） 8.8.盾尾密封系统盾尾密封系统 铰接式盾构：铰接密封、盾尾密封铰接式盾构：铰接密封、盾尾密封 9.9.管片安装机：机械抓取式、真空吸盘式管片安装机：机械抓取式、真空吸盘式 10.10.数据采集系统数据采集系统 11.11.导向系统（导向系统（VUTVUT导向系统和导向系统和PPSPPS导向系统）导向系统） 6565 ? ? 目前最大的土压平衡盾构目前最大的土压平衡盾构 6666 二二. .开挖面稳定机理开挖面稳定机理 刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡；刀盘切削下来的土渣与螺旋输送机向外输送量相平衡； 土压传感器：控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速。土压传感器：控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速。 排土量：由螺旋输送机的转速和出土闸门的开度来调节排土量：由螺旋输送机的转速和出土闸门的开度来调节