(精品)第五讲：盾构隧道施工技术.ppt

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1、概述概述盾构机选型盾构机选型隧道盾构法原理隧道盾构法原理盾构隧道衬砌盾构隧道衬砌盾构隧道掘进及其控制盾构隧道掘进及其控制工程实例工程实例盾构应用前景及发展方向盾构应用前景及发展方向1.概述1.1 盾构法概念盾构法概念 盾构施工法的定义盾构施工法的定义定义：定义：使用盾构机在地下掘进，在护盾的保使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全地进行开挖和衬砌作业，护下，在机内安全地进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法。从而构筑成隧道的施工方法。三大部分组成：三大部分组成：由稳定开挖面、盾构机挖掘由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌和衬砌适用范围：适用范围：盾盾构隧道适用于软土地区埋深大构隧道适

2、用于软土地区埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部。面建筑物和地下管线密集区的下部。盾构隧道示意图盾构隧道示意图 盾构掘进机盾构掘进机(Shield)是这种施是这种施工方法中最主要的工方法中最主要的施工机具，它是一施工机具，它是一个既能支撑地层压个既能支撑地层压力又能在地层中推力又能在地层中推进的钢筒结构体。进的钢筒结构体。由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、由切削刀盘、动力机构、液压主轴顶进机构、液压纠偏机构、液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬砌及岩土排运机构以及液压中继顶进机构、液压主顶进机构、衬

3、砌及岩土排运机构以及检测导向机构等几个部分组成。检测导向机构等几个部分组成。现代盾构现代盾构 现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。、测量导向纠偏等功能。通过计算机精确控制，在地下向前掘进，同时通过计算机精确控制，在地下向前掘进，同时尾部拼装上可以承受巨大压力的相互咬合的管片尾部拼装

4、上可以承受巨大压力的相互咬合的管片而形成圆形隧道。而形成圆形隧道。4.3m4.3m-diameter EPB shied machine6.34m6.34m-diameter EPB shield machine 7.65m articulated EPB shield machine used in Shanghai Huangpu Sightseeing tunnel 11.2m slurry shied used in duplicate line project of YanAn Dong Road tunnel1.2 盾构隧道简史盾构隧道简史 盾构施工法的发明与改进盾构施工法的发明与

5、改进 1818年，英国人布鲁洛年，英国人布鲁洛(M.I.Brunel)从一种食船虫从一种食船虫在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工法，在船身上打洞一事受到启发，研究出了盾构施工法，并获得特许。这可以说是开敞型手掘盾构机的原型。并获得特许。这可以说是开敞型手掘盾构机的原型。1823年，年，Brunel制定了在伦敦东端泰晤士河畔的罗制定了在伦敦东端泰晤士河畔的罗萨哈伊斯与对岸的斯瓦宾格之间建设公路隧道的计萨哈伊斯与对岸的斯瓦宾格之间建设公路隧道的计划。并于划。并于1825年在穿越泰晤士河的隧道中第一次使年在穿越泰晤士河的隧道中第一次使用了盾构技术，后由于塌方事故而不得不中止。用了盾构技术，后

6、由于塌方事故而不得不中止。但但Brunel未放弃在泰晤士河底兴建隧道的梦想，他未放弃在泰晤士河底兴建隧道的梦想，他对盾构机进行了改进，于对盾构机进行了改进，于1834年使工程再次上马，年使工程再次上马，并于并于7年后的年后的1841年使隧道贯通。年使隧道贯通。盾构隧道技术进步盾构隧道技术进步1 1830年年LordCochrance发发明明了了施施加加压压缩缩空空气气的的“压压气气法法”以以解解决决盾盾构构穿穿越越饱饱和和含含水水地地层层时时防防止止涌涌水水的的问问题题。10年年后后，Greathead首首创创了了在在盾盾尾尾衬衬砌砌外外部部盾盾尾尾空空隙隙中中注注浆浆以以控控制制地地基基变变

7、形形的的壁壁后后注注浆浆方方法法，进进一一步步推推动动了了盾构法隧道在城市建设中的应用。盾构法隧道在城市建设中的应用。1869年年开开始始建建设设穿穿过过泰泰晤晤士士河河的的第第二二条条隧隧道道。承承 担担 该该 工工 程程 的的 Barlow和和 Great采采 用用Greathead新新开开发发的的圆圆形形盾盾构构机机和和铸铸铁铁管管片片，顺利建成隧道。顺利建成隧道。盾构隧道技术进步盾构隧道技术进步2近近30年年来来，通通过过对对土土压压平平衡衡式式、泥泥水水式式盾盾构构机机中中的的关关键键技技术术，如如盾盾构构机机的的有有效效密密封封，确确保保开开挖挖面面的的稳稳定定及及控控制制隧隧道道

8、洞洞壁壁的的隆隆起起及及地地表表塌塌陷陷在在规规定定范范围围之之内内，刀刀具具有有使使用用寿寿命命以以及及在在密密封封条条件件下下的的刀刀具具更更换换，对对一一些些恶恶劣劣地地质质如如高高水水压压条条件件的的处处理理技技术术等等方方面面的的探探索索和和研研究究解解决决，使使盾构机有了较大的发展。盾构机有了较大的发展。厂厂家家可可根根据据不不同同的的地地质质条条件件和和工工程程要要求求，设设计计制造不同类型的盾构机以满足工程需要。制造不同类型的盾构机以满足工程需要。盾构隧道技术进步盾构隧道技术进步3盾盾构构机机在在日日本本的的发发展展很很快快，其其使使用用盾盾构构机机施施工工的的城城市市隧隧道道

9、占占90%90%以以上上，主主要要因因为为日日本本经经济济发发展展迅迅速速，城城市市发发展展规规模模较较大大，再再由由于于日日本本地地下下水水位位高高等等地地质质条条件件促促使使了了盾盾构构机机的的发发展展，尤尤其其是是土土压压平平衡衡式式和和泥泥水式盾构机的发展。水式盾构机的发展。德德国国的的盾盾构构机机技技术术也也有有独独到到之之处处，尤尤其其是是在在地地下下施施工工过过程程中中，保保证证密密封封的的前前提提以以及及高高达达0.3MPa0.3MPa气气压压的的情情况况下下更更换换刀刀盘盘的的刀刀具具，从从而而提提高高盾盾构构机机的的掘掘进进长长度度，德德国国还还开开发发了了在在密密封封条条

10、件件下下，从从大大直直径径刀刀具具内内侧常压空间内更换被磨损的刀具。侧常压空间内更换被磨损的刀具。国内盾国内盾构隧道构隧道11963年年开开始始在在上上海海试试验验性性地地采采用用盾盾构构法法掘掘进进隧隧道道，最最初初为为直直径径4.2m的的开开胸胸盾盾构构干干挖挖法法，后后逐逐步步发发展展为为于于出出土土的的网网格格式式盾盾构构、水水力力出出土土网网格格式式盾盾构构、局局部部气气压压水水力力开开挖挖网网格格式式盾盾构构及及土土压压平平衡衡式式盾盾构构施施工工法法，这这些些盾盾构构的的设设计计、加加工工、施施工工为为盾盾构构在在软软土土中中施施工工创创造造了了宝贵经验。宝贵经验。国内盾国内盾构

11、隧道构隧道21966年年水水利利部部杭杭州州机机械械研研究究所所研研究究试试制制了了我我国国第第一一台台隧隧道道掘掘进进机机并并应应用用于于水水电电工工程程，1976年年又又为为郑郑州州市市设设计计了了直直径径为为6m的的盾盾构构掘掘进进机机，1985年年组组织织技技术术人人员员参参加加了了尼尼泊泊尔尔相相迪迪水水电电工工程程建建设设，取取得得了了丰丰富富的的工工程程实实践践经经验。验。国内盾国内盾构隧道构隧道31991年年上上海海地地铁铁1号号线线引引进进法法国国FCB公公司司的的7台台土土压压平平衡衡式式盾盾构构，采采用用大大刀刀盘盘开开挖挖、螺螺旋旋输输送送机机排排土土，同同时时备备有有

12、同同步步压压浆浆、计计算算机机控控制系统等，性能比较完善。制系统等，性能比较完善。上上海海利利用用这这7台台盾盾构构机机建建成成地地铁铁1号号线线区区间间隧隧道，全长道，全长18.5km。该该盾盾构构直直径径为为6.2m，混混凝凝土土管管片片厚厚度度0.35m，每环，每环6块，环宽块，环宽1.0m。隧隧道道经经过过淤淤泥泥土土和和淤淤泥泥质质亚亚粘粘土土，覆覆土土深深度度518m，盾盾构构进进尺尺为为46m/d，地地面面沉沉降降控控制在制在1030mm。国内盾国内盾构隧道构隧道4上海地铁上海地铁2号线区间隧道也采用了盾构法施工号线区间隧道也采用了盾构法施工。1994年年，上上海海引引进进日日本

13、本的的超超大大型型泥泥水水加加压压平平衡衡盾盾构构，用用于于建建造造延延安安东东路路隧隧道道南南线线，经经受受了了穿穿越越仓仓库库、浅浅覆覆防防汛汛墙墙、地地下下车车库库、地地下下人人行行道道、高高层层建建筑筑等等严严峻峻考考验验，成成功功穿穿越越了了黄黄浦浦江江，盾盾构构曾曾创创下下日日推推进进13.5m的速度，地表最大沉降小于的速度，地表最大沉降小于3cm。该该盾盾构构主主要要参参数数为为盾盾构构外外径径11.22m，盾盾构构全全长长10.945m，千斤顶数，千斤顶数32台，盾构总推力台，盾构总推力112 200kN。上上海海隧隧道道总总公公司司又又在在南南京京越越江江隧隧道道施施工工中中

14、在在穿穿越越砂砂层的条件下使用盾构获得成功。层的条件下使用盾构获得成功。国内盾国内盾构隧道构隧道5北北京京于于1966年年开开始始设设计计，1968年年开开始始修修建建地地铁盾构施工试验段工程，也取得了一些经验。铁盾构施工试验段工程，也取得了一些经验。北北京京地地铁铁5号号线线试试验验段段工工程程采采用用从从德德国国进进口口的的直径直径6.19m的土压平衡盾构进行试挖。的土压平衡盾构进行试挖。北北京京在在亮亮马马河河污污水水工工程程中中引引入入日日本本外外径径3.33m土土压压平平衡衡盾盾构构在在地地下下水水位位12m、覆覆土土层层约约5m以以下下的的亚亚粘粘土土和和粉粉细细砂砂3层层中中建建

15、成成了污水隧道长了污水隧道长1700多米。多米。国内盾国内盾构隧道构隧道6广广州州地地铁铁1号号线线、2号号线线、3号号线线部部分分区区间间隧隧道道也采用了盾构法。也采用了盾构法。南南京京地地铁铁南南北北线线一一期期工工程程的的中中三三间间的的市市区区段段、三三新新区区间间、玄玄南南区区间间为为粉粉土土、粉粉质质粘土，也采用盾构法施工。粘土，也采用盾构法施工。盾盾构构法法施施工工技技术术在在世世界界各各国国的的发发展展中中是是有有争争议议的的，主主要要原原因因是是它它一一次次性性投投资资大大，造造价价较较高高。但但由由于于其其具具有有快快速速、安安全全、减减少少地地面面沉沉降降的的优优点点，使

16、使得得盾盾构构法法施施工工技技术术在在世世界界许许多多国家不断得到发展。国家不断得到发展。1.3 1.3 盾构隧道的原理盾构隧道的原理 盾盾构构机机的的所所谓谓“盾盾”是是指指保保持持开开挖挖面面稳稳定定性性的的刀刀盘盘和和压压力力舱舱、支支护护围围岩岩的的盾盾构构钢钢壳壳。所所谓谓“构构”是是指指构构成成隧隧道道衬衬砌砌的的管管片片和和壁壁后后注注浆体。浆体。盾盾构构施施工工的的主主要要原原理理就就是是尽尽可可能能在在不不扰扰动动围围岩岩的的前前提提下下完完成成施施工工，从从而而最最大大限限度度地地减减少少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。对地面建筑物及地基内埋设物的影响。与盾构隧道相似的工

17、法与盾构隧道相似的工法 岩岩石石掘掘进进机机(TBM)(TBM)：在在施施工工方方法法和和适适用用范范围围方方面面与与盾盾构构法法有有较较大大的的不不同同，TBM的的施施工工对对象象是是围围岩岩可可以以自自立立稳稳定定的的岩岩石石，不不设设置置压压力力舱舱，其衬砌也很少使用管片。其衬砌也很少使用管片。顶顶管管法法：泥泥水水加加压压式式顶顶管管和和土土压压平平衡衡式式顶顶管管在在掘掘进进及及开开挖挖面面稳稳定定方方面面近近似似于于盾盾构构，但但衬衬砌砌不不是是装装配配管管片片形形成成，而而是是使使用用各各种种管管从从洞洞口顶入，其使用范围也限于直径较小的隧道。口顶入，其使用范围也限于直径较小的隧

18、道。盾构隧道基本原理盾构隧道基本原理 尽尽可可能能在在不不扰扰动动围围岩岩的的前前提提下下完完成成施施工工，最最大大限限度度地地减减少少对对地地面面建建筑筑物物及及地地基基内内埋埋设设物物的影响。的影响。除除了了刀刀盘盘和和盾盾构构钢钢壳壳可可以以被被动动地地产产生生支支护护作作用用以以外外，使使用用压压力力舱舱内内泥泥土土或或泥泥水水压压力力平平衡衡开挖面上的作用土压力和水压力。开挖面上的作用土压力和水压力。使使用用壁壁后后注注浆浆及及时时充充填填由由开开挖挖产产生生的的盾盾尾尾空空隙隙，主主动动地地控控制制围围岩岩应应力力释释放放和和变变形形是是盾盾构构技术的关键。技术的关键。土压平衡式盾

19、构开挖原理土压平衡式盾构开挖原理将将开开挖挖土土砂砂通通过过搅搅拌拌翼翼在在压压力力舱舱内内搅搅拌拌，使使其形成一种塑性流动状态；其形成一种塑性流动状态；通通过过千千斤斤顶顶的的推推进进力力和和控控制制螺螺旋旋式式排排土土器器的的排排土土量量调调节节压压力力舱舱内内的的泥泥土土压压力力，使使其其与与开开挖面上的土压力和水压力进行平衡挖面上的土压力和水压力进行平衡。土压平衡式盾构开挖原理土压平衡式盾构开挖原理土砂充填土砂充填土压计土压计切口环切口环支承环支承环盾尾盾尾电动机电动机土压力土压力水压力水压力添加剂添加剂闸门闸门皮带输送机皮带输送机螺旋排土器螺旋排土器盾构千斤顶盾构千斤顶刀盘刀盘电机电

20、机隔板隔板管片管片泥水加压式泥水加压式盾构开挖原理盾构开挖原理将压力舱将压力舱内充满泥内充满泥浆，通过浆，通过调节泥浆调节泥浆压力与开压力与开挖面上的挖面上的土压力和土压力和水压力进水压力进行平衡行平衡。电机电机切口环切口环支承环支承环盾尾盾尾土压力土压力水压力水压力刀盘刀盘排泥口搅拌翼排泥口搅拌翼盾构千斤顶盾构千斤顶排泥管排泥管排泥管排泥管管片管片进泥浆进泥浆送泥管送泥管隔板隔板泥泥浆浆压压力力泥水加压盾构的优缺点泥水加压盾构的优缺点使用液体作为压力控制的媒体，泥水加压式使用液体作为压力控制的媒体，泥水加压式盾构在控制开挖面稳定方面具有较大的优点。盾构在控制开挖面稳定方面具有较大的优点。国外

21、的大断面隧道以及高水压力隧道多采用国外的大断面隧道以及高水压力隧道多采用泥水加压式盾构进行施工。泥水加压式盾构进行施工。泥水加压式盾构是通过将稠泥浆从压力舱下泥水加压式盾构是通过将稠泥浆从压力舱下部排出的方法进行出渣。部排出的方法进行出渣。渣土需经大型的泥浆处理设备处理后才能废渣土需经大型的泥浆处理设备处理后才能废弃，设备的造价相对较高。弃，设备的造价相对较高。盾尾空隙与壁后注浆盾尾空隙与壁后注浆盾尾空隙的大小是由盾构钢壳厚度和盾尾操作空间盾尾空隙的大小是由盾构钢壳厚度和盾尾操作空间所决定的，一般在所决定的，一般在5 510cm10cm左右。左右。壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，壁

22、后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于管片四周所出现的空隙而产生的地基应以减小由于管片四周所出现的空隙而产生的地基应力释放和地基变形。力释放和地基变形。壁后注浆有通过在盾构钢壳上设置注浆管，在空隙壁后注浆有通过在盾构钢壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的生成的同时进行注浆的同步注浆同步注浆方式和通过管片上方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的预留的注浆孔进行注浆的及时注浆及时注浆方式两种，其中方式两种，其中同步注浆同步注浆更有利于地基沉降的控制更有利于地基沉降的控制。盾尾空隙与壁后盾尾空隙与壁后注浆注浆盾构钢壳盾构钢壳盾尾止水带盾尾止水带盾尾空隙盾尾空隙盾壳厚度盾壳厚度盾尾

23、操作空间盾尾操作空间管片管片(a)盾尾空隙盾尾空隙(b)同步与及时注浆同步与及时注浆盾构钢壳盾构钢壳注浆管注浆管同步注浆同步注浆及时注浆及时注浆壁后注浆体壁后注浆体1.4 1.4 盾构隧道的特点盾构隧道的特点 对城市的正常功能及周围环境的影响很小对城市的正常功能及周围环境的影响很小 盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的进行设计、制造或改造的 对施工精度的要求高对施工精度的要求高盾构施工是不可后退的盾构施工是不可后退的 一般来讲，盾构掘进隧道不应也不能一般来讲，盾构掘进隧道不应也不能取代其它工法，但在不良的地层条件下做取代其它工法，但在不

24、良的地层条件下做长距离掘进，对进尺有较高的要求和对地长距离掘进，对进尺有较高的要求和对地面沉陷又有严格的要求时，它相对其它方面沉陷又有严格的要求时，它相对其它方法在技术上更合理更经济。法在技术上更合理更经济。盾构隧道的优点盾构隧道的优点机械化程度高机械化程度高隧洞形状准确隧洞形状准确对地面结构影响可能性最小对地面结构影响可能性最小对工作人员较安全，劳动强度低，进度快对工作人员较安全，劳动强度低，进度快对环境无不良影响，地下水位可保持对环境无不良影响，地下水位可保持质量高，衬砌经济质量高，衬砌经济 盾构隧道的缺点盾构隧道的缺点盾构的规划、设计、制造和组装时间长盾构的规划、设计、制造和组装时间长施

25、工工艺复杂，熟练操作机器需要时间长施工工艺复杂，熟练操作机器需要时间长准备困难且费用高，只有长距离掘进时才较准备困难且费用高，只有长距离掘进时才较经济经济当地层条件变化时，实施有风险当地层条件变化时，实施有风险隧道断面变化的可能性小，断面如需变化时，隧道断面变化的可能性小，断面如需变化时，费用较高费用较高2 2 盾构机的选型盾构机的选型盾构机的类型盾构机的类型泥土加压式泥土加压式泥浆式泥浆式全开敞式全开敞式手掘式手掘式半机械式半机械式机械式机械式半开敞式半开敞式挤压式挤压式泥水式泥水式土压式土压式密封式密封式土压式土压式泥土加压式泥土加压式全开敞式全开敞式 全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面全

26、开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。敞露状态的盾构机。根据开挖方式的不同，又分为手掘式、根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半机械化式及机械式三种。半机械化式及机械式三种。这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围这种盾构机适用于开挖面自稳性好的围岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，岩。在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行有压气施工法、地层超前加固则需进行有压气施工法、地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。手掘手掘式式盾构盾构 手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止手掘式盾构机的正面是开敞的，通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面

27、开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进开挖采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。行。手掘式盾构机的适用范围手掘式盾构机的适用范围适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、适应的土质是自稳性强的洪积层压实的砂、砂砾，固结粉砂和粘土。砂砾，固结粉砂和粘土。对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂对于开挖面不能自稳的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如采用压气施工法、改良地基、降施工法，如采用压气施工法、改良地基、降低

28、地下水位等措施低地下水位等措施目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。半机械半机械式盾构式盾构 半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专半机械式盾构机进行开挖及装运石碴都采用专用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机用机械，配备液压铲土机、臂式刀盘等挖掘机械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖械和皮带运输机等出碴机械，或配备具有开挖与出碴双重功能的机械。与出碴双重功能的机械。机械机械式式盾构盾构 机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机

29、的挖掘能力，开挖的土砂通过旋大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和斜槽装入皮带输送机，围岩开挖和转铲斗和斜槽装入皮带输送机，围岩开挖和排土可以连续进行排土可以连续进行。半开敞式盾构半开敞式盾构 特点是在隔墙的某处设置可特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排土口，盾构调节开口面积的排土口，盾构机正面贯入围岩向前推进，使机正面贯入围岩向前推进，使贯入部位土砂流动，由孔口部贯入部位土砂流动，由孔口部位绞出，进行排土。位绞出，进行排土。半开敞式是指挤压半开敞式是指挤压式盾构机，它是在开式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板，支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体

30、，但以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，开口处挤入盾构内，然后装车外运。然后装车外运。半开敞式盾构机的适用范围半开敞式盾构机的适用范围开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻开挖面的稳定是靠调节孔口大小和排土阻力，使千斤顶推力和开挖面土压达到平衡力，使千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现的。来实现的。适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土适用于自稳性很差、流动性很大的软粘土和粉砂围岩，而不适用含砂率高的围岩和和粉砂围岩，而不适用含砂率高的围岩和硬质地层。若液性指数过高，则流动性过硬质地层。

31、若液性指数过高，则流动性过大，也不能获得稳定的开挖面。大，也不能获得稳定的开挖面。由于适用地质范围狭窄，最近采用这种盾由于适用地质范围狭窄，最近采用这种盾构机的工程很少。构机的工程很少。密封式盾构密封式盾构 在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖在机械开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内，由土砂送入开挖面和隔墙间的刀盘腔内，由泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳泥水压力的土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。定的压力。密封式盾构机又分成泥水平衡式和土压平密封式盾构机又分成泥水平衡式和土压平衡式。衡式。土压平衡盾构机土压平衡盾构机土压平衡式盾构机的前端有一个全断面切土压平衡

32、式盾构机的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的削刀盘，在它后面有一个贮留切削土体的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的密封舱，在其中心处或下方装有长筒形的螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据及在盾壳四周装设的土压传感装置，根据需要还可装设改善切削土体流动性的塑流需要还可装设改善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。化材料的注入设备。英文及缩写：英文及缩写：Earth-pressure balance system，即即EPBS。土压平土压平衡盾构衡盾构机组成机组成1.1.切削刀盘切削刀盘2.2.开挖室开挖

33、室3.3.承压隔板承压隔板4.4.压缩空气压缩空气闸室闸室5.5.推进千斤顶推进千斤顶6.6.尾盾密封尾盾密封7.7.管片管片8.8.带带式输送机式输送机9.9.管片拼装机管片拼装机10.10.刀盘驱动刀盘驱动11.11.螺旋螺旋输送输送机机 12 34567891011土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机效果图土压平衡盾构机的主要部件土压平衡盾构机的主要部件 切削刀盘切削刀盘轴承和驱动部件轴承和驱动部件 开挖室开挖室螺旋输送机螺旋输送机塑流化材料注入器塑流化材料注入器土压传感器土压传感器 切削刀盘形式切削刀盘形式 花板型花板型辐条型辐条型砾石破碎型砾石破碎型 用于切削土体，同时将切削下来的土体

34、搅拌混合，以改善切用于切削土体，同时将切削下来的土体搅拌混合，以改善切削土体的流动性。削土体的流动性。在刀盘的正面装有切削刀具，其中齿形刀适在刀盘的正面装有切削刀具，其中齿形刀适用于软弱地层，盘形刀适用于坚硬地层。刀盘背面装有搅拌翼用于软弱地层，盘形刀适用于坚硬地层。刀盘背面装有搅拌翼片。为了在曲线上施工，刀盘周边还装有齿形的超挖刀片。为了在曲线上施工，刀盘周边还装有齿形的超挖刀。切削刀盘主轴形式切削刀盘主轴形式 中空轴式中空轴式 中间支承式中间支承式 周边支承式周边支承式 中空轴式构造简单，搅拌效果好，适用于中小直径盾中空轴式构造简单，搅拌效果好，适用于中小直径盾构；中间支承式的强度和搅拌效

35、果好，适用于大直径构；中间支承式的强度和搅拌效果好，适用于大直径盾构；周边支承式强度高，消除砾石容易。盾构；周边支承式强度高，消除砾石容易。轴承和驱动部件轴承和驱动部件分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。分为中心轴驱动方式和非中心轴驱动方式。中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘是一中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘是一种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处种比较简单的设计，在开挖室内不需要什么处理，也没什么障碍物，可以从盾构机上接触到，理，也没什么障碍物，可以从盾构机上接触到，易于修复。缺点是盾构中心被切削刀盘部件占易于修复。缺点是盾构中心被切削刀盘部件占满，使螺旋输送安装坡度特别小，导

36、致盾构机满，使螺旋输送安装坡度特别小，导致盾构机的加长。的加长。非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱非中心轴驱动部件的封闭或敞开式切削刀盘驱动轴承的直径约为盾构直径的一半。切削刀盘动轴承的直径约为盾构直径的一半。切削刀盘有单独的支架支承。优点是稳定、不易阻塞和有单独的支架支承。优点是稳定、不易阻塞和支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构支承支架能起一定的搅拌作用，并可以从盾构区域接近密封系统。区域接近密封系统。开挖室开挖室土压平衡盾构机的刀盘切面与后面的承压隔板土压平衡盾构机的刀盘切面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室。所形成的空间为开挖室。挖面挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑挖面

37、挖出的土料转变成有良好的变形性的可塑性土浆，保证在开挖面有稳定的支撑压力。性土浆，保证在开挖面有稳定的支撑压力。开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，开挖室的设计应顺应土料流动以避免土料聚集，保证土料持续地流到螺旋输送机中。保证土料持续地流到螺旋输送机中。螺旋输送机螺旋输送机 从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧从有压力的开挖室内将土料送到大气压下的隧洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开洞中；在渗水土层中密封有压水；通过控制开挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。挖土料的进出量来控制开挖室的支撑压力。螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转螺旋输送机是一个连续工作的系统，由可旋转的

38、螺旋叶片和静止螺旋叶片外壳组成。螺旋叶的螺旋叶片和静止螺旋叶片外壳组成。螺旋叶片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没片一般是装配在旋转轴上，但也可以设计成没有中心轴，以便在中心输送较大的石块。有中心轴，以便在中心输送较大的石块。塑流化材料注入器塑流化材料注入器用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加用来向密封舱、刀盘和螺旋输送机内注人添加剂。剂。常用的添加剂有两类：一类为泥浆材料；另一常用的添加剂有两类：一类为泥浆材料；另一类为化学发泡剂，这种材料可以在土体内形成类为化学发泡剂，这种材料可以在土体内形成大量泡沫，使土壤颗粒分开，从而降低了土体大量泡沫，使土壤颗粒分开，从而降低了土体的内摩擦角

39、和渗透性。的内摩擦角和渗透性。土压传感器土压传感器用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，用于测量密封舱和螺旋输送机内的土压力，前者是判定开挖面是否稳定的依据，后者用前者是判定开挖面是否稳定的依据，后者用来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固结、来判断螺旋输送机的排土状态，喷涌、固结、阻塞等。阻塞等。德国海瑞克土压平衡盾构主机结构德国海瑞克土压平衡盾构主机结构刀盘结构刀盘结构刀盘液压驱动刀盘液压驱动 泥水加压式盾构泥水加压式盾构机机泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所构相似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。不同。在泥

40、水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘的压力泥浆，刀盘(花板型花板型)浸没在泥浆中工浸没在泥浆中工作。作。对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。泥水加压式盾构泥水加压式盾构机类型机类型泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型分为直接控制型(日本型日本型)和间接控制型和间接控制型(德德国型国型)两种基本类型两种基

41、本类型。直接控制型泥水加压盾构泥浆直接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制输送系统自动控制输送系统泥水室泥水室大刀盘大刀盘清水槽清水槽泥浆调整槽泥浆调整槽密度计密度计流量计流量计供浆管供浆管排浆管排浆管伸缩管伸缩管V Vp p2 2p p3 3p p4 4p p1 1P1为供泥泵，供入泥浆比重在为供泥泵，供入泥浆比重在1.051.25之间之间；P2、P3、P4为排泥为排泥泵，排出泥浆比重在泵，排出泥浆比重在1.11.4之间。之间。P2是自动调速的，当是自动调速的，当P2泵达到泵达到最大扬程时，再加最大扬程时，再加P3、P4接力泵。接力泵。间接控制型泥水加压盾构泥浆间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制自

42、动控制泥水加压式盾构的泥浆压力控制由泥水加压式盾构的泥浆压力控制由空气和泥空气和泥水双重系统实现水双重系统实现。在盾构的密封舱内，装有。在盾构的密封舱内，装有半道隔板，将密封舱分隔成两部分。在隔板半道隔板，将密封舱分隔成两部分。在隔板的前面充满压力泥浆，隔板后面盾构轴线以的前面充满压力泥浆，隔板后面盾构轴线以上部分充满压缩空气，形成气压缓冲层，在上部分充满压缩空气，形成气压缓冲层，在隔板后面的泥浆上表面作用有空气压力。隔板后面的泥浆上表面作用有空气压力。在两者的接触面上气压和液压相等，仅需调在两者的接触面上气压和液压相等，仅需调节空气压力，就可确定全开挖面上的支护压节空气压力，就可确定全开挖面

43、上的支护压力。力。间接控制型泥水加压盾构泥浆间接控制型泥水加压盾构泥浆压力控制系统压力控制系统空气管空气管半隔板半隔板间接控制型泥水加压盾构泥浆间接控制型泥水加压盾构泥浆自动控制自动控制在盾构推进时，由于泥浆流失或盾构推进速在盾构推进时，由于泥浆流失或盾构推进速度变化，进、出泥浆量将会失去平衡，空气度变化，进、出泥浆量将会失去平衡，空气和泥浆接触面的位置就会发生上下波动现象。和泥浆接触面的位置就会发生上下波动现象。通过液位传感器，即可根据液位变化来控制通过液位传感器，即可根据液位变化来控制供泥浆泵的转速和流量，使液位恢复到设定供泥浆泵的转速和流量，使液位恢复到设定位置，以保持开挖面支护压力的稳

44、定。当液位置，以保持开挖面支护压力的稳定。当液位达到最高极限位置时，供泥浆泵自动停止；位达到最高极限位置时，供泥浆泵自动停止；当液位达到最低极限位置时，排泥浆泵则自当液位达到最低极限位置时，排泥浆泵则自动停止动停止。间接控制型泥水加压盾构的优点间接控制型泥水加压盾构的优点密封舱空气室的空气压力是根据开挖面需要的密封舱空气室的空气压力是根据开挖面需要的支护泥浆压力而确定的。不论盾构是否掘进或支护泥浆压力而确定的。不论盾构是否掘进或液面位置产生波动，空气压力终究可以通过空液面位置产生波动，空气压力终究可以通过空气调节阀使压力保持恒定。气调节阀使压力保持恒定。空气缓冲层有弹性作用，在液位波动时，也不

45、空气缓冲层有弹性作用，在液位波动时，也不会影响开挖面的支护液压。会影响开挖面的支护液压。和直接控制型泥水加压式盾构相比，控制系统和直接控制型泥水加压式盾构相比，控制系统更为简化，对开挖面地层的支护更为稳定，即更为简化，对开挖面地层的支护更为稳定，即使在盾构推进时，支护压力也不会产生脉动变使在盾构推进时，支护压力也不会产生脉动变化，对地面沉降的控制更为有利。化，对地面沉降的控制更为有利。几种支护土体方法和与之相匹配的盾几种支护土体方法和与之相匹配的盾构类型构类型1几种支护土体方法和与之相匹配几种支护土体方法和与之相匹配的盾构类型的盾构类型2盾构掘进机类型及功能盾构掘进机类型及功能1盾构掘进机类型

46、及功能盾构掘进机类型及功能2盾构掘进机选型依据盾构掘进机选型依据土质条件、岩性（抗压、抗拉、粒径、成层等各参数）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）开挖面稳定（自立性能）隧道埋深、地下水位隧道埋深、地下水位设计隧道的断面设计隧道的断面环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特环境条件、沿线场地（附近管线和建筑物及其结构特性）性）衬砌类型衬砌类型工期工期造价造价辅助工法辅助工法设计线路、线形、坡度设计线路、线形、坡度电器等其他设备条件电器等其他设备条件盾构掘进盾构掘进机选型的机选型的一般程序一般程序 盾构掘进机的选盾构掘进机的选型首先考虑开挖型首先考虑开挖面

47、的稳定，其次面的稳定，其次才考虑环境、工才考虑环境、工期、造价等限制期、造价等限制因素，同时考虑因素，同时考虑宜用的辅助工法。宜用的辅助工法。根据地质条件选择盾构掘进机类型根据地质条件选择盾构掘进机类型对砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量对砂质土类等自立性能较差的地层，应尽量使用密闭型的盾构施工；使用密闭型的盾构施工；地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应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；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；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，砂砾和软岩等强度较高的地层自立性能较好

48、，应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。应考虑半机械式或敞口机械式盾构施工。根据地质条件选择盾构掘进机类型（续）根据地质条件选择盾构掘进机类型（续）针对地下水条件，若其压力值较高（大于针对地下水条件，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，），就应优先考虑使用密封型的盾构，条件许可也可采用降水或气压等辅助方法。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，一般可考虑采用手掘式或半机械式盾构外，一

49、般应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾应使用土压平衡盾构，若需采用泥水平衡盾构，须增加一个碎石机，在输出泥浆前，先构，须增加一个碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎。将大石块粉碎。工期条件的制约工期条件的制约手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，手掘式与半机械式盾构掘进机使用人工较多，机械化程度低，施工进度慢。机械化程度低，施工进度慢。其余各类型盾构掘进机都是机械化掘进和运其余各类型盾构掘进机都是机械化掘进和运输，掘进速度快。输，掘进速度快。造价因素的制约造价因素的制约一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构一般敞口式盾构掘进机的造价比密闭式盾构掘进机低，主要原因是敞口式盾构掘进机不掘进机低

50、，主要原因是敞口式盾构掘进机不像密闭式盾构掘进机那样有复杂的后配套系像密闭式盾构掘进机那样有复杂的后配套系统。统。在地质条件允许的情况下，从降低造价考虑，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掘进机。宜优先选用敞口式盾构掘进机。环境因素的制约环境因素的制约敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网敞口型的盾构掘进机引起的地表沉降大于网格式盾构，更大于密闭式的盾构掘进机。格式盾构，更大于密闭式的盾构掘进机。基地条件的制约基地条件的制约泥水平衡式的盾构掘进机必须配套大型的泥泥水平衡式的盾构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浆处理和循环系统，若需使用泥水平