2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理
傅德明
上海市土木工程学会
1 土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理
土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口
处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。
1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。
1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理
因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。
1.1.1.3 土压盾构的种类
按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。
表1 土压盾构的种类
图1 土压盾构基本形状
加水式土压盾构①面板一次挡土。
②向排槽内加水，与掘削面水压平衡，增土体的流
动性。
③滞留于土舱内掘削土通过螺旋传送机滑动闸门
作用挡土。
含水砂砾层
亚粘土层
高浓度泥水加压式
土压盾构
①面板一次挡土。
②高浓度泥水加压平衡，并确保土体流动。
③转斗排土器的泥水压的保持调节作用。
松软渗透系数大的含水砂层，砂
砾层，易坍层
加泥土压盾构①向土舱内注入泥土、泥浆或高浓度泥浆，经搅拌
后塑流性提高，且不渗水稳定掘削面
②检测土舱内压控制推进量，确保掘削面稳定。
软弱粘土层，易坍的含水砂层及
混有卵石的砂砾层。
图2 土压平衡盾构种类
面板式土压盾构辐条式土压盾构,不
1.1.
2. 构成系统
采用土压盾构时，必须根据地层土质条件建立一个施工系统。该系统由掘削推进装置、掘削面稳定装置、添加材注入装置、搅拌装置、碴土运出排放装置等装置构成。因该施工系统与土压、地下水压、土质、最大粒径、颗粒级配、含水量，加材的种类、配比、浓度、注入量、注入速度，刀盘扭矩，推进速度、排土装置等诸多因素有关。所以必须事先对这些因
素的影响进行周密细致的调查，以便选择满足设计要求的有充足裕度的且可进行恰当管理的各种装置、设备、系统。
1.1.
2.1 盾构机构造设计时的注意事项
因土压盾构掘削面与隔板之间充满掘削泥土，各种机械零部件的更换和改造极为困难，所以必须考虑其耐久性和耐磨性。各机械单元应注意的事项如下：
(1)掘削刀盘的支承方式:必须根据土质条件选择可以充分发挥其特长的支承方式。
(2)刀盘
①面板：要不要面板应根据掘削面的稳定性、土舱内检修和掘削刀具更换的安全性等条件确定。使用面板时应据土质条件(粘聚力、砾石)、障碍物状况，总之以不妨碍泥土流入为原则选择面板开口的宽度和数量。
②扭矩：通常根据土质条件，有无砾石确定。一般情况下，掘削时的摩擦扭矩、土的搅拌(向上)扭矩都比泥水盾构的情形要大，另外，也要考虑开挖面不能自立时的富裕度。
③盾尾密封：特别重要的是对于地下水压、壁后注浆压应具有良好的密封性，为了提高止水性能，止水带的设置层数不能太少。
④土压计：为测量土舱内的泥土压力，必须选用精度高、耐久性好的优质产品，并设置在适当的位置上。
⑤千斤顶安全锁：在开挖面土压力作用下，盾构始终受到正面土压作用，为了在管片组装等推进停止过程中盾构机不发生后退，液压系统应设置销定装置。
(3)掘削面稳定测量
为了判断开挖面的稳定性，可在盾构上装设土压、排土量、刀盘扭矩、盾构千斤顶推力等计测仪器和开挖面坍塌探测仪等。通过实测数据的分析，判断掘削面的稳定状况。
(4)添加材注入装置
土压平衡式盾构上的加材注入装置由添加材注入泵、设置在刀盘和土舱内等处的添加材注入口等组成。注入位置、注入口径、注入口数量应根据土质、盾构直径、机械构造进行选择。因注入口被土砂堵塞时，修理、清扫等都很困难，故应采用防堵结构。
添加材注入装置必须能跟踪刀盘扭矩的变动，及时改变注入材料在地层中的渗透，排出碴土的状态，土舱内的泥土压等参数，即调节注入压和注入量。
(5)搅拌装置
搅拌装置必须在刀盘的开挖部位，取土部位有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、粘附、沉积等现象。搅拌装置有以下几种，可单独使用，也可组合使用。
①刀盘(刀头、轮辐、中间梁)。
②刀盘背面的搅拌翼。
③调协在螺旋排土器芯轴上的搅拌翼。
④设置在隔壁上的固定翼。
⑤独立驱动搅拌翼。
(6)排土装置
土压平衡式盾构上的排土装置必须是能够保持渣土和土压力、地下水压力的平衡，并具有按盾构推进量调节排土量的控制功能。
排土机构有以下方式：
①螺旋式排土器+闸门方式
②螺旋式排土器+排土口加压装置方式
③螺旋式排土器+旋转式送料器(旋转料斗、阀门)方式
④螺旋式排土器+压力泵方式
⑤螺旋式排土器+泥浆泵
考虑排土装置时，必须考虑与土质、砾石直径、地下水等地层条件和盾构直径、隧道内外条件选择最为合适的设备。
螺旋式排土器的型式大致区分为[有轴螺旋式排土器]和[无轴螺旋式排土器]。挖掘砾石地层时，需按排土能力考虑输送机型式和尺寸大小(直径)。
尤其在透水性好的土质条件下使用无轴螺旋式排土器时，需认真研究止水性等压力保持能力。
削土加压式盾构
削土加压盾构，即利用刀盘掘削下来的原状土稳定掘削面的盾构。这种盾构主要适用的土质为粉砂粘土、细粉砂粘土、含少量砾石的细砂粘土等冲积层细粒软土(N值不超过15，天然含水率≥25%，渗透系数K<5×10-2cm/s)，这些土体的摩擦角小，塑流性大)。这种盾构是土压盾构的基本型式。这种盾构靠刀盘掘削土体；靠刀盘、搅拌叶片及螺旋输土机的旋转破坏土体的压密性，降低其强度，提高其塑流性。推进装置通过掘削土对掘削面施加被动土压实现掘削面的稳定。在维持掘削面稳定的前提下，由螺旋输土机的出土口排土给土车，运送至隧道外部。
1.2.1 盾构机的构成特点
(1) 刀盘: 掘削刀盘通常设置在盾构的前端，由加劲肋和面板构成。加劲肋上装有刀具，用来掘削土体；面板是承受掘削面水、土压力的第一道挡土机构。
切削刀盘一般选择周边支承，刀盘辐条、进土孔和面板的尺寸及布设主要取决于盾构外径和土质特点，设计原是可使掘削土顺利地流向螺旋输土机，并避免土舱处周边外的掘削土的压密固结。
图3 刀盘和液压驱动, 图4 螺旋输送机
(2)排土机构: 由螺旋碴土输土机、排土控制器及泥土输出设备构成。
(3)土体搅拌机构
1.2.2运行管理
这里只介绍掘土量和排土量的运行管理，其目的是确保掘削面稳定。避免地层沉降过大给邻近构造物带来的不良影响。具体运行管理方式有以下三种：
①控制挖土量。先将螺旋输土机的转速调整到某一定值，保持排土量基本不变，然后由设置在土舱内的土压计和刀盘的掘削扭矩的监测仪表控制盾构的推力和速度。
②控制排土量。先将盾构的掘进速度调整到一定值，保持掘土量基本不变，然后由设置在螺旋输土机内的土压计的实测值控制螺旋输土机的转速，或转斗排土的转速。
③同时控制掘土量和排土量。把上述两种方式组合起来同时控制。效果较好，但运行管理复杂。
1.2.4 加水土压盾构
1. 工作原理
当掘削地层为渗水系数大的砂层、砂砾层时，若再利用削土加压土压盾构，尽管土舱内掘削土可以平衡掘削面上的土压，但由于孔隙率大(细粒成分少)无法阻止地下水的涌入，即
地下水会从螺旋输土机的排土口喷出，使盾构掘进受阻。作为阻止地下水涌入的措施，可在输土机的排土口处设置一个排土调整槽，该槽上部设一个加压水注入口，底部设一个泥水排放口。由加压水注入口注入加压水，与掘削面上的水压平衡(阻止地下水涌入)起稳定掘削面的作用。螺旋输土机把土舱内的掘削土运送给排土调整槽，掘削土在槽内与水混合成泥水，随后由管道输到地表，经地表的土、水分离后，分离水返回排土调整槽循环使用。示意图如图2所示。
图5 加水式土压平衡盾构
2．盾构机构造特点
加水土压盾构是一种装有面板的封闭型盾构。刀盘的构造与削土加压盾构基本相同，区别在于除可安装一般掘削刀具外，还装有可切割砾石的刀具。刀盘的开口率按预计砾石的最大直径决定，一般为20%～60%。螺旋输土机排土口处设有排土调整槽，用来送入有压水确保掘削面稳定输出泥水经管道排至地表。舱, ,迟,
3. 运行管理
加水式盾构开挖面稳定的管理系指排土量的管理和加入水压力的管理，要求随时掌握盾构掘进的挖掘土量和排土量的关系，使土腔内的土保持在最佳滞留状态，同时要求加压水的压力与地下水压力平衡。
(1)排土率的管理:排土量基本上可由盾构的推进速度和螺旋输土机的转速来控制。排土率可以通过盾构的推进速度和盾构开挖面的面积计算出的挖掘土量与装在入水管和排泥管上的流量计、密度计所反映的排土量相比较而求得(可用与泥水加压盾构相同的方法求得)。
为使土舱内的掘削土量保持最佳滞留状态，应对总推力、刀盘扭矩、螺旋输送机扭矩等进行测定，通过测定结果的反馈来进行最佳管理。
(2)加入水压力的管理:加入水压力的管理是以土舱内孔隙水压力的测定结果作为地下水的压力基准值，进而控制排土调整槽中的加入水压力。
加入水压力的控制可根据流体输送泵的转速、阀门的开度进行调整。
加入水压力的管理是以开挖面稳定、容易挖掘为准则(最佳加入水压力)，依据地层土质条件和掘削情况来制定，但是，在管理上，除考虑了以上基本条件之外，还规定了一个以盾构中心水压力为准的上、下容许变动值，并在此范围内进行管理。
加泥土压盾构
1.4.1 工作原理
加泥式土压平衡盾构，是靠向掘削面注入泥土、泥浆和高浓度泥水等润滑材料，借助搅拌翼在密封土舱内将其与切削土混合，使之在成为塑流性较好和不透水泥状土，以利于排土和使掘削面稳定的一类盾构机。掘进施工中可随时调整施工参数，使掘削土量与排土量基本平衡。盾构机仍由螺旋输送机排土、碴土由出土车运输。加泥式土压平衡盾构(以下简称加泥土压盾构)的构造见图6。
这类盾构主要用于在软弱粘土层、易坍塌的含水砂层及混有卵石的砂砾层等地层中隧道的掘进施工。
图6. 泥土加压式盾构机
1.4.
2. 盾构构造特点
与削土加压式盾构相比较，加泥式盾构是无面板的辐条式盾构，密封土舱内设有泥土注入装置和泥土搅拌装置、排土装置等与前者相同，这类盾构特点如下：
a)可改善切削土的性能。在砂土或砂砾地层中，土体的塑流性差，开挖面有地下水渗入时还会引起崩塌。盾构机有向切削土加注泥土等润滑材料并进行搅拌的功能，可使其成为塑流性好和不透水的泥状土。
b)以泥土压稳定开挖面。泥状土充满密封舱和螺旋输送机后，在盾构推进力的作用下可使切削土对开挖面开成被动土压力，与开挖面上的水、土压力相平衡，以使开挖面保持稳定。
c)泥土压的监测和控制系统。在密封舱内装有土压计、可随时监测切削土的压力，并自动调控排土量，使之与掘削土量保持平衡。
1.4.3 . 添加材料
添加材料一般采用由粘土、膨润土CMC、高吸水性树脂及发泡剂等材料制成的泥浆液。切削土体为软弱粘性土时，可不需注入泥浆，但在砂土和砂砾等地层中则必须注入泥浆。泥浆中泥土的含量可大致采用表2所示的数据。
表2 不同土质时的泥浆浓度和使用量
土质类别泥浆浓度(%) 使用量(l/m3)
砂土层15～30 ≤300
砂砾层30～50 ≤300
白色砂质沉积层20～30 ≤200
砂质粉土层5～15 ≤100
在掘进施工中，加泥量应根据刀盘扭矩、螺旋输送机转速、推进速度和排土量等随时进行调整。
1.4.4. 运行管理
为使掘削面保持稳定，掘进施工中或应对排土量和土压进行管理和控制，排土量可按下述两种方法进行计算。
(1)测出空车和载重车的重量，据以算出排土量。
(2)根据盾构推进量和螺旋输送机的转速，按下式计算排土量：
=
ANP
Qη
式中： Q ——排土量；
η——排土效率；
A ——螺旋输送机断面积；
N ——转速；
P ——螺旋翼片的间距。
由于刀盘不设面板，掘削面完全由密封舱内的泥土压支撑，故土压可通过安装在密封舱内的土压计直接进行测量和管理。通常需使土压P 处于以下范围： w p w P P P P P <<<＋a （） 式中：a P ——主动土压力； p P ——被动土压力； w P ——地下水压力。
通常先根据地质勘测结果确定设定土压力0P ，同时制定土压的上、下限，其允许范围为)(~)(00P P P P ?+?-
复合土压盾构 1.5.1 引言
上面几节叙述的土压盾构可以说均为软土土压盾构。这些盾构对穿越路线上强度差别较大的地层(如岩层、软岩、软土等)及掘削全断面内纵向强度不均匀等复杂地层而言，已失去适应性。为此人们开发了适应上述复杂地层的所谓的土压复合盾构。为了适应复杂地层条件需要复合盾构机的刀盘上装有2种(或2种以上)刀具，即可切削软土，也可切削软岩、砂砾和硬岩层。图示出的是复合盾构的构造图；照片是复合盾构刀盘正视外貌；照片、、均为复合盾构实物外貌。其它装置与一般土压盾构相同，不再赘述。本节重点叙述复合盾构的稳定掘削面的方式、适用范围、施工注意事项及工程实例。
图7 复合盾构构造图
1.5.2 工作原理
因为复合盾构掘削地层的对象为复合地层，即从软土层延伸到硬岩。所以复合盾构工法与一般的软土盾构工法存在一定的差异。归纳起来，存在以下几点：
①对硬地层而言，盾构的切削刀具以可以破碎岩层的滚刀为主。就面板而言，多为穹形，即使面板最外缘也作滚动切削，以便确保外围岩层的破碎。
②就岩层而言，锚固千斤顶锚固在井壁上，取其反力推进盾构(TBM机)。一次衬砌可据地层状况作如下处理，可以用简单的钢制支承和挡板作衬；也可以用喷射混凝土法作衬；也可不作衬(岩层强度极大)。
③就破碎带和软地层而言主，与通常的软土盾构掘进一样使用管片组装一次衬砌，并以该管片上取得的反力作为盾构的推进力。
④因为在岩层中采用以滚刀为主的面板，而在土砂层中采用以T刀具为主的面板，所以地层变化时应在变化点更换面板。
1.5.2．稳定掘削面的方式
复合盾构机运行多采用方式识别和智能控制系统，操作人员可据硬岩、软岩、复合地层及软土层的条件设定稳定掘削面的方式。稳定方式大致分为以下3种，见表3。
表3稳定掘削面的方式及有关事项
有关事项
稳定掘削面的方式
不加压稳定式气压稳定式土压平衡稳定式
适应地层掘削地层完全可以自立，且
地下水少，即使有少量地下
涌水，也完全可以控制。多
数为硬岩层。
掘削地层的地下水压力
为～，且地下水丰富。具
体地层多为硬岩层，局部
强风化岩层，局部全风化
岩层、软岩层。
掘削地层系不能自立的土层、地下
水压较大(超过，且地下水丰富。
具体系指隧道全断面或上部处于
不稳定地层和强风化岩层、全断面
处于断裂构造带及地层涌水量大
的地层。
系统参数设
定土舱内无需建立压力(超过
大气压的压力)。螺旋输土
机的转速可据出土状况设
定。
向土舱内压注压缩空气，
气压<。土舱内掘削土可
顺利压往螺旋输送机入
口。
可据具体情况随时改变螺旋输送
机的转速，从而调节土舱内压，可
适当加大泥浆(或泥水)的注入压
力。
添加剂的使用状况掘削土体粘度较大时，可向
土舱内注入适量的水。
须往掘削面上的土舱内
添加发泡剂。
须往掘削面上和土舱内添加发泡
剂，有时也添加膨润土等添加材。
掘进速度(8～12)cm/min (5～8)cm/min (2～5)cm/min
注意事项注意观察渣出状况，一旦发掘进结束后，土舱内应保控制好螺旋输送机的出土速度及图8 复合型土压盾构刀盘正视(土压、敞开并用) 图
(1)不加压稳定方式
不加压稳定方式即土舱内的气压为大气压，无需在土舱内建立气压或土压平衡以支承掘削面上的土压和水压。完全靠掘削地层自身的自立能力确保掘削面的稳定。就这种掘削方式而言，盾构机的刀盘具有较大的切削和破碎硬岩的能力。掘削下来的岩渣通过刀盘上的开口(即卸渣口)进入土舱，随后被深入土舱底部的螺旋输送机送出。
(2)气压稳定式
气压稳定式盾构掘进时，土舱内下半部是岩渣，上半部是压缩空气(气压<，靠该气压对抗掘削面上的土压+地下水压，防止掘削面的土体坍塌及地下水的涌入。
(3)土压稳定式
这里的土压稳定式盾构的工作原理，就是前面叙述过的土压平衡盾构的工作原理。即刀盘切削下来的渣土充满土舱，与此同时，螺旋输送机排土。掘进过程中始终维持掘削土量与排土量相等来确保掘削面的稳定及防止地下水的渗入。即确保盾构掘进的顺利正常进行。
3. 适用地层的范围
复合盾构适用的地层范围是硬岩、软岩、硬土、软土及上述岩、土的复合层。
1.5.3 施工注意事项
复合盾构工法施工成败的关键在于认真地作好掘进管理，实现信息化施工。掘进管理包括掘削面的状态管理(土压、水压、推力、扭矩、推进量、排土量、注入土舱的泥浆的质量、背后注浆量等等)；隧道中心轴线的偏移量；一次衬砌的拼装质量；背后注浆的状况及地层变形的状况等。下面重点介绍施工中一些值得注意的事项。硬因应,,
1．刀具更换
在岩层中施工时，如果盾构刀具受损，则可对土舱施加气压，作业人员入舱更换刀具。更换刀具时要选择土体自立性好的层段进行，最好选择全断面均为岩层的区段。
在软土层或粘度较高的砾质粘土层中施工时，应尽可能不使用滚刀，同时增加刀盘的开口率。
在强度较高的风化岩中施工时应及时安装滚刀；在强底较低的风化岩中施工时，应安装T型刀具或超前刀具。
2．盾构在不同地层分界面处的施工
盾构由软土层进入全断面岩层，即由土压平衡态向气压或不加压态过渡时，除适当降低土压设定值，增加同步注浆量、调整各区域油压差以及改变盾构千斤顶的合力位置外，还应放慢推进速度。
盾构由全断面岩层进入软土层，即由气压方式或不加压态，向土压平衡态过渡时，除适当提高土压设定值，减少同步注浆量外，还应提高盾构与设计轴线的相对坡度，调整各区域油压差改变盾构千斤顶的合力位置和方向，提高推进速度。
3．盾构穿越断裂带的施工
①施工前应确切地掌握断裂带的分布状态，视实际情况对隧道顶部以上的断裂带土层进行加固。
②盾构切口切入断裂带时，应考虑盾构正前方岩土性质的变化，对盾构姿态和出土量等参数作相应调整，以防止盾构产生下倾、上仰。为了抑制沉降和断裂带涌水的不利影响，应及时实施同步注浆。
③盾构穿越后，为确保隧道稳定，防止断裂带向盾构切口涌水，必须及时的向隧道外
周的断裂带土层进行背后注浆，以便切断向切口的涌水通路。
④ 配备抽水泵及时抽去盾构掘削面上的积水，确保盾构高速掘进，严格控制螺旋输送机闸门的开度，避免喷涌造成的地层沉降。
4． 盾构在岩层中的施工
① 合理利用超挖刀和中折千斤顶，以达到纠偏效果和控制盾构机的的姿态。
② 孤石处理:孤石出现后立即停止推进并锁定千斤顶，防止盾构后退。若前方地层的自立性好，则先清空土舱内的泥土并建立气压平衡，随后作业人员通过人行闸进入土舱，对孤石进行粉碎；若地层自立性差或根本不能自立，则需先对土体进行加固处理，随后方可允许作业人员进舱工作。
5． 刀盘泥饼的形成及防止
当在裂隙水丰富且塑性较大的风化岩中掘时，若盾构土舱设定压力过高，经切削破碎后的风化岩与裂隙水混合，经刀盘碾压极易在刀盘正面及土舱内壁上形成粘附泥饼，从而致使刀盘的切削效率大降，刀盘扭矩、推力大增，设备故障率大增。为了防止泥饼的产生，通常采用下列措施：
① 土舱内水、土、气压力设定值不宜过高，应设法减少刀盘与正面岩土的挤压应力。
② 采取压发泡剂等措施切断裂隙水的通道，防止地层中的裂隙水涌入。
③ 合理布设刀盘刀具，遇到塑性大在，裂隙水丰富的风化岩土时，应及时拆除滚刀。 ④ 向刀盘正面压注一定量的发泡剂或润滑水，减小刀盘与正面土体的碾磨力，同时还可增加破碎土的塑流性。
⑤ 在土舱内加以适当的气压，提高螺旋输送机的排土能力。
2 泥水平衡盾构的结构原理
2.1 泥水盾构开挖面稳定机理及适用土层范围
泥水加压式盾构开挖面土体是依靠泥水压力对开挖面上的水土压力发挥平衡作用以求得稳定。泥水压力主要是在掘进中起支护作用，其原理见图9。当盾构底部处于地下水位以下的深度为H 时，其水压力为H ?水γ，而在盾构正面密封舱(即泥水压力室)底部的泥水压
力为）＋（泥h H ??γ，由此可见地下水压力小于泥水压力。因此在盾构正面密封舱内通入高
于地下水位h ?的泥水，则在开挖面任何一点y 处的地下水压力为y ?水γ，泥水压力
）＋（泥h y ?γ。一般情况下h ?取2m,而泥γ大于水γ，开挖面任何一点的泥水压力总是大于
地下水力，从而就形成了一个向外的水力梯度，这是保持开挖面稳定的基本条件。 此外，由于泥水中的粘粒受到上述压力差作用在开挖面形成一层泥膜，对提高开挖面的稳定性起到极其重要的作用，尤其在均匀系数较小的砂层中的稳定作用尤为显着。泥水的容重随土层的不同而变化，在粘性土中容重可小一些，在砂层或砂砾层中容重要大一些，见表4。
图9 泥水加压盾构作用原理
表4 泥水容重参考值
土质KN/m3
粘性土(亚粘土、轻亚粘土)
砂性土(粉砂、亚砂土)
细砂、中砂(含有粉粒及粘粒)
中粗砂(含有多少量粉粒)
砂砾（含有少量粉粒）
当盾构停止掘进时，开挖面切削土层的大刀盘便停止转动及进土，变成为一个大型的正面支撑板，对开挖面保护稳定是有利的。
随着泥水加压盾构施工技术的发展，有关泥水加压盾构开挖面稳定的理论亦随着深化和发展。
2.1.1 开挖面稳定机理
2.1.1.1 泥模形成机理
泥水加压盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，与泥水混合后、形成高密度泥浆，然后由排泥泵及管道把泥浆输送到地面处理。整个过程是通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。
在泥水平衡的理论中，泥膜的形成是至关重要的，当泥水压力大于地下水压力时，泥水按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强。当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。
2.1.1.2泥膜形成基本要素
从泥水平衡理论中可以看出，在泥水加压式盾构法施工中，尽快形成不渗透泥膜是一个相当关键的环节。然而，要形成泥膜必须满足下列四项基本条件。
(1)泥水最大粒径---泥水最大颗粒粒径对泥膜形成的效果有很大影响。根据土层渗透系数K和的不同要求，泥水最大颗粒粒径亦不同，它们之间必需相互匹配，其关系见表5
表5 泥水最大粒径与K值关系参表
土层名称地层渗透系数k(cm/s) 泥水最大粒径(mm) 粗砂1～9×101
中砂1～9×100
细砂1～9×10－1～－2
(2)颗粒级配----颗粒级配对泥膜形成具有很大的影响，最佳的泥水颗粒径分布形式必须通过大量实验来确定。
(3)泥水深度---泥水深度提高能使泥水屈服值升高，同时能使泥膜的稳定性增强。实验证明高密度的泥水可以产生高质量的泥膜。
(4)泥水压力 虽然渗透体积随泥水压力上升而上升，但它的增加量远小于压力的增加量，而增加泥水压力将提高作用于开挖面的有效支承压力，因此，开挖面处在高质量泥水条件下，增加泥水压力会提高开挖面的稳定性。 2.1.1.3 掘进速度与泥膜的关系
泥水加压盾构处于正常掘进状态时，刀头并不直接切削土体，而是对刀盘正面已形成的泥膜进行切削，在切削后的一瞬间，又形成了下一层泥膜，由于盾构刀盘转速是一定值，而且盾构推进速度最大能力又受到一定限制，因此掘进速度只和切入土体的深度有关，而和泥膜无关。
但是当泥水加压式盾构在不正常掘进状态时，特别当泥水质量和切口水压达不到设计要求时，泥膜需经过较长时间才能形成，这样就约束了掘进速度。高质量泥水形成泥膜的时间为1-2秒。
2.1.2 开挖面稳定的判断方法
泥水加压式盾构在掘进过程中，泥水不断循环，开挖面的泥膜因受大刀盘的切削而处在形成—破坏—形成的过程中。由于地层的变化等因素，开挖面的平衡是相对的，为保持开挖面的稳定，在泥水加压式盾构掘进施工开挖面稳定就成为重要的管理项目之一，它直接影响着隧道施工质量。合理地进行泥水管理、切口水压管理和同步注浆管理控制每环掘削量是开挖而稳定的必要保证。由于泥水加压式盾构在掘进过程中，开挖面充满泥水，泥水室前侧是切削刀盘，后侧是密封隔墙，四周是盾构，壳体施工操作人员是不可能用肉眼直接观察到开挖面稳定状况。为此，通常采用下述方法对开挖面稳定状况进行判断。 2.1.2.1 土砂量掘削控制
（1）根据地质情况进行理论性的每环掘削量土砂计算
所求得的理论掘削量将作为控制每环实际掘削土砂量的大致目标。 （2）实际掘削土砂量
实际掘削土砂量是通过中央控制室的掘进管理系统，直接显示在计算机屏幕上，它能较真实的反映实际掘削过程中的掘削土砂量。但由于设置在泥水输送管路系统中用经测定泥水密度和泥水流量的密度计、流量仪等仪器的差，使实际掘削土砂量因测量精度而产生误差。
为了将系统误差缩小到最低(挖掘在测量仪表正常精度范围内)，需在旁路运转时，定期检查校正设备。
（3）实际掘削土砂量W(干砂量 )与偏差流量q ?的关系 偏差流量△q 瞬时计算式
)Q V A (Q q 0S 1＋?-=?
式中：
q ?——偏差流量(m 3/min)
A ——盾构刀盘面积(m 2)
S V ----推进速度(m/min) 0Q ----进泥流量(m 3/min)
1Q -----排泥流量(m 3/min)
上式变换可得到排泥流量计算式
q )Q V A (Q 0S 1?+?=＋
由此可见，实际掘削量W ′(干砂量)与偏差流量q ?的关系，偏差流量为正值时，盾构处于“超挖”状态，干砂量比砂量比标准值大：偏差流量为负值时，盾构处于“溢水”状态，干砂量比标准值小。
(4)掘削量的判断方法
每掘进50-100环后，统计10-50环泥水质量较好、每环掘进后盾构切口上方地面沉降量较小的掘削量，并将统计值输入计算机。在掘进过程中，动态观测本环掘削量曲线与统计曲线的变化情况。
当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。此外，也可以利用探测装置，调查土体坍塌情况，在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。 2.1.2.3 溢水量检查
泥水质量的好坏将直接影响泥膜形成的时间和开挖面的稳定。溢水量是测定泥水浆液质量的一个较好的方法。在延安东路南线隧道泥水盾构施工中认为较好质量不泥水溢水量为
）（h m /A 2.62??l ，A 为掘削断面积2m 。
当掘削停止时，中央控制室观测单位时间内的累计值，如果泥水溢水量大于
）（h m /A 2.62?l ，则应检查泥水质量和管路系统泥浆情况。
3 利用探测装置进行土体崩塌检查
为保证开挖面稳定，有必要利用安装在盾构顶部的探测装置定期进行检查，判断盾构前上方的土体有无松动。一般要求每天进行2～3次的检查，并做好探测记录。
如发现土体有可能崩塌时，应首先对探测结果进行综合分析，并适当增加泥水密度和进行泥水循环。
2.1.2.4 地表沉降与信息反馈
地表沉降也是反映盾构正面稳定的一个方面。因此需要在盾构掘进沿途布置沉降测点，跟踪测量因盾构掘进而引起的地表的沉降情况。一般每天需对盾构前10～20m 、盾构后30～50m 轴线区域内的各沉降点进行监测。同时，也应对30～50m 以后的各点进行定期测量，直至沉降稳定上为止。
开挖面不稳定而产生的地表沉降往往发生在盾构切口前方，这时应检查泥水质量及切口水压。当盾构后方发生较大沉降时，多数是由于同步注浆不足所致，这时应提高同步注浆率，改善产注浆效果。
5.开挖面水压信号检查 在检查开挖面水压时，应注意检查开挖面水压信号传感器，有时会因为管路堵塞而影响正常采集数据。
2.1.3 适当土层范围
泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层中使用，由于泥水对开挖面的作用明显，因此在软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等地层中均适应，图10所表示的是适应于泥水加压盾构的地质和N 值的关系。
图10 泥水加压盾构的适应地层
目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围正不断扩大，即使处于恶化的施工环境和存在地下水等的不良条件下，由于有相应的处理方法，因而被认为几乎能适应所有的地层。现就下列不同土质，从经济而又安全地掘削施工方面作一比较。 2.1.3.1.粘性土层
粘土矿物相互间电化学结合面形成的粘性土层，近似变质了琼胶块关体、所以由泥水比重和加压带来的力就容易形成对开挖面的稳定，不论粘性土层的状态如何、都适应于用泥水加压盾构工法施工的地层，日本的冲积层和洪积层的两层粘性土层，在敞开型盾构工法中，因开挖面敞开时间过长而引起的开挖面坍塌和弹塑性变形，是很能难防止地面下沉的。密闭型盾构工法，因周围土体受到扰动而造成的地面沉降较大，泥水加压盾构在加压时，又用刀盘作圆周切削可解决上述地表沉降的问题，因而泥水加压构是最适当的。同时泥水加压盾构也适用 超出密闭型盾构使用范围的(由于粘性、液性界限和砂的比例等)粉砂土及粘土层。 2.1.3.2.砂层
不含水的砂层由于漏浆，就不能保持住对开挖面的加压和稳定。通常，在含有某一数量的粉砂土、粘土的冲积层中，几乎都有一定的含水量，全部都是细砂的地层是少见的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂层内摩擦角有许多是在0
28=?左右、所以大部分可用泥水加压来保持开挖面的稳定。松驰的含水量多的砂量，在其它盾构工法中是很难保持土层稳定，采用泥水加压盾构并提高其泥水比重、粘度和压力是适用的。 2.1.2.3.砾石层
颗粒级配组成好的密实砾石层开挖面是稳定的，没有必要采用泥水加压盾构。但是对于水分多、不含有作为粘合剂的粉砂土及粘土等，相撞时会发出嘎拉嘎拉响声的砾石层和有大直径的砾石层，若不实行任何措施，就会发生开挖面塌方的事故。因此安装砾石破碎装置和排砾装置，增加了泥水加压盾构的适用场合。当使用泥水时，开挖面的稳定就容易保持。在有地下水可能涌出的场合下，管片不再是不能进行拼装了。但若不详细地调查砾石层颗粒级
配组成、地层变动情况、地下水涌出量、流量以及砾石的啮合等状况，则是否需要采用泥水就值得考虑了。
2.1.
3.
4.贝壳层
贝壳层很难称为一种土层、但含有水存在于土体中的贝壳很多，同上述砾石层一样更加坚硬，开挖面很难稳定，但使用泥水并用大刀盘挖土就可以成为能适应的地层。
除岩层以外，泥水加压盾构能适于各类地质的土层，对开挖面难以稳定的土质特别有效，除地层(含水)因素以外，还能克服地面条件和其它地下条件的因素所造成的种种困难而取得成效，譬如上部是河或海等有水体的地方；有道路、建筑物的地方；有土中埋设物和地下结构物的地方，适合于要减少沉降的地方等。在这些场所采用泥水加压盾构，无论在工法上还是经济上都是有效的，见表5吧。
表5 盾构选型参考表○原则上通用△应用时需要探讨
泥水盾构掘进工况
2.2.1 旋转刀盘
2.2.1.1 旋转刀盘的切削方式和构造形状
①切削方式
切削方式通常有下图三种，见图24。其中回转切削方式的结构紧凑，因其易于调整侧向倾斜，一般多采用这种方式。
图11 泥水盾构常用切削方式
2.2.1.2 构造形状
一般根据施工要求和土质条件确定构造形状。幅条形状可减少切削时的实际扭矩，便于将土砂排出。面板形状对工作面的支护及工作面保存注浆材料有效。刀盘前端的形状分为中心凸出、全部凸出。凹陷等数种，选用时应根据工作面的稳定条件来决定。在含有大砾石的地层中，要注意由于形状不同会产生耐磨耗程度不同的问题。
(1) 旋转刀盘支承方式
旋转刀盘在支承构造上主要有两大方式：中心支承方式和周边支承方式。
滚筒刀支承方式见图12，中心周边支承方式见图13，中心支承方式的泥水加压平衡盾构掘进机见图14、图15,周边支承方式的泥水加压平衡盾构掘进机见图16,图17。
图12 滚筒力支承方式
图13 中心周边支承方式
图14 中心支承方式Ф6.15m泥水加压平衡盾构
图15 中心支承方式Ф10.02m泥水加平衡盾构
图16 周边支承方式Ф3.97m泥水加压平衡盾构
图17 周边支承方式Ф6.75m泥水加压平衡盾构
根据各自特征、开挖面状况、土质以及砾径等可选择相应支承方式使用。这两种支承方式的主要特征比较如表6
旋转刀盘的两种支承方式比较
中心支承式周边支撑式
掘进时泥水室内的泥水状态由于是属单板大刀盘形式、上、下
部泥水混合有困难，所以上、下部
的泥水比重不同由于大刀盘内侧有料斗，能将下部的土砂扬起，上下部泥水浓度相同，并高于送泥水浓度，对开挖面稳定有利
停止时泥水室内的泥水状态从临近盾构顶部处送入泥水、需防
止顶部土体塌方由于送泥管位于中心部位，顶部泥水比重随时间推移而降低，对稳定不利
排泥水管堵塞排泥水管易形面较陡坡度，较易堵
塞排泥水管在中心呈水平布置，不易堵塞
用搅拌机检测开挖面塌方低速转动搅拌机，通过力矩变化来
检测开挖面塌方情况由于搅拌机靠近中心位置，不能检测
排除障碍物盾构掘进机内有效空间小，困难盾构掘进机内中心部位空间大，可
以去除障碍物等
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 傅德明 上海市土木工程学会 1 土压平衡盾构的结构原理 土压平衡盾构的基本原理 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口 处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1 稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1 粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2 砂质土层掘削面的稳定机理 就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3 土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1 土压盾构的种类 图1 土压盾构基本形状
土压平衡盾构施工技术难点及处理措施 【摘要】土压平衡盾构以其高效、安全、环保等优点，已被广泛应用于地铁施工中，虽然技术成熟，但施工中一些常见的问题，施工方依然应当采取预防及处理措施，从而确保地铁工程的施工质量。本文根据实际工作经验，对施工中几个常见的难题探讨了其预防及处理措施。 【关键词】土压平衡盾构；盾构法隧道；事故预防；处理 一、盾构刀盘结泥饼问题 盾构机穿越粘土地层时，如掘进参数不当，则刀盘和土仓会产生很高的温度，这样粘土在高温、高压作用下易压实固结成泥饼，特别是刀盘的中心部位。当泥饼产生，最终会导致盾构无法掘进。 施工中采取的主要技术措施为：1）施工前分析隧道范围内的地层情况，在到达此地层前把刀盘上的部分滚刀换成齿刀，增大刀盘的开口率。3）合理增加刀盘前方泡沫的注入量，增大碴土的流动性，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的几率。5）必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，以增加渣土的流动性，利于渣土的排出。6）如果刀盘产生泥饼，可空转刀盘，使泥饼在离心力的作用下脱落，施工过程中确保开挖面稳定。7）如上述方法均未能奏效，则可采用人工进仓处理的方式清除泥饼，人工进仓处理前如掌子面地层软弱，则需进行预加固。 二、桩基侵入盾构隧道 城市地铁线路规划设计应避开重要建（构）筑物、避开建筑物的桩基，但城市中心区内房屋建筑较为密集，要求线路选线时避开所有的建筑物是不现实的，因此难免会有一些建筑物桩基侵入隧道，由于许多桩基为钢筋混凝土结构，盾构机无法通过，需要对桩基进行拆除。针对侵入盾构隧道的桩基，采取的措施为：1）具有承载力的桩基，采取桩基托换方法。2）大竖井暗挖拆除桩基方法。3）小竖井开挖分区拆除桩基方法。4）人工挖孔+暗挖横通道拆除桩基方法。 深圳市地铁龙岗线西延段3153标盾构区间下穿燕南人行天桥，开工前该桥地表以上部分已经拆除，但桩基并没有拆除。调查资料显示共有8根直径为1.2m 的人工挖孔桩侵入右线隧道，盾构机无法安全、顺利通过。为了使侵入隧道的桩基不对盾构施工造成影响，采用比原桩基直径大的人工挖孔桩自地表而下来破除侵入隧道范围内的桩基。燕南人行天桥与盾构区间隧道位置关系如图所示。侵入隧道桩基与隧道纵面位置关系如图1和图2所示。 图1 燕南人行天桥与盾构区间隧道位置关系图 图2 侵入隧道桩基与隧道纵面位置关系图
土压平衡盾构施工工艺 作业指导书 3.6.1 工艺概述土压平衡盾构施工中,由刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先 设定值时，土 仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。 3.6.2 作业内容一、启动皮带机、刀盘、螺旋输送机等机电设备，根据测量系统面板上显示的盾 构目前滚动 状态选择盾构旋向按钮，一般选择能够纠正盾构滚动的方向；开启螺旋输送机的出渣口仓门并开 始推进。二、根据测量系统屏幕上指示的盾构姿态，调整各组推进油缸的压力至适当的值，并逐渐增 大推进系统的整体推进速度。三、在盾构的掘进过程中，值班工程师及设备主管人员随时注意巡检盾构的各种设备状态， 如泵站噪声情况，油脂及泡沫系统原料是否充足，轨道是否畅通，注浆是否正常等。操作室内主司机应时刻监视螺旋输送机出口的出渣情况，根据测量系统屏幕上显示的值调整盾构的姿态。发现问题立即采取相应的措施。 四、掘进完成后停止掘进按以下顺序停止掘进：停止推进系统、逐步降低螺旋输送机的转速至零、停止螺旋输送机、关闭螺旋输送机出渣口仓门、停止皮带机、停止刀盘转动。 3.6.3 质量标准及验收方 法 1、盾构本体滚动角不大于3度。 2、盾构轴线偏离隧道轴线不大于50mm。 3、盾构推进过程中壁后注浆不小于设计方量，设计方量根据地质情况、地表监测情况调整。 4、根据横向偏差和转动偏差，应采取措施调整盾构姿态，防止过量纠偏。 5、盾构停止掘进时应采取适当措施稳定开挖面，防止坍塌。 6、必须对盾构姿态和管片姿态进行人工复合测量。 3.6.4 工艺流程图以两趟列车完成一个 掘进循环为例。 - 221 -
海瑞克土压平衡式盾构机结构分析 [2008-08-07] 关键字：盾构机结构分析 承担修建深圳地铁—期工程第七标段(华强至岗厦区间内径为5.4m的双线隧道)的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。 本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 盾构机的工作原理 1.盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2.掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN＆#82 26;m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土
TABLE OF CONTENTS TECHNICAL DATA E D I T I O N 09/2010V E R S I O N 001S -591/592 G U A N G D O N G I N T E R C I T Y R A I L W A Y L O T 3I I - 1 D O C U M E N T : 7686-001 II. Technical Data 1. Tunnel boring machine general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 3 1.1Tunnel boring machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.2Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 31.3Segments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 4 2. Shield general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 5 2.1Steel construction shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.2Tailskin articulation cylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.3Advance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 52.4Man lock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 62.5Screw conveyor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 6 3. Cutting wheel general. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 7 3.1Steel construction cutting wheel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II - 7 4. Drive general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II - 8
16土压平衡盾构施工工艺 16.1总则 16.1.1适用范围 本标准适用于采用土压平衡式盾构机修建隧道结构的施工。 16.1.2编制参考标准及规范 16.1.2.1地下铁道工程施工及验收规范(GB 50299-1999)。 16.1.2.2地下铁道设计规范（GB 50157-2013）。 16.1.2.3铁路隧道设计规范（TB10003-2016）。 16.1.2.4盾构掘进隧道工程施工验收规范。 16.1.2.5公路隧道施工技术规范(JTJ042－94)。 16.1.2.6公路工程质量检验评定标准(JTGF80/1-2004)。 16.2术语 16.2.1土压平衡式盾构 土压平衡盾构也称泥土加压式盾构，它的基本构成见图16.2.1。在盾构切削刀盘和支承环之间有一密封舱，称为“土压平衡舱”，在平衡舱后隔板的中间装有一台长筒形螺旋输送器，进土口设在密封舱内的中心或下部。用刀盘切削下来的土充填整个
16.2.2 端头加固 为确保盾构始发和到达时施工安全，确保地层稳定，防止端头地层发生坍塌或涌漏水等意外情况，根据各始发和到达端头工程地质、水文地质、地面建筑物及管线状况和端头结构等综合分析，确定对洞门端头地层加固形式。 16.2.3 盾构后座 盾构刚开始掘进时，其推力要靠工作井井壁来承担。因此，在盾构与井壁之间需要设传力设施，此设施称为后座。 16.2.4 添加材 采用土压平衡盾构掘进时，为改善土体的流动性防止其粘附在盾构机上而注入的一些外加剂。添加材的功能是：辅助掘削面的稳定（提高泥土的塑流性和止水性）；减少掘削刀具的磨耗；防止土仓内的泥土压密粘附；减少输送机的扭矩和泵的负荷。 16.3 施工准备 16.3.1 技术准备 16.3.1.1 根据隧道外径、埋深、地质、地下管线、构筑物、地面环境、开挖面稳定及地表隆陷值等的控制要求，经过经济、技术比较后选用盾构设备。盾构选型流程如图16.3.1.1所示。 16.3.1.2 认真熟悉工程设计文件、图纸，对工程地质、水文地质、地下管线、暗
海瑞克土压平衡式盾构机分析 盾构机的工作原理 1．盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 2．掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3.管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6.28m，总长65m，其中盾体长8.5m，后配套设备长56.5m，总重量约406t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩5300kN?m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土压力。 前盾的后边是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接，中盾内侧的周边位置装有30个推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后
土压平衡盾构机技术规格及要求 1.土压平衡盾构机（以下简称盾构机）技术要求的说明 1.1盾构机技术要求以南昌轨道交通工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 1.2本技术要求为南昌轨道交通3号线盾构区间掘进的盾构机最低技术规格和施工要求。 1.3本技术要求对盾构机部件结构不作具体的规定，但其必须满足本标准对盾构机所需的功能、性能、配置等要求。 1.4本技术要求仅限于主要部件、总成、系统的功能、性能、配置等，未描述部分应自动满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件。 2.新机技术规格要求 2.1整机 盾构机技术规格必须满足南昌轨道交通3号线工程、周边环境及地质条件要求，兼顾满足南昌轨道交通其他线路区间、周边环境及地质条件要求及各项施工条件。 盾构机的各项安全性能指标必须满足国家及南昌地区相关安全使用和施工规范要求。 盾构机应满足南昌地铁三号线管片规格：外径Φ6000mm，内径Φ5400mm，宽度1200/1500mm，纵向螺栓分度36°。 盾构机最大推进速度应≤80mm/min。 盾构机最小掘进转弯半径应≤250m；适用隧道纵向坡度应≥±45‰。 盾构机最大工作压力应≥0.5Mpa。 盾构机主要部件及总成使用寿命应≥10km或10000小时。 盾构机主要部件应采用世界知名厂商品牌及产品。 盾构机主要结构件材料应采用国内知名厂商品牌及产品。 2.2刀盘 2.2.1基本结构 刀盘支腿数量≥4个，≤6个。 宜采用复合式刀盘，刀盘开口率应≥30%。 复合式刀盘滚刀的安装刀座宜采用单楔块方式。软岩刀具的安装可采用螺栓紧固或销轴安装方式。
土压平衡盾构机流体输送控制系统工作原理 何於琏 (中铁隧道股份公司河南新乡 453000 摘 要流体输送系统用于盾构机的润滑、密封、填充以及碴土改良 , 是盾构机中的重要系统。本文介绍了流体输送系统的组成 , 并简明叙述了衬砌背后注浆控制系统、碴土改良控制系统、主轴承油脂密封润滑控制系统、盾尾密封油脂注入控制系统的工作原理。关键词流体输送 非传动介质控制系统原理 W orki n g Pri n c i ple of Control Syste m of Flui d Conveyi n g Syste m s of EPB Shi eld Machi n es HE Yu 2lian (China R ail w ay Tunnel S tock Co . , L td . , X ingxiang 453000, Henan, China Abstract:Fluid conveying syste m, which is app lied in the lubricati on, sealing, backfilling and conditi oning of EP B shield machines, is one of the i m portant syste m s of EP B shield This compositi on of the fluid conveying syste m and the working p rinci p les of contr ol syste of ment lining, gr ound conditi oning syste m, main bearing grease sealing and grease injecti on syste m. Key words:fluid conveying; non 2transit; p le
土压平衡盾构机的工作原理 一、盾构机的工作原理： 1、盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时启动盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过盾构井口垂直运至地面。 2、掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍塌或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 3、管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，通过管片拼装机通缝或错缝拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。
二、盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的刀盘直径为6.28m，总长80余m，其中盾体长8.5m，后配套设备长72m，总重量约480t，总配置功率1577kW，最大掘进扭矩 5300kN?m，最大推进力为36400kN，最快掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是刀盘、盾体、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 1.盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状筒体，其外径是分别为6250mm、6240mm和6230mm。前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推进油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承压隔板上在不同高度处安装有五个土压传感器，可以用来探测泥土仓中不同高度的土仓压力值。前盾的后部是中盾，中盾和前盾通过法兰以螺栓连接。中盾内侧的周边位置装有推进油缸，推进油缸杆上安有塑料撑靴，撑靴顶推在后部已安装好的管片上，通过控制油缸杆向后伸出可以提供给盾构机向前的掘进力。推进油缸按照安装布置被分成A、B、C、D四组，掘进过程中，在操作室中可单独控制每一组油缸的压力，这样盾构机就可以实现左转、右转、抬头、低头或直行，从而可以使掘进中盾构机的轴线尽量拟合隧道设计轴线。中盾的后部是尾盾，尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接方式使盾构机易于转向。
土压平衡盾构施工技术 一、盾构施工法概述 1.盾构施工程序。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：建造盾构工作井；盾构机安装就位；出洞口土体加固处理；初推段盾构掘进施工；隧道正常连续掘进施工；盾构接收井洞口的土体加固处理；盾构进入接收井解体吊出。 2.盾构施工优点。盾构施工与矿山法施工具有以下优点：地面作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；自动化程度高、劳动强度低、施工速度快；因隧道衬砌属工厂预制，质量有保证；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；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；对于地质复杂、含水量大、围岩软弱的地层可确保施工安全；在费用和技术难度上不受覆土深度影响。 二、盾构推进隧道施工 1. 掘进原理。盾构在粉质粘土、粉质砂土和砂质粉土等粘性土层中掘进施工时，由刀盘旋转切削下来的土体进入密封土仓后，可对开挖面地层形成被动土压力，与开挖面上的主动土压力相抗衡。使开挖面的土层处于稳定状态。当盾构推进时，启动螺旋输送器排
土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面地层始终处于稳定。排土量一般通过调节螺旋输送器转速和出土口装置予以控制。当地层含砂量超过某一限度时，因土的摩阻力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，泥土塑流性将明显变差，密封仓内的土体可因固结作用而被压密，导致渣土难于排出，甚至形成泥饼而无法推进，而且单靠切削土提供的被动土压力，常不足以抵抗开挖面的水土压力。出现这种状况时，可向密封仓内注入水、泡沫、膨润土等，同时进行搅拌，以期适当改善仓内土体的塑流性，顺利排土。 2.轴线控制。盾构轴线的控制是盾构推进施工的一项关键技 术，怎样控制盾构能在已定空间轴线的允许偏差范围内是必须掌握的技术，在实际施工中盾构推进轴线控制不可能是理想的状况，轴线控制不佳状况除地质不均匀引起的正面阻力不均匀及隧道的平面和竖曲线要求外，往往是产生于人为因素，这是指施工不精心及对轴线控制操作技术水平不够两个原因，而后者占多数。 三、影响盾构轴线控制的原因 1. 地层土体对盾构产生的偏向。盾构在向前推进过程中将受 到盾构切口贯入土层的阻力、盾构正面阻力、盾构四周土体与盾构壳体间的摩阻力，盾构自重与下卧土层的摩阻力等组成。由于受到地层土质变化、隧道埋深变化、地面建筑物等因素，造成各种阻力不均匀的作用于盾构，从而导致盾构推进时偏向。 2. 盾构制作误差造成盾构推进轴线的偏向。圆形断面盾构是 中心对称的结构，这是对轴线控制极为有利的形式，但由于加工误
2土压平衡盾构与泥水平衡盾构的结构原理 上海市土木工程学会 1土压平衡盾构的结构原理 1.1土压平衡盾构的基本原理 图1土压盾构基本形状 土压平衡盾构属封闭式盾构。盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡(即稳定)。示意图如图6.1所示。由图可知，这类盾构靠螺旋输送机将碴土(即掘削弃土)排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。 1.1.1稳定掘削面的机理及种类 土压盾构稳定掘削面的机理，因工程地质条件的不同而不同。通常可分为粘性土和砂质土两类，这里分别进行叙述。 1.1.1.1粘性土层掘削面的稳定机理 因刀盘掘削下来的土体的粘结性受到破坏，故变得松散易于流动。即使粘聚力大的土层，碴土的塑流性也会增大，故可通过调节螺旋输送机转速和出土口处的滑动闸门对排土量进行控制。对塑流性大的松软土体也可采用专用土砂泵、管道排土。 地层含砂量超过一定限度时，土体流性明显变差，土舱内的土体发生堆积、压密、固结，致使碴土难于排送，盾构推进被迫停止。解决这个问题的措施是向土舱内注水、空气、膨润土或泥浆等注入材，并作连续搅拌，以便提高土体的塑流性，确保碴土的顺利排放。 1.1.1.2砂质土层掘削面的稳定机理
就砂、砂砾的砂质土地层而言，因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大；渗透系数大。当地下水位较高、水压较大时，靠掘削土压和排土机构的调节作用很难平衡掘削面上的土压和水压。再加上掘削土体自身的流动性差，所以在无其它措施的情况下，掘削面稳定极其困难。为此人们开发了向掘削面压注水、空气、膨润土、粘土、泥水或泥浆等添加材，不断搅拌，改变掘削土的成分比例，以此确保掘削土的流动性、止水性，使掘削面稳定。 1.1.1.3土压盾构的种类 按稳定掘削面机构划分的土压平衡盾构大致有如下几种，见表1。 表1土压盾构的种类
本文主要介绍的是海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机的工作原理，组成部分及各组成部分在施工中的应用。 0引言 我单位承担修建深圳地铁—期工程第七标段华强至岗厦区间内径为5．4m的双线隧道的施工任务，根据施工地段地层自立条件差，地下水较丰富的特点，购进了两台德国海瑞克公司生产的世界上最先进的土压平衡式盾构机。这两台盾构机都由西门子公司的S7-PLC自动控制系统控制，配备了机电一体化的液压驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备及SLS-T隧道激光导向设备，并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。本文将就盾构机的工作原理、盾构机的组成、及各组成部分的功能结合实际施工情况做一简要阐述。 1 盾构机的工作原理 1．1盾构机的掘进 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。 1．2掘进中控制排土量与排土速度 当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。 1．3管片拼装 盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。 2 盾构机的组成及各组成部分在施工中的作用 盾构机的最大直径为6．28m，总长65m，其中盾体长8．5m，后配套设备长56．5m，总重量约406t，总配置功率1 577kW，最大掘进扭矩5 300kN·m，最大推进力为36400kN，最陕掘进速度可达8cm／min。盾构机主要由9大部分组成，他们分别是盾休、刀盘驱动、双室气闸、管片拼装机、排土机构、后配套装置、电气系统和辅助设备。 2.1盾体 盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分，这三部分都是管状简体，其外径是6．25m。 前盾和与之焊在一起的承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使泥土仓与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。承
土压平衡盾构机选型 1选型程序 由于施工与工程本身的各种条件密切相关，盾构法施工较之一般的隧道施工技术具有更大
2选型依据 2.1工程、水文地质条件 1）工程地质 需要着重考虑下述施工地层特性的影响： 隧道埋深及上覆地层的软硬程度； 掘进地层的软硬程度及软硬不均情况的分布； 岩石抗压强度； 岩石完整性系数； 岩石变形模量大小； 不良地质与特殊地质的有无； 2）水文地质 岩土的富水性及渗透性大小； 地下水类型及赋存与补给方式； 地下水力联系好坏； 2.2掘进长度及过程 除掘进总长度以外，有无调头、过站施工。 2.3管片尺寸、拼装 盾构隧道管片外径、内径，管片厚度，管片宽度，分块数，管片的拼装方式。 2.4线路平面条件 平曲线半径、直线段曲线段长比率。 2.5线路纵断面条件，隧道埋深 竖向转弯半径，最大坡度，最小坡度，竖曲线个数。隧道平均埋深，最小埋深等。 2.6掘进速度要求 2.7掘进方向误差要求 一般不超过±50mm。 2.8地表沉降量要求 一般情况下须控制在+10mm/-30mm范围内； 2.9盾构机寿命 分主要部件寿命及主轴承寿命要求。 2.10周围环境 1）地面建筑物
建筑物分布密度； 建筑物平面与盾构隧道相位置关系； 建筑物层高、结构类型、完好程度、重要程度、规模大小； 建筑物基础类型、桩基与盾构隧道的相对位置关系。 2）地下管线 地下管线平面分布、埋深、类型、抵御变形能力、重要程度、盾构隧道相对位置关系有关。 2．11盾构机价格 除价格因素外，盾构机制造商的业绩、信誉、实力、售后服务水平、允许的制造周期等因素。 3盾构机可靠性设计 由于盾构推进的不可逆转性；在推进过程中基本不存在大范围深层次维修的空间及时间；再加上单段掘进距离较长，因此一旦推进开始，除了少量可快速处理的问题允许出现以外，一般不应也不能出现较大的机电故障及缺陷问题，这既是施工进度方面的需要，也牵涉了很大的质量、安全问题。因此盾构机的可靠性设计显得十分重要。一般在选型时以下几个方面需要予以重点考虑: 1>．盾构机设计参数是否按照掘进区间的工程条件确定。 2>．主轴承寿命大小设计。 3>．螺旋输送机的耐磨性及密封性设计。 4>．刀盘扭矩大小的设计。 5>．刀盘开口率及耐磨性设计；刀具类型、数量、刀间距；刀体材料及抗压性能；换刀方式。 6>．土仓内碴土改良系统的设计（数量、分布及防堵塞设计）。 7>．铰接设计方式，可否满足曲线施工、方向修正时的要求。 8>．设计平均掘进速度能否满足要求。 9>．控制系统是否具有自动及手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机转速等参数。数据采集处理传输系统的及时有效性，是否具有故障自动诊断系统。 10>．盾构机掘进方向控制能力及自动纠偏能力牵涉的导向系统设计。 11>．管片背侧注浆方式的设计。
土压平衡式盾构机 1发展概况和工作原理 土压平衡式盾构机（如图1所示）的开发始于70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。随后，其它一些厂家也开始生产土压平衡式盾构机，产品的名称不完全相同，但从原理上都可归纳为土压平衡系统（Earth-pressure balance system，即EPBS）。 1．切削刀盘2．开挖室3．承压隔板4．压缩空气闸室 5．推进千斤顶6．尾盾密封7．油箱8．带式输送机 9．管片拼装机10．刀盘驱动11．螺旋输送机 图1土压平衡式盾构机 土压平衡式盾构机的发展基于挤压式盾构机（闭胸）和泥水式盾构机。挤压式盾构机在其承压隔板上设有面积可调的排土口，开挖面的稳定靠调节孔口大小和排土阻力，使盾构千斤顶推力和开挖面土压达到平衡来实现。挤压式盾构机适用于具有良好塑性的粘土层，适用地质范围狭窄。泥水式盾构机在非粘土层中广泛应用，但随细颗粒土砂百分比的增加其分离越来越复杂，代价越来越高，悬浮液也需频繁更换，还存在环保问题。特别是在日本主要城市施工时，由于空间有限使得安装分离设备较为困难。这些都促进了土压平衡式盾构机的发展。与泥水式盾构机相比，土压平衡式盾构机没有分离装置，施工时的覆土层可以相对较浅。其适用地质范围比挤压式盾构机广，掘进性能也优于挤压式盾构机。 根据日本对不同盾构机型的统计资料，从1964年到1974年的10年间，与气压施工法同时使用的手掘式盾构机占总数的3/4，从1974年到1984年的10年间，这种盾构机型减少，泥水式和土压平衡式等机械挖掘式盾构机不断增加。日本隧道技术协会对世界盾构施工法现状开展通信调查的结果（其中96%是日本的工程），从1980年至1985年的6年间，密闭型盾构机从1980年占各种类型盾构机总数的60%急增至86%，特别是土压平衡式盾构机从19%增大到60%。 土压平衡式盾构机的刀盘切削面与后面的承压隔板所形成的空间为开挖室或泥土室。刀盘旋转切削下来的土壤通过刀盘上的开口进入泥土室，与泥土室内的可塑土浆混合或被搅拌混合，盾构千斤顶的推
一般土压平衡盾构机工作原理 ? 1.4 土压平衡盾构 ?土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开 挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。 ?土压平衡工作原理 ?刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底 部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。 ? ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ? ? 1.4.1 土压平衡盾构机组成 ?土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装
机、推进油缸、同步注浆系统和辅助装置等组成。 ?适用：软土、软岩（含水/不含水）地层的隧道开挖与衬砌 ?Φ4.33m加泥式土压平衡盾构 ? 1.4.2土压平衡盾构（EPB）工作原理 ?土压平衡盾构的工作原理 ?通过调整排土量或开挖量来直接控制泥土舱内的压力，并使其与开挖面地层水、土 压力相平衡，同时直接地利用泥土舱的泥土对开挖面地层进行支护，从而使开挖面土层保持稳定。 ?EPB工作原理图 ?EPB ? 1.4.3 土压平衡盾构特点 ?土压平衡盾构的特点： ?主要通过控制盾构开挖速度和螺旋输送机转速，达到控制土压的目的 ?整体结构 ? 1.5 盾构机的构造 ?土压平衡盾构机构成： ? 1.盾壳、盾构推进千斤顶、盾尾密封、铰接装置、人员舱 ? 2.刀盘和刀盘驱动支承机构 ? 3.螺旋输送机 ? 4.管片拼装机 ? 5.后配套设备。 ? 盾壳是一个用厚钢板焊接而成的圆筒，是盾构受力支撑的主体结构。
土压平衡盾构密闭套筒始发施工工法 中铁二局股份有限公司城通分公司 1 前言 盾构施工过程中，盾构始发与到达是最易产生事故的工序，直接影响盾构隧道的顺利贯通。当盾构始发端头地质条件复杂，端头加固龄期长无法满足施工节点要求或由于盾构始发端头存在较多较大地下管线且管线迁改难度大、时间长、费用高时，如何确保盾构机安全始发成为一个工程难点。 广州市轨道交通六号线二期工程【施工三标】土建施工项目高塘石站～黄陂站区间隧道计划从高塘石站始发2台盾构机向高黄中间风井方向掘进。因端头11根10KVA电缆未迁改，且迁改周期较长，为满足工期节点要求，尽早完成该区间洞通节点目标，减少管线迁改及端头地基加固的周期影响，依据平衡始发原理，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构机，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进，解决了盾构始发的难题。 2 工法特点 1、施工占用场地小，在盾构始发井内安装钢套筒，并在钢套筒内安装盾构，盾构机在密闭钢套筒内实现始发。 2、工期短，能够解决始发端头加固龄期长，影响施工工期的问题。 3、无需端头加固，依靠钢套筒这个密闭空间，提供平衡掌子面的水土压力，解决了管线迁改周期长，费用高的难题。 3 适用范围 土压平衡盾构在施工场地受限、工期短、端头加固困难且加固期龄太长、管线迁改困难等施工条件下始发。 4 工艺原理 密闭钢套筒平衡始发依据平衡始发原理，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，使盾构机破除洞门前即已建立了水土平衡的环境，始发等同于常规掘进，从而避免了盾构机始发过程中因为欠压或渗漏而出现塌方的情况。从直径和长度进行设计，通过把直径与长度设计成比盾构略长的钢套筒与洞口密闭连接，盾构机安装在钢套筒内，然后在钢套筒内填充回填物，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，盾构在钢套筒内实现安全始发掘进进入前方土体，最终使盾构能够正常掘进施工。
土压平衡式盾构机控制原理与参数设置 随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。 控制原理 土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。 土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。 主要参数 抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。 过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。 比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。 积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。积分时间越小，调控效果越好。 微分时间：根据偏差变化率de/dt 的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，可以克服因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。 参数设定 参数设置分为两步，第一步是在设备组装完毕，无负荷的状态下进行的一次调试，第二步是在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行的微调。 1、无负荷调试 （1）比例系数P，首先不执行 I和D，I调至数值上限，D设定为 0,这样系统只执行比例动作P，变动土压目标值，制造约0.01 － 0.03Mpa 的系统偏差,接下来逐渐增大 P 值，使螺旋机转速逐渐增大，当 P 值上升到一定值时，螺旋机的旋转速度会出现大幅度地反复升降，即系统形成振荡，我们把出现振荡时P 值的 85% － 90% 设定为系统的比例系数。
土压平衡盾构施工管理浅析 【内容提要】：本文结合广州地铁四号线仑大盾构区间、广州地铁五号线杨珠盾构区间土建工程的一线施工和现场管理实例，依据项目施工管理的核心任务及盾构工法的施工特点，从质量控制、进度控制、成本控制、掘进管理、信息化施工等五大方面对土压平衡盾构施工管理进行阐述，总结了两个项目施工管理中的经验教训，旨在为盾构施工管理标准化、规范化的实施提供借鉴意义。 【关键词】：土压平衡盾构施工管理 广州地铁四号线仑大盾构区间、广州地铁五号线杨珠盾构区间采用两台海瑞克公司生产的土压平衡盾构机进行施工，两个项目在取得显著经济效益、社会效益的同时，盾构施工管理也实现了从粗放型向集约型的转换，实现了从经验施工到标准化、规范化施工的转换。土压平衡盾构施工需要复合型高素质人才、优良先进的机械设备及先进的管理理念、科学的管理方法的有机结合，是循序渐进的优化管理过程。 1 土压平衡盾构施工管理特点 ⑴土压平衡式盾构机是集机、电、液、光于一体的大型综合隧道施工设备，结构复杂、性能先进，施工机械自动化程度高。 ⑵施工系统性强，牵一发而动全身。 ⑶土建技术与机电技术的密切结合。 ⑷专业性强、技术密集、管理技能水平要求高。 2 土压平衡盾构施工管理重点 盾构施工管理的原则为施工点、线、面三位一体，抓主要因素，忽略次要因素。 2.1机器因素 ①盾构机的选型要适应地层的变化； ②后配套保障能力强大，能与盾构机施工效率相匹配； ③盾构机的规范操作； ④对盾构机及后配套设备的结构、工作原理了解透彻，保养维修及时到位，故障排除迅速；设备完好率及使用率高。 ⑤盾构机正常的消耗配件要配足、配全。 2.2地质因素 ①分析研究工程地质的分布及状态，各地层参数要翔实、可靠； ②技术方案的制定、掘进参数的设置与调整均以地层实况为依据，抓住地质这一主线，万变不离其宗；
土压平衡式盾构机的组成及工作原理 随着科学技术日新月异的发展，新事物不断涌现，盾构机的出现虽然有一定时间，但是，盾构机集成了很多现代科技。大型PLC,各种性能优良的液压泵，各种先进的控制理念都体现在了盾构机上。我们要去学习和了解它，从而去创新和改造它。 现代盾构掘进机集光、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、测量导向纠偏等功能。 盾构机挖掘主要靠刀盘切削来完成，不同地质刀盘通常配备有不同数量的切刀或滚刀。为了确保切刀的耐久性，要选择与土质相适应的切刀形状。刀刃材料通常是以钨碳化合物为主烧结超硬合金。切刀要合理排列以达到能切削整个掌子面的目的。地层为岩石或地层中存在大块卵石情况下，安装滚刀是必不可少的，盾构机掘进时刀盘旋转的同时启动推进千斤顶将刀盘压紧岩层，刀盘上的滚刀一边滚动一边破岩，刀盘旋转推力使得滚刀不断滚动前进，从而对整个掌子面的岩石开挖。刀盘上有仿形刀装置，此装置为液压缸驱动，由切削刀，液压油缸构成，在必要时（如纠偏，转弯）进行盾体外周超挖或余掘。主驱动系统有两个变量柱塞泵（分别有两个315KW电机，电机分别由两个软启动器驱动），8个液压马达（用来驱动刀盘），补油泵（75KW电机驱动），控制泵，恒功率阀块，HBV油脂系统，轴承润滑系统，冷却水系 统组成。 1.启动控制泵，缓慢调节控制泵的切断阀（顺时针增大压力），泵输出压力逐步升高，控制泵的安全压力设定为8.0Mpa。2. 启
动补油泵，再缓慢调节溢流阀，溢流阀压力升至 2.0Mpa。 锁紧补油泵旁路溢流阀和换油流量调节溢流阀锁紧螺母； 3. 启动冷却水泵（主驱动有8 个液压马达，每个液压马达带一个减速器，用来冷却减速器，）。4.启动润滑油脂系统，HBV系统，齿轮油系统）4.硬件上强制给PLC—个启动信号（不需要启主驱泵）。选择刀盘旋转方向（即主泵上三位四通换向阀得电情况两个泵需一致），观察两个主泵斜盘变化，变化正常后再按正常程序启动主泵。 5. 调节主驱动恒功率控制模块比例溢流阀（该比例溢流阀是一个型号为VT3000力士乐放大板，放大板使能端接了一个中间继电器常开触点，刀盘启动条件满足完全满足时，这个PLC有相应的Q点输出，中间继电器常开触点闭合，放大板正常工作，通过电位计（0-10v 直流电压）来控制放大板的输出从而控制斜盘斜率，控制泵的排量。 螺旋输送机作用是出渣和调节土仓土压力，螺旋叶片从土仓下部伸入土仓中取土，将渣土输送到输送机后腹部，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，推进速度一定时，通过调节出土闸门开启度和螺旋机转速变化来实现对土仓内土仓压力的调节，保证隧道开挖面的稳定性。螺旋输送机排土口有两个由液压缸控制的出土闸门，通过它控制螺旋输送机排土量，开启油缸上安装有行程传感器，根据掘进速度在操作盘上任意控制闸门开启度，随时调节排土量实现土塞效应，形成良好的排土 止水效果，土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力作用。螺旋轴采用驱动端固定，一端浮动支撑形式，取土端外壳焊接耐磨合金条，螺