盾构工程负责人施工技术培训188页.doc

1、中铁 “五部两室”负责人培训课件（工程部长）盾构工程负责人施工技术培训中铁 集团有限公司二一五年二月第一章 基础知识1 盾构法的基本概念盾构法是在地面下暗挖隧道的一种施工方法。当代城市建筑、公用设施和各种交通日益繁杂，市区明挖隧道施工，对城市生活的干扰问题日趋严重，特别在市区中心遇到隧道埋深较大，地质复杂的情况，若用明挖法建造隧道则很难实现。在这种条件下采用盾构法对城市地下铁道、上下水道、电力通讯、市政公用设施等各种隧道建设具有明显优点。此外，在建造穿越水域、沼泽地和山地的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性及技术方面的优势而得到采用。构成盾构法施工的主要内容是

2、：先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处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。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隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上，盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具。它是一个能支承地层压力而又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾

3、后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，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。使用盾构法，往往需要根据穿越土层的工程地质水文地质特点辅以其他施工技术措施。主要有：疏干掘进土层中地下水的措施；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌的防水堵漏技术；配合施工的监测技术；气压施工中的劳动防护措施；开挖土方的运输及处理方法等。盾构法施工的概貌如图1-1所示。图1-1 盾构施工概貌图1盾构；2盾构千斤顶；3盾构正面网格；4出土转盘；5出土皮带运输机；6管片拼装机；7管片；8压浆泵；9压浆孔；10出土机；11由管片组成的隧道衬砌结构；12在盾尾空隙

4、的压浆；13后盾管片；14竖井。2 盾构法的优缺点2.1 优点除竖井施工外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪音和振动影响。盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员也较少，劳动强度低，生产效率高。土方量外运较少。穿越河道时不影响航运。施工不受风雨等气候条件影响。隧道的施工费用不受覆土量多少影响，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越性。当隧道穿过河底或其他建筑物时，不影响施工。只要设法使盾构的开挖面稳定，则隧道越深、地基越差、土中影响施工的埋设物等越多，与明挖法相

5、比，经济上、施工、进度上越有利。2.2 缺点当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工，而在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。竖井中长期有噪声和振动，要有解决的措施。盾构施工中采用全气压方法以疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。盾构法隧道上方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内，目前还不能完全防止以盾构正上方为中心土层的地表沉降。在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。用气压施工时

6、，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。3 盾构的分类及选型3.1 盾构的分类盾构的的形式可以从各个方面进行分类。按手工和机械划分为：手掘式，半机械式，机械式三大类。以工作面挡土方式划分：敞开式，密闭式。以气压和泥水加压方式划分：气压式，泥水加压式，土压平衡式，加水式，高浓度泥水加压式，加泥式。手掘式盾构手掘式盾构是盾构的基本形式，世界上仍有工程采用手掘式盾构，如图1-2所示。按不同的地质条件，开挖面可全部敞开人工开挖；也可用全部或部分的正面支撑，根据开挖面土体自立性适当分层开挖，随挖土随支撑。开挖士方量为全部隧道排土量。这种盾构便于观察地层和清除障碍，易于纠偏，简易价廉，但劳动强

7、度大，效率低，如遇正面坍方，易危及人身及工程安全。在含水地层中需辅以降水、气压或土壤加固。图1-2 手掘式盾构示意图这种盾构由上而下进行开挖，开挖时按顺序调换正面支撑千斤顶，开挖出来的土从下半部用皮带运输机装入出土车，采用这种盾构的基本条件是：开挖面至少要在挖掘阶段无坍塌现象，因为挖掘地层时盾构前方是敞开的。手掘式盾构的适用地层：手掘式盾构有各种各样的开挖面支撑方法，从砂性土到粘性土地层均能适用，因此较适应于复杂的地层，迄今为止施工实例也最多，该形式的盾构在开挖面出现障碍物时，由于正面是敞开的，所以也较易排除。由于这种盾构造价低廉，发生故障也少，因此是最为经济的盾构。在开挖面自立性差的地层中施

8、工时，它可与气压、降水、化学注浆等稳定地层的辅助施工法同时使用。挤压式盾构当敞开式盾构在地质条件很差的粉砂土质地层、粘土层中施工时，土就会从开挖面流入盾构、引起开挖面坍塌，因而不能继续开挖，这时应在盾构的前面设置胸板来密闭前方，同时在脚板上开出土用的小孔，这种形式的盾构就叫挤压式盾构(见图1-3)。盾构在挤压推进时，土体就会从出土孔如同膏状物从管口挤出那样，挤入盾构。根据推进速度来确定开口率。当开口率过大时，出土量增加，会引起周围地层的沉降；反之，就会增大盾构的切入阻力，使地面隆起。采用挤压盾构时，对一定的地质条件设置一定的开口率、控制出土量是非常重要的。图1-3 挤压盾构示意图挤压盾构是将手

9、掘式盾构胸板封闭，以挡住正面土体。这种盾构分为全挤压式或局部挤压式两种，它适用于软弱粘性土层。盾构全挤压向前推进时，封闭全部胸板，不需出土，但要引起相当大的地表变形。当采用局部挤压式盾构，要部分打开胸板，将需要排出的土体从开口处挤入盾构内，然后装车外运，这种盾构施工，地表变形也较大。挤压式盾构适用地层:挤压式盾构的适用范围取决于地层的物理力学性能，它是按含砂率内聚力、液性指数内聚力的关系来确定其适用范围。根据施工经验，内聚力即使超出该范围，在含砂率小的地层中也可能适用。根据迄今为止的施工经验，当土体含砂率在20%以下、液性指数在60%以上、内聚力在0.5kg/cm2以下时，盾构的开口率一般为2

10、0.8%，在极软弱的地层中，开口率也有小到的0.3%。在挤压式盾构的施工区间内如遇有为了建筑物或地层加固而进行过化学注浆的地基时，将会影响挤压盾构的推进，因此应预先考虑到把盾构胸板做成可拆卸的形式。网格式盾构在上海软土层中常常被采用。它具有的特点是，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，盾构正面装钢板网格，在推进中可以切土，而在停止推进时可起稳定开挖面的作用。切入的土体可用转盘、皮带运输机、矿车或水力机械运出，如图1-4所示。这种盾构法如在土质较适当的地层中精心施工，地表沉降可控制到中等或较小的程度。在含水地层中施工，需要辅以疏干地层的措施。图1-4 网格式盾构示意图半机械

11、式盾构半机械式盾构是如图1-5所示。半机械式盾构是介于手掘式和机械式盾构之间的一种形式，它更接近于手掘式盾构。它是在敞开式盾构的基础上安装机械挖土和出土装置，以代替人工劳动，因而具有省力而高效等特点。图1-5 半机械式盾构示意图机械挖土装置前后、左右、上下均能活动。它有铲斗式、切削头式和两者兼有等三种形式。它的顶部与手掘式盾构相同，装有活动前檐、正面支撑千斤顶等。盾构的机械装备有如下形式：盾构工作面下半部分装有铲斗、切割头等。盾构工作面上半部分装有铲斗、下半部分装有切割头。盾构中心装有切割头。盾构中心装有铲斗。形式：盾构工作面上半部装有正面支撑千斤顶和作业平台，上半部工作面由人工挖掘，挖掘的土

12、、砂落到下半部分，下半部分由铲斗和装载机进行挖掘和出土。形式：盾构的上半部工作面由铲斗或者装载机挖掘，下半部工作面由切割头或铲斗进行挖掘和出土。形式：由切割头进行挖掘和出土。形式：由铲斗式挖掘机进行挖掘和出土。半机械盾构的适用地层：半机械式盾构比手掘式盾构更适用于良好地层。形式适用于开挖面需作支撑的地层，形式适用于能自立的地层。形式大多适用于亚粘土与砂砾的夹层。形式大多适用于固结粘上层、硬质砂土层。形式大多适用于粘土和砂砾混合层。开胸机械切削盾构当地层能够自立，或采用辅助措施后能够自立时，在盾构的切口部分，安装与盾构直径相适应的大刀盘，以进行全断面开胸机械切削开挖，如图1-6所示。机械式盾构是

13、一种采用紧贴着开挖面的旋转刀盘进行全断面开挖的盾构。它具有可连续不断地挖掘土层的功能。能一边出土、一边推进，连续不断地进行作业。图1-6 开胸式机械切削式盾构示意图机械式盾构的切削机构采用最多的是大刀盘形式，它有单轴式、双重转动式、多轴式数种，其中单轴式使用得最为广泛。多根辐条状槽口的切削头绕中心轴转动，由刀头切削下来的土从槽口进入设在外圈的转盘中，再由转盘提升到漏土斗中，然后由传送带把土送入出土车。机械式盾构的优点除了能改善作业环境、省力外，还能显著提高推进速度，缩短工期。问题是盾构的造价高，为了提高工作效率而带来的后续设备多，基地面积大等。因此若隧道长度短时，就不够经济。与手掘式盾构相比，

14、在曲率半径小的情况下施工以及盾构纠偏都比较困难。机械式盾构适用地层：机械式盾构可在极易坍塌的地层中施工，因为盾构的大刀盘本身就有防止开挖面坍塌的作用。但是，在粘性土地层中施工时，切削下来的土易粘附在转盘内，压密后会造成出土困难。因此机械式盾构大多适用于地质变化少的砂性土地层。局部气压盾构在机械盾构的支承环前边装上隔板，使切口与此隔板之间形成一个密封舱。在密封舱内充满压缩空气，达到稳定开挖面土体的作用。这样隧道施工人员就不处在气压内工作。在适当地质条件下，对比全气压盾构，无疑有较大优越性。但这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气问题，如图1-7所示。图1-7 局部气压式盾构示意图泥水加压式

15、盾构泥水加压式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆来支撑开挖面，并以安装在正面的大刀盘切削土体，进土与泥水混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，如图1-8所示。图1-8 泥水加压式盾构（(a)德国式(b)日本式）示意图具体地讲，泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘的后方设置一道隔板，隔板与大刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用和压力保持机构，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土就进入泥水室。由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送法送出地面，把送出的泥水进行水土分离，然后再把分离后的泥水送入泥水室，不断地循环泥水加压盾构

16、在其内部不能直接观察到开挖面，因此要求盾构从推进、排泥到泥水处理全部按系统化作业。通过泥水压力、泥水流量、泥水浓度等的测定，算出开挖土量，全部作业过程均由中央控制台综合管理。泥水加压盾构是利用了泥水的特性对开挖面起稳定作用的，泥水同时具有下列三个作用。泥水的压力和开挖面水土压力的平衡。泥水作用到地层上后，形成一层不透水的泥膜，使泥水产生有效的压力。加压泥水可渗透到地层的某一区域，使得该区域内的开挖面稳定。就泥水的特性而言，浓度和密度越高，开挖面的稳定性越好，而浓度和密度越低泥水输送时效率越高，因此考虑了以上条件，目前被广泛作为泥水管理标准的数值如下：容重：1.051.25（g/cm3）粘土、膨

17、润土等。粘度：2040（s），漏斗粘度500/500ml。脱水量：Q200ml，（APL过滤试验3kgcm2,30min）。泥水加压盾构有日本体系及德国体系，两者区别是：德国式的密封舱中设置了起缓冲作用的气压舱，以便于人工控制正面泥浆压力，构造较简单；而日本式密封舱中全是泥水，要有一套自动控制泥水平衡的装置。一般地说，泥水盾构对地层扰动最小，地面沉降也最小，但费用最高。泥水盾构适用地层：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均运用。泥水加压盾构对地层的适用范围之广。

18、但是在松动的卵石层和坚硬土层中采用泥水加压盾构施工，会产生逸水现象，因此在泥水中应加入一些胶合剂来堵塞漏缝。在非常松散的卵石层中开挖时，也有可能失败。还有在坚硬的土层中开挖时，不仅土的微粒会使泥水质量降低，而且粘土还常会粘附在刀盘和槽口上，给开挖带来困难，因此应该予以注意。泥水加压盾构的适用性：细粒土（粒径0.074mm以下）含有率在粒径累积曲线的10%以上。砾石（粒径2mm以上）含有率在粒径加积曲线的60%以上。自然含水量18%以上。无20030Omm的粗砾石。渗透系数K10-2cm/s。土压平衡式盾构土压盾构又称削土密闭式或泥土加压式盾构。它的前端有一个全断面切削刀盘，切削刀盘的后面有一个

19、贮留切削土体的密封舱，在密封舱中心线下部装置长筒形螺旋输送机，输送机一头设有出入口，如图1-9所示。所谓土压平衡就是密封舱中切削下来的土体和泥水充满密封舱，并可具有适当压力与开挖面土压平衡，以减少对土体的扰动，控制地表沉降。这种盾构可节省泥水盾构中所必须的泥水平衡及泥水处理装置的大量费用，主要适用于粘性土或有一定粘性的粉砂土。现已有加水或加泥水的新型土压平衡盾构，可适用于多种土层。图1-9 土压平衡式盾构示意图土压平衡式盾构的基本原理，由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土腔（工作室），土腔内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土腔内的螺旋输送机出土，装于排土口的排土装置在出土量与推进量取得平衡的状

20、态下，进行连续出土。土压平衡式盾构的产品名称是各不相同的，即使是相类似的盾构，其名称也因开挖面稳定的方法和各公司对排土机构开发过程的不同而各异。在使开挖面稳定条件不同的盾构中，把这种从土腔内用螺旋输送机出土的盾构与泥水加压盾构相区别。土压平衡式盾构又分为：削土加压式，土压平衡加水式，高浓度泥水加压式，加泥式等4类。开挖工作面稳定机构：土压平衡式盾构的开挖面稳定机构，按地质条件可以分成二种型式，一种是适用于内摩擦角小且易流动的淤泥、粘土等等的粘质土层；另一种是适用于土的内摩擦角大、不易流动、透水性大的砂、砂砾等等的砂质士层。开挖面的稳定机构可分为以下几种方式：切削土加压搅拌方式：在土腔内喷入水、

21、空气、或者添加混合材料，来保证土腔内的土砂流动性。在螺旋输送机的排土口装有可止水的旋转式送料器（转动阀或旋转式漏斗），送料器的隔离作用能使开挖面稳定。加水方式：向开挖面加入压力水，保证挖掘土的流动性，同时让压力水与地下水压相平衡。开挖面的土压由土腔内的混合土体的压力与其平衡，为了能确保压力水的作用，在螺旋输送机的后部装有排土调整槽，控制调整槽的开度使开挖面稳定。高浓度泥水加压方式：向开挖面加入高浓度泥水，通过泥水和挖掘土的搅拌，以保证挖掘土体的流动性，开挖面土压和水压由高浓度泥水的压力来平衡。在螺旋输送机的排土口装有旋转式送料器，送料器的隔离作用使开挖面稳定。加泥式：向开挖面注入粘土类材料和泥

22、浆，由辐条形的刀盘和搅拌机构混合搅拌挖掘的土，使挖掘的土具有止水性和流动性。由这种改性土的土压与开挖面的土压、水压达到平衡，使开挖工作面得到稳定。土压平衡盾构较适应于在软弱的冲积土层中推进，但在砾石层中或砂土层推进时，加进适当的泥土后，也能发挥土压平衡盾构的特点。因此1983年后，一般认为土压平衡盾构的适应性是强的，土压平衡盾构施工后的地表沉降量可控制在30mm以内。但其要求施工人员具有相当丰富的施工经验，能根据地层和施工条件的变化采用一系列的施工管理方法。土压平衡盾构（含加泥式盾构）适用性：细粒（粒径0074mm以下）含有率在粒径加积曲线的7%以上。砾石（粒径2mm以上）含有率在粒径加积曲线

23、的70%以下。粘性土（粘土、粉砂土含有率4%以上）的N值在15以下。3.2 盾构的选型3.2.1 地铁施工用盾构机选型基本原则盾构选型是盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一， 盾构选型应从安全适应性（也称可靠性）、技术先进性、经济性等方面综合考虑，所选择的盾构型式要能尽量减少辅助施工法并确保开挖面稳定和适应围岩条件。盾构机选型时应遵循以下几项基本原则：盾构机技术水平先进可靠，并适当超前，符合我国国情所选盾构机应满足所用地铁规划各条隧道所穿越地层不同地质与水文条件的施工需要，尽量适用更多的地质条件和水文条件。能够满足浅埋或超浅埋地铁隧道施工以及穿越大量房屋建筑之下施工的需

24、要，即要求盾构机对控制地表沉降配备足够的功能和具有良好的操作性能。盾构机能够适应城市地下构筑物众多的特点，必要时可实现隧道（盾构机）内清除或撤换障碍物的施工。盾构机在设计方面应考虑地铁隧道施工需要多次拆卸、多次组装和可能应用于多项隧道工程的实际特点。满足长距离掘进和小半径曲线掘进要求。后续设备、始发基地等施工设备能与盾构机的开挖能力配套。工作环境，为了减少辅助工法并保证施工安全可靠，选择能保持开挖面稳定和适应围岩条件的盾构机型非常重要。3.2.2 盾构机选型依据根据以上原则，对盾构的型式及主要技术参数进行研究分析，以确保盾构法施工的安全、可靠，选择最佳的盾构施工方法和选择最适宜的盾构。盾构选型

25、是盾构法施工的关键环节，直接影响盾构隧道的施工安全、施工质量、施工工艺及施工成本，为保证工程的顺利完成，对盾构的选型工作应非常慎重。盾构选型应以工程地质、水文地质为主要依据，综合考虑周围环境条件、隧道断面尺寸、施工长度、埋深、线路的曲率半径、沿线地形、地面及地下构筑物等环境条件，以及周围环境对地面变形的控制要求的工期、环保等因素，同时，参考国内外已有盾构工程实例及相关的盾构技术规范、施工规范及相关标准，对盾构类型、驱动方式、功能要求、主要技术参数，辅助设备的配置等进行研究。选型时的主要依据如下：工程地质、水文地质条件；隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；周围环境条件；隧道施工工

26、程筹划及节点工期要求；宜用的辅助工法；技术经济比较。3.2.3 盾构机选型考虑要素及注意点工程地属条件国内典型地质分四种：以上海为代表的纯软土地层；以重庆为代表的全断面岩石地层；以广州、深圳为代表的软硬不均复合地层；以成都、北京为代表的砂卵石地层。粘性土及粉土层盾构机在此地层中施工时，一般较容易控制，但常会发生刀盘粘附导致增大阻力和螺旋输送机的粘附堵塞，因而盾构机选型时应注重在刀盘形式、开口率、刀具、加泥位置等考虑解决方法。砂性土层盾构机在砂性土层施工比在粘土层施工稍为困难。砂性土一般摩擦阻力大，渗透性好，在盾构机推进挤压下水分很快排出，土体强度提高，故不仅盾构机推进摩擦阻力大，而且开挖面土压

27、力也较大，常会导致盾构机刀盘扭矩和总推力不足。另外，盾构机密封舱内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体，特别是在无水砂性土层中施工，有时甚至实现不了与开挖面土压力保持动态平衡的需要，操作不当会出现开挖面上方的局部坍塌。再有，砂性土如中石英含量较大，刀具磨损较严重，并伴有损坏盾尾密封系统的现象。因此盾构机选型时，应将设备的推力、刀盘的扭矩、形式、开口率，以及加泥加泡沫系统等内容作为重点统筹考虑。砂卵石地层在一些级配良好砂卵石地层，含砂率在25 40之间时。盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难，首先是盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难，甚至盾构机实现不了土压平衡的功能；其次是大粒径砂卵

28、石不但切削或破碎困难，而且切削下来的碴土经螺旋输送机向外排出也十分困难；再次是刀盘(刀具)和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾构机掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大等等。因此盾构机选型时，必须从如何解决上述三个问题出发，对刀盘支撑方式、刀盘形式，刀具形状及布置方式，加泥加泡沫系统等方面认真研究，保证所选机型适应砂卵石地层的施工。 粉质粘土、粘质粉土互层对于此类地层，盾构机施工比较容易。有时甚至不用加泥只需加水即能顺利施工。中砂、粉质粘土、砂卵石互层对于此类地层，盾构机施工比砂性土层困难，而远比砂卵石层容易，所需注重问题与前三项类似，但因为几类地质交互的原因，情况有较大变化。广深

29、地层施工中遇到上软下硬和孤石侵入隧道等地质突变，导致刀盘面板被磨穿；滚刀严重的弦磨和损坏；所有切刀刮刀损坏。成都砂卵石地层碴土与刀盘刀具摩擦力大，导致刀盘驱动扭矩大、刀盘刀具及螺旋输送机磨损严重。砂卵石地层颗粒级配较差，碴土不易改良，流动性差，刀盘易产生泥饼，导致扭矩大、掘进速度慢甚至无法掘进。稳定性差，掘进过程中地层受到扰动容易产生坍塌，富水地层易发生喷涌；扭矩过大和欠压掘进也是产生坍塌的重要原因。重庆地铁地层残积粘土及泥岩易形成泥饼。砂岩、泥岩互层易造成刀具异常损坏。沟谷地带和高填方区抛填的孤石造成掘进困难。在石英含量较高的砂岩掘进时刀具磨损严重。断层破碎带造成卡盾，不得不采用从刀盘前方向

30、后爆破的方式脱困。工程水文条件对于采用密闭式盾构机技术施工，除工作井施工需要考虑降水外，区间隧道盾构机施工时对地下水只需稍加注意即可(对于密封0.6MPa以下的水压力，就目前盾构机技术水平已很容易)。对于城市特殊水，因其产生原因和作用于土体的状况复杂多变，不易一概而论。有些情况其对地层土体物理力学性能的影响较大，如土体被特殊水长期浸泡变软或由于管道渗漏其周围土体不断被水带走后形成不规则空穴等等，给盾构施工沉降控制造成很大困难。因此盾构机选型肘对城市特殊水的影响需特别加以考虑。曲线施工根据城市地铁的使用要求以及城市交通网的规划，地铁隧道必然存在曲线部分，而节能型车站通常为进站上坡出站下坡，也有坡

31、度较大的竖曲线部分；另外地铁隧道线形设计或施工时，常为避开既有构筑物，不得已改变线形，也会出现曲线。因此盾构机所装备的功能，应满足曲线推进的要求。设计在曲线段一般采用楔形管片，但为减少曲线施工对土层的干扰，笔者认为除采用楔形管片外，设计盾构机时还可以考虑采用油压分区控制、实现千斤顶可自由编组；或采用仿形刀装置、铰接机构等功能综合解决。地下构筑物城市地下修建了大量的构筑物，如上下水管道、煤气、热力、电力、通讯、人防工程等。地下除可能有文物外，旧繁华市区还可能存在一些年代久远、损坏严重、存在严重渗滑的各种管道。而由于历史的原因，城市建设档案管理相对滞后，很难弄清地下各种构筑物的分布状况。工程勘测时

32、，因钻孔距离的局限，隧道沿线总存在勘测的空当，实际上还存在地铁隧道上方地面现有大量房屋建筑，不能实施勘测。因此盾构法施工过程中，会遇到各种障碍物或异物，并且往往不具备从地面进行处理的条件，给盾构掘进施工带来意想不到的困难。盾构机选型时，应考虑地下构筑物众多的现实，提出相应的解决办法。浅覆土及隧道穿越建筑物隧道穿越建筑物下方，特别是旧有民房(穿越其它现存构筑物两者距离过近的情况也可划归此类)，是城市隧道采用盾构法施工的首选原因；另由于种种原因，地铁隧道总会有局部埋深不大，隧道覆土较浅的地段，故盾构机在上述条件下施工不可避免。对此稍作分析即可知道，这两种情况下盾构法施工所需要考虑的问题都是如何控制

33、土体(地面)沉降或变形，避免引起地面建筑物下沉、倾斜、开裂或者避免造成相邻构筑物损坏。根据盾构法施工经验如果施工控制不好，确实会引起隧道前方或周边土体产生较大沉降与变形，造成地面房屋开裂或严重干扰相邻构筑物。因而盾构机选型时，将盾构机配备控制土体沉降与变形的功能以及具有操作简便、灵巧等性能作为重点考察内容。同一台盾构机多次解体、搬运、组装调试与掘进盾构机的使用寿命一般可达6km甚至10km以上，而盾构法隧道工程标段划分不会过大，估计在两个区间左右，即单线长度不大于4km，低于盾构机的使用寿命。因此须充分考虑盾构机分块的合理性，既要保证盾构机的整体质量，又要满足便于组装、解体和搬运的要求。3.2

34、.4 盾构机机型选择盾构机机型的确定采用那一种机型技术经济更合理，必须从盾构机的工作原理、适用地质领域的宽窄、经济指标以及对环境的影响等综合均衡比较之后，才能得出正确的决策。泥水式平衡盾构机的工作原理是通过向密封舱内加入泥水(浆)来平衡开挖面的水、土压力，其开挖面的平衡稳定性及控制地面沉降性能较好，盾构机内部空间较大，特别是大直径隧道施工具有一定技术优势，但施工弃土需进行泥水分离处理。该设备系统庞大，占地面积多，且价格昂贵。加泥式土压平衡盾构机的工作原理则是向密封舱内加入塑流化改性材料，与开挖面切削下来的土体经过充分搅拌，形成具有一定塑流性和透水性低的塑流体，同时通过伺服控制盾构机推进千斤顶速

35、度与螺旋输送机向外排土的速度相匹配，经舱内塑流体向开挖面传递设定的平衡压力，实现盾构机始终在保持动态平衡的条件下连续向前推进。由于加泥式土压平衡盾构机可以根据不同地层的地质条件，设计和配制出与之相适应的塑流化改性剂(如泡沫等)，极大地拓宽了该类机型的施工领域，特别是在砂卵石地层中施工优势最为明显。故近年来该机成为盾构机应用的主流机型，在隧道工程中得到广泛应用。盾构机选型步骤在对工程地质、水文地质条件、周围环境、工期要求、经济性等充分研究的基础上选定盾构的类型；对敞开式、闭胸式盾构进行比选。在确定选用闭胸式盾构后，根据地层的渗透系数、颗粒级配、地下水压、环保、辅助施工方法、施工环境、安全等因素对

36、土压平衡盾构和泥水盾构进行比选。根据详细的地质勘探资料，对盾构各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动型式，刀盘结构型式、开口率，刀具种类与配置，螺旋输送机的形式与尺寸，沉浸墙的结构设计与泥浆门的型式，破碎机的布置与型式，送排泥管的直径等），并根据地质条件等确定盾构的主要技术参数。盾构的主要技术参数在选型时应进行详细计算，主要包括刀盘直径，刀盘开口率，刀盘转速，刀盘扭矩，刀盘驱动功率，推力，掘进速度，螺旋输送机功率、直径、长度，送排泥管直径，送排泥泵功率、扬程等。根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套施工设备。根据地层的渗透系数进行选型地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通

37、常，当地层的渗透系数小于10-7m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4m/s时，宜选用泥水盾构。盾构与渗透系数的关系见图1-10： 图1-10 盾构与渗透系数的关系图根据地层的颗粒级配进行选型一般来说，细颗粒含量多，碴土易形成不透水的流塑体，容易充满土仓的每个部位，在土仓中可以建立压力，平衡开挖面的土体。盾构类型与颗粒级配的关系详见图1-11、图1-12，图1-11中右边蓝色区域为粘土、淤泥质土区，为土压平衡盾构适用的颗粒级配范围，左边的黄色区域为砾石粗砂区，为泥水盾构适用

38、的颗粒级配范围。图1-11 颗粒级配选型示意图图1-12 粒径尺寸示意图图1-12中绿色区域为粗砂、细砂区，即可使用泥水盾构，也可经土质改良后使用土压平衡盾构。一般来说,当岩土中的粉粒和粘粒的总量达到40%以上时,通常会选用土压平衡盾构,相反的情况选择泥水盾构比较合适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。根据水压选型当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。如果采用土压平衡盾构，螺旋输送机难以形成有效的土塞效应，在螺旋输送机排土闸门处易发生碴土喷涌现象，引起土仓中土压力下降，导致开挖面坍塌。当水压大于0.3MPa时，如因地质原因需采用土压平衡盾构，则需增大螺旋输送机的长度，或采用二级螺旋

39、输送机。盾构选型时必须考虑的特殊因素盾构选型时，在实际实施时，还需解决理论的合理性与实际的可能性之间的矛盾。必须考虑环保、地质和安全因素。环保因素对泥水盾构而言，虽然经过过筛、旋流、沉淀等程序，可以将弃土浆液中的一些粗颗粒分离出来，并通过汽车、船等工具运输弃碴，但泥浆中的悬浮或半悬浮状态的细土颗粒仍不能完全分离出来，而这些物质又不能随意处理，就形成了使用泥水盾构的一大困难。降低污染保护环境是选择泥水盾构面临的十分重要的课题，需要解决的是如何防止将这些泥浆弃置江河湖海等水体中造成范围更大、更严重的污染。要将弃土泥浆彻底处理可以作为固体物料运输的程度也是可以做到的，国内外都有许多成功的事例，但做到

40、这点并不容易，因为:a、处理设备贵，增加了工程投资b、用来安装这些处理设备需要的场地较大c、处理时间较长工程地质因素盾构施工段工程地质的复杂性主要反映在基础地质(主要是围岩岩性)和工程地质特性的多变方面。在一个盾构施工段或一个盾构合同标段中，某些部分的施工环境适合选用土压平衡盾构，但某些部分又很适合选用泥水盾构。盾构选型时应综合考虑并对不同选择进行风险分析后择其优者。安全因素从保持工作面的稳定、控制地面沉降的角度来看，使用泥水盾构要比使用土压平衡盾构的效果好一些，特别是在河湖等水体下、在密集的建筑物或构筑物下及上软下硬的地层中施工时。在这些特殊的施工环境中，施工过程的安全性将是盾构选型时的一项

41、极其重要的选择，如北京铁路地下直径线最终选择了泥水盾构。3.2.5 加泥式土压平衡盾构机的基本技术（配置）前节已详细阐明了采用加泥式土压平衡盾构机技术经济的合理性，下面针对地铁隧道工程，提出盾构机的基本技术(配置)选择和要求。盾构机刀盘形式盾构机刀盘形式按照工程地质条件和施工控制要求，大致可分为面板式和辐条式(复合式刀盘由这两种形式派生而出)刀盘两种形式。面板式刀盘在中途换刀时安全可靠，但开挖土体进入土仓时易粘结易堵塞，在刀盘上易形成泥饼。辐条式刀盘仅有几根辐条，辐条后设有搅拌叶片，土砂流动顺畅，不易堵塞。但不能安装滚刀，且中途换刀安全性差，需加固土体，费用高。辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层

42、的适应性比面板式刀盘较强；但由于不能安装滚刀，在风化岩及软硬不均地层或硬岩地层，宜采用面板式刀盘。比较结果详见表1-1：表1-1 辐条式及面板式刀盘特性比较列表盾构机刀盘驱动方式刀盘驱动方式是盾构机的重要组成部分，其承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体搅拌密封舱内土体的任务。刀盘驱动系统也是盾构机内务系统中消耗功率较大的设备之一。过去为了保证刀盘旋转切削土体的能力和效果，盾构机刀盘驱动方式多设计为液压驱动。但随着变频电机技术的不断发展，逐渐在盾构机的设计中被采用，而且由于其具有明显的技术优势，同时价格也在逐年下降，应用于盾构机呈不断扩大的趋势。笔者从盾构机刀盘驱动效串的高低，后续配备设备的多少，设备

43、维护、保养的难易以及作业人员工作环境的优劣等方面综合考虑，认为北京地区隧道施工用盾构机，其刀盘的驱动方式以采用变频电机驱动方式为好。盾构机刀盘驱动方式特性比较见表1-2。表1-2 盾构机刀盘驱动方式特性比较列表盾构机刀盘支撑方式盾构机刀盘支撑方式如图1-13所示，一般有中心支撑，中间支撑和周边支撑三种方式。采用何种方式，主要依据盾构机的直径和工程的地质条件。中心支撑方式主要用于中小直径(直径7.5m以下)的盾构机，其对地质条件的适应性较好。中间支撑方式则主要用于中大直径(直径在4.517.4m之间，有工程实绩)的盾构机，当直径不太大、地质条件为粘性土时，刀盘采用中间支撑方式易在支撑的中心部分粘

44、附，并逐渐扩大形成俗称泥饼的现象，造成出土不畅与盾构机的阻力增大。若盾构机刀盘采用中间支撑方式，需对此给予充分注意和采取有效对策。周边支撑方式则比较灵活，即可用于小直径盾构机，也可用于大直径盾构机，但也同样存在刀盘支撑位置处易于粘附的问题，需要采取相应的解决措施。上述三种盾构机刀盘支撑方式中，前两种目前在盾构机中广泛应用，后一种使用尚不多。一般采用中间支撑方式比较普遍。图1-13 盾构机刀盘支撑方式示意图添加材料注入系统（渣土改良系统）加泥系统是加泥式土压平衡盾构机的基本配置。正是采用该系统，对于不同地质的条件，通过添加塑流化改性材料，改善盾构机密封舱内切削土体的塑流性，既可实现平衡开挖面水、

45、土压力又能向外顺畅排土，大大拓宽了盾构机的适应范围。在穿越地层有大量的砂土及砂卵石地层，而且不少地区地下水位较低，甚至隧道穿越无水砂卵石地层，盾构机在这种地质环境中掘进时，仅考虑采用加泥措施来改善切削土体流动性往往效果不佳，密封舱内切削土体离析严重，盾构机经常堵塞不能正常掘进，而且加泥量过大掘进效率降低，施工费用增加。为适应地质环境的施工，可在加泥的基础上增加泡沫系统。利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加切削土体的粘聚力，同时降低土体渗透性，达到既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土的目的。为适应不同地质条件，改良不同地层，除配备泡沫和膨润土浆液注

46、入外，还应配备高分子材料注入系统和加泥系统以及在中盾与前盾、中盾与盾尾附件增加盾壳径向注入口，以适应各中地层。螺旋输送机 螺旋输送机是加泥式土压平衡盾构机的重要组成部分，主要有以下三个功能：将盾构机密封舱内开挖出来的土体向外连续排出。切削土体在螺旋输送机内向外排出过程中形成密封土塞，阻止土体中的水分散失，保持密封舱内土压稳定。将盾构机密封舱内土压值的高低，自动(也可手动)与设定土压值比较，随时调整向外排土速度，控制盾构机密封舱内实现连续的动态土压平衡过程，确保盾构机连续正常向前掘进。根据螺旋输送机的构造不同，可分为有中心轴的螺旋杆式螺旋输送机和无中心轴的带式螺旋输送机。比较国内外盾构法施工的业

47、绩，可认为前者适用于一般性土、砂运输，后者适用于较大颗粒的砂卵石和块石的运输。对于有可能遇到少量的大颗粒卵石或漂石，为尽可能增加盾构机最大排出卵石(砾石) 的能力，宜采用带式螺旋运输机。皮带运输机皮带运输机与螺旋箱送机相接，盾构机密封舱内切削土体由螺旋输送机向外排出后，经皮带运输机输送到出碴斗车，再运往工作竖井外。壁后同步注浆系统随着盾构机技术的不断应用和发展，广大工程技术人员逐渐深刻地认识到壁后注浆技术在盾构法隧道施工中的重要作用，若进行归纳，可以指出有以下几个作用：同步填充盾构机向前推进过程中管片逐渐脱出盾尾所产生的间隙(简称盾尾间隙，一般在60100mm之间)。改善管片结构防水和抗渗性能。促进隧道管片结构及早稳定。限制隧道结构蛇行。壁后同步注浆最重要的作用是第一项，盾构法隧道施工中能否及时填充盾尾间隙，是控制土体沉降的关键。盾构机同步注浆系统应具备厚浆浆液的注入要求。盾构机同步注浆系统详见图1-14。图1-14 盾构机同步注浆系统示意图盾尾密封系统盾构机盾尾密封系统是盾构机正常掘进的关键系统之一。追溯盾构机的应用实践，盾构法隧道施工所发生的安全事故常常