地鐵盾構技術基本原理2.1盾構的分類盾構的分類方法很多，目前較為普遍的是按盾構掘削面的擋土形式及加壓穩(wěn)定掘削面的形式相結合的方法對盾構進行分類。盾構全敞開式封閉式半敞開式土壓式壓氣式擠壓式機械式半機械式手掘式泥水式2.1盾構的分類手掘式半機械式機械式擠壓式土壓式泥水式2.1盾構的分類盾構封閉式敞開式適用于粘土、粉土、砂層、砂卵石地層

施工占地小，環(huán)境污染小

設備造價較低，輔助施工措施少，工程成本較低適用于含水砂層、砂卵石地層、礫石地層，高承壓水地層施工占地規(guī)模大

設備造價較高，泥水分離系統(tǒng)復雜，工程成本較高適用于自穩(wěn)性好，無水砂卵石地層或巖層

隧道內可采取超前加固等措施，施工方法靈活

設備造價低，工程成本低泥水平衡土壓平衡兩種應用最廣泛的主流機型2.2盾構技術的基本原理盾構到達盾構掘進組裝調試整體籌劃盾構解體吊出盾構始發(fā)2.2盾構技術的基本原理土壓平衡盾構（EPB）：2.2盾構技術的基本原理土壓平衡盾構（EPB）：門吊管片存放區(qū)挖掘機自卸汽車后配套土壓盾構盾構始發(fā)井運輸設備2.2盾構技術的基本原理泥水平衡盾構（SlurryShield）：2.2盾構技術的基本原理泥水平衡盾構（SlurryShield）：

2.3盾構主要系統(tǒng)構成盾構機械構造：開挖系統(tǒng)推進系統(tǒng)轉彎裝置排土裝置注漿設備添加材注入裝置盾尾密封裝置其它2.3盾構主要系統(tǒng)構成泥水平衡盾構：盾構掘進系統(tǒng)泥水加壓和循環(huán)系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)泥水分離處理系統(tǒng)同步注漿系統(tǒng)2.3盾構主要系統(tǒng)構成1開挖面2刀盤3土艙4主軸承5推進千斤頂6螺旋輸送機7管片拼裝器8管片12345678土壓平衡盾構：北京主要為土壓平衡盾構2.3盾構主要系統(tǒng)構成土壓平衡盾構：面板式：開口率相對較小，渣土進出不順暢；對開挖面的支撐相對安全；土艙壓力存在衰減；面板開口易粘結堵塞，刀具負荷大。輻條式：適宜大粒徑卵石、漂石的排放；無壓停機時開挖面穩(wěn)定不易控制；壓力無衰減，能有效管理土壓；刀盤的磨損較輕微。2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤型式刀盤2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤型式2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤設計與刀具布置盾構刀具滾刀破巖輔助刀具切削破巖仿形刀周邊刮刀切刀盤形滾刀楔齒滾刀球齒滾刀先行刀2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤設計與刀具布置滾刀：球齒滾刀、楔齒滾刀常用于軟巖，應用最廣的盤形滾刀分為單刃、雙刃、多刃等，較硬巖采用單刃滾刀。2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤設計與刀具布置切刀：也稱刮刀，切削未固結的土壤并把切削土刮入土艙內。先行刀：超前刀具布置，超前切削地層，從而保護切刀。周邊刮刀：也稱鏟刀，安裝在刀盤外圈，清除邊緣部分開挖渣土。仿形刀：安裝在刀盤外緣，可根據(jù)超挖量及范圍的要求，從輻條兩端徑向伸出和縮回，達到防塌切削的目的。2.3盾構主要系統(tǒng)構成開挖系統(tǒng)：刀盤設計與刀具布置軟弱土地層：一般只需配置切削型刀具—中心刀、先行刀、切刀、周邊刮刀（保徑刀）和超挖刀。砂層/砂卵石地層：宜設置寬幅切刀、周邊刮刀、中心刀、先行刀（重型撕裂刀）、仿形刀等刀具。風化巖及軟硬不均地層：除配置寬幅切刀、先行刀等刀具外，還需配置滾刀，故刀盤結構相對復雜。硬巖地層：全斷面宜全部選用滾刀，不采用齒刀。2.3盾構主要系統(tǒng)構成推進系統(tǒng)：推進千斤頂盾構推進系統(tǒng)設計為分區(qū)油壓控制，沿支承環(huán)圓周均勻地拼裝了XX個/對推進油缸，一般分四組進行控制。通過調整各組的推進力大小來控制掘進方向，可適應掌子面軟硬不均地層、盾構上/下坡、左/右轉彎的控制，實現(xiàn)盾構曲線掘進和糾偏的需要。2.3盾構主要系統(tǒng)構成為提高盾構的操作性能，將盾構機身分成前后兩個部分，中間用千斤頂連接起來，形成的裝置即為鉸接裝置，可以適應盾構的曲線掘進。根據(jù)盾構推進千斤頂固定位置的不同，鉸接分為主動型和被動型。日系：主動鉸接（后艙）歐系：被動鉸接（前艙）2.3盾構主要系統(tǒng)構成轉彎裝置：鉸接2.3盾構主要系統(tǒng)構成轉彎裝置：鉸接鉸接式盾構前體能夠按照施工隧道曲線需要折向，后體保持不變，避免了盾尾的盾殼與管片形成夾角，能保持管片與盾構同一姿態(tài)，曲線施工依靠鉸接千斤頂，不用推進千斤頂分組調整壓力，管片容易安裝并且不易碎裂。盾構前體軸線2.3盾構主要系統(tǒng)構成轉彎裝置：鉸接鉸接前鉸接開始鉸接保持復位前復位開始復位結束2.3盾構主要系統(tǒng)構成轉彎裝置：無鉸接（靠仿形刀超挖轉彎）無鉸接的盾構，在施工曲線隧道時，管片與盾構盾殼形成夾角，受夾角限制，隧道曲線半徑不能過小，盾構的靈敏度（盾構的直徑與長度之比）在1左右的盾構，最小的施工半徑一般在300m；盾構在施工小半徑隧道時，由于管片軸線與盾構軸線有夾角，造成管片拼裝困難，同時盾構依靠推進千斤頂分配不同的壓力完成盾構轉彎，容易造成管片碎裂。盾構軸線皮帶機把渣土從螺旋機出口運到后配套拖車尾部，其輸送渣土的效率應與螺旋機相匹配，不小于螺旋機的輸送能力。軸式帶式2.3盾構主要系統(tǒng)構成排土裝置：螺旋機+皮帶機排土裝置必須能夠保持渣土壓力和地下水壓的平衡，具有按推進量調節(jié)排土量的功能。螺旋機排土過程中形成密封土塞，阻止土體中的水分散失，保持密封艙內土壓穩(wěn)定，隨時調整排土速度，實現(xiàn)連續(xù)的動態(tài)土壓平衡過程。同步填充管片脫出盾尾所產生的間隙，改善管片防水和抗?jié)B性能，促進管片及早穩(wěn)定且限制隧道結構蛇行。在盾尾殼體內布置4個注漿管，各泵注漿范圍形成一定搭接重疊，理論上充填整個環(huán)形空隙。盾構自帶的監(jiān)控設備以沖程為單位記錄同步注漿情況，每個注漿泵、每環(huán)的漿液沖程數(shù)與注漿量相對應，可以以此來衡量注漿情況是否符合掘進要求，判斷注漿設備是否出現(xiàn)異常及其它情況。2.3盾構主要系統(tǒng)構成注漿設備：2.3盾構主要系統(tǒng)構成添加材注入裝置：土壓平衡盾構上的添加材注入裝置由注入泵、設置在刀盤和土艙內的注入孔等組成。刀盤上的添加劑通道可以向工作面注入泡沫或膨潤土等，進行土質改良，達到土體止水性、塑流性改造的目的，以利于掘削面土質的均勻、降低刀盤和螺旋機扭矩、減小刀具和螺旋機磨損、降低刀盤油溫等，即潤滑、冷卻、減磨的作用，并可防止刀盤黏結產生泥餅、螺旋輸送機出現(xiàn)噴涌。2.3盾構主要系統(tǒng)構成盾尾密封裝置：盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水、漿液、掘削面上的泥水/泥土等從盾尾間隙流向隧道內而設置的封裝措施。油脂管路一般為橫斷面上分布4道，通過注入油脂，以提高密封效果及可靠性，并減少鋼絲刷密封件與管片混凝土表面摩擦。自動記錄保存各種掘進參數(shù)，同時把各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛孓k公室。所有記錄的測量值都以圖形的形式顯示在PDV的監(jiān)測器上。圓筒形雙室結構，內外設有壓縮空氣控制管路、儀表等設施。顯示盾構姿態(tài)、位置、管片三維位置，可提供最優(yōu)糾偏曲線，能夠保證掘進方向的控制精度、盾構姿態(tài)及管片拼裝的準確位置。盾構姿態(tài)偏移最大允許值（一般）：水平50mm，豎直50mm。人閘系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：2.3盾構主要系統(tǒng)構成VMT測量系統(tǒng)：2.4因地制宜選擇盾構工法合理的盾構選型是保證盾構法安全施工的必要條件。盾構選型的基本原則為：開挖面穩(wěn)定；地層的適應性；地下水處理；沉降；施工適宜性；安全性；輔助工法；環(huán)境及公害。2.4因地制宜選擇盾構工法盾構選型以工程地質、水文地質為主要依據(jù)，綜合考慮施工長度、地面及地下建/構筑物等環(huán)境條件，同時考慮工期、成本等因素，并參考國內外已有盾構工程實例及相關的技術規(guī)范等，對盾構及輔助設備的配置等進行研究。2.4因地制宜選擇盾構工法盾構選型基本步驟2.4因地制宜選擇盾構工法地質條件：包括隧道穿越地層的顆粒級配及粒度分布、抗壓/抗拉強度、壓縮性能、滲透系數(shù)、粘聚力、內摩擦角、孔隙水壓、地下水情況（水位、流速、流向、有無侵蝕性）等。2.4因地制宜選擇盾構工法土層稠指標與滲透系數(shù)及棄土體容重2.4因地制宜選擇盾構工法環(huán)境條件：隧道埋深及上覆土層情況；地上及地下建/構筑物、地下管線分布情況及其結構特性，沿線河流、湖泊、海洋分布情況，沿線交通情況、施工場地條件，氣候條件，水電供應情況等。設計參數(shù)：包括隧道長度、線形、坡度、隧道平縱斷面及橫斷面形狀及尺寸等參數(shù)。輔助工法隧道施工工程籌劃及工期要求技術經濟條件2.5國內常用日系盾構與德系盾構的比較大重、南車等國外購置引進配件組裝國產化發(fā)展目前國內盾構主要來源日本（石川島、小松、奧村、日立等）德國（海瑞克）法國（法馬通）沈重、中鐵裝備、鐵建重工等主要為國外購置2.5國內常用日系盾構與德系盾構的比較項目日系盾構德系盾構刀盤驅動方式變頻驅動液壓、變頻驅動刀盤形式面板、輻條式主要為面板式刀盤開口率相對較大相對較小鉸接形式主動鉸接被動鉸接同步注漿單液或雙液漿單液漿造價相對較低相對較高目前國內購置的日系盾構與德系盾構的主要區(qū)別為：2.5國內常用日系盾構與德系盾構的比較日系盾構德系盾構2.5國內常用日系盾構與德系盾構的比較以北京在施地鐵線路為例：使用日系盾構較多（截止至2012年5月）。線路日系盾構德系盾構國產盾構M6750M8（Ⅱ）542M9430M10（Ⅱ）1972M14100合計36194我國地域廣大、地層條件復雜，根據(jù)地質條件特點，可分為三大典型地質條件：以廣州地區(qū)為主的風化巖及軟硬復合地層；以上海地區(qū)為代表的軟土地層；以北京地區(qū)為代表的砂層、砂卵石地層。2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題復合地層軟土地層砂卵石地層廣州地區(qū)：廣州素有“地質博物館”之稱，地質條件十分復雜。廣州地區(qū)復合地層最主要的特點是：（1）水文地質條件復雜；

（2）斷裂帶影響較大；

（3）黏土成分較高；

（4）花崗巖及其球狀風化影響較大；

（5）巖層的成分、結構和構造差異性較大；

（6）基巖單軸抗壓強度（天然）差別較大。2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題廣州地區(qū)：復合地層中盾構施工的主要特點：（1）經常變換盾構施工模式；

（2）盾構的配置（如刀具）需要作出適當?shù)恼{整；

（3）采用的施工工藝和施工參數(shù)也要根據(jù)地層的變化而變化；

（4）在圍巖強度變化極其懸殊的地段及石英含量高或高強度硬巖地段等地層中掘進時，需要較頻繁的更換刀具；

（5）在某些特殊的復合地層可能需要一些輔助工法。2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題廣州地區(qū)：全風化巖層和強風化巖層組合刀具嚴重偏磨花崗巖中的球狀風化問題第四系淤泥層或易液化的粉細砂層與其他地層組合淤泥質土層失水重新固結建/構筑物沉降結泥餅第四系殘積層為主與其他地層組合刀具嚴重磨損復合地層應注意的問題上海地區(qū)：上海是我國擁有盾構法隧道最多的城市；上海市政隧道大部分要通淤泥質黏土或淤泥質亞黏土，其承載力低，含水量高，靈敏度大，滲透系數(shù)小，為典型的軟土地層。在修建地鐵（直徑6m左右的隧道）工程方面，上海的土質具有采用土壓平衡盾構的天然條件。

2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題北京地區(qū)：北京地區(qū)西部的粗大顆粒沉積物向東逐漸變?yōu)榧毿〉念w粒沉積物，且地層互層現(xiàn)象十分明顯。北京地區(qū)存在著3種典型地層：（1）砂礫石/砂卵石地層；

（2）粉砂/細砂/中~粗砂地層；

（3）粉土~粘土地層。

2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題2.6我國三大典型地質條件下盾構施工特點及應注意的問題北京地區(qū)：技術特點及要求在既有建、構筑物下穿越，地表沉降控制嚴格，施工精度要求高；隧道穿越