城市轨道交通之盾构施工技术简述.pptx

1、城市轨道交通之盾构施工技术简述让 世 界 更 畅 通目 录城市轨道交通现状及展望地铁盾构施工关键技术一.城市轨道交通现状及展望截至2016年末，中国大陆地区共30个城市开通城市轨道交通运营，共计133条线路，总长达到4152.8公里。其中，地铁3168.7公里，占76.3%，其他制式城轨交通运营线路长度984.1公里，占23.7%。年度新增运营线路首次超过500公里。拥有2条及以上城轨交通线路的城市增加至21个。运营线路增多、客流持续增长、系统制式多元化、运营线路网络化的发展趋势更加明显。2016年，中国大陆城轨交通完成投资3847亿元，在建线路全长5636.5公里，均创历史新高。可研批复投资

2、累计34995.4亿元。截至2016年末，共有58个城市的城轨线网规划获批，规划线路总长7305.3公里。在建、规划线路规模进一步扩大、投资额持续增长，建设速度稳健提升。发展现状一.城市轨道交通现状及展望运营情况一.城市轨道交通现状及展望运营车站总数为2671座，其中换乘车站457座，车辆场段168座。在4152.8公里的城轨交通运营线路中，地铁3168.7公里，占76.3%；其他六种制式（包括轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、APM等）共计984.1公里，占23.7%，制式构成见右图。场站及制式结构一.城市轨道交通现状及展望建设规模快速增长 多市进入快速建设期截至2016年末，中

3、国大陆地区有48个城市在建线路总规模5636.5公里，在建线路228条。建设规模300公里以上的有成都、武汉、广州、青岛、北京5市；建设规模在150-300公里的有深圳、上海、天津、重庆、南京、厦门、杭州、西安、苏州、长沙10市；建设规模在100-150公里之间的有昆明、宁波、南昌、佛山、温州、南宁、沈阳、福州8市，详见下图。在建线路中，地铁4925公里，轻轨13.4公里，单轨33.4公里，市域快轨300.7公里，现代有轨电车328.6公里，磁浮交通28.8公里，APM6.6公里，7种制式同时在建。建设现状一.城市轨道交通现状及展望换乘站大幅增加，城轨交通网络化格局正在形成据不完全统计，在建线

4、路共计车站3463座，其中换乘站1037座，占车站总数的29.9%，与目前运营线路换乘站占比17.1%相比，换乘站占比大幅提高，各城市轨道交通线网逐渐形成，网络化进程加快。建设现状建设投资持续增长，“十三五”开局良好据不完全统计（个别城市数据统计不完整，且不含淮安、红河州、珠海、南平、渭南（韩城）、安顺（黄果树）、三亚、黄石、天水等地方政府批复项目的资金状况），截至2016年末，中国大陆地区在建线路可研批复投资累计34995.4亿元。初设批复投资累计28458.6亿元。2016年度完成投资3847亿元。15个城市完成投资超过百亿元，各城市的轨道交通投资完成情况见下图。一.城市轨道交通现状及展望

5、建设现状建设现状显示出了城市轨道交通的快速发展，其市场前景广阔。一.城市轨道交通现状及展望规划及发展城轨交通总投资计划3.7万亿，多市逾千亿截至2016年末，据不完全统计，中国大陆地区已经获得城轨交通建设项目批复的城市有58个，（包括地方批复的淮安、南平、珠海、红河州、文山洲、渭南（韩城）、安顺（黄果树）、三亚、黄石、泉州、台州、海西州（德令哈）、天水、毕节14个城市），规划线路总长度为7305.3公里。50个城市批复规划线路均超过2条，线网规模超过100公里的城市有28个。据不完全统计，规划车站4562座，其中换乘站1213座，换乘站占比为26.6%，换乘站占比保持较高水平，表明线路的网络化

6、结构已逐渐形成。规划线路包含地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁浮交通、APM等7种制式，城轨交通制式继续呈现多元化发展格局。一.城市轨道交通现状及展望规划及发展建设规模持续增长 网络化趋势明显 制式多元化发展据不完全统计，58个城市已批复规划线路总投资37018.4亿元。14个城市投资计划超过1000亿元，除北京、上海、广州、深圳、武汉、重庆、成都等起步较早的城市外，青岛、厦门、西安、贵阳、杭州、合肥、苏州、长沙等城轨交通新兴城市的投资计划明显加快，将成为“十三五”期间城轨交通发展的新的生力军。北京、上海、武汉、成都4市超过2000亿元，4市规划线路投资共计达10388.6亿元，约占

7、全国已批复规划线路投资的三成。大城市和特大城市轨道交通发展仍保持快速增长的态势。一.城市轨道交通现状及展望盾构技术发展盾构法由于对环境影响小，不受地形、地貌、江河水域等条件限制，以及施工安全、快速等诸多优点，得到了广泛的应用，下面我们就盾构施工技术的发展历程以及在我国的使用情况、现状和发展趋势做一定的探讨。近50年的城市地铁建设中往过引进、完善、开创了一系列适合中国地质条件、技术条件和经济条件的地铁隧道施工方法，已经由原来单一的明挖法发展到现在的明挖、盖挖、矿山法、盾构法等多种方法。一.城市轨道交通现状及展望盾构技术发展盾构工法是在保证开挖面稳定的前提下，使用盾构机在地下掘进、开挖，同时在盾壳

8、的保护下完成衬砌作业、构筑隧道的施工方法。1806年法国布鲁诺尔（Brunel）从小虫打洞受到启发，研究盾构施工法专利，并于1825年采用第一台手掘盾构机（矩形，高6.8m、宽11.4m），在伦敦泰晤士河下修建第一条盾构隧道（全长458米），已有二百年的历史。一.城市轨道交通现状及展望盾构技术发展第一类，初期手掘式，以Brunel盾构为代表；第二类：以机械手挖掘式、气压式为代表；第三类：以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）；第四类：以多功能盾构及复合式盾构为代表。一.城市轨道交通现状及展望盾构在中国早在1950年初期，我国东北阜新煤矿就有了使用手掘式隧道修建疏水巷道，1957年在北京市下水道工

9、程中使用小断面盾构施工的记载。但是能够较为完整的反映盾构技术在我国的使用历史的还是具有软土地基特点的上海地区，其发展历史如下图所示。一.城市轨道交通现状及展望盾构在中国1996年开始的广州地铁1号线建设中使用了从日本引进的泥水加压盾构2台和土压平衡式盾构1台，广州地区基岩埋深起伏较大，残积土层和风化岩是盾构的主要穿越地层。这也是国内首次在地质条件较为复杂的地基中进行盾构施工。2001年开工的深圳地铁1号线、南京地铁1号线等一些区间也采用了盾构施工技术。作为盾构技术发展历程中尤为重要的里程碑事件，国家“863”计划不得不再次被提起，2002年8月，国家科技部将直接6.3米土压平衡盾构机的研究设计

10、列入国家“863”计划。通过公开招标，当时国内盾构设计、制造与施工均有较大优势的中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司主要承担了设计、试验研究、关键技术攻关、样机研制和标准规范编制等。2005年3月26日，上海地铁2号线西延伸工程盾构区间隧道成功贯通，标志着中铁隧道集团承担的国家“863”计划土压平衡盾构关键技术研究取得阶段性成果。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势在新一轮的城市地铁建设中，盾构法将发挥更为重要的作用，但同时也面临诸多技术难题，大体为以下几个方面：（1）地质条件多样化我国城市地铁建设地域分布广泛，东有以上海、杭州等地区为代表的软黏土，南有以广州、深圳为代表的

11、软硬不均复合地层，北有以北京地区为代表的典型砂卵石地层，西有以成都为代表的富水砂卵石地层。加之我国东北哈尔滨等地的冻土、云南昆明面临的泥炭质土，中部地区如西安、兰州等地的老黄土，武汉、南京等地越江地铁中的高磨耗卵砾石地层，重庆、福州等地面临的高硬度岩层等，我国地铁隧道建设的地质条件种类多样，典型地层如下图所示。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势（2）越江跨海常态化我国水系众多，尤其在东南沿海地区与长江、黄河沿线，河湖较为密集，滨江、临湖城市的地铁穿江越河在所难免。我国上海先后建成轨道交通4号线越江隧道、轨道交通5号线虹梅南路金海路越江隧道、轨道交通12号线利津路站复兴岛站区间越江隧

12、道等城轨交通越江隧道；武汉轨道交通2号线于2011年首次采用地铁盾构隧道型式穿越长江，兰州轨道交通1号线也面临穿越黄河的问题；正在规划和施工的福州地铁仅16号线穿越闽江、乌龙江就多达8次。选择抗水压能力更强但造价颇高的泥水平衡盾构，还是充分利用土压平衡盾构的抗水压极限，其决策将直接影响隧道施工与运营的安全性和经济性。此外，如何根据江河地质情况选择刀盘刀具，并进行优化配置，并合理处理运营期间水下复杂因素对隧道结构的不利影响也至关重要。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势（3）结构多元化随着我国城市规模的不断扩张，市郊轨道交通不断拓展、市域联系加强，长距离地铁区间不断出现，这些区间设计时

13、速往往较高、区间长度较长，常规地铁盾构隧道直径6.0、6.2m的断面已不能满足要求，直径7.0、8.0m等中型断面不断涌现。例如，东莞地铁R2线，最高设计时速120Km/h，所处蛤地-陈屋区间长3.8km，为了减少列车运行阻力，节约能源，提高旅客乘车舒适度，首次采用了直径6.7m的外径。如右图所示。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势另一方面，由于地铁隧道要穿越建(构)筑物密集的城市，由于线路规划的限制，同时为缩短建设周期，降低隧道建设成本，地铁断面有从“单洞单线”向“单洞双线”或多种混合交通断面发展的趋势。例如，2011年上海轨道交通11号线南段土建工程9标隧道采用“单洞双线”断面

14、型式；2012年上海轨道交通16号线再次采用“单洞双线”断面型式；2013年南京地铁10号线长3.6km的越长江隧道采用直径11.2m的“单洞双线”断面型式；北京地铁14号线某段也完成了内直径9 m的大断面隧道。在建的武汉地铁7号线三阳路隧道更是创新性地提出采用公轨(公路与武汉轨道交通线)合建的断面型式，上层为公路，下层为地铁，隧道直径达15.2m，其断面直径位居国内第一，世界前三，它的修建也将再次刷新世界越江地铁盾构隧道建设的纪录。如下图所示。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势可见，我国地铁盾构隧道结构断面并不限于传统，而是形成了以6m级直径为主，7、8、11、15 m等多种尺寸

15、断面协调发展的新局面，呈现出多元化发展的趋势，也使我国地铁盾构隧道的设计与施工技术得到了长足进步。然而，国内外大直径复杂断面型式的地铁盾构隧道的应用和研究较少，断面增大所带来的许多问题并未得到足够的重视，还需开展大量的研究工作和施工经验的积累。一.城市轨道交通现状及展望我国盾构技术发展趋势（4）建设环境复杂化一直以来，城市地铁的修建都面临穿越城市建筑密集区的挑战，特别是在现今城市建设速度加快的趋势下，隧道穿越城市密集建筑群、水库、高铁线路、桥基等重要建(构)筑物的情况更是屡见不鲜。例如我公司承建的福州地铁2号线7标仅宁化-西洋一个区间共计穿越建筑物89座。北京地铁4号线动物园至白石桥区间隧道，

16、采用盾构法施工，与地铁9号线区间暗挖法隧道在其下方以约15的小角度空间立体交叉。由于交叉穿越的角度较小，彼此之间相互影响显著。目 录城市轨道交通现状及展望地铁盾构施工关键技术二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 盾构技术基本概念盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中，与岩石围岩不同，土体不具有自立稳定性，所以保持开挖面稳

17、定的系统（盾）就非常重要。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 盾构技术基本原理盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的，除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外，使用压力舱内泥土或泥水压力平衡开挖面上的作用土压力和水压力；使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙，主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。下面我们一起分析、讨论土压平衡盾构和泥水平衡盾构的基本原理。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 土压盾构开挖原理主要是将开挖土砂通过各种搅拌翼在压力舱内搅拌，使其形成一种塑性流动状态，然后通过千斤顶的

18、推进力和控制螺旋式排土器的排土量调节压力舱内的泥土压力，使其与开挖面上的土压力和水压力进行平衡。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 泥水盾构开挖原理泥水加压式盾构是将压力舱内充满泥浆，通过调节泥浆压力与开挖面上的土压力和水压力进行平衡。比较于使用泥土压力的土压平衡式盾构，作为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。刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经设置在泥水舱的搅拌装置拌合后成为含掘削土砂的高浓度泥水，再经泥浆泵将其泵送到地表的泥水分离系统，待土、水分离后，再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环实现掘削、排土、推进。因靠泥水压力使掘削面稳定，故

19、得名泥水加压盾构，简称泥水盾构。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 泥水盾构开挖原理二.地铁盾构关键施工技术原理及应用 泥水盾构开挖原理刀盘盾构千斤顶管片衬砌泥水舱壁后注浆气压舱进浆管排浆管管片拼装机及台车隔板盾构二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构施工的主要特点对城市正常功能及周围环境影响很小。盾构机是根据施工隧道的特点和地质条件进行设计、制造或改造的。“量体裁衣”对施工精度要求高。例如管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度，误差一般控制在0.5-1mm以内；对隧道轴线的偏离、管片拼装精度的要求很高。盾构施工是不可后退的。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用泥水盾构基本构造二.地铁盾构关键施

20、工技术原理及应用泥水盾构工作流程调浆池干土外运沉淀池泥浆及渣土监测系统泥浆处理系统泥浆泵竖井进浆管排泥管二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造 环流系统组成：进浆管路、排浆管路、进浆泵、排浆泵、阀门、管路延伸装置、破碎机、控制调节系统。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造 掘进模式：泥水系统维持开挖面平衡和循环排碴的模式，包括正循环和反循环。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造 掘进模式：泥水系统维持开挖面平衡和循环排碴的模式，包括正循环和反循环。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造 旁通模式：泥水系统中进浆泵与排浆泵直接连通，泥水仓与泥水

21、循环隔离的模式。（静停模式）二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造清水池沉淀池调浆池膨化池调浆系统：主要由由清水池、化学池、膨化池、储浆池、调浆池、沉淀池；泵及管路；清淤及维护通道构成。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造筛分系统：泥浆处理系统由预筛分系统、一级处理系统、二级处理系统组成。一级旋流分离(mm)d50=0.074二级旋流分离(mm)d50=0.020筛分出的渣料含水率(砂层)小于25%。达到分离指标时各次处理污浆的密度小于1.3g/cm3，最大1.4g/cm3；粘度30s以下(苏氏漏斗)，含砂量小于20%二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造

22、筛分分设备：分为三个泥水处理单元，处理量为31100m3/h，每个单元由9个框架3层结构构成，设备总重量108t，装机功率1500KW。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造压滤系统：通过循环泥浆的物质平衡计算，提高前二级旋流分离渣土量，同时采取措施降低三级泥浆处理量，在确保三级泥浆处理效果的基础上，保证盾构泥水循环系统泥浆比重稳定。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用环流系统基本构造压滤系系统主要技主要技术参数参数名称名称规格干碴数量（干碴数量（t/h)22滤饼尺寸（尺寸（mm）2000X2000滤饼厚度（厚度（mm）45过滤面面积（m2）600过滤容容积（m3）13.3压榨榨压力

23、力(Mpa)1.6液液压泵电机功率（机功率（kW）22kwx380Vx50Hz重量重量空载（t）68重载（t）90处理能力（理能力（m3/h）35吹吹风压力力(MPa)0.8二.地铁盾构关键施工技术原理及应用土压盾构基本构造1、土体 2、刀盘 3、泥土仓 4、压力墙 5、千斤顶 6、螺旋输送机 7、管片拼装机 8、衬砌二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型之盾构分类盾构的分类方法较多，可按盾构切削面的形状、挖掘土体的方式，掘削面的挡土形式，稳定掘削面的加压等方式，目前比较常见的分类方法是以的开挖面密封程度进行分类。不同敞开程度的盾构全敞开式部分敞开式密闭式能直接看到全部掘削面状况的形式。在

24、掘削面与内仓之间设有一层隔板，故无法直接观察掘削面状况，只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况。只能看到部分掘削面状况的形式。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用全敞开式盾构特点根据机械化程度差异分三类适用地层掘削面呈裸露状态，故掘削状态是干挖，出土效率高适用于掘削面自稳性好的地层（洪积层压实沙、沙砾、固结粉砂及粘土等），不适用于自稳性差的地层。人工挖掘式、半机械式、机械式。盾构选型之盾构分类二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型之盾构分类二.地铁盾构关键施工技术原理及应用部分敞开式盾构主要指网格挤压式盾构，又称为窗闸式盾构。特征适用地层因正面网格开孔出土面积较小，适宜在软弱粘土层中施工。在局

25、部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体。因对正面土体存在挤压扰动，较难有效地控制地表沉降，不宜在建筑物密集地方使用。利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块，同时以切口、封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力，达到开挖面的稳定。盾构选型之盾构分类二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型之盾构分类二.地铁盾构关键施工技术原理及应用密闭式盾构泥水平衡式土压平衡式是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，土仓内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行

26、调节。是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。盾构选型之盾构分类二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型之盾构分类用于我局广州地铁的直径6.260米土压平衡盾构机用于我局南昌地铁的土压平衡盾构机二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型之盾构分类用于我局南京纬三路过江通道项目的14.93米大型泥水平衡盾构机二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型原则u应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求；u安全适应性、技术先进性与经济

27、性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性与经济合理性；u满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件；u满足安全、质量、工期、造价及环保要求；u后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点；u盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型依据u工程地质、水文地质条件：颗粒分析及粒度分布，单轴抗压强度，含水率，砾石直径，液限和塑限，N值，粘聚力c，内摩擦角，土粒子相对密度，孔隙率和孔隙比，地层反力系数，压密特性，弹性波速度，孔隙水压，渗透系数，地下水位（最高、最低、平均），地

28、下水的流速、流向，河床变迁情况等；u 隧道长度、隧道平纵断面及横断面形状和尺寸等设计参数；u 周围环境条件：地上及地下建构筑物分布，地下管线埋深及分布，沿线河流、湖泊、海洋的分布，沿线交通情况、施工场地条件，气候条件，水电供应情况等；u 隧道施工工程筹划及节点工期要求；u 宜用的辅助工法；u 技术经济比较。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型主要步骤u在对工程地质、水文地质、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。u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、安全等因素对土压平衡盾构和泥水

29、盾构进行比选。u根据详细的地址勘探资料，对地质各主要功能部件进行选择和设计（如刀盘驱动形式、刀盘结构形式、开口率等），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、刀盘转速等。u根据地质条件选择与盾构掘进速度相匹配的盾构后配套设备二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型方法地层渗透系数对于盾构的选型是一个很重要的因素。通常当地层的渗透系数小于 10-7 m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-710-4m/s之间时即可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的渗水系数大于 10-4m/s时，宜选用泥水盾构

30、。根据地层渗透系数与盾构类型的关系，若地层以各种级配富水的沙层、沙砾层为主时，宜选用泥水盾构；其他地层宜选用土压平衡盾构，如右图所示。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型方法土压平衡盾构主要是用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土、粉砂层等粘稠土壤的施工，在粘性土层中掘进时，由刀盘切削下来的土体进入土仓后由螺旋机输出，在螺旋机内形成压力梯降，保持土仓压力稳定，使开挖面土层处于稳定。一般来说，细颗粒含量多，渣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来平衡开挖面的土体。一般来说，当岩土中的粉粒和黏粒的总量达到40以上时，通常宜选用土压平衡盾构，相反的情况选择泥水盾构比较合

31、适。粉粒的绝对大小通常以0.075mm为准。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型方法图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，为泥水盾构适用的颗粒级配范围;中间的绿色区域为细砂区域，两类盾构都能适用。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型依据当水压大于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渣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输送机，或采用保压

32、泵。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用刀盘的主要功能开挖功能。刀盘旋转时，刀具切削隧道掌子面的土体，对掌子面的地层进行开挖，开挖后的渣土通过刀盘的开口进入土仓。稳定功能。支撑掌子面，具有稳定掌子面的功能。搅拌功能。对于土压平衡盾构，刀盘对土仓内的渣土进行搅拌，使渣土具有一定的塑性，然后通过螺旋搅拌机将渣土排出；对于泥水盾构，通过到盘的旋转搅拌作用，将切削下来的渣土与膨润土泥浆充分混合，优化了泥水压力的控制，改善了泥浆的均匀性，然后通过排泥管道将开挖渣土以流体的形式泵送到设在地面上的泥水分离站。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用刀盘的结构形式刀盘的结构形式有面板式和辐条式两种用于风化岩及软弱不均

33、地层的面板式刀盘二.地铁盾构关键施工技术原理及应用刀盘的结构形式辐条式刀盘（无滚刀）辐条式刀盘（有滚刀）二.地铁盾构关键施工技术原理及应用不同刀盘结构优缺点泥水盾构一般都采用面板式刀盘，土压平衡盾构则根据土质条件不同可采用面板式或辐条式。对于土压平衡盾构，面板式刀盘的优点是可以通过刀盘的开口来限制进入土仓的卵石粒径；缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压不等于测量土压，使得土压管理困难；由于受面板开口率的影响，渣土进入土仓不顺畅、易黏结和易堵塞，且刀具负荷大，使用寿命短。辐条式刀盘仅有几根辐条，土、砂流动顺畅，有利于防止黏土附着，不易黏结和堵塞；由于没有面板的阻挡，渣土从开挖面进入土仓时没有土

34、压力的衰减，开挖面土压等于测量土压，因而能对土压进行有效的管理，能有效的控制地面沉降；同时刀具负荷小，寿命长。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用不同刀盘结构优缺点 辐条式刀盘只有几根辐条，切削下来的土体直接进入土仓，没有压力损失，同时在辐条后设有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，土压平衡容易控制，因此辐条式刀盘对砂、土等单一软土地层的适应性比面板式刀盘强，辐条式刀盘也能安装滚刀，在风化岩及软弱不均地层或硬岩地层掘进时，也可 采用辐条式刀盘。辐条式刀盘上的滚刀一般设计成与先行刀可互换式，可根据地质的需要将滚刀换装成先行刀。同时，辐条式刀盘也可换成面板式刀盘，在辐条之间安装可拆卸的面板，即可变为面板式刀盘

35、。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用刀具种类球齿滚刀滚刀楔齿滚刀盘形滚刀齿刀盾构刀具切削刀刮刀先行刀周边刮刀辅助刀具仿形刀，二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构刀具滚刀分为齿形滚刀和盘形滚刀。齿形滚刀常用于软岩，有球齿和楔齿两种；盾构上应用较广的是盘形滚刀，盘形滚刀按刀圈材质主要分为耐磨层表面刀圈、标准钢刀圈、重型钢刀圈、镶齿硬质合金刀圈滚刀等，它们分别适用于各自的地层：耐磨层表面刀圈：适用于掘进硬度40MPa的紧密地层以及80-100MPa的断裂砾岩、砂岩、砂黏土等地层；标准钢刀圈：适用于掘进硬度50-159MPa的砾岩、大理石、砂岩、灰岩地层；重型钢刀圈：适用于掘进硬度120-250MP

36、a的硬岩，硬度80-150MPa的高磨损岩层，如花岗岩、闪长岩等地层；镶齿硬质合金刀圈：适用于掘进硬度高达150-250的花岗岩、玄武岩等地层。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构刀具盘形滚刀按刀圈的数量可分为单刃、双刃、多刃三种形式，如下图：二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构刀具切刀安装在刀盘开口槽的两侧，用来切削未固结的土壤，把切削土刮入土仓中，刀具的形状和位置按便于切削地层和便于将土刮入土仓来设计，在同一轨迹上一般有多把切刀同时开挖。目前最有效的切刀为双层耐磨设计，配有双层碳钨合金刀齿以提高刀具的耐磨性，在第一排刀齿磨损后，第二排刀齿可以代替第一排刀齿继续发挥作用，同时在刀具的背部

37、设有双排碳钨合金柱齿，切刀在刀盘上的安装采用背装式，可以从开挖仓内拆卸和更换。先行刀一般安装在辐条中间的刀箱中，采用背装式，可以从土仓中进行更换。先行刀超前切刀布置，使得先行刀超前先切削地层，从而保护切刀并避免其先切削到砾石或块石地层。先行刀主要有三种方式：贝壳刀、撕裂刀、齿刀。在国际上，日本盾构常采用贝壳刀，德国海瑞克公司盾构则常采用齿刀，加拿大罗威特公司和法国NFM公司的盾构则常采用撕裂刀。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构刀具二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构刀具周边刮刀，也称铲刀，安装在刀盘的外圈，用于清除边缘部分的开挖渣土防止渣土沉积，确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接

38、磨损。周边刮刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一个双排碳钨合金柱齿，用于增加刀具的耐磨性；确保盾构在掘进几公里之后刀盘仍然有一个正确的开挖直径。同切刀和先行刀一样，周边刮刀也采用背装式，可以在土仓内进行更换。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用主要参数计算 盾构外径 盾构外径取决于管片外径、保证管片安装的富裕量、盾构结构形式、盾尾壳体厚度及修正蛇形时的最小余量等。盾尾外径为：式中：管片外径；t 盾尾壳体厚度；盾尾间隙。盾尾间隙 主要考虑保证管片安装和修正蛇形时的最小富裕量。盾尾间隙要求在施工时既可以满足管片安装、又可以满足修正蛇形的需要，同时应考虑盾构施工中一些不可预见的因素。盾尾间隙一般为

39、2540mm。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用主要参数计算刀盘开挖直径 刀盘开挖直径应考虑刀盘外圈防磨板的磨损后仍能保证正确的开挖直径。在软土地层施工时，刀盘开挖直径一般大于前盾外经010 mm；在砂卵石地层或硬岩地层施工时，刀盘的磨损较严重刀盘开挖直径一般应大于前盾外径30mm。盾壳长度 盾壳长度L由前盾（切口环）、中盾（支承环）、盾尾三部分组成。盾尾长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式及封顶块的插入方式。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用主要参数计算L=D 式中：盾构灵敏度；D盾构外径。根据国外盾构设计经验，一般在盾构直径确定后，盾构灵敏度值的参考值如下：

40、小型盾构（D3.5m）：=1.21.5；中型盾构（3.5mD9m）：=0.81.2；大型盾构（D9m）：=0.70.8。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用主要参数计算 盾构重量 盾构的重量是盾壳、刀盘、推进油缸、铰接油缸、管片安装机、人仓、螺旋输送机（泥水盾构为碎石机及送排泥管路）等安装在盾壳内的所有设备的重量的总和。一般地，盾构重量W与盾构直径D的关系如下：对手掘式盾构或半机械式盾构：W=(2540)对机械式盾构：W=(4555)对泥水盾构：W=(4565)对土压平衡盾构：W=(5570)式中：D盾构外径，m；W盾构主机重量，kN。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用主要参数计算盾构推力 在设

41、计盾构推进装置时，必须考虑的主要阻力有6项：盾构推进时的盾壳与周围地层的阻力F1；刀盘面板的推进阻力F2；管片与盾尾间的摩擦阻力F3；切口环贯入地层的贯入阻力F4；转向阻力（曲线施工和纠偏）F5；牵引后配套拖车的牵引阻力F6。推力必须留有足够的余量，总推力一般为总阻力的1.52倍。Fe=A Fd式中：Fe盾构装备总推力，kN；A安全储备系数，一般为1.52；Fd盾构推进总阻力，Fd=F1+F2+F3+F4+F5+F6 有时也可按下式估算：Fd=0.25 PJ D为盾构外径；PJ为单位切削面上的经验推力，也称比推力，一般比推力装备的标准为敞开式盾构为7001100kN/，闭胸式盾构为100015

42、00kN/。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例上海12号线03标盾构隧道工程简况本工程包含两个盾构区间，分别为虹莘路站七莘路站区间，中春路停车场工作井七莘路站区间，基本设计情况如下:序号序号项目项目虹莘路站虹莘路站七莘路站区间七莘路站区间中春路停车场工作井中春路停车场工作井七莘路站区间七莘路站区间1线路走向线路整体呈自西向东走向。线路整体呈自西向东走向。2线路里程SK0+454.760SK2+082.499，单线长度1628mCDK0+000CDK0+935，单线长度935m3曲线设有五段曲线，最小曲线半径650m设有二段曲线，最小曲线半径1000m4坡度最大坡度25.5，最小坡度

43、2最大坡度3.01，最小坡度25埋深10m20m9m17m6管片6块厚度350mm、环宽1.2m的环形预制钢筋混凝土管片，通缝拼装，组成外径6.2m，内径5.5m的圆形隧道。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例本标段区间隧道主要穿越第2层砂质粉土夹粉质粘土及第1层粉质粘土。第2层、1层土均属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，变形量增加。地下水：潜水水位埋深约在1.5米。本区间盾构段隧道底距离地面约16.02米26.44米，部分线路离层层面较近，故第层承压水层对本工程隧道盾构有影响，可能会造

44、成突涌。环境条件：本工程区间隧道主要穿越城市道路，路下有一些管径较大的管线如上水管、雨水管、污水管、天然气管等。隧道区间沿线穿越最重要的建构筑物为外环线顾戴路立交。区间盾构施工对建筑物和管线保护要求较高。地表面允许隆陷值为10/20mm，管线及建构筑物允许隆陷值为10/10mm。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例层序土 层 名 称层厚距原地面（m）固结快剪(峰值)静止侧压力系数无侧限抗压强度C(kpa)(。)K0Qu(kpa)1褐黄灰黄色粉质粘土1.402.703.314.072118.50.4686灰色淤泥质粉质粘土1.002.704.318.511115.50.4636夹灰色砂

45、质粉土0.502.105.636.58533.00.381灰色淤泥质粘土4.806.5013.1314.431012.50.57322灰色砂质粉土夹粉质粘土1.703.8015.8117.57533.00.4456灰色粘土2.003.9018.5720.471215.00.49451b灰色粉质粘土4.906.8024.6825.971417.50.4762暗绿-草黄色粉质粘土3.204.9028.3129.64120.50.451草黄-灰黄色砂质粉土4.306.5033.2635.22534.50.36主要地层特性表二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例根据盾构机型式确定的方法，、上海

46、12号线03标地层渗透系数介于10-6m/s10-8m/s之间，主要穿越3-2层砂质粉土、淤泥质粘土层、1-1粉质粘土1-2粉质粘土，水压约在0.25MPa，本标段易选用土压平衡盾构机。盾构机型式的确定盾构外径、刀盘、刀盘驱动、推进系统、螺旋输送机、管片拼装机、及管片吊机、皮带机、同步注浆系统、铰接系统、渣土改良系统。盾构机参数的确定二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例 刀盘开口率为36%，采用辐条面板式刀盘。刀盘刀具共有82把主切削刀，32把先行刀，25把贝壳刀，2把加泥注浆保护刀，1把鱼尾刀，2把超挖刀。刀盘刀具采用高低配置，可以长距离掘进无需更换刀具，有效减少掘进时间和节约成本

47、，创造低碳经济。刀盘二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例刀盘驱动驱动装置：55kW电机10台（550kW），采用变频器控制。刀盘额定扭矩：5235kNm（20.5），理论需要的刀盘扭矩为2200kNm左右,满足本工程需要。转速：01.6r.p.m，主驱动轴承使用寿命：10000小时以上。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例推进系统 盾构的推进系统共有千斤顶上部2000 kN 5根、中下部2500 kN 11根，行程均为2150mm，能够满足F块在任何位置的拼装需求。总推力37500kN，理论需要推力16000kN左右，能满足本工程需要。推进千斤顶压力控制分上、下、左、右可分

48、别进行独立控制的分区，能够满足隧道掘进纠偏要求，配备4套千斤顶内置式行程及速度传感器，行程显示可逆并能准确、直观地显示隧道掘进机千斤顶伸缩值和速度。推进速度060 mm/min可调。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例管片拼装机及吊机本工程衬砌采用5+1管片形式，其中最重的封底块3.8吨左右，管片吊机一次吊机最大起重量为5T，二次吊机6.4吨。管片拼装机可通过线控和遥控两种方式进行控制，可满足管片安装的各种要求。表述数据备注规格管片拼装机1组管片数量6管 片 操 作 重 量45 kN环片宽度1200mm旋转两方向向左旋转向右旋转旋转速度1.0 rpm/0.5 rpm旋转角度210二.

49、地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例皮带机表述数据配备数量1台皮带宽度800mm输送能力400 m3/h皮带速度120 m/min电机功率30 kW 皮带机用于将螺旋机送来的渣土转运到后方渣土车上，至少应能满足120m3/h的运送能力。其理论输送能力为400 m3/h，能够满足本工程需要。皮带输送机上设置有钢丝绳牵拉式紧急停止装置，可以起到保护维修、测量人员安全的作用。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例螺旋机在本标段施工中，以较快的6cm/min速度掘进，单位出土量为120m3/h。盾构机配置的轴式螺旋机，理论出土能力为265m3/h，能够满足施工需求。螺旋输送机可方便地对外

50、护筒、螺旋叶片进行维修。螺旋输送机螺旋叶片和外护筒的内表面焊有耐磨层；设有断电紧急关闭装置,密封可靠。在断电情况下排土门可全程开闭1.5（闭开闭）次；配置双闸门系统，若出现喷涌险情时，可及时关闭两道闸门。二.地铁盾构关键施工技术原理及应用盾构选型案例同步注浆系统本标段采用幅宽为1.2m的预制混凝土管片，则盾构机每推进一环的建筑空隙为：LnA+（D2d2）/41.80 m3式中：L混凝土管片幅宽m；n注浆点数量4处；A注浆点外包管乌龟壳横截面面积；D盾构外径6.34m；d管片外径6.2m。实际注浆量为理论注浆量的150%200%，即2.73.6m3，本工程同步注浆量基本控制在3.0m3左右,同步