盾构隧道施工原理及方法讲课.ppt

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盾构隧道施工原理及方法石家庄铁道学院土木分院地下工程系朱永全1.盾构法的基本含义盾构法的基本含义盾构施工法是盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，在护盾使用盾构机在地下掘进，在护盾的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而的保护下，在机内安全的进行开挖和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工方法构筑成隧道的施工方法”。

按照这个定义，盾构施工。

按照这个定义，盾构施工法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。

法是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大部分组成。

一、盾构法施工的原理及方法一、盾构法施工的原理及方法盾构法施工的概貌如图盾构法施工的概貌如图5-5-15-5-1所示。

在隧道的一端建所示。

在隧道的一端建造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑造竖井或基坑，将盾构安装就位，盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖的墙壁开孔出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的孔壁推进。

井或基坑的孔壁推进。

盾盾构构推推进进中中所所受受到到的的地地层层阻阻力力，通通过过盾盾构构千千斤斤顶顶传传至至盾盾构构尾尾部部已已经经拼拼装装好好的的衬衬砌砌管管片片上上。

盾盾构构机机是是这这种种施工方法中主要的施工机具。

施工方法中主要的施工机具。

图5-5-1盾构法施工概貌图车站碴土储舱和料斗龙门吊车泥浆处理设备竖井皮带运输机盾构机螺旋输送机管片运输车泥浆注入车斗车电瓶车2.2.盾构法施工的原理和过程盾构法施工的原理和过程3.3.密封式密封式（平衡平衡）盾构机的组成盾构机的组成盾构机组成

（2）压力舱压力测试搅拌系统压力控制加浆系统（3）排土、排泥系统排土器排浆管路搅拌装置加浆装置（4）推进装置千斤顶选型和配置工作速度安全锁总推力千斤顶行程压力垫盾构机通用装置轴承止水带

（1）刀盘超挖装置刀盘开口旋转速度形式润滑装置刀头旋转力矩支承方式（6）附属装置盾尾止水装置壁后注浆装置开挖面崩坏探测装置锁定装置测量装置后方台车接头装置起重臂真圆保护（5）管片组装装置油压机油油压机油压管路（7）油压装置KBBA管片AAA管片的组装顺序K管片（封顶块）的嵌入半径方向插入型BKKBBB盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备盾构机是根据每一施工区段设计的专用设备盾构施工不可退后盾构施工不可退后对施工的要求精度高对施工的要求精度高占用的施工场地小占用的施工场地小对邻近建筑物的影响小对邻近建筑物的影响小对周围环境的影响较小对周围环境的影响较小2.盾构施工的特点盾构施工的特点初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，初期的盾构法是用手掘式或机械开挖式盾构机，结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖，结合使用压气施工方法保证开挖面稳定，进行开挖，在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对在地下水较丰富的地区，用注浆法进行止漏，而对软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。

经过多年对软弱地层，则采用掌子面封闭式施工。

经过多年对盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛盾构技术的研究开发和应用，已演变成现在非常盛行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。

这两种行的泥水平衡式和土压平衡式两种盾构机。

这两种机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面机型的最大优点是在开挖功能中考虑了稳定开挖面的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系的措施，将盾构施工法中的三大要素的前两者联系融为一体，无需辅助施工措施。

并通过使用不同类融为一体，无需辅助施工措施。

并通过使用不同类型的型的刀具刀具刀具刀具，就能适应地质情况变化范围较广的地质，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。

条件。

5.盾构机和盾构法的发展史盾构机和盾构法的发展史砾石、岩石等硬质围岩时的刀头大砾石、岩石时多采用刀轮式刀头刀头的固定方式焊接螺栓式插入式焊接式盾盾构构法法施施工工开开挖挖面面稳稳定定技技术术的的历历史史，是是从从压压气气施施工工法法的的“气气”演演变变到到泥泥水水式式的的“水水”和和土土压压式式的的“土土”。

“开开挖挖面面稳稳定定”和和“盾盾构构开开挖挖”的的技技术术已已达达到到较较完完善善的的地地步步。

目目前前盾盾构构一一般般指指密密封封式式泥泥水水平平衡衡式式和土压平衡式盾构。

和土压平衡式盾构。

最近，盾构技术的发展动向是：

开发了超大断最近，盾构技术的发展动向是：

开发了超大断面的盾构机和面的盾构机和MFMF盾构机以及盾构机以及DOTDOT盾构机等多断面盾盾构机等多断面盾构机，加上在衬砌和开挖方面使用了构机，加上在衬砌和开挖方面使用了ECLECL施工法的施工法的技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测量技术，采用管片自动组装装置，以及采用自动测量技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管理实技术进行开挖控制，用计算机进行各种施工管理实现管理系统化等的开发研究。

对提高盾构施工的安现管理系统化等的开发研究。

对提高盾构施工的安全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。

全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。

1.盾构机的种类盾构机的种类盾构机是盾构法施工盾构机是盾构法施工的主要施工机械，按开挖的主要施工机械，按开挖面与作业室之间的隔墙构面与作业室之间的隔墙构造可分为全开敞式、半开造可分为全开敞式、半开敞式及密封式三种。

种类敞式及密封式三种。

种类划分如下所示：

划分如下所示：

二、盾构机的种类和构造二、盾构机的种类和构造

（1）全开敞式全开敞式全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态全开敞式盾构机是指没有隔墙、开挖面敞露状态的盾构机。

根据开挖方式的不同，又分为手掘式、半的盾构机。

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。

这种盾构机适用于开挖面自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岩。

在遇到开挖面不能自稳的地层时，则稳性好的围岩。

在遇到开挖面不能自稳的地层时，则需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。

坍塌。

a.手掘式盾构机手掘式盾构机如图如图5-5-25-5-2所示，手掘式盾构机的正面是开敞的，所示，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、通常设置防止开挖顶面塌陷的活动前檐及上承千斤顶、工作面千斤顶及防止开挖面塌陷的挡土千斤顶。

开挖工作面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，人工进行。

采用铁锹、镐、碎石机等开挖工具，人工进行。

图5-5-2手掘式盾构构造手掘式盾构机手掘式盾构机这种盾构机适应的土质是自稳性强的洪积层压实这种盾构机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。

对于开挖面不能自稳的砂、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、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定的冲积软弱砂层、粉砂和粘土，施工时必须采用稳定开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降开挖面的辅助施工法，如气压施工法、改良地基、降低地下水位等措施。

目前手掘式盾构机一般用于开挖低地下水位等措施。

目前手掘式盾构机一般用于开挖断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减断面有障碍物、巨砾石等特殊场合，而且应用逐渐减少。

少。

b.半机械式盾构机半机械式盾构机如图如图5-5-35-5-3所示，半机械式盾构机进行开挖及装运所示，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、臂式刀盘等石碴都采用专用机械，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，或配备具有开挖挖掘机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，以图省力。

与出碴双重功能的机械，以图省力。

图5-5-3半机械式盾构构造半机械式盾构机半机械式盾构机为为防防止止开开挖挖面面顶顶面面塌塌陷陷，盾盾构构机机内内装装备备了了活活动动前前檐檐和和半半月月形形千千斤斤顶顶。

由由于于安安装装了了挖挖掘掘机机，再再设设置置工工作作面面千斤顶等支挡设备是较困难的。

千斤顶等支挡设备是较困难的。

与与手手掘掘式式盾盾构构机机一一样样，应应有有确确保保开开挖挖面面稳稳定定的的措措施施。

适适应应土土质质以以洪洪积积层层的的砂砂、砂砂砾砾、固固结结粉粉砂砂和和粘粘土土为为主主。

也也可可用用于于软软弱弱冲冲积积层层，但但须须同同时时采采用用超超前前加加固固，或或采采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。

取降低地下水位、改良地基等辅助措施。

c.机械式盾构机机械式盾构机如图如图5-5-45-5-4所示，机械式盾构机前面装备有旋转式所示，机械式盾构机前面装备有旋转式刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋刀盘，增大了盾构机的挖掘能力，开挖的土砂通过旋转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作转铲斗和排土可以连续进行，缩短了工期，减少了作业人员。

在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机适业人员。

在开挖自稳性好的围岩时，机械式盾构机适应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，须应的土质与手掘式盾构机、半机械式盾构机一样，须采用辅助施工方法。

采用辅助施工方法。

图5-5-4机械式盾构构造

（2）半开敞式半开敞式是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环是指挤压式盾构机，它是在开放型盾构的切口环与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板与支撑环之间设置胸板，以支挡正面土体，但在胸板上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体上有一些开口，当盾构向前推进时，需要排出的土体将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图将从开口处挤入盾构内，然后装车外运，见图5-5-55-5-5。

这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较这种盾构适用于软弱粘土层，在推进过程中要引起较大的地面隆起。

大的地面隆起。

图5-5-5部分开放型盾构构造（3）密封式密封式是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘是指在机械开挖式盾构机内设置隔墙，进入刀盘与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开与隔墙土仓的土体，由泥水压力或土压提供足以使开挖面保持稳定的压力。

密封式盾构机又分成局部气压挖面保持稳定的压力。

密封式盾构机又分成局部气压式、泥水平衡式和土压平衡式几种。

式、泥水平衡式和土压平衡式几种。

局部气压式盾构。

局部气压式盾构。

在在机机械械式式盾盾构构支支承承环环的的前前边边装装上上隔隔板板，使使切切口口环环成成为为一一个个密密封封舱舱，其其中中充充满满压压缩缩空空气气，达达到到疏疏干干和和稳稳定定开开挖挖面面土土体体的的作作用用，见图见图5-5-65-5-6。

图5-5-6局部气压式盾构构造局部气压式盾构局部气压式盾构压缩空气的压力值可根据工作面下压缩空气的压力值可根据工作面下1/31/3点的地下静点的地下静水压力确定。

由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进水压力确定。

由于这种盾构是靠压缩空气对开挖面进行密封，故要求地层透水性小，渗透系数行密封，故要求地层透水性小，渗透系数KK小于小于110-110-55m/sm/s，静水压力不大于静水压力不大于0.10.1MPaMPa。

另外，这种盾构在密另外，这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土体坍塌，造成地面降陷。

体坍塌，造成地面降陷。

土压平衡式盾构土压平衡式盾构土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构。

它的前端有一个全断面切削刀盘，在它后面有一构。

它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密封舱，在其中心处或下方装有长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螺旋输送机，在密封舱和螺旋输送机，以及在筒形的螺旋输送机，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，根据需要还可装设改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化材料的注入设备。

善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。

泥水加压式盾构泥水加压式盾构泥水加压式盾构的总体构造与土压平衡式盾构相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不同。

在