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盾构学习总结

陈永廷

按照工程处统一安排，自2015年1月8日至2015年1月16日，先后到三一重工、中铁五局石家庄地铁1号线工程开始了从理论知识到盾构施工现场的学习。经过九天的学习，本人对土压平衡盾构机构造，施工原理，操作规范等方面有了基本的了解，现简要汇报如下。

一、理论知识培训

1月9日、10日两天，在三一重工各专业人士的讲解下，对盾构有了一定的理解。现将土压平衡盾构简单介绍一下：

（一）盾构机的工作原理

土压平衡盾构机简称EPB盾构机，是在盾构主机的前部设置隔板形成土仓，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，依靠盾构机推进油缸的推力通过隔板给土仓内的泥土加压，使土仓内的土压作用于开挖面以平衡开挖面的水压和土压，达到较为稳定的动态压力平衡状态，在此压力平衡状态下，进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械设备。

（二）盾构的结构及作用

盾构机集机、电、液、气、自动控制于一身。 土压平衡盾构机主要分为主机和后配套两大结构。

主机：刀盘、主驱动（主轴承、主轴承密封、减速机、电机/液压马达等）、盾体（前盾、中盾、中折盾、后盾）、螺旋输送机、管片拼装机、整圆器、推进油缸、铰接油缸、人仓、工作平台等。

1 刀盘是盾构机最关键的核心部件之一，决定盾构机施工的成功与否，其具有三大主要功能：开挖土体、稳定开挖面、搅拌土仓土体。

2 盾体主要由前、中、后三盾组成。其主要作用有：

（1）作为各种机内设备(主驱动、工作平台、管片拼装机、人仓、铰接油缸、推进油缸、螺旋输送机等)的安装支承；

（2）对挖掘出的但还未衬砌的隧道起临时支护作用，承受周围地层的土压和地下水的水压，将地下水挡在盾壳外面；

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（3）掩护掘进、排土、衬砌等作业过程。

3 螺旋输送机主要作用是排除土仓渣土和稳定土仓压力。

4 拼装机主要由支撑架，大梁，旋转架，拼装头组成。拼装机可以采用手动或无线遥控装置操作。一环管片由六块组成，三块标准块，二块邻接块，一块封顶。

后配套系统：后配套系统的主要作用是为主机提供施工支持，包括动力提供、材料供给、物料运输、掘进控制和辅助等。主要包括牵引装置、管片运输系统、出渣系统、动力系统、液压系统、电气控制系统、同步注浆系统、润滑系统、注脂系统、泥水泡沫系统、冷却系统、通风系统、导向系统、数据采集和控制系统等。

1、盾构机液压系统的作用可概括为：将电动机输出的机械能传递给刀盘驱动装置、推进油缸、铰接油缸、螺旋输送机、拼装机等执行结构，并在传递的过程中进行能量控制，以实现盾构机所需要的各种动作功能。

2、同步注浆系统是在盾构机推进的同时向盾尾后部地层与管片间的间隙注入浆液，填充间隙以稳定管片并防止地层沉降的一种系统。

目前主要有单A液注浆和A、B双液混合注浆两种方式。A液主要成分是水泥，B液主要成分是水玻璃(硅酸钠)，根据实际情况加入其他添加剂。加入B液的目的是使注浆液快速凝固，但有可能导致注浆液凝固过快，填充不够充分或堵塞管道等问题。

（三）盾构的选型 1、选型原则

盾构选型总的原则是地质适应性第一，以确保盾构法施工的安全可靠；在安全可靠

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的情况下再考虑技术的先进性，即技术先进性第二位；然后再考虑盾构的价格，即经济性第三位。具体原则如下：

2、选型方法

（1）根据地层渗透系数选择。通常，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。

（2）根据地层的颗粒级配进行选型。粘土、淤泥质土区，适用土压平衡盾构，砾石粗砂区，适用泥水盾构，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。

（3）根据水压进行选型。当水压大于0.3MPa时，适宜采用泥水盾构。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。

二、施工现场实习

2015年1月12日至16日，到中铁五局石家庄地铁1号线工程现场参观了盾构施工现场。主要有以下几方面：

（一）盾构始发技术

由于到达施工现场时，始发已经完毕，没有看到，只是拍摄了一些图片，见右图。

经与中铁五局技术人员交流得知： 1.始发设备

始发设备包括始发基座、反力架、临时拼装负环管片等。始发基座根据盾构机

设置的位置(高度、方向)和盾构机的重量、盾构机械组装作业的施工顺序等来确定，用工字钢和钢轨等材料安装而成。反力架和临时拼装管片是根据管片的运进和出碴空间等来确定形状，同时必须注意要根据正线管片开始衬砌的位置来确定临时负环管片、反力架的位置。

始发用反力架需经过计算推力、扭矩来设计。

（1） 盾构掘进机的推力由盾构掘进机的外壳与土体之间的摩擦阻力、刀盘承受的

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主动水平压力引起的推力、土的粘结力引起的刀盘推力、盾尾与管片之间的摩擦阻力几部分组成。在曲线段推进时，盾构机的推力为正常推进时的1.5倍。还有一种计算总推力的经验公式F=aπ/4D2 式中：a为推力系数，取70～100t/m2。

（2） 盾构掘进机在推进时的扭矩包含切削扭矩、刀盘的旋转阻力矩、刀盘所受推力荷载产生的反力矩、密封装置所产生的摩擦力矩、刀盘的前端面的摩擦力矩、刀盘后面的摩擦力矩、刀盘开口的剪切力矩、土压腔内的搅动力矩等。

2.洞口密封装置

洞口密封装置由洞口防渗材料（帘布橡胶）、防止土层反转的压板（扇形压板）及固定它们的铁件（垫片和螺栓）构成。

3.盾构机始发的注意事项

（1）始发前检查地层加固的质量，确保加固土体强度和渗透性符合要求； （2）始发基座导轨必须顺直，严格控制其标高及中心轴线，由于始发时盾构机与地层间摩擦力很小，盾构易旋转，可以在盾构机两侧盾壳焊接两排钢块作为防扭装置，用来卡住始发台，防止盾构机旋转。同时应加强盾构机姿态的测量，如发现盾构有较大转角，可以采用大刀盘正反转的措施进行调整，同时推进速度要慢；

（3）在拼装第一环负环管片时，为防止两块邻接块失稳，可在管片抓取头归位之前，在盾壳内与负环管片之间焊接一根槽钢以扶住邻接块。

（4）始发前在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置； （5）及时封堵洞圈，以防洞口漏失泥水和所注浆液；

（6）严格控制盾构机操作，调节好盾构推进千斤顶的压力差，防止盾构发生旋转、上飘或叩头；

（7）完毕之后，始发台的端部与洞口围岩还有一定的距离。为保证盾构机在始发时不至于因刀盘悬空而造成盾构机“叩头”，可在始发洞口内安设一段型钢作为始发导轨，同时应注意，在导轨末端与洞口围岩之间，应留出刀盘的位置，以保证始发时，盾构机刀盘可以正常旋转；

（8）始发前应在基座轨道上涂抹润滑油膏，减少盾构推进阻力。

（9）始发前应在刀头和密封装置上涂抹油脂，避免刀盘上刀头损坏洞门密封装置。 （10）及时封堵洞圈，防止洞圈漏浆。

（11）调整盾构的初始姿态。通常盾构的中心线要比隧道中心线高20mm左右，以防止始发时盾构磕头。

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（二）试掘进

试掘进根据规范要求确定为50-100米，通过试验段掘进熟练掌握盾构机操作、在不同地层中盾构推进各项参数的调节控制方法；熟练掌握管片拼装工艺、防水施工工艺、环形间隙注浆工艺；测试地表隆陷、地中位移、管片受力等。当盾构机的刀盘部分切入帘布橡胶板并抵达掌子面时，人工将预制好的粘土土胚加入刀盘后的土仓内，以便盾构机在掘进时形成一定的土压。在确认洞门混凝土的钢筋已经割除完毕以后，进行盾构机的试运转。由于盾构机没有进洞后周围岩土侧压力的磨擦作用，且盾构油缸的推力和掌子面通过刀盘的反力都很小，所以，在试运转时应使刀盘慢速旋转，且要正、反向旋转，使盾构姿态正确。进洞后，盾构机刀盘切削并穿越洞门端头加固区时，土压设定值应略小于理论值且推进速度不宜过快，盾构机坡度略大于设计坡度，待盾构机出加固区之后，为防止因正面土压变化而造成盾构机突然“低头”，可将混合仓的土压力的值设定成略高于理论值，并将下部推进油缸的推力稍稍调高一些。当盾尾进入洞门后，及时调整扇形压板的位置将洞门封堵严实，以防洞口漏泥水、漏浆。在掘进过程中，根据情况在盾构机正面及混合仓内加入泡沫剂、膨润土、泥浆等添加剂以改善碴土性能。在施工过程中，应根据监测信息对土压设定值以及推进速度等施工参数作及时的调整。

（三）正常掘进 1.确定土仓压力值。

在选择掘进土压力时主要考虑地层土压，地下水压（孔隙水压），预先考虑的预备压力。

2.盾构纠偏

（1）滚动纠偏：翻转刀盘；在盾体（前盾、中盾）增加配重；在推进油缸后放置钢楔块；伸出防扭油缸。若发生滚动偏差，应控制在4°内，3°时就开始调整。

（2）方向纠偏：切忌出现偏差就猛纠猛调。调整千斤顶分区的推力；利用管片姿态调整。

3.注浆

浆液的压入时间应与管片脱开盾尾同步为宜，匀量注入的时间应与推进一环的时间相同。

（四）管片拼装 1.管片型号的选择原则

第一，要适合隧道设计线路；第二，要适应盾构机的姿态。

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