隧道讲课

盾构法施工

一、盾构法施工的原理及方法

1. 盾构法的基本含义

盾构施工法是“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，从而构筑成隧道的施工方法”。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。

盾构法施工的概貌如图5-5-1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。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经拼装好的衬砌管片上。盾构机是这种施工方法中主要的施工机具。

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 车站 电瓶车 斗车 泥浆注入车 管片运输车 螺旋输送机

图 5-5-1 盾构法施工概貌图

2. 盾构法施工的原理和过程

调录像

3. 密封式(平衡)盾构机的组成

插盾构机组成及管片两个图

4. 盾构法的特点

a. 地下铁道盾构法施工是在城市浅埋地下作业，不影响地面交通，减少对附近居民的噪音和振动影响；

b. 施工费用不受埋深的影响，有较高的技术经济优越性；

c. 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，易于管理，施工人员较少； d. 穿越江、河、海时，不影响航运，施工不受风雨等气候条件的影响；

e. 但尺寸大小不能改变； f. 盾构施工不可后退。 5. 盾构机和盾构法的发展史

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，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融为一体，无需辅助施工措施。并通过使用不同类型的刀具，就能适应地质情况变化范围较广的地质条件。

插刀具图

盾构法施工开挖面稳定技术的历史，是从压气施工法的“气”演变到泥水式的“水”和土压式的“土”。“开挖面稳定”和“盾构开挖”的技术已达到较完善的地步。目前盾构一般指密封式泥水平衡式和土压平衡式盾构。

最近，盾构技术的发展动向是：开发了超大断面的盾构机和MF盾构机以及DOT盾构机等多断面盾构机，加上在衬砌和开挖方面使用了ECL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全性、适应性和经济性展示了更为广阔的应用前景。

二、盾构机的种类和构造 1. 盾构机的种类

盾构机是盾构法施工的主要施工机械，按开挖面与作业室之间的隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封式三种。种类划分如下所示：

???手掘式???全开敞式?半机械式????机械式???半开敞式——挤压式??泥水式????土压式??密封式??土压式?????泥水加压式?????

?泥水加压式??泥浆式(1) 全开敞式

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，则需进行地层超前加固等辅助施工方法，以防止开挖面坍塌。

①手掘式盾构机

如图5-5-2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、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。

5-5-2 手掘式盾构构造

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，而且应用逐渐减少。

②半机械式盾构机

如图5-5-3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。

为防止开挖面顶面塌陷，盾构机内装备了活动前檐和半月形千斤顶。由于安装了挖掘机，再设置工作面千斤顶等支挡设备是较困难的。

与手掘式盾构机一样，应有确保开挖面稳定的措施。适应土质以洪积层的砂、砂砾、固结粉砂和粘土为主。也可用于软弱冲积层，但须同时采用超前加固，或采取降低地下水位、改良地基等辅助措施。

③机械式盾构机

如图5-5-4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

图5-5-3 半机械式盾构构造

图 5-5-4 机械式盾构构造

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，须采用辅助施工方法。

(2) 半开敞式

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5-5-5。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。

(3) 密封式

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。

①局部气压式盾构。在机械式盾构支承环的前边装上隔板，使切口环成为一个密封舱，其中充满压缩空气，达到疏干和稳定开挖面土体的作用，见图5-5-6。压缩空气的压力值可根据工作面下1/3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行密封，故要求地层透水性小，渗透系数K小于1×10-5m/s，静水压力不大于0.1MPa。另外，这种盾构在密封舱、盾尾及管片接缝处易产生漏气，引起工作面土体坍塌，造成地面降陷。

图5-5-5 部分开放型盾构构造

5-5-6 局部气压式盾构构造 ②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善切削土体流动性的塑流化材料的注入设备。

③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似，仅支护开挖面方法和排碴方式有所不同。在泥水加压式盾构的密封舱内充满特殊配制的压力泥浆，刀盘(花板型)浸没在泥浆中工作。对开挖面支护，通常是由泥浆压力和刀盘面板共同承担，前者主要是在掘进中起支护作用，后者主要是在停止掘进时起支护作用。对于不透水的粘性土，泥浆压力应保持大于围岩主动土压力。对透水性大的砂性土，泥浆会渗入到土层内一定深度，并在很短时间内，于土层表面形成一层泥膜，有助于改善围岩的自承能力，并使泥浆压力能在全开挖面上发挥有效的支护作用。此时，泥浆压力一般以保持高于地下水压0.2MPa为宜。而刀盘切削下的碴土在密封舱内与泥浆混合后，用排泥泵及管道输送至地面处理，处理后的泥浆再由供泥泵和管道送回盾构重复使用，所以，在采用泥水加压式盾构时，还需配备一套泥浆处理系统。

泥水加压式盾构按泥浆系统压力控制方式可分为直接控制型(日本型)和间接控制型(德国型)两种基本类型。