盾构机选型

第1章. 第2章. 第3章. 第4章. 第5章. 第6章. 第7章. 第8章. 第9章.

第10章. 盾构、配套设备与管模

10.1. 盾构机选型 10.1.1. 选型原则

盾构机的性能及其对地质条件的适应性是盾构隧道施工成败的关键。

本合同段盾构区间工程的盾构机选型按照性能可靠、技术先进、经济适用相统一的原则，依据招标文件、颐和园站－圆明园站和圆明园站－成府路站区间岩土工程勘察报告等资料，并参考国内外已有盾构工程实例及相关的技术规范进行。 10.1.2. 选型依据

盾构机选型具体依据如下： （1）本合同段盾构工程施工条件 隧道长度：3032+2044.286单线延米； 线路间距：8～19m；

隧道覆土厚度最小：6m，最大：15.4m； 平面最小曲线半径：350m； 最大坡度：20.801‰；

隧道衬砌管片内径：5400mm 外径：6000mm （2）工程施工环境特点

本工程施工环境具有如下特点对盾构机施工有一定的影响：

本合同段区间隧道沿线地下管线、建（构）筑物密集。颐和园－圆明园区间线路下穿颐和园、圆明园，与万泉河高架桥相交；圆明园～成府路站区间线路通过成府小学、化工研究院，下穿万泉河。区间线路与万泉河高架桥相交时，隧道外轮廓与桩基距离最小为5m，下穿圆明园一座池塘时覆土厚度仅6m，万泉河底部区域隧道覆土厚度为9m。

本合同段区间线路主要沿颐和园路、清华西路布置，与中关村北大街相交，所经道路尤其是中关村北大街交通繁忙、车流量大。

（3）区间地质特点

本合同段区间隧道穿越地层主要有粉质粘土、粉土层，局部夹有砂层、卵石圆砾等。具体的地质统计表见表10-1-1和图10-1-1。

表10-1-1 盾构区间洞身地质统计表 区 间 地层编号 ③ ⑥ 颐和园－圆明园站 ⑥2 ⑦ ⑦2 ③ 圆明园－成府路站 ⑥ ⑥1 ⑥2

岩土名称 粉土 粉质粘土 粉土 卵石圆砾 粉细砂 粉土 粉质粘土 粘土 粉土 0.80EG.20%比例（％） 9.3 46.0 35.2 3.2 6.3 0.8 47.2 7.0 45.0 3.2%6.3%9.3F5.2%7%③⑥⑥2⑦⑦2③⑥⑥1⑥2颐和园－圆明园站区间

圆明园－成府路站区间

图10-1-1 盾构区间隧道洞身主要地质比例图

10.1.3. 本工程地质特点对盾构机功能的要求

针对以上工程地质条件及特点，盾构应具备以下功能： （1）盾构机对地层条件的适应性要求

本合同段隧道地层主要由粉质粘土、粉土层、卵石圆砾层组成，局部夹有砂层，所以盾构对软土地层的适应性应是重点考虑的问题。盾构在软土地段的施工时应重点考虑以下功能：

具备土压平衡掘进功能； 足够的推力和刀盘驱动扭矩；

良好的加泥、加泡沫等碴土改良能力； 合理的刀盘及刀具设计； 具有完善的防喷涌功能； 能够有效防止中心泥饼的生成； 较好的人员仓条件；

超前地质钻探及管片壁后同步注浆功能。

由于本合同段承压水分布较为普遍，含水层主要为卵石圆砾地层和砂层，所以盾构应具有平衡水土压力，防止喷砂、涌水，最大限度的减少地表沉降，并有效保护刀盘刀具的能力。

（2）特殊地段的通过能力

本合同段的特殊地段，主要有以下几种：

部分隧道区段较近距离穿越建（构）筑物，且局部隧道覆土厚度仅6米，这样的地段对盾构的施工提出了很高的要求。盾构在通过该类地段时必须能很好的调整与保持土仓压力，控制地面沉降；

区间隧道局部地段含有少量的砂层和卵石圆砾，这就要求盾构机刀盘具有较强的耐磨能力和有效保护刀具的能力。

区间线路曲线段长度占区间总长的66％，且最小曲线半径仅为350米。要求盾构机具有小半径曲线施工的能力。且对运输系统、通风系统及测量导向系统均有较高的要求。

当盾构机处于含砂地层施工时应具有相应的施工辅助措施及设备，如对土仓压力的控制与碴土改良等。

（3）方向调整与控制能力

本合同段盾构隧道线路较长，且曲线段施工及工程接口较多，要求盾构的导向系统具有很高的精度，以保证线路方向准确。盾构方向的控制包括两个方面：一是盾构本身能够进行纠偏、转向，二是采用先进的激光导向技术保证盾构掘进方向的正确。

（4）环境保护与控制能力

盾构法施工的环境保护包括两个方面：首先是盾构施工时对周围自然环境的保护，即地面沉降满足设计要求，噪声、震动等满足相关环境保护规定的要求；再者要求盾构施工时使用的辅助材料如油脂、泡沫等不能对环境造成污染。

（5）掘进速度满足计划工期需求

根据计划工期安排，盾构的掘进速度必须满足本合同段的计划工期要求。 10.1.4. 盾构机型式的确定

不同类型的盾构机适用的地质类型也是不同的。盾构机的选型必须做到针对不同的工程，不同的地质条件进行针对性设计，才能使盾构更好的适应工程。盾构机的主要类型有泥水式、插刀式（敞开式）盾构、土压平衡式、复合型盾构等。其中土压平衡盾构能够适应较大的地质范围与地质条件，能用于粘结性、非粘结性、有水或无水、软土和卵石圆砾等多种复杂的地层，施工速度较高，能有效的控制地表沉降。所以根据本合同段的工程条件、地质特点、工期及施工要求，结合类似工程盾构的选型经验和北京地铁既有盾构工程的盾构类型，在本工程宜采用加泥式土压平衡盾构。

10.1.5. 土压平衡式盾构机的基本工作原理

土压平衡工作原理：土压平衡盾构的开挖土仓由刀盘、切口环、隔板及添加剂注入系统组成。将刀盘切削下来的碴土填满土仓，在切削刀盘后面装有使土仓内土砂强制混合的搅拌臂。借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力通过碴土及刀盘作用于整个作业面，使作业面稳定，同时用螺旋输送机排土，螺旋输送机排土量与盾构推进量相适应，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量平衡，维持土仓内土压力稳定在预定范围内。土仓内的土压力通过土压传感器进行测量，为保证预定的土压力可通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速来控制，控制原理见土仓土压力控制示意图10-1-2。 Pw 水压力PE 土压力PEPB 盾构土仓压力Pw +PE =PEPB 土舱土压力与地层水土压力平衡状态地表面 地下水位图10-1-2 土压平衡工作原理示意图 当土仓内的土压力大于地层土压力和水压力时，地表将会隆起；当土仓内的土压力小于地层土压力和水压力时，地表将会下沉；因此土仓内的土压力应与地层土压力和水压力平衡。 盾构尾部的空隙通过注浆系统进行同步回填浆液，注浆压力及数量应与地层水土压力及空隙量相适应，有效控制地表的沉降。

碴土改良工作原理：土压平衡盾构维持工作面稳定的介质为碴土，为维持土仓内土压力的稳定和碴土的排出，土仓内的碴土必须具有：良好的塑性和流动性、良好的粘—软稠度、低的内摩擦力、低的透水性。一般情况下碴土不一定具有这些特性，刀盘扭矩较大，碴土流动困难，在土压力作用下易压实固结，容易产生泥饼或泥团，在透水性土层中，在水的作用下碴土在螺旋输送机内排出无法形成有效的压力递减，土仓内的土压力难以稳定，因此需要对开挖后的碴土进行改良，使其具有上述特性。根据地层情况，向开挖土仓内注入泡沫、粘土或添加剂，进行强制搅拌，使碴土具有可塑性和不透水性，螺旋机排土顺畅，土仓内的压

力容易控制和稳定。

10.1.6. 盾构机的主要组成与功能描述

（1）概述

盾构是一个由不同功能的组件有机结合的综合性施工设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部的功能。不同形式的盾构其主机结构特点及配套设施也是不同的，对盾构来说，盾构法施工的过程也就是这些功能合理运用的过程。

土压平衡型盾构在结构上包括刀盘、盾体、人仓、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导向系统及通风、供水、供电系统等。下面根据这些部件或系统在盾构施工中的不同功能特点来分别进行说明。

盾构机主机结构图机后配套总图见图10-1-3，图10-1-4（1、2）。 （2）盾构主机 1）刀盘和刀具

刀盘结构是根据本合同段的地质适应性要求设计的。刀盘结构如图10-1-5所示，整个刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个很厚的法兰盘连接，刀盘背面和法兰盘通过四根Ф600mm，壁厚100mm的钢管焊接在一起，以传递足够的扭矩和推力。刀盘可以双向旋转。

刀盘标称直径6280mm，刀盘总重约57t。

为了保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的中心部位采用整体铸钢铸造，周边和中心部件在制造时采用先栓接后焊接的方式连接。

刀盘是安装在盾构机前面的旋转部分，在支撑掌子面土压的同时进行开挖。通过在不同形式的刀盘上安装不同的刀具或刀具组合，可以适应不同的地质情况下的施工需要。

刀盘采用典型面板式结构，刀盘开口度34%。装有中心刀4把，切刀124把，刮刀16把，刀盘还配备有一把超挖刀，行程20～50mm，由液压操纵伸缩。大多数刀具采用螺栓连接在刀盘面肋板上，可在土仓室内检查或更换刀具。刀盘的后部开口向内倾斜，便于土碴的流动。焊接的搅拌臂可以使碴土改良添加剂和挖出的碴土在刀盘后面进行充分的搅拌。刀盘安装在主轴承的内齿圈上，通过8个液压马达驱动。刀盘设计为双向旋转，其转速可无级调节。

刀盘面板上共有8个泡沫注入口，其中包括在刀盘的中心设置的四个泡沫注入口。背面有3个泡沫注入口备用。泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆。通过刀盘的旋转接头，土质改良用的泡沫、膨润土或水被送到土仓内。另外，仿形刀的液压供应也是通过旋转接头来连接的。回转中心通过刀盘中心的法兰和刀盘连接。刀盘结构与刀具示意见图10-1-5。

刮刀搅拌臂刀盘驱动组件刀注盘入口回转中心中心刀切刀注入口螺旋输送机超挖刀刮刀 图10-1-5 切刀 刀盘结构与刀具示意图

图10-1-3，图10-1-4

2）盾壳

盾壳包括三个主要组件：前体、中体和盾尾。

前体里面装有支撑主驱动和螺旋输送机的钢结构。压力隔板将前体的土仓和主仓分离开来。隔板上面的门可以让人进入土仓进行保养和检查工作。此外，隔板有几个开口，可以作为碴土改良材料的入口以及作为修理时输电线的接线盒接头。水、膨润土或泡沫被输送至土仓，通过安装的隔板上的四个搅拌器使土仓内的碴土充分搅拌。在保养和修理时，螺旋输送机的套筒回收后，通过前体上液压闭合装置，可以关闭螺旋输送机的进碴口。

在前体的隔板上安装有土压传感器用以监测土仓内的土压，以便在土压平衡模式下及时对土仓内的土压进行反馈和调节。

前体和中体是用螺栓上紧并焊接在一起的。

在中体内布置了推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。推进缸和连接盾尾的铰接油缸布置在中体。在中体的盾壳上焊接了带球阀的可在需要时实施超前钻孔的预留孔，当需要时还可以通过这些预留孔注入膨润土等用以减小盾壳与土层的磨擦，或实施临时止水。

中体和盾尾之间通过铰接油缸连接，两者之间可以有一定的夹角，从而使盾构在掘进时可以方便的转向。正常情况下铰接处使用的是预紧密封，并安装有一道气囊密封用于对铰接密封维修时使用。

盾尾安装了三道密封钢丝刷及二个油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂以防止盾构外面的水或砂浆进入盾构。另外还安装了8根内置的同步注浆管道。如图10-1-6所示。

3）人员仓

人员仓是在土仓保压期间，人员出入土仓进行维修和检查的转换通道，出入土仓的工具和材料也由此通过。其主要目的也是为了在人员和材料进入土仓时能够保持土仓中的土压。

人员仓包括主仓和准备仓，它们由压力门隔开。主仓和中间仓之间有法兰连接，而中间仓直接焊接在压力隔板上。通过隔板上的门就可以进入土仓。准备仓和主仓横向连接，这样

图10-1-6 同步注浆及盾尾密封示意图

从准备仓出来必须要经过主仓。准备仓的作用是在压缩空气工作时和出现紧急情况时的出入。

（3）主驱动系统

主驱动机构包括主轴承、八个液压马达、八个减速器和安装在后配套拖车上的主驱动液压泵站。刀盘通过螺栓和主轴承的内齿圈联接在一起，主驱动系统通过液压马达驱动主轴承的内齿圈来带动刀盘旋转。主驱动的配备功率为945KW，标称扭矩为4500KN·m，脱困扭矩为5300KN·m。

主轴承有两套密封系统密：外密封系统负责土仓内的密封，而内密封系统则负责盾构后部的大气密封。外密封系统是通过带有永久性失脂润滑油脂润滑和渗漏控制三重唇形密封系统进行来实现的。密封支撑直接和轴承通过螺纹连接固定在一起，并且作为主轴承结构的一部分从而充分保证同心度；内密封系统将小齿轮区和空气之间进行密封。主驱动系统机构如图10-1-7所示。

（4）推进系统 主轴承外密封刀盘联接件主轴承内密封主轴承减速器液压马达图10-1-7 刀盘驱动示意图 盾构的推进机构提供盾构向前推进的动力。推进机构包括30个推进油缸和推进液压泵站。能够提供34210KN的推力。推进油缸在圆周方向上划分为五组区域，每组区域可单独进行控制。通过调整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向。油缸的后端顶在管片上以提供盾构前进的反力。

推进系统油缸的分组如图10-1-8所示，其中红色位置的油缸安装有位移传感器，通过油缸的位移传感器我们可以知道油缸的伸出长度和盾构的掘进状态。

（5）出碴系统 1）螺旋输送机

螺旋输送机安装于前体的底部，螺旋输送机从隔板到拖车沿中心线的上仰角为23°。在

图10-1-8 推进油缸分区示意图

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