盾构工程方案及技术措施

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1、盾构工程方案及技术措施1盾构机选型1.1 盾构机提供方式经过多方调查及全面比选，我公司在本标段拟投入两台新购海瑞克复合式土压平衡 盾构机（设备编号S-813、S-814）进行施工，其中右线采用S-813盾构机，左线采用S-814 盾构机。我单位已与海瑞克公司签订了盾构设备购置意向书，如我单位中标，立即与海 瑞克公司签订设备购置合同，即刻开始盾构机制造，盾构机生产周期为 7-9个月，完全 能够满足广州市轨道交通二十一号线工程【施工15标】土建工程盾构施工工期要求。所选盾构机详细情况详见 附件一一盾构性能和参数”。1.2 盾构机选型依据1.2.1 盾构机选型原则盾构机的选型就是针对工程地质和环境的

2、特点，选择经济合理的盾构机型式，使之 既能适应于工程的地质条件、环境要求和技术要求，又能在复杂困难的地段中具有应变 能力。在复合地层中施工，盾构机选型主要考虑三大系统：刀盘、添加剂和人闸。1.2.2 盾构机选型流程图盾构机选型流程图见图1.2-1盾构机选型流程图1.2.3 区间隧道设计特点区间线路平面最小曲线半径600m；最大纵坡度25%;隧道外径6.0m；隧 道内径5.4m；环宽1.5m；埋深6757.5m；掘进方向误差不超过i50mm；盾构 掘进施工地表面允许隆陷值为+10/-30mm。1.2.4 区间工程地质、水文地质特点区间隧道主要穿越地层3-2中粗砂层、4-2B淤泥质粉质粘土、5乙2

3、砂质黏性 土、6Z全风化花岗片麻岩、7Z强风化花岗片麻岩、9Z微风化花岗片麻岩、F 断层破碎带。地下水稳定水位埋藏深度 1.5023.40m,标高28.3164.34m。地下水按赋存方式 分为第四系松散层孔隙水，块状基岩裂隙水。其中松散层孔隙水多为潜水，局部具微承 压性；块状基岩裂隙水为承压水。1.2.5 本工程特点、难点对盾构机的选型要求根据以往土压平衡盾构机的使用情况，结合广州地铁地质条件的特点，施工中有以 下一些特点、重点、难点以及遇到时所相应需要采取的措施。(1)刀盘刀具具有较高耐磨、耐热、高硬度等性能。刀具类型多，既有可破碎微风化 岩石及孤石的滚刀，又有可切削土层的刮刀、铲刀等多种刀

4、具，以供优选，并且在施工 中可现场更换刀具。地质条件设计条件整理地质条件及水文掘进长度掘进长度误差掘进速度管片尺寸平、纵断面条件沉降要求可适用的方m 复合式土压平衡盾构机环境保工程难点及施工措施的论证图1.2-1盾构机选型流程图经济工期其它(2)刀盘堵塞及糊刀”现象：在淤泥质粉质粘土层、可砂质黏性土层等粘性土层 中掘进可能会在刀盘上产生 泥饼”及 糊刀”现象，影响掘进效率，须注意其对施工设备 的不利作用，因此，刀盘设计合理的开口率用以改进 泥饼”及 糊刀”现象。(3)盾构机配置了添加剂(膨润土、泡沫、水)注入系统，以帮助改良掘进渣土， 也有利于减小刀具磨损。(4)同步注浆的控制：为了能对应各种

5、土质条件，同步注浆系统设计成采用单液浆的系统，但同时也具备注双液浆条件。1.2.6 满足本标段地质要求的盾构机选型分析盾构的主要类型有土压平衡盾构、泥水加压盾构、复合式土压平衡盾构等。根据我 公司施工经验并咨询国内外盾构专家，认为本工程选择复合式土压平衡盾构机更适合。 根据本工程特点，表1.2-1是对这三种盾构进行的综合比较分析。表1.2-1三种盾构机技术、经济对比表比较内容泥水加压盾构机土压平衡盾构机复合式土压平衡盾构机适用的地层砂层、软流塑淤泥砂层、各种土层及互层土层及岩石占用的场地约1力平米40005000平米40005000平米对环境的影响产生废弃泥浆，有污染有轻微污染有轻微污染地表的

6、沉降小较小较小洞内作业好较好较好工程费用高低较局根据此项对比，应优先选用 复合式土压平衡盾构。1.2.6.1 盾构类型与地质条件关系不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，泥水盾构主要针对无粘聚力的含水砂层 以及软流塑、流动性等特别松软的地层，也可广泛用于各种软弱地层的施工。土压平衡 盾构适应于各种土层及这些土层的互层，适用范围广。复合土压平衡盾构机主要针对在 同一隧道中，由于地质情况差异较大，地层变化复杂，需要不同类型的盾构机转换，以 达到适应不同地层的目的，这种盾构除具备一般土压平衡盾构机的一股特性外，既能在 土层中掘进，还能在岩石中开挖，主要应用于岩石占据一定比例的复杂地层隧道。1.2.6

7、.2 盾构类型渗透性关系地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。根据欧美和日本的施工经验，两种盾构能够适应的地层渗水系数范围如图1.2-2所示。当地层的透水系数小于10-7m/s时，选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在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，直选用泥水盾卵石层粗砂砾层中细砂砾层构。本工程区间隧道的洞身地层中水平渗透系数为1.16 X0-81.16 10-5m/s,地地层渗透性与盾构选型二:I乌-10 2泥水盾构水-10-3图1.2-2地层渗透系数与盾构选型关系示意图层的最大透水系数小于10-

8、4m/s,通过分析，优先采用土压平衡盾构机。1.2.6.3 盾构类型与岩土颗粒的关系岩土颗粒与盾构机选型关系如图1.2-3所示，大体上，当岩土中的粉粒和黏粒的总 量大于40%以上时，通常会选用土压平衡盾构机；相反情况选用泥水盾构机比较合适。 粉粒的绝对大小通常以0.075mm为界。根据本工程盾构区间地层土粒分布及岩层性质, 选复合式土压平衡盾构机更适宜。1.(11 I I 口口胃口.口匚W图1.2-3岩土颗粒与盾构机选型的关系图1.2.7 盾构机形式的确定针对本标段工程地质、水文条件、地上建筑物、地下构筑物及周边环境等情 况和本标段中工程的特点和难点，我们选择了在广州地铁有着丰富经验和优秀业

9、绩的海瑞克盾构机生产厂商合作，拟采购两台全新海瑞克复合式土压平衡盾构机 投入本标段使用。海瑞克公司生产制造了多台盾构机成功应用在了广州地铁多条 线上，完全有适应本标段地层的能力。因此，我单位在本标段选用新购海瑞克公 司两台复合式土压平衡盾构机。1.3 盾构机特点(1)盾构机设计扭矩、推力均能够适应该区间地质条件。盾构机掘进扭矩 可达5631kN m,脱困扭矩6213 kN m,掘进推力可达39914kN。(2)主轴承寿命满足本工程盾构施工要求。主轴承设计寿命均为10000小时，且有对主轴承、主轴承密封的温度监测装置， 能够随时监测主轴承及主轴承 密封的状况，使盾构机运转更加可靠。(3)盾构机能

10、适应多种地层掘进，当盾构机在粘土、粉土、砂土掘进时， 采用土压平衡掘进模式，一方面设计有水、泡沫、膨润土注入口，能满足改善法 土和易性的要求，保证土压平衡顺利掘进；另一方面可以通过土压传感器严密监 测土仓内的压力，同时监控出渣量，避免过量出渣产生地表沉降。图1.3-1盾构机土压传感器图1.3-2盾构机添加剂注入口(4)有改善渣土的设计在刀盘面板设计上有泡沫及膨润土注入装置，可根据需要来加注泡沫和膨润 土，及时有效的改善渣土的塑流性和不透水性，减小刀盘和刀具的磨损，同时防止泥饼的产生。土仓壁板上设计有搅拌翼，同时还有膨润土和泡沫注入口，在搅拌翼对渣土 搅拌的同时加注泡沫或膨润土，改善渣土的塑流性

11、。在螺旋输送机的筒壁上有膨润土和泡沫注入口， 所加注的泡沫和膨润土可促 进渣土的流动，使其顺利的从螺旋输送机输出。渣土改良系统有泡沫和膨润土两套设备，可根据不同地质条件选用不同的改 良方式。渣土改良措施见4.2.2渣土改良和管理。(5)耐磨性的加强刀盘采用耐磨性、焊接性、冲击韧性极好的 16MnR材料制作，在刀盘的外 缘还有两层可更换的耐磨条，面板外缘也堆有 5mm厚的堆焊耐磨层，充分保证 盾构在本区间的掘进。所有刀具均是用硬质合金钢做为刀具， 高耐磨钢作为刀体，刀背和刀座由焊 在刀盘上的耐磨层和耐磨钉保护。土仓仓壁和螺旋输送机的筒壁均采用了耐磨材料制作， 在螺旋输送机的入口 和出口处均有耐磨

12、焊层，入口处更有可更换的耐磨板，叶片和轴的磨损区域也有 耐磨堆焊层，在螺旋输送机的第一节螺杆上还焊有耐磨衬垫， 完全防止了渣土对 土仓和螺旋输送机的磨损。(6)适应小曲线半径掘进的设计盾构机设计上采用了校接装置，可满足最小达250m半径曲线的推进转弯和 纠偏。推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作，行程为 2200mm,可保证封顶块 在任何位置，均满足1500mm管片的拼装要求；辅以配置的超挖刀，可以较好的 控制掘进方向和进行纠偏。(7)符合环境保护要求的设计特点地表建筑物保护，盾构机具有加泥土压平衡掘进模式，可实现地表沉降控制， 保护地表建筑物。本区间地表建筑物密集，地表沉降要求高，掘进时可严

13、格控制 地表沉降。(8)盾构机具有以下设计特点盾构机能够在土压平衡模式下掘进， 能有效的稳定开挖面地层，通过同步注 浆保证掘进后管片与隧道壁的环向间隙及时填充。通过加泥土压平衡模式(可加泥、泡沫、水)可以控制地层水流失，避免地层水流失造成的地面沉降。通过土仓密闭设计及辅助保压系统，刀具更换等工况下也可实现学子面压力 的稳定。(9)消耗的材料具有环保特点盾构使用的主轴承密封油脂、盾尾密封油脂均具有生物可降解性和无毒性， 泡沫剂在使用后的一天内即可自行分解消失， 属于绿色环保材料，其环保性能完 全符合标准。1,4刀盘对地质的适应性(1)刀盘采用复合面板结构，刀盘开口率为 33%,刀盘中心部位配置镶

14、硬 质合金的中心双刃滚刀，配合向周边辐射分布单刃滚刀，有利于硬岩地层的掘进， 同时具备更换软土撕裂刀的条件， 可适应复合地层掘进。刀盘正面配置镶硬质合 金的刮刀，周边配置镶硬质合金的铲刀，刮刀和铲刀除切削外还承担进渣功能， 可利于排渣，并能降低切削扭矩。刀具具有合适的前后角适于切削并减少磨损。刀盘外圈配置镶硬质合金的边缘铲刀，以便长久保持开挖直径。配置仿形刀可适 应于小曲线半径掘进(2)刀盘上布设中心双刃滚刀 4把，单刃滚刀31把，刮刀50把，边缘铲 刀8把，滚刀高175 mm,刮刀高140mm,边缘铲刀高140mm。滚刀的装配采 用螺栓连接方式，刮刀、铲刀的装配将采用焊接方式；交换滚刀时，全

15、部可从土 仓侧进行交换，装配方式采用楔子连接方式。（3）耐磨设计，刀盘设计充分考虑了地层对刀盘具有较大的磨损性，在刀 盘辐条面板及大圆环前后端面堆焊了大量的网格状耐磨硬质合金，并在刀盘外周也焊有耐磨复合钢板，提高了刀盘的耐磨性能，延长其使用寿命。1.5 不同开挖模式的工作原理对盾构机的技术要求土压平衡式盾构机的掘进模式主要有土压平衡掘进模式、敞开式掘进模式以 及介于两者之间的混合模式三种，各有其工作特点和适用的地质条件。 所选的复 合式土压平衡盾构机可在掘进过程中根据不同的地质情况选择不同的掘进模式 以便达到最好的掘进效果。1.5.1 土压平衡掘进模式土压平衡式盾构机的基本工作原理，就是盾构机

16、在推进掘削开挖面土体的同 时，使掘削的渣土充满土仓内，并且使土仓内的渣土密度尽可能与隧道开挖面上 的土壤密度接近。由于在推进油缸的推力作用下，使土仓内充满的渣土具有一定 的压力，土仓内的渣土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，隧道开挖面上的土壤就不会轻易坍落，达到既完成掘进又不会造成开挖面土体的失稳， 引 起地面沉降就能被减至最少。（见图1.5-1）。图1.5-1 土压平衡模式示意图1.5-2敞开模式示意图1.5-3混合模式示图土仓内的压力可通过改变盾构机的掘进速度或螺旋机的转速（排渣量）来调节，按与盾构机掘削土量（包括加泥材料量）对应的排渣量连续出土，保证使掘 削土量与排渣量相对应，使

17、土仓中的塑流性渣土的土压力能始终与开挖面上的水 土压力保持平衡，保持开挖面的稳定性，压力大小根据安装在土仓壁上的压力传 感器来获得，螺旋机转速（排渣量）根据压力传感器获得的土压自动调节，螺旋 机转速（排渣量）也可手动操作。在用土压平衡掘进模式掘进时，应保证刀盘有足够的开口率，使渣土能顺利 进入土仓，并将土仓内渣土的压力尽可能顺畅地传递到开挖面上。1.5.2 敞开式掘进模式敞开式掘进模式一般用于地层自稳条件比较好的场合， 即使不对开挖面进行 连续压力平衡，在短时间内也可保证开挖面不失稳， 土体不坍塌。本盾构机在敞 开式模式掘进时，破碎下来的渣土能够尽快落入土仓下部， 并由螺旋输送机迅速 地排出。

18、（见图1.5-2）。敞开式模式掘进中，可间断打开仓门，观察开挖面、出土和刀具磨损情况， 以便及时准备更换刀具、调整掘进参数和及时转换掘进模式。1.5.3 混合模式（半敞开）如果掘进中遇到虽然围岩稳定、但富含地下水的地层；或者施工断面上大部 分围岩稳定，仅有局部会出现失压崩溃的地层； 或者破碎带。此时应增大推进速 度以求得快速通过，并暂时停止螺旋机出土、关闭螺旋机出土闸门，使土仓的下 部充满渣石，向开挖面和土仓中注入适量的添加材料 （如膨润土、泥浆或添加剂） 和压缩空气，使土仓内渣土的密水性增加，同时也使添加材料在压力作用下渗进 开挖面地层，在开挖面上产生一层致密的 泥膜推进过程中可以欠土压，但

19、一 环推过后，安装管片时，要把土仓中的压力建立起来，否则工作面仍是不稳定的。 通过气压和泥膜阻止开挖面涌水和坍塌现象的发生，再控制螺旋机低速转动以保 证在螺旋机中形成 土塞”，是完全可以安全快速地通过这类不良地层的。 使用这 种掘进模式，既可维持开挖面稳定，又可达到较高的掘进速度。1.6 盾构机各部分功能描述（1）开挖功能主要由开挖系统来完成，开挖系统主要由刀盘、切口环、密 封隔板组成。刀盘的外径设计为6280mm,比盾体外径大30mm,便于盾构在推进时减少 盾壳与围岩的摩擦；刀盘转速为 03.5rpm,由液压马达调速，在遇到不同地质 的情况下，可低速/大扭矩旋转或高速/小扭矩旋转，以满足开挖

20、的需要；刀盘支 撑在三排圆柱滚子轴承上，该主轴承是刀盘的关键部位，设计寿命为10000小时;主轴承采用内外共计三道密封，并定时加注油脂，保证密封效果刀盘在9个液压马达驱动下，通过减速器、大小齿轮、三排圆柱滚子轴承的 作用来旋转，用以切削土体；切下来的泥土碎石由进渣口进入泥土仓， 在泥土仓 内由装在刀盘后和密封隔板上的搅拌棒对其进行强制搅拌，使其塑流性和不透水 性达到最佳状态，经伸在泥土仓底部的螺旋输送机输送出去。泥土仓内设有5个土压传感器和膨润土、泡沫及水的注入口，当切削下来的 渣土塑流性和不透水性不能保证泥土仓内的压力平衡及开挖面的稳定时， 就及时 予以合理的注入，以防产生泥饼，并使渣土顺利

21、的排出，确保刀盘开挖的顺利进 行。密封隔板上装有刀盘驱动设备、土压传感器、膨润土、泡沫及水的管道、气 压管道、人闸等。(2)推进功能描述推进功能由推进系统来完成。推进系统有沿支承环圆周均匀地安装的 30个盾构推进油缸(其中10个双缸, 10个单缸)。油缸布置与管片分别对应，靠管片的反力实现对盾构的推进，是盾 构推进的动力装置，油缸分上下左右四组进行控制，通过调整各组的推进力的大 小来控制掘进方向，推进油缸行程全部为2200mm，满足1500mm管片的错缝拼 装要求。当刀盘遇到意外地下障碍或土壤状况突然变化， 使刀盘旋转的液压马达超过 许用负荷，则刀盘停止转动，此时盾构千斤顶的供油被连锁装置切断

22、， 盾构停止 推进，待故障排除后，刀盘重新启动，盾构才能继续推进。(3)排土功能描述排土功能主要由螺旋输送机、皮带输送机及运渣车来完成。螺旋输送机由液压马达驱动，前端装在泥土密封仓底部，通过密封隔板向中 心倾斜安装。在出土口设有液压油缸控制的闸门和弃土导槽； 在螺旋输送机的转 动下，刀盘切削下来的泥土和岩石碎块连续不断的向外输送，螺旋输送机的转速为可调的，用来控制排土量，保证土仓压力，同时保证开挖面的稳定；在螺旋输 送机上装有泡沫及膨润土管路，可减小阻力延长寿命。在螺旋输送机上安装有两 个土压传感器测量压力变化情况，便于控制土仓压力，使排土顺势流畅。螺旋输送机的进渣门和出土闸门分别由两个液压油

23、缸控制，出土闸门有防水 密封，其开口度可根据需要任意调节，且在断电的情况下，可自行关闭，确保安 全。螺旋输送机的螺杆可伸缩，伸缩量 1000mm。螺旋输送机可满足粒径266mm碎石的顺利排出。螺旋输送机的转速可以根据泥土仓压力手动或者自动调节。螺旋输送机排出的泥土，由皮带输送机运到后配套拖车的尾部装车， 通过运 渣车、工作井提升设备把渣土运到地面。(4)管片拼装功能描述管片拼装系统由管片拼装机、管片输送机构、整圆器组成。由管片车运来的管片，通过管片吊机吊下，放在已拼装成型管片上，再通过 管片喂片小车将管片输送到管片拼装机下。 管片拼装机有6个自由度，确保管片 的旋转、升降、移动、俯仰、侧倾和摇

24、摆的各基本动作而进行最终的定位；其油 缸举升行程和纵向移动行程分别为 1000mm和2000mm,完全可以满足1500mm 管片错缝拼装。管片拼装机通过夹紧机构将管片夹起， 完成管片的粗定位和微调 整定位，再通过螺栓方式完成管片间的连接和环间的连接。管片拼装机具有自动锁定功能，即当液压系统失压时，液压马达上的制动器 可以实现自动锁定。管片拼装机不受推力油缸靠近和加压产生的运动及外力的影响。整个管片拼装机的工作可采用线控和遥控进行。(5)油压、电气、控制系统功能描述油压控制系统油压控制系统根据施工要求合理配置，主要用于推进系统、螺旋输送机、管 片拼装机及校接装置等，集中供油装置设在后方台车上。供

25、油装置设有过滤系统，其过滤精度达 6uo电气控制系统电气控制系统由高压电缆箱、高压电缆及快速接头、变压器、配电盘等组成。 配置在便于操作、检查、维护的位置，均具有防水、防滴、防潮、防尘和防振的 特点，具有接地保护、安全警报、自动互锁、漏电保护、过电流、短路保护等功 能，可保证供电的安全。控制系统盾构控制系统由PLC和1台监控计算机组成主机系统，配有专门的数据获 取处理软件，远程监控终端分布在盾构内及后方台车上， 每台远程终端配置小型 PLC,主机和远程终端的通信采用总线方式。盾构工作分盾构掘进、管片拼装及停止三个阶段，盾构掘进时，可采用自动 控制模式和手动模式，即根据推进速度及土仓压力自动或手

26、动改变螺旋输送机转 速以改变排土量来维持土压平衡的控制模式。盾构配置较多的传感器，主要有土压传感器、油压传感器、行程传感器、刀 盘、螺旋输送机测速仪等，还配有压力、温度继电器。监控计算机，采用触摸式工控机，以掘进施工操作、管理、监视为目的，主 要功能有数据显示、数据保存、数据处理、数据设定、报警等。计算机屏幕为直观菜单显示，有多幅画面供盾构主司机选择，并有打印功能。(6)附属装置功能描述姿态控制装置姿态控制装置是控制盾构在已定空间轴线的允许偏差范围前进的关键装置， 主要由调整盾构推力大小和合力作用点位置以及设置在刀盘的超挖装置来控制。 在盾构掘进时，利用控制盾构纵坡以控制盾构的高程位置， 利用

27、千斤顶伸出差值 控制盾构平面位置，通过控制系统进行监测来控制盾构的姿态， 而超挖装置则由 一个油缸千斤顶和一个超挖刀构成， 外伸量用油缸千斤顶的行程调整，调整范围 在050mm,利用角度传感器可在任意的角度上进行盾构外径的部分外挖或超 挖，确保盾构在曲线施工，方向修正时的姿态。导向系统导向系统采用SLS-T自动定位隧道导向系统，由PC机、隧道掘进软件、全 站仪、ElS靶、控制盒、调制解调器、激光发射器、TBM-PLC、电缆等组成，有 足够的掘进方向控制能力及自动纠偏能力， 保证掘进方向误差不超过 乜0mm,能 对盾构姿态位置、水平和垂直偏差进行监测控制，并能及时报警，以便对盾构进 行及时调整和

28、采取必要措施，确保隧道掘进的质量和安全。所有被监控对象的资料均可由隧道掘进软件进行分类组合，以图表、数据的形式显示出来。盾尾同步注浆装置盾尾同步注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆罐、管路、阀件等组成，安装在后方台车上。当盾构掘进时，注浆泵将储浆罐中的浆液泵出，通过四条独立的输浆管道， 通到盾尾壳体内的4根同步注浆管，对管片外表面的环行空隙中进行同步注浆， 其作用首先是防止地基变位，其次是依靠它提高隧道整体防水性，确保管片衬砌 的早期稳定性。在每条输浆管道上都有一个压力传感器，在每个注浆点都有监控设备监视每 环的注浆量和注浆压力；而且每条注浆管道上设有两个调整阀， 当压力达到最大 时，其中一个阀就会

29、使注浆泵关闭，而当压力达到最小时，另外一个阀就会使注 浆泵打开，继续注浆。注浆量和注浆压力的大小可以实现自动控制和手动控制，手动控制可对每一条管道进行单个控制，而自动控制可实现对所有管道的同时控制。盾尾密封采用三道钢丝刷加注油脂密封，确保周边地基的土砂和地下水、同 步注浆材料、开挖面的水和泥土从外壳内表面和管片外周部之间缝隙不会流入盾 构里，确保同步注浆的顺利进行。根据需要盾构机还配有壁后注浆（二次注浆）设备，及盾构机后方通过管片 注浆孔进行补充注浆。后方台车盾构操作的所有设施和装备都安装在后方台车上。后方台车共有5节。台车为门式结构，跟在盾构主机后面，以拖车的方式牵 引，它的中间为通道，顶部

30、安装皮带输送机，两侧布放盾构操作室、加泥设备、 注浆设备、集中润滑设备、用于刀盘推进和旋转的油泵及马达、油冷却器、变压 器、配电柜、电缆盘等机电设备。润滑装置润滑装置为集中润滑系统，设有分配管路系统，用一台油脂泵、一个润滑油 脂贮箱和换向阀，泵将润滑油脂输送到一条主管线， TN型定向阀位于润滑点附 近，向刀盘大齿轮和主轴承的唇口密封， 螺旋输送机唇口密封、较接唇口密封等 处定期加注油脂。它们均通过主管路线的油压反馈信息来切换油路。超前钻机及预注浆在盾壳前部圆周上布有超前钻孔，在地层不稳固的地方可在管片拼装机上安装超前钻机，在盾构前进中进行钻孔和注浆作业、 加固地层。该超前钻最大超前钻探距离为3

31、0m 0通风装置通风装置由风管贮存箱，辅助通风机、风管及消音装置等组成，主风管安装 在最后一节台车上，向盾构机及后方台车吹送新鲜空气，辅助通风机把污浊空气 抽送到隧道竖井处，以调节洞内温度，改善工作环境。较接装置校接装置在盾构的支承环和盾尾之间，是一个活动的较接体，便于盾构小半 径曲线掘进和掘进方向纠偏，较接角度为任意方向1.4度，较接密封采用内外两道密封，并定时加注油脂，确保密封的可靠性和润滑，还设有机械限位，保证盾 构较接时，盾构前后绝对不会脱开，满足设计角向位移要求，较接油缸共有14个，顶推力共计1000t,行程100mm,可满足施工要求。渣土改良装置a.泡沫装置泡沫装置主要由活性剂泵、

32、水泵、空压机、泡沫发生器、管路及阀件等组成， 安放在后方台车上。按一定比例将活性剂和水分别由活性剂泵和水泵泵入泡沫发生器，在空压机压缩空气的作用下在泡沫发生器中生成泡沫， 并通过独立的管道将泡沫送到盾构 前部的中心回转接头，再经各自的管道进入密封仓和螺旋输送机对渣土进行改 良。泡沫系统可由人工操作，也可实现半自动、自动控制。泡沫注入量根据掘进 速度、开挖面压力和即定的公式予以确定。b .膨润土装置膨润土装置主要由注浆泵、储浆箱、管道、阀等组成。安放在后方台车上。膨润土由膨润土泵泵出，经管道通到前面的密封土仓和螺旋输送机内， 对渣 土进行改良。膨润土的注入可实现手动控制和自动控制。(7)其他重要

33、装置盾壳盾壳是一个用厚钢板焊接而成的圆筒形结构，由切口环、支承环、盾尾三部分构成。壳体内布有环向和纵向筋以增强壳体抗压能力，壳体材料大部分选用普通碳素钢，重要部分选用了合金钢。盾壳的作用是用以承受地下水土压力、盾构千斤顶的推力及各种施工特殊荷 载，支承和安装各类机电设备；同时也是保护操作人员安全的掩护体。 支承环与 盾尾较接，便于曲线掘进时转向，减轻盾尾密封的损坏。盾壳前部还设有六个供超前钻进行超前钻探的伸入口。壳体分为三块，以便于解体运输。人闸在盾构上部设有人闸，舱体由钢板卷制成圆筒式结构，分高、低压仓，为双 室结构，装有前后两道闸门，当需要进入泥土密封舱内排除故障或者更换刀具时， 应先将泥

34、土密封仓内充以压缩空气用以支护开挖面土体，然后人员与材料再通过人闸变压（加、减压）过渡而出入泥土密封舱。人闸长为 2000mm,直径1600mm, 工作压力0.3MPa。有害气体检测系统配备有害气体检测系统，能检测甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氮氧化 物、二氧化硫、硫化氢、氨气的含量，当有害气体含量超标将发出声光报警。便 于实时掌控隧道有毒气体情况，出现突发情况时洞内作业人员能迅速撤离， 救援 人员能第一时间获得相关信息并尽早赶赴现场及时处理，将危害降低至最低。1.7 盾构机主要尺寸、技术性能和参数1.7.1 盾构机主要参数表1.7-1S-813、S-814复合土压平衡盾构机主要参数表1项目

35、名称盾构机参数项目名称盾构机参数1盾构型式复合土压平衡盾构推进千斤顶行程2200 mm盾构总重450 t最大推进速度80mm/min盾构长度75m最大爬坡50%o盾体长度（包括刀盘）8m最小转弯半径250m盾尾壳厚度50/40/40 mm螺旋机输送能力280m3/h盾尾直径6240 mm螺旋机功率3X75kW土压传感器5个皮带机输送能力450m3/h最大工作压力（土压）3bar皮带机功率37kWu项目名称盾构机参数项目名称盾构机参数最大设计压力(土压)5bar盾尾间隙45mm主轴承寿命10000小时主驱动方式液压驱动换刀方式背装式总功率1600kW切口环直径6250 mm变压器容量2000KV

36、A刀盘开挖直径6280 mm刀盘转速0-3.5rpm刀盘开口率33%刀盘扭矩额定 5631 kN ?m脱困 6213kN?m刀盘驱动功率945 kw推进总推力39914kN有害气体检测CH4.CO.CO2.O2 等人仓工作压力仓室2个,1.03.0bar超前钻机主机预留超前钻孔，拼装机上预留钻机位置添加剂系统可注水，注泡沫，加泥；可同步注浆和二次注浆管片拼装机行程：2000mm自由度：6吊重：50KN刀具类型及数量中心双刃滚刀4把，单 刃滚刀31把，刮刀50 把，边缘铲刀8把校接装置被动型，行程100mm,角度1.4o导向系统SLS-T导向系统仿形刀数量及行程1 个，100mm油脂系统盾尾油脂

37、、润滑油脂、管封油脂，林启泵1.7.2 后配套台车上安装的设备明细表表1.7-2台车上设备配备表台车号安装设备1#控制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置2#主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵3#主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4#两台空压机、风包、主变压器、电缆卷筒5#内然仝压机、水官卷筒、通风机1.8 关键参数的计算1.8.1 最小转弯半径验算盾尾间隙X: X (X1 X2)盾构在曲线上施工和修正蛇行时必须的最小富裕X1Xi12(rDo(RDo式中：L为盾尾覆盖的衬砌长度，L=2500mmR为隧道最小曲线半径，取值 R=250m (盾构机设计最小曲线半径为 250m)D0为管片外径，

38、D0=6m所以：166 一 一X1 - (250 6) . (250 6)2 2.520.005m5.0mm管片组装时的富裕量X2考虑到管片本身的尺寸误差、拼装的精度、盾尾的偏移等，通常要在取一定 的富裕量。根据各国相近尺寸盾构机外径常用的盾尾间隙( 40m降X225mm), 这里选取X2=25mm。X (5.0 25) 30 mm盾尾间隙考虑到安装盾尾密封要占有一定的间隙，管片拼装时可能出现错台等因素， 参照国内外同类工程的实际经验，本盾构机盾尾间隙选取X=45mm30mm,盾构设计最小转弯半径250m,完全满足本区段的最小曲线半径为 600m的转弯要 求。1.8.2盾构机的推力和扭矩验算盾

39、构机的推力和扭矩计算在复合地层的情况下进行。1、在复合地层中掘进时盾构机的推力和扭矩的计算根据本标段的埋深条件、地层的土质、地下水及管片衬砌环的特征等条件， 参照岩土工程详勘报告，选取可能出现的最不利受力情况的断面进行计算。盾构荷载在确定盾构机拱顶处的围岩竖向压力 P时，对于深埋断面首先按太沙基卸拱 理论计算上覆土地层压力，当计算值小于2倍隧道直径高度的上覆土自重时，取 2倍隧道直径高度的上覆土体自重作为上覆土地层压力。a.按太沙基卸拱理论计算松弛高度h的计算方法如下:全覆土太沙基的松弛高度太沙基的松弛高度或与2D0的较大者指定松弛高度在此，太沙基的松弛高度由下列公式得出 松动高度hCBi（1

40、 一）h K0tg 小Ktg 小H、_）DBip 0YHK0tg 4）Bi式中：小为土的内摩擦角，（|）=25丫为土的容重， 丫 =19.1kN/mC为土的粘结力，C=30/m2H为最大覆土厚度，H= 29.9mP0为地面上置荷载，P0= 30kN/m2K0为水平与垂直土压之比，选取 K0=1B1为自然拱跨度，BiR045 tg（2）45tg（3.1424.905.729m0）式中:R为开挖半径，R=3.14m故:305.729 （1 ）h5.729 19.111 tan24.91 tan24.929.9（5729）3019.111 tan24.9 e29.9（5）7.997mP=y h=19

41、.11 X7.997=152.83kN/mb. 2倍隧道直径高度的上覆土体自重作为上覆土地层压力Pe = T h+ P0式中：入为水平侧压力系数，入=0.45h为两倍隧道高度h=2D=2X6.28=46mPe=19.11 46+30=270.02kN/m2综上所述：因 Pe=270.02kN/m2 P=152.83kN/m2,取上覆土压力 270.02kN/m2;盾构机所受压力：Pe = T h+ P0P01= Pe + G/DLP1=PeX 入P2=(P+t .D)入式中：入为水平侧压力系数，入=0.45h为上覆土厚度，h=29.9m丫为土容重，y =19.11 kN/mG为盾构机重，G=4

42、20 tD为开挖直径，D=6.28 mL为盾构机长度，L=8.0mP0为地面上置荷载，P0= 30kN/m2P01为盾构机底部的均布压力P1为盾构机拱顶处的侧向水土压力P2为盾构机底部的侧向水土压力Pe=19.11 46+30=270.02kN/m2P01=270.02+420/(6.28 8.0) =277.53kN/m2P1=270.02 0.45=121.51kN/m2P2 =(270.02+19.11 6.28) 0.45=175.51kN/m2(1)盾构推力计算盾构的推力F=AFeA为安全储备系数，一般1.52; Fe为盾构前进的总阻力，一般主要由以下 五部分组成：Fe F1 F2

43、F3 F4 F5式中：F1为盾构外壳与土体之间的摩擦力F2为刀盘面板的推进阻力F3为管片与盾尾间的摩擦阻力F4为切口环贯入地层的贯入阻力F5为牵引后配套拖车的牵引阻力 1Fi (Pe P01 Pi P2)DLmDL4式中：L 土与钢之间的摩擦系数，计算时取代=0.31 .、1F 4(270.02 277.53 121.51 175.51) 6.28 8.0 0.3兀 11122.3kN冗一2_F2 (D Pd)4式中，Pd为水平土压力，Pd入丫( 丫 D)2D6.28h 12.56 15.70m22Pd 0.45 19.11 15.70 135.01kN/m 22F2冗/4(/4 (2 135

44、.01) 4181.9kNF3 mWs 饵 TtDsbPTm 饵式中：n1为盾尾内管片的环数，m=2; Ws为一环管片的重量，236.18kN;正为盾 尾刷与管片的摩擦系数，通常取 0.3; Ds为管片外径，6m； b为每道盾尾刷与管 片的接触长度，0.15m； Pt为盾尾刷内的油脂压力，600kPa； n2为盾尾刷层数， n2=3oF32 236.18 0.3 冗 6 0.15 600 3 0.3 1668.5kNF4=Tt (D-Di2)Pd+Tt DtCD为前盾外径，6.25m； Di为前盾内径，6.13m； t为切口环插入地层的深度， 0.95m；_，一一 2 一 一 2、一 一一一

45、一一 一 一F4 冗(6.25 -6.13 ) 135.01 冗 6.25 0.95 33 1245.7kNF5 G h sin 0 (igGhcos 0式中：Gh为盾尾台车的重量，GIt 180t8为坡度，tg 9 =0.026g为滚动摩阻，g g=0.05F5(180 0.026 0.05 180 1)* 9.8 134.1kN盾构总阻力：Fe 11122.3 4181.9 1668.5 1245.7 134.1 18352.5kN总推力 F=AFe= (1.52) X18352.5=27528.7536705kN盾构机推力39914kN-2. 2底，可以满足地层推力要求。(2)盾构的扭矩

46、计算盾构的扭矩M=AM eA为安全储备系数，一般1.52; Me盾构配备的扭矩主要由以下八部分组成。 在进行刀盘扭矩计算时，刀盘扭矩阻力 Me为M e M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8式中：M1为刀具的切削扭矩M2为刀盘自重产生的轴承力矩M3为刀盘的轴向荷载产生的轴承扭矩M4为密封装置产生的摩擦力矩M5为刀盘前表面上的摩擦力矩M6为刀盘圆周面上的摩擦力矩M7为刀盘背面的摩擦力矩M8为刀盘开口槽的剪切力矩a刀具的切削扭矩M12M 1 quhmaxR /2式中：qu为切削土的抗压强度，kPa； hmax为最大贯入度，m； D为刀盘直径2M 1140 0.08 3.14

47、2/255.2kN ?mb.刀盘自重产生的旋转力矩 M2M2=GRl g式中：G:刀盘自重，计算时取刀盘的自重为 G=29.5X10=295kNRg:轴承的滚动半径，计算时取为 R=2.62miig滚动摩擦系数，计算时取为 g=0.004M2=295X2.62 0.004=3.1kN . mc.刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩 M3M3=WpRg zWp=c 兀 R2Pd式中：Wp：推力荷载a：刀盘封闭系数，a =0.5Rg:轴承推力滚子接触半径，Rg=2.62mRc：刀盘半径，Rc=3.1411 Z滚动摩擦系数，(1 z=0.004Pd:水平土压力，Pd=135.01kN/m2Wp=0.50兀

48、X 3.24l35.01=2090.96kNM3=2090.962.62 ：0.004=21.9kN md.密封装置产生的摩擦力矩M4M4=2兀 fmF(A1Rm12+n2Rm22)式中：阳：密封与钢之间的摩擦系数，叩=0.2F:密封的推力，F=1.5kN/mm、n2： 密封数，n1=2n2=3Rm1、Rm2:密封的安装半径，Rm1=1.84m Rm2=2.26mM4= 2 兀 X 0.2 X 1 隹M.842+3X2.262) =41.65kN me.刀盘前表面上的摩擦力矩 M5一 2，M (an 四R P )53 P d式中：a：刀盘不开口率，a =0.50p: 土层与刀盘之间的摩擦系数，

49、卬=0.15R:刀盘半径，R=3.14mM 52(0.50 冗 0.15 3.143 135.01)656.56kN mf.刀盘圆周面上的摩擦力矩 M6M6=2兀 RBR 比式中：R:刀盘半径，R=3.14mB:刀盘宽度，B=0.63mPz:刀盘圆周土压力Pz= (Pe+P01+P1+P2 /4= (270.02+277.53+121.51+175.51 /4=211.14kN/m2M6=2兀 X 3.14 X0.63 X 211.14 X 0.15=393.65kN - mg.刀盘背面的摩擦力矩M7M7=2/3 a 兀3如PdM7=2/3 (0.50 X 兀 X 30415 135.01)

50、=656.56kN mh.刀盘开口槽的剪切力矩 M8冗 ctr33式中：Ct: 土的抗剪应力，C=33kN/m2,小=5C. =C+PcX tg 4=33+135.01 x tan5 =44.8lkN/mM 82 冗 44.81 3.143 0.50 1452.76kN m3刀盘扭矩Me为M1M8之和M e=55.2+3.1+21.9+41.65+656.56+393.65+656.56+1452.76=3081.38kNmM=AM e= (1.5-2) 3081.38=4922.076162.76kNm -刀盘设计额定扭矩5631kNm,脱困扭矩6213kN m,可以满足地层要求。(3)推力

51、和扭矩的选取及验证按照盾构施工技术一书(作者：陈馈、洪开荣、吴学松等)介绍的经验 公式进行验算F 0.25 冗 D2Pj kN式中：Pj为单位掘削面上的经验推力，一般闭胸式盾构为1000-1500kN/m2;D为盾构外径，D =6.28 mF 0.25 冗 6.282 (1000 1500)30975 46462kN本盾构机设计总推力为39914kN,既大于理论计算值，又处于经验计算值之 问，说明盾构机的推力是足够的。当用刀盘扭矩的经验公式计算刀盘扭矩时T=KQ3式中：Ka：刀盘直径的扭矩系数，取 a =1423T=14236.283=34675696kN m本盾构机额定扭矩T=5631 kN

52、 m,最大扭矩Tmax=6213 kN- m,可同时满足 理论计算及经验计算的要求。1.8.3 刀盘的驱动功率刀盘驱动所需功率：W0 T/式中：T为刀盘驱动的额定扭矩；T=5631kN m；为刀盘额定扭矩时的角 速度，=2冗n/60 n为刀盘转速，r/min；刀为主驱动系统效率，取 0.85。W0=5631 X (2X 兀 X 1/6/0.85=693.7kW刀盘主驱动功率945kWW0,满足要求。1.8.4 盾构推进所需功率盾构机最大推进功率Pf可按:Pf=F V式中：F-总推力，F=39914kNV-最大推进速度，V=8cm/minPf=39914 0.08/60=53.3kW本盾构机的推

53、进功率取值为90kW,可满足上述要求。1.8.5 螺旋输送机参数的确定a.输送量Q理论出土量Ql可按:2Qz冗DQ LVV max4式中：D为盾构的开挖直径，D=6.28mVmax为盾构的开挖速度,Vmax=8cm/min X60=4.8m/ha为土的松动系数取为,a =1.2c“花 6.282，cQl1.2 4.843178.42m /h本盾构机的螺旋输送机的输送能力为 280m3/h,可满足计算要求。b.螺旋输送机驱动功率螺旋输送机所需功率:PlQl367-(Wo LH)式中：wo为物料阻力系数，取3.2丫为土的容重，取19.11kN/m3L、H为螺旋输送机的水平长度和高度初定螺旋输送机的

54、长度为11.107m,倾角为21.5则:L=11.107 Cos21.5= 10.334 mH=11.107 Mn21.5 = 4.071m-1所以，Pl392 19.11 10 (3.2 10.334 4.071) 75.8kW367电机所需功率：P k& (1.5 2) 肉 (152202)kW 晦0.75式中k为功率储备系数本盾构机螺旋输送机驱动电机功率 315 kW,可以满足上述计算要求。1.8.6皮带输送机的参数选择皮带输送机的输送量应与螺旋输送机的输送量相匹配，按280 m3/h确定皮带输送机的参数进行计算。确定带宽B,KdKvK3V式中：Q为皮带输送机的输送量取280m3/hKd

55、为端面系数，查表Kd =355Kv为速度系数，查表 Kv =0.96KB为倾角系数，查表KB =1V 为带速，V=2.5m/s450B . 727mm卜355 0.96 1 2.5B 450/(355 X0.96标准带宽B=800mm满足计算要求。X 1 X 2.5)?=0.573mb.皮带输送机的功率计算皮带输送机的功率即为电动滚筒的功率，电动滚筒的功率N可按:N KqNA刀式中：Kq为满载驱动系数，Kq=1.01.4,取Kq =1.4“为效率,取4=0.88N0为电动滚筒的轴功率:N0 Kk Lh V Kz Lh Q 0.00273Q H Kf式中：Kq为空载运行功率系数，查表 Kq=0.

56、0165Lh为运行长度，Lh =60mV 为带速，V=2.5m/sH为倾斜高度，H=0.5m查表取Kf=2.8N00.0165 60 2.5 10.89 10 5 60 450 0.00273 450 0.52.8 13.44kW13.44盾构机下井吊装及组装流程如图2-1图2-1盾构机下井吊装及组装流程21.38kWN 1.4 0.88本盾构机皮带输送机配备功率为 37kW,满足上述计算要求2盾构机吊装施工方案2.1 盾构机下井吊装及组装盾构机的组装场地分成三个区：后续台车存放区、主机存放区、吊机存放区。盾构机按后配套拖车、主机依次进场组装。各节拖车下井顺序为：五号拖车一四 号拖车一三号拖车

57、一二号拖车-一号拖车一连接桥。拖车下井后由电瓶机车牵引至指定的区域，拖车间由连接杆连接在一起。中体、前体、刀盘、盾尾、螺旋输送机用 250t履带吊机和200t汽车吊机配 合下井。反力架与负环管片的下井、安装、定位。主机后移与前移的后配套连接，然 后连接液压和电气管路。2.2 盾构机下井吊装2.2.1 盾构机吊装准备根据施工场地、设备尺寸、设备重量等因素，依据类似工程施工经验及吊车性能综合考虑，吊装拟采用一台250t履带吊和一台200t汽车吊对盾构机前盾、中盾、盾尾、刀盘卸车、翻身，后配套台车采用一台200T汽车吊直接吊装下井, 其余中小型部件用一台50t汽车吊或一台32t汽车吊配合吊装。表2.

58、2-1盾构机主要部件尺寸和重量清单序号（N）部件名称（M）设备尺寸（M）重量（t）1前盾4 6250*38801032中盾4 6250*3500803盾尾6240 384525.14刀盘6280 X1398255管片拼装机4630 4630 2904166螺旋输送机10807 M500 M150147工作平台6407 5056 25828.48设备桥13780 M500 250414.82.2.2盾构机吊装方法盾构机的吊装可分为盾体吊装和后配套吊装， 盾体吊装（盾构机前盾、中盾、 盾尾、刀盘）采用两台吊车进行翻身后再下井组装，其他部件（后配套台车、设 备桥、管片车等），可采用吊车直接放入井下组

59、装。具体吊装方法如下。2.2.2.1盾构机盾体的吊装方法由于盾体重量均比较大，运输进场时，均平放运输车辆上，吊装下井时，必须先进行翻身才可下井组装。翻身时必须采用两台吊车配合完成（一台 250t履 带吊车和200t汽车吊车），翻身完成后再由250t履带吊车吊入井下进行组装。由 于盾体部分最重为前盾（重量约103t）,现以前盾吊装为例进行介绍，具体吊装 方法如下：（1）吊装盾构机前盾时，采用一台250t履带吊和一台200t汽车吊同时进行 翻身，然后由250t履带吊车将盾构机前盾吊入井下始发架上进行组装。两台吊 车按照下图2.2-1中所示位置进行支车。运载前盾的运输车倒车进入施工现场， 在图中所示

60、位置停放。图2.2-1吊车与运输车位置图2.2-2两台吊车位置（2）在250t履带吊车上放置103t的尾部配重，吊车伸杆，杆长为19.3m, 在吊车大钩上悬挂1对小52X 10m：钢丝绳，用4个35t的卡环连接钢丝绳和设 备，对前盾进行起吊。当前盾安全离开车厢约 100mm时，吊车停止动作，使前 盾在空中悬停约5分钟，全面检查吊车、吊具和地面承载力情况，确认无异常后， 运输车驶离施工现场，吊车缓慢回钩，将前盾放置在地面上的暂放位置。吊装时， 吊车工作半径为8.5m,此时吊车额定起重量为130t,实际起重量为105.5t （包括 103t的前盾重量和2.5t的吊索具重量）。（3） 200t汽车吊进入施工现场，按照图 2.2-2中所示位置进行支车，吊车 伸杆，臂杆长度为21.28m,通过一对（|）43X10mj钢丝绳和2个35t的卡环与前 盾相连，300t汽车吊重新对前盾进行连接，两台吊车配合对前盾进行翻身。当前 盾离开地面约500mm时，200t汽车吊停止起升，350t汽车继续起升并顺时针转 向，200t汽车吊车逆时针转向，使设备逐渐从直立状态向卧