1、第六篇 盾構機第一章 盾構機選型在當今地鐵施工中，盾構機以其開挖速度快、對土體擾動小、易于控制地面變形（沉降和隆起）、成洞質量高、施工安全等優點被大量采用。合理的選擇盾構機類型，對保證施工質量，保護地面與地下建筑物安全和加快施工進度，是至關重要的。第一節 盾構機比選定型幾種典型盾構工法比較及盾構在不同地質條件下沉降量對比見表6-1-1、表6-1-2。通過上述兩表中幾種盾構機的對比，及對國內外與南京地鐵工程地質與水文地質相近的盾構法的地鐵工程的調查，綜合分析評估，并廣泛請教國內外盾構施工領域資深專家。同時，積極響應業主對盾構機型的建議，我們決定選用加泥式土壓平衡盾構機。加泥式土壓平衡盾構機所適應

2、的地質條件及南京地鐵實際的地質條件重要項目見表6-1-3。地質條件項目表 表6-1-3對比參數適應條件實際條件比較結果滲透系數（K）K5×10-2cm/sK5×10-3cm/s適應細粒土含量Pc%7%以上13%以上適應標貫數（N）N15N13.5適應天然含水量W%砂18%以上32.9%適應土25%以上26.7%適應通過對比可知該盾構機能滿足南京地鐵地質條件。針對南京地鐵特殊地段的地質情況，我們將在機器上增加專用設備，如超前注漿系統、向密封艙內注入特殊的塑流化添加劑（將各種土質改良成土壓平衡式盾構機工作所需的塑流體）等手段，增強盾構機對各種特殊地質段的適應性，確保施工質量。第

3、二節 盾構機制造商簡介及設備突出特點為更好地滿足業主需要，高質量完成南京地鐵工程，根據對地質資料及世界著名盾構機生產廠家的調查研究，我們擬選購海瑞克（HERRENKNECHT）公司生產的加泥式土壓平衡盾構機。海瑞克公司是世界上最優秀的隧道開挖機械的專業制造商之一，1995年通過了DIN、ISO9001質量認證。該公司從1978年投產至今已成功地向世界各地提供了直徑由0.3m14.2m各種型號的盾構機一千多臺，直徑14.2m徳國漢堡第4座易北河公路隧道即為該公司盾構機的杰作，為當今世界之最。該公司在世界各地設有12個子公司，11個代理站，1998年年銷售總額387.19百萬馬克，并以每年26%的

4、速度遞增。短短二十年的時間即取得如此輝煌的業績足可見其雄厚實力及在該行業的顯赫地位。海瑞克加泥式土壓平衡盾構機是集機械、電子、液壓于一體的高技術含量的大型成套施工設備。其液壓系統采用德國力士樂（REXROTH）公司產品，電器系統裝備德國西門子（SIMENS）公司產品，注漿設備選擇普茨邁斯特（PUZEMASTER）公司產品，鉆機選用阿特拉斯（ATLAS）等。整機配置均為世界名優品牌。該盾構機功能先進，性能可靠，設計合理，適應性強，其突出特點如下：一、以泥土壓力穩定開挖面泥狀土充滿密封艙和螺旋輸送機后，在盾構推進力的作用力下可使切削土對開挖面形成被動土壓力，與開挖面上的水、土壓力相平衡，自護其開挖

5、面，以使開挖面保持穩定。二、可改善切削土的性能在砂土或砂礫地層中，土體的塑流性差，開挖面有地下水滲入時還會引起崩塌。盾構機有向切削土加注添加劑如聚合泡沫或泥土等潤滑材料并進行攪拌的功能，改善棄土及其它液狀物的抗水能力和研磨土的抗磨損能力，可使其成為塑流性好和不透水的泥狀土。三、泥土壓的監測和控制系統在密封艙內裝有土壓計，可隨時監測切削土壓力，并自動調控排土量，使之與切削土量保持平衡，有效控制地表沉降與隆起。四、先進的電控系統（一）、盾構機主控制室配有計算機(PC)控制系統，該系統與洞外項目經理辦公室的計算機系統相連，設備各系統的運行狀態通過相應傳感器采集的信號送入計算機內部處理并貯存，同時在控

6、制室監示器和洞外辦計算機監示器上顯示。操作員和洞外項目經理辦公室值班員均可適時準確掌握當前的全部狀態，為正確指揮施工，正確操作設備提供準確依據。（二）、盾構機的計算機系統可通過公共電話線連接因特網，實現網上查詢與對話，一但設備某處或某系統出現故障時，可通過計算機監示器迅速查出具體原因，也可通過網上尋求廠商的遠程維修服務，為快速修復設備確保正常施工提供有利保障。五、先進的隧道測量系統盾構機配置SLST全方位激光導向系統，可實現準確的全方位連續監測和顯示，測量誤差僅±1mm，能充分確保開挖隧道的精確度。 六、后配套行走系統的創新設計后配套走行輪為多排膠輪，直接在管片上行走，省去了鋪設鋼軌

7、的麻煩，有利于加快施工進度，同時降低了造價。七、超前地質預報系統刀盤上特殊裝備有超聲波探測系統，可提前測出刀盤正前方的地質情況，為盾構施工提供可靠依據。八、超前鉆探注漿系統盾構機上裝有超前鉆機，鉆孔深度可達20m，護盾殼體上有12個預留孔，鉆桿是以10°夾角（與盾殼母線）穿過預留孔呈傘狀鉆向刀盤前方，既可超前預報地質又可實施超前注漿。通過超前注漿鉆機，可將配制好的漿液注入到刀盤前方周邊地層，用以提高土體強度，使開挖面保持穩定，同時避免在開挖面上產生涌水和流沙現象，有效控制地表沉降。九、注漿管道結構形式新穎采用在盾尾內壁開溝槽安裝密封蓋板形成管道的形式，此設計的優點在于一旦管道堵塞可拆

8、除蓋板進行疏通，方便、可靠。第二章 盾構機工作原理加泥式土壓平衡盾構機的工作原理是依靠密封艙內塑流狀土體作用在開挖面上的壓力（P）（它包括泥土自重產生的土壓力與盾構推進過程中盾構油缸的推力）和盾構機前方地層的靜止土壓力與地下水壓力（F）相平衡的方法。盾構機掘進時，刀具切下的泥土在密封艙內混合并積聚，以平衡的土壓對開挖面土體提供連續的支撐，然后在受控狀態下由螺旋輸送機排出，如圖6-2-1所示： 圖6-2-1 盾構工作原理示意圖從圖中可以看出：螺旋輸送機排土量大時，密封艙內土壓力就減小，當FP時，開挖面可能塌方而引起地面沉降；相反，排土量小時，P值就加大，一旦FPmax，地面將會隆起。因此，要控制

9、土壓平衡式盾構機在推進過程中開挖面的穩定，可以用以下方法來實現。其一是控制螺旋輸送機排土量（調節其轉速和出料口閘門開口大小）；其二是通過調節盾構機推進速度和螺旋輸送機轉速，直接控制密封艙內的土壓力P，使其接近F=P的最佳狀態，一般情況下不使開挖面產生影響的土壓力P的波動范圍是：主動土壓力+地下水壓力P被動土壓力+地下水壓力當土體不能自穩時，是靠向開挖面加注膨潤土或泡沫劑，借助攪拌翼在密封艙內將其與切削土混合，使之成為塑流性較好和不透水的泥狀土，以利于排土和保持開挖面穩定。密封艙內的土體壓力、盾構推進力、螺旋輸送機的轉速、出料閘門開口的大小，均由PLC程序（程序邏輯控制器）進行自動控制。第三章

10、盾構機功能描述一、概述盾構機由主機和后配套兩部分組成，機器總長55m，主機長約5.7m，后配套長約49.3m，開挖直徑6.39m，整機總重約385T。主機部分由刀盤系統、推進系統、輸送系統、管片拼裝系統和盾構附件組成；可完成盾構推進、土體輸出、管片安裝、同步注漿、超前勘探注漿等作業。后配套部分由后配套車和布置在車架上的控制系統、電氣系統和附屬設備組成；主要作用是操縱控制、提供掘進動力、管片輸送、注漿料供應、土體轉載、軌道鋪設、各種管線延伸等。二、盾構機作業步驟（一）、掘進準備1、根據激光導向系統數據準確調向。2、出土運輸車輛就位后，轉運管片及注漿料。3、隨時掌握各種管線卷筒儲備情況，不足時及時

11、延伸。（二）、正常掘進1、啟動皮帶輸送機、刀盤驅動液壓馬達，然后開啟推進系統和螺旋輸送機，正常掘進。2、需要時，針對不同地質分別向刀盤和螺旋輸送機內加膨潤土漿或泡沫劑。3、同步注漿系統配合掘進正常進行。4、完成1.2m掘進停機，出土運輸車開至始發井卸土，另一輛運輸車進入。（三）、拼裝管片1、推進油缸分組收縮，讓出空間，逐塊拼裝管片。2、將真圓保持器撐在剛拼好的管片環上。3、收縮拖拉油缸，將后配套前移一個行程，一個循環結束，準備下一循環的開始。第一節 主機 一、刀盤系統（一）、刀盤1、刀盤為全斷面平面型、開式刀盤，刀盤正面和側緣均經耐磨涂層處理。刀盤轉速在0-1.36rpm 時，扭矩為4694K

12、Nm，在0-2.29rpm時，扭矩為2787KNm。前者為脫困時使用，后者為正常時使用，刀盤可以正反方向旋轉，工作效率相等。2、刀盤的開口率在40%，最大開口尺寸為230mm，能夠控制礫石尺寸在230mm以下通過刀盤，滿足在螺旋輸送機內暢通無阻的輸送。3、刀盤預留盤式滾刀與撕裂刀可互換的安裝位置，以應付隧道掘進中可能遇到的大粒徑石塊，提高刀盤對不同地質情況的適應性。撕裂刀、盤形滾刀由耐磨的高強度鋼材經熱處理滲碳而成，適用于開挖巖土和風化層。（二）、刀具1、刀盤上安裝有128把鑲鎢硬質合金的鏟齒型刀，8把矩形磨刀，一把錐型中心刀，一把鏟齒型擴孔刀，以滿足對土體的切削。2、刀盤側邊還安裝有一把可伸

13、縮50mm的擴孔刀，以滿足轉彎半徑800m的需要。3、刀具使用壽命為2km。（三）、刀盤驅動1、刀盤安裝在驅動組件上，驅動組件由主軸承、密封支承、密封裝置以及8組驅動系組成。每組驅動系統由液壓馬達、減速機、小齒輪組成。液壓馬達連接減速機、小齒輪，再通過大齒輪驅動刀盤可正反方向以0-1.36rpm 、0-2.29rpm兩種轉速轉動,輸出最大扭矩為4694KN.m。刀盤的掘進位置可隨時通過線性傳感器顯示。2、主軸承足以承受由于開挖支撐面產生的各類切削載荷，以及刀盤和作用在刀盤上土體的重量。3、主軸承的滾子和滾道由一獨立的壓力油系統提供潤滑，該潤滑油系統配有獨立的濾油器、配油管及油泵。通過潤滑油泵不

14、斷地噴油至軸承中，所有小的磨損顆粒將被沖下并留在濾油器中，驅動齒輪由同樣的壓力油系統提供潤滑。4、主軸承潤滑系統的油溫由一監控裝置調節，超溫報警并自動停止刀盤轉動。5、主軸承回轉部分設置三道密封環，密封環間用3bar壓力潤滑脂自動加入進行潤滑并防止水和土體的浸入，如果潤滑系統出現故障，監控裝置將使刀盤停止轉動。6、主軸承使用壽命為15000小時。（四）、抗偏擺刀盤可進行正向或反向旋轉，反向旋轉刀盤是為了糾正護盾在正向旋轉時產生的偏擺。裝在護盾上的偏擺傳感器是為了保證掘進過程中盾構機不會偏擺超過極限位置，如果達到預定的偏擺極限，可通過改變刀盤的轉向和推進油缸的推力大小、方向來達到糾偏。二、推進系

15、統（一）、推進油缸主機向前移動，由分布于盾殼圓周上的40個推進油缸完成。每2個油缸連接一塊靴板頂住管片端面產生反力使盾構機前移。為便于隧道的掘進、導向、糾偏和管片安裝，這40個油缸又分成5個組，可進行整體或單獨控制的操作。（二）、靴板推進油缸頂在“靴板”上以使頂進力平均分配到隧道管片上。每兩個推進油缸使用一個“靴板”，該“靴板”可自由地根據管片邊緣進行對正。每組油缸可以獨立操作以便提供方向控制或方便安裝管片，該“靴板”在緊固管片連接螺栓時，向管片提供壓力，并協助進行封頂管片的定位。三、輸送系統（一）、螺旋輸送機下部通過一個位于土倉底部的密封套筒固定，上部通過可滑動伸縮的外套筒固定在支撐架上，實

16、現出土口與皮帶輸送機接土口位置相對固定。（二）、螺旋輸送機出土口安裝了一個可以根據旋轉速度調節開口的泄料閘門，筒內6組螺旋葉片安裝在中心軸上，可正反方向旋轉，速度0-17rpm，可自動和手動控制。對于EPB工況，操作員可以控制出土量以控制土倉的壓力。螺旋輸送機出土排放至皮帶輸送機上。（三）、螺旋輸送機設有檢修鉗式閘門和伸縮裝置，當螺旋輸送機從密封艙內縮回時，鉗式閘門自動關閉密封，以便檢修。（四）、為保證在盾構機發生斷電或出現故障時，卸料閘門依舊能關上、密封良好，該機設有斷電自動關門和手動應急關門裝置。四、管片安裝系統（一）、管片安裝機1、管片安裝機由一個帶管片夾的旋轉環組成，安裝于盾尾內，縱向

17、移動距離1.4m，環向可繞軸旋轉±200度。2、管片拼裝機由便攜式遙控器來操作，速度可調，它可控制管片的升降、回轉、前后移動等動作，如液壓失壓，拼裝機的液壓回路可使管片機在其最后一個位置鎖定。3、管片拼裝機設有故障剎車系統、防超載設施和警報器，保證安裝工作可靠、安全。（二）、管片吊運機管片吊運機由一根梁及總成組成。管片吊運機按照次序從管片車上吊起管片運至管片拼裝機處。（三）、真圓保持器真圓保持器用以支撐剛拼好的管片環，保證管片環在自重和土壓力作用下不產生變形。五、盾構附件（一）、盾殼盾殼是一個用于承受圍巖壓力，并隨盾構推進而前移的圓筒形金屬殼，它由主盾和盾尾兩部分組成，相互之間由16

18、個液壓油缸鉸接而成，主盾和盾尾之間可以做相對轉動（轉動角度±2°之間），用于改善盾構機的轉彎性能。（二）、氣閘室氣閘室設置在盾構密封艙的背后上部，氣閘室為雙室，右室用于正常情況下的通道；左室用于緊急情況下的通道。氣閘室內的允許工作壓力3bar。工作人員可通過這兩個氣閘室進入盾構密封艙內，對密封艙內刀盤上的零部件、刀具等進行保養維修或更換。 （三）、尾封護盾尾端有三排鋼絲密封刷與管片徑向和軸向緊密貼合，最后面的密封刷與一塊從盾構機尾端向外徑延伸的刮板相匹配，可防止漿液流進護盾和隧道內。如果尾刷有磨損或損壞可進行更換，它們是一部分一部分組合起來，所以更換十分方便，尾刷的潤滑油脂

19、是由后配套系統上的尾封黃油泵通過尾端的管道注入，其注入壓力為7bar，注油速度和注油量可預定自動注入，必要時也可進行人工操作。（四）、超前鉆機在管片安裝器上上安裝有超前鉆機，可繞軸旋轉±200°，以便對刀盤前方周圍土體進行20m距離超前加固注漿。（五）、超聲波探測刀盤前面設有2個超聲波探測頭，可對前方10-20m區域的大石塊或異物進行超前探測和預報，以便提前采取措施進行處理。第二節 后配套一、后配套車后配套全長49.3m，由5輛車串接組成，盾構機與后配套之間通過桁梁聯接，每輛車底部裝有4對車輪，每對車輪由聚亞氨脂材料封面，直接走行在安裝好的管片上，既減少了鋪設后配套車走行軌

20、，又可避免損傷管片。車架與車輪用球鉸聯接以適應后配套偏擺和曲線運行。為限制后配套車在管片上行走時發生左右偏擺，在管片下部縱向兩邊裝有止偏限位輪，通過后配套車兩側的限位梁彈性接觸而達到抗偏擺的目的。盾構掘進機附屬設備均安裝在后配套車上，見表6-3-1。后配套主要設備配置 表6-3-1車號設備配置1號車主控室；液壓泵站；潤滑脂泵站；管片吊機。2號車主油箱；泥漿罐或泡沫發生器；3號車惰性漿液注漿泵；化學注漿泵；4號車變壓器；電器控制柜；接力通風機5號車10kV電纜卷筒；水管卷筒；軟風管吊機；鋼軌吊機二、控制系統（一）、主機操作臺安裝在一封閉的隔音操作室內，此室位于第一輛后配套車右側，室內可容納2人。

21、各種主要控制通過主操作室完成。（二）、主控制室配置有一個WDAS數據采集系統，系統配備兩臺電腦，分別供洞內盾構機主操作室操作人員與洞外辦公室管理人員聯系使用，兩臺電腦通過通訊電纜連接。所有操作數據通過軟件系統送到兩臺電腦顯示屏，并自動記錄操作數據。WDAS系統可記錄：即時數據和儲存過去的數據，并打印出或儲存在內存中保存。數據采集包括：刀盤的轉速、方向、扭矩和油壓；推進油缸的速度、位置、軸線和油壓；螺旋輸送機的轉速、扭矩、內壓和閘門開啟；皮帶輸送機驅動馬達油壓；主要液壓馬達油壓；油溫和容量；主軸承潤滑系統和壓力；密封潤滑系統和壓力；土壓監測；出土量監測；氣體監測；EPB總電力曲線；導向系統輸出數

22、據；注漿壓力比例；注漿系統輸出；氣閘室溫度壓力；機械的狀態。三、電氣系統（一）、主變壓器主變壓器安裝于后配套的后部。主變壓器一次側電壓10KV，二次側電壓380V、220V，裝備容量1250kVA。一次側由熔刀開關保護，二次側負載采用斷路器保護。系統配有漏電和保護設施。（二）、高壓電纜卷筒電纜卷筒包括一個電纜盤、高壓接線環、驅動系統及水平卷繞裝置。電纜按單層方式纏繞使電流容量無需減低。水平卷繞裝置使電纜均勻地繞于電纜盤上。（三）、電氣設計盾構機裝機總功率750kW，基本設計中已包括了三相配電與控制設備及所有的盾構機所需的燈具。靜止盾殼內的馬達啟動器及斷路器裝設于防爆箱體內。馬達控制按鈕、指示燈

23、、操作臺也裝設于該箱內。（四）、斷路器及馬達啟動器靜止盾殼內的馬達啟動器、短路器裝設于防爆箱體內。電機配有過載保護并可通過開關設定。四、配套設備（一）、泥漿泵在后配套中，設有泥漿泵，當刀盤前面的土體自穩性差，水滲漏大時，可向土體內注入泥漿或膨潤土漿液，防止土體滲漏，增強土體承載能力，改善土體物理力學指標，滿足施工要求。（二）、泡沫發生器在后配套車中設有泡沫發生器和配料設備，根據工程需要，配料參數確定后，有電控系統自動配制，并通過管道輸送到刀盤前的土體中，通過刀盤的攪拌，以改善不穩定土體的滲透性、粘性和流動性。降低螺旋輸送機的粘結及堵塞，減少刀盤等機械功率的消耗和磨損。（三）、皮帶輸送機后配套車

24、上部裝有1#、2#皮帶輸送機，兩機串聯，各長26m，以適應在隧道曲線上正常運行。從螺旋輸送器輸出的土體由裝有稱重儀的皮帶輸送機運到皮帶輸送機機尾處的車斗內，通過牽引機車的緩慢移動將一輛輛車斗裝滿直到一個掘進循環完畢，再由牽引機車牽引到起始豎井處由地面上的行吊吊至地面，進行卸土。（四）、注漿泵注漿泵安裝在后配套2號車中，便于安裝管片時，給管片背隙進行同步注漿，防滲和加固。另外，刀盤前上方土體不穩時，超前鉆孔后，可進行超前加固注漿，注漿的作用不同，注漿壓力不同，可通過調整注漿泵來完成。（五）、管片庫管片庫設在主機與后配套之間的隧道仰拱上，它是一個滑動平板，長度約7.5米。管片通過起吊行車吊運過來放

25、在其上，作為過渡貯存之用，每次能貯存一環管片。管片前移時，可通過滑動平板上的2個液壓油缸帶動環形鏈條拖引而至，每拖引一次將一片管片送到管片安裝器提取位置。（六）、管片吊運裝置 管片吊運桁架安裝在拖拉橋上，2個3噸電動葫蘆組成的行車，將沿隧道軸向前后移動，把管片從運輸車上吊運至管片庫滑動平臺，旋轉90°。根據管片安裝需要，滑動平臺把管片不斷送到管片安裝器位置。（七）、安全防護系統裝有一個瓦斯監測系統；配有電瓶應急燈；所有動力電源線均為五芯防火電纜；所有緊急停車和安全電路均為雙作用自測型；皮帶輸送機上安裝有可視、可聞警報器；所有電機起動都有單獨保護，并在關閉位置上有閉鎖裝置；所有液壓設備

26、均有防燃性能；盾構機和后配套系統設備噪音最大1m內不超過85分貝。 （八）、其它后配套車的地板上鋪設軌距為700mm的軌道，管片車、材料車、出土車均在上面行走，接力風機和風管安裝在后配套車上部，各種油管、水管、電纜線等均布置在車的兩側。第5號車地板是活動的，可通過液壓缸側向翻起，在此區域鋪設鋼軌。第四章 盾構機主要尺寸和關鍵參數計算第一節 盾構機主要尺寸和技術參數土壓平衡盾構機的主要尺寸和技術參數見表6-4-1。 土壓平衡盾構掘進機的主要尺寸和技術參數表 表6-4-1序號分類名稱尺寸和技術參數備注0適應工作條件地層土質種類粉砂夾粉土，粘性土，砂性土土體單軸抗壓強度10MPa最小曲率半徑R=25

27、0m最大坡度351盾體外徑6390mm前盾長3270mm尾盾長2430mm尾殼厚度60mm尾封3排鏈接密封刷2刀盤類型平面開式（開口率約40%）旋轉方向正反轉雙向轉速/扭矩0-1.36rpm/4694、0-2.29rpm/2787驅動方式液壓驅動馬達8個3刀具齒形刀類型鏟齒形(齒前鑲有硬質合金)數量128把擴孔刀類型鏟齒形數量1把(液壓缸調節)中心刀類型錐齒形數量1把磨刀類型矩形（表面鑲有球形硬質合金）數量8把4螺旋輸送機螺旋外徑700mm轉速017rpm扭矩195KNm額定排量215m3/h 套筒可延長度1000mm5頂進系統總推力35600KN推進油缸數202(40個)單組油缸頂推力178

28、0KN行程1700mm頂進速度060mm/min靴板帶聚亞氨酯面型控制單組或成組操作最大液壓力315bar土壓平衡盾構掘進機的主要尺寸和技術參數表 表6-4-1（續）序號分類名稱尺寸和技術參數備注6管片安裝器類型筒形臂式轉角±200度行走速度0-8m/min旋轉速度0-2rpm管片夾取機械式控制系統便攜式遙控（電子）徑向提升能力160KN7 管片運送機類型2部電動葫蘆水平、縱向移動式行程18m移動速度1040m/min起吊能力2×30KN吊裝速度4m/min8皮帶輸送機類型液壓驅動2個串聯輸送帶 速度 1m/s 輸送能力280t/h 150m3/h帶寬800mm帶架寬1100mm皮帶總長51m9變壓器類型風冷式變壓器容量1250kVA電壓10KV/380V頻率50HZ防護等級IP5510氣閘室類型雙室型工作氣壓3bar尺寸1.4m(長)×1.6m(寬)×2.3m(高)容積21.7m311電氣系統主變壓器容量1250kVA主電路(初級電壓)10KV 3PH 50HZ動力電路380V 3PH 50HZ照明220V 1PH 50HZ控制電路DC 24V安全照明DC 24V控制電壓DC 24V貯存電纜長度150m電纜橫斷面350mm212裝機功率