土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)

1、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作原理土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作原理 土壓平衡就是在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，利用土倉(cāng)內(nèi)的土壓或加注土壓平衡就是在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，利用土倉(cāng)內(nèi)的土壓或加注輔助材料產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面的土壓及地下水壓力，以輔助材料產(chǎn)生的壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或地層失水過(guò)多而引起地表下沉的一種盾構(gòu)避免掌子面坍塌或地層失水過(guò)多而引起地表下沉的一種盾構(gòu)掘進(jìn)模式。如圖所示，在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)土倉(cāng)內(nèi)的壓力掘進(jìn)模式。如圖所示，在盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)土倉(cāng)內(nèi)的壓力P2P2和掌子和掌子面上的壓力面上的壓力P1P1相平衡，其中相平衡，其中P2P2包括土倉(cāng)內(nèi)碴土的壓力和注入包括土倉(cāng)內(nèi)碴土的壓力和注入材料的壓力，這種掘進(jìn)模式即為土

2、壓平衡模式，材料的壓力，這種掘進(jìn)模式即為土壓平衡模式，P1P1等于土柱等于土柱壓力和水柱壓力的總和。壓力和水柱壓力的總和。一、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介一、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)結(jié)構(gòu)組成土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)結(jié)構(gòu)組成刀盤(pán)、刀具刀盤(pán)、刀具（刮刀、滾刀）、噴口（刮刀、滾刀）、噴口前盾：前盾：主軸承、主密封、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（液壓馬達(dá)、減速箱）主軸承、主密封、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（液壓馬達(dá)、減速箱）中盾中盾: 推進(jìn)油缸、拼裝機(jī)推進(jìn)油缸、拼裝機(jī)前、中盾與盾尾：前、中盾與盾尾：鉸接油缸、盾尾密封、管片拼裝空間鉸接油缸、盾尾密封、管片拼裝空間螺旋輸送機(jī)：出土控制、土塞1號(hào)臺(tái)車(chē)：號(hào)臺(tái)車(chē)：操作控制室、同步注漿系統(tǒng)操作控制室、同步注

3、漿系統(tǒng)2號(hào)臺(tái)車(chē)：號(hào)臺(tái)車(chē)：電機(jī)、液壓泵站電機(jī)、液壓泵站3號(hào)臺(tái)車(chē)：號(hào)臺(tái)車(chē)：電氣控制柜、各類(lèi)油脂注入泵電氣控制柜、各類(lèi)油脂注入泵4號(hào)臺(tái)車(chē)：號(hào)臺(tái)車(chē)：變壓器、壓縮空氣系統(tǒng)變壓器、壓縮空氣系統(tǒng)5號(hào)臺(tái)車(chē)：號(hào)臺(tái)車(chē)：電纜、冷卻水卷盤(pán)等電纜、冷卻水卷盤(pán)等連接橋架連接橋架 盾構(gòu)主機(jī)與后拖臺(tái)車(chē)連接、皮帶輸送機(jī)盾構(gòu)主機(jī)與后拖臺(tái)車(chē)連接、皮帶輸送機(jī)管片拼裝機(jī)管片拼裝機(jī) （1 1）土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)具有土壓平衡式、敞開(kāi)式及半）土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)具有土壓平衡式、敞開(kāi)式及半敞開(kāi)式三種模式。敞開(kāi)式三種模式。 （2 2）為保證開(kāi)挖面穩(wěn)定、有效控制地表沉降及確保地面建）為保證開(kāi)挖面穩(wěn)定、有效控制地表沉降及確保地面建筑物安全并獲得較

4、高掘進(jìn)效率，必須根據(jù)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的類(lèi)筑物安全并獲得較高掘進(jìn)效率，必須根據(jù)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的類(lèi)型、盾構(gòu)隧道圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工環(huán)境型、盾構(gòu)隧道圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工環(huán)境等因素，綜合判斷、選擇不同的掘進(jìn)模式。等因素，綜合判斷、選擇不同的掘進(jìn)模式。 土壓平衡模式敞開(kāi)模式半敞開(kāi)模式二、土壓平衡盾構(gòu)的三種模式二、土壓平衡盾構(gòu)的三種模式土倉(cāng)壓力分布.類(lèi)圍巖、斷層及其影響帶、敏感建筑物土壓平衡模式土壓平衡模式 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，由刀具切削下來(lái)的土體填充刀盤(pán)后面的土盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，由刀具切削下來(lái)的土體填充刀盤(pán)后面的土倉(cāng)，并隨盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)逐漸充滿并建立起壓力，直至與所處地倉(cāng)，并隨盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)逐漸

5、充滿并建立起壓力，直至與所處地層的土、水壓力相平衡。通過(guò)對(duì)推進(jìn)速度與螺旋機(jī)排土量的控層的土、水壓力相平衡。通過(guò)對(duì)推進(jìn)速度與螺旋機(jī)排土量的控制使所建立起的壓力保持穩(wěn)定，從而減少對(duì)地層的擾動(dòng)，保證制使所建立起的壓力保持穩(wěn)定，從而減少對(duì)地層的擾動(dòng)，保證地層的隆降控制在一定的范圍內(nèi)。地層的隆降控制在一定的范圍內(nèi)。半敞開(kāi)式半敞開(kāi)式氣壓輔助模式氣壓輔助模式土倉(cāng)壓力分布部分類(lèi)圍巖,重要建筑物壓縮空氣敞開(kāi)式模式敞開(kāi)式模式土倉(cāng)壓力分布.類(lèi)圍巖、部分類(lèi)圍巖1）選用一臺(tái)適應(yīng)于擬建隧道地質(zhì)、設(shè)計(jì)、環(huán)境等條件的盾構(gòu)機(jī)。）選用一臺(tái)適應(yīng)于擬建隧道地質(zhì)、設(shè)計(jì)、環(huán)境等條件的盾構(gòu)機(jī)。 2）盾構(gòu)施工場(chǎng)地、盾構(gòu)工作井具備條件）盾構(gòu)施

6、工場(chǎng)地、盾構(gòu)工作井具備條件 ，組裝、調(diào)試盾構(gòu)機(jī)。，組裝、調(diào)試盾構(gòu)機(jī)。3）根據(jù)地層和地面構(gòu)造物情況，選定適宜的掘進(jìn)模式和推力、）根據(jù)地層和地面構(gòu)造物情況，選定適宜的掘進(jìn)模式和推力、扭矩、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土壓力值等掘進(jìn)參數(shù)。扭矩、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土壓力值等掘進(jìn)參數(shù)。4）在盾構(gòu)前部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與推進(jìn)油缸的共同作用下，帶動(dòng)裝有）在盾構(gòu)前部的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與推進(jìn)油缸的共同作用下，帶動(dòng)裝有適應(yīng)不同巖土條件刀具的刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，擠壓破碎、刮削巖土適應(yīng)不同巖土條件刀具的刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，擠壓破碎、刮削巖土進(jìn)入土倉(cāng)并予攪拌使之便于輸送，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)將棄土輸送至進(jìn)入土倉(cāng)并予攪拌使之便于輸送，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)將棄土輸送至地面

7、及土場(chǎng)，從而使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)一段距離（大于一環(huán)管片地面及土場(chǎng)，從而使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)一段距離（大于一環(huán)管片的寬度）。的寬度）。 三、土壓平衡盾構(gòu)的工法概要三、土壓平衡盾構(gòu)的工法概要5）管片拼裝機(jī)械手將已預(yù)制好且嵌有止水條的數(shù)塊管片）管片拼裝機(jī)械手將已預(yù)制好且嵌有止水條的數(shù)塊管片按序安裝成環(huán)，形成隧道的永久襯砌結(jié)構(gòu)，并給盾構(gòu)機(jī)按序安裝成環(huán)，形成隧道的永久襯砌結(jié)構(gòu)，并給盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)提供反力。的推進(jìn)提供反力。6）在掘進(jìn)的同時(shí)，利用同步注漿系統(tǒng)足量注漿，填充開(kāi)）在掘進(jìn)的同時(shí)，利用同步注漿系統(tǒng)足量注漿，填充開(kāi)挖直徑與管片外徑之間的空隙，以彌補(bǔ)地層損失，根據(jù)挖直徑與管片外徑之間的空隙，以彌補(bǔ)地層損失，根據(jù)需

8、要利用管片吊裝孔進(jìn)行二次注漿以補(bǔ)充和加強(qiáng)。需要利用管片吊裝孔進(jìn)行二次注漿以補(bǔ)充和加強(qiáng)。 三、土掘進(jìn)施工程序三、土掘進(jìn)施工程序土壓平衡操作程序土壓平衡操作程序模式選擇模式選擇 掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)參數(shù) 方向姿態(tài)方向姿態(tài) 同步注漿同步注漿 監(jiān)控量測(cè)監(jiān)控量測(cè) 設(shè)備維護(hù)設(shè)備維護(hù)四、掘進(jìn)技術(shù)管理四、掘進(jìn)技術(shù)管理確定土壓力確定土壓力 （計(jì)算（計(jì)算- -類(lèi)比類(lèi)比- -實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)）土壓平衡控制土壓平衡控制 （掘削與排土量的平衡的控制）（掘削與排土量的平衡的控制）碴土塑流性能管理碴土塑流性能管理 （必要條件、碴土改良（必要條件、碴土改良- -塑流、抗?jié)B）塑流、抗?jié)B）出土量管理出土量管理（1 1）模式選擇）模式選擇-土壓

9、平衡模式土壓平衡模式 部分掘進(jìn)參數(shù)建議值部分掘進(jìn)參數(shù)建議值（2 2）正確管理掘進(jìn)參數(shù)）正確管理掘進(jìn)參數(shù) 土倉(cāng)壓力、推力、扭矩、速度土倉(cāng)壓力、推力、扭矩、速度 、轉(zhuǎn)速、同步注漿等參、轉(zhuǎn)速、同步注漿等參數(shù)數(shù)（3 3） 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的沉降變化規(guī)律盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的沉降變化規(guī)律 盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)挖及管片脫出盾尾時(shí)，是沉降變盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)挖及管片脫出盾尾時(shí)，是沉降變化最快的階段，因此掘進(jìn)施工要連續(xù)進(jìn)行，否則地層變形化最快的階段，因此掘進(jìn)施工要連續(xù)進(jìn)行，否則地層變形最大的階段的時(shí)間將變長(zhǎng)，導(dǎo)致沉降量可能變大，尤其在最大的階段的時(shí)間將變長(zhǎng)，導(dǎo)致沉降量可能變大，尤其在較差地層中掘進(jìn)時(shí)更要注意。較差地

10、層中掘進(jìn)時(shí)更要注意。86535測(cè)點(diǎn)沉降曲線測(cè)點(diǎn)沉降曲線-30-25-20-15-10-502003.05.082003.05.28.10:502003.05.3016:02003.06.01.08:402003.06.02.15:302003.06.03.23:002003.06.04.2003.06.06.10:002003.06.07.16:002003.06.08.08:302003.06.08.16:302003.06.09.1:002003.06.09.10:002003.06.09.16:302003.06.09.2:302003.06.10.14:002003.06.10.21:

11、302003.06.11.8:002003.06.11.21:302003.06.12.10:302003.06.12.20:002003.06.13.10:302003.06.13.21:30時(shí) 間沉降值(mm) 3D3D 3D=6m D 表示隧道外徑隧道D86531-D865312 橫橫斷斷面面地地面面沉沉降降曲曲線線-30-20-100點(diǎn) 位埋深10.5m主動(dòng)土壓力擠壓區(qū)隧道隧道管片擾動(dòng)土再固結(jié)被動(dòng)土壓力盾構(gòu)機(jī)身主動(dòng)土壓力滑裂面刀盤(pán)剪切區(qū)卸荷區(qū)1 1）與掌子面穩(wěn)定的相關(guān)問(wèn)題）與掌子面穩(wěn)定的相關(guān)問(wèn)題五、盾構(gòu)施工的地層隆降五、盾構(gòu)施工的地層隆降 A A、地層應(yīng)力狀態(tài)、地層應(yīng)力狀態(tài)擾動(dòng)土再固結(jié)

12、滑裂面地面荷載壓力拱盾構(gòu)機(jī)身隧道管片刀盤(pán)被動(dòng)土壓力滑動(dòng)土體擠壓區(qū)剪切區(qū)卸荷區(qū)主動(dòng)土壓力A、地層應(yīng)力狀態(tài)地層應(yīng)力狀態(tài)B、掌子面平衡狀態(tài)分析掌子面平衡狀態(tài)分析 PT-掌子面極限狀態(tài)臨界力；掌子面極限狀態(tài)臨界力；PD-盾構(gòu)刀盤(pán)壓力盾構(gòu)刀盤(pán)壓力 刀 盤(pán) 壓 力地 面 PTPD 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)，但棱柱體但棱柱體S-BBCC-DDGG具有下滑趨勢(shì)，作用于楔形體具有下滑趨勢(shì)，作用于楔形體S-ABC PTPD地面沉降曲線剪切面剪切面刀盤(pán)壓力 PTPD刀盤(pán)壓力剪切面剪切面地面沉降曲線C C、盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定的理論方法、盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定的理論方法 極限平衡法極限平衡法-筒倉(cāng)理論筒倉(cāng)理論 穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)法法

13、D、土拱效應(yīng)土拱效應(yīng) 松散體（包括土、砂）介質(zhì)中：松散體（包括土、砂）介質(zhì)中： HD2.02.5 “拱拱”效效應(yīng)存在應(yīng)存在 H 埋深埋深 D 洞徑洞徑E、沉降槽與沉降曲線沉降槽與沉降曲線 3D3D 3D=6m D表示隧道外徑隧道D86531-D865312橫橫斷斷面面地地面面沉沉降降曲曲線線-30-20-100點(diǎn)位埋深10.5m（2 2） 盾構(gòu)掘進(jìn)中地層沉降原因分析：盾構(gòu)掘進(jìn)中地層沉降原因分析：A、地層損失地層損失 盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖土體體積大于隧道實(shí)體體積。盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖土體體積大于隧道實(shí)體體積。 對(duì)地層擾動(dòng)后的土體主、次固結(jié)。對(duì)地層擾動(dòng)后的土體主、次固結(jié)。B、特殊部位特殊部位 始發(fā)與到達(dá)掘進(jìn)時(shí)土壓尚未

14、建立或失壓。始發(fā)與到達(dá)掘進(jìn)時(shí)土壓尚未建立或失壓。 隧道與洞門(mén)結(jié)合部薄弱易發(fā)生水土流失隧道與洞門(mén)結(jié)合部薄弱易發(fā)生水土流失。C、不良地質(zhì)條件不良地質(zhì)條件 上軟下硬。上軟下硬。 富水砂層、斷裂破碎帶易發(fā)生噴涌。富水砂層、斷裂破碎帶易發(fā)生噴涌。D、掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)與盾構(gòu)機(jī)控制失誤掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)與盾構(gòu)機(jī)控制失誤 掘進(jìn)模式選擇錯(cuò)誤、土壓等參數(shù)未及時(shí)調(diào)整適應(yīng)、掘進(jìn)模式選擇錯(cuò)誤、土壓等參數(shù)未及時(shí)調(diào)整適應(yīng)、未同步足量注漿和及時(shí)二次注漿未同步足量注漿和及時(shí)二次注漿 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不當(dāng)、盾構(gòu)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間停頓且措施不當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不當(dāng)、盾構(gòu)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間停頓且措施不當(dāng)沉降原因分析沉降原因分析（3 3） 基本對(duì)策基本對(duì)策 首先把握盾構(gòu)施

15、工的特點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)自身特點(diǎn)與首先把握盾構(gòu)施工的特點(diǎn)、盾構(gòu)機(jī)自身特點(diǎn)與能力，能力， 去克服問(wèn)題。去克服問(wèn)題。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定適宜的土壓力、掘進(jìn)速度等通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定適宜的土壓力、掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)參數(shù) 加強(qiáng)同步注漿、適時(shí)二次注漿以彌補(bǔ)地層加強(qiáng)同步注漿、適時(shí)二次注漿以彌補(bǔ)地層損失；損失； 采取特別措施，增加輔助設(shè)備及添加劑采取特別措施，增加輔助設(shè)備及添加劑 （1 1）選擇適宜的漿液、凝結(jié)時(shí)間、）選擇適宜的漿液、凝結(jié)時(shí)間、 配合比等配合比等 （2 2）計(jì)算注漿量，在軟土區(qū)應(yīng)以控制注漿量為準(zhǔn)，）計(jì)算注漿量，在軟土區(qū)應(yīng)以控制注漿量為準(zhǔn)，在硬巖區(qū)應(yīng)以注漿壓力為主要控制參數(shù)。在硬巖區(qū)應(yīng)以注漿壓力為主要控制參數(shù)。

16、 （3 3）對(duì)造漿、運(yùn)輸過(guò)程的管理要到位，注漿手要）對(duì)造漿、運(yùn)輸過(guò)程的管理要到位，注漿手要精心操作，發(fā)生堵管要采取措施及時(shí)疏通。精心操作，發(fā)生堵管要采取措施及時(shí)疏通。六、同步注漿的控制六、同步注漿的控制同步注漿同步注漿 合理掘進(jìn)參數(shù)的選擇，是通過(guò)預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、反饋、分合理掘進(jìn)參數(shù)的選擇，是通過(guò)預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、反饋、分析等一系列過(guò)程驗(yàn)證，確定的。這就要求實(shí)施作為土建工析等一系列過(guò)程驗(yàn)證，確定的。這就要求實(shí)施作為土建工程施工科學(xué)化發(fā)展重要表證的信息化施工管理。程施工科學(xué)化發(fā)展重要表證的信息化施工管理。 盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)采集的信息和人工通過(guò)監(jiān)測(cè)、測(cè)量采集盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)采集的信息和人工通過(guò)監(jiān)測(cè)、測(cè)量采集信息的相互校核

17、，更好的指導(dǎo)施工，提供安全、質(zhì)量的保信息的相互校核，更好的指導(dǎo)施工，提供安全、質(zhì)量的保證。成立以項(xiàng)目總工程師任組長(zhǎng)的信息化領(lǐng)導(dǎo)小組，加強(qiáng)證。成立以項(xiàng)目總工程師任組長(zhǎng)的信息化領(lǐng)導(dǎo)小組，加強(qiáng)信息化施工的組織與管理。信息化施工的組織與管理。序號(hào)職務(wù)人員配置主要職責(zé)1綜合組2人負(fù)責(zé)信息分析，提出對(duì)策(其中一人為地質(zhì)工程師)2監(jiān)測(cè)組8人負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施，資料的整理3測(cè)量組6人負(fù)責(zé)測(cè)量方案的實(shí)施，數(shù)據(jù)的分析4盾構(gòu)信息組2人匯集、分析盾構(gòu)機(jī)所采集的信息六、預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)與信息化施工六、預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)與信息化施工激光棱鏡導(dǎo)向機(jī)構(gòu)激光棱鏡導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 對(duì)反饋數(shù)據(jù)的分析、判斷、調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)對(duì)反饋數(shù)據(jù)的分析、判斷、調(diào)整掘進(jìn)參數(shù) 將人工