【文章內(nèi)容簡介】 粒排運(yùn)、管片拼裝或襯砌現(xiàn)澆、整機(jī)（同時(shí)）推進(jìn)和襯砌壁后灌漿的隧道挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)。 用于土層的隧道掘進(jìn)機(jī)通常被稱為盾構(gòu)，在實(shí)際工程中，隧道掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)的稱呼并不嚴(yán)格區(qū)分，盾構(gòu)機(jī)全名盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，以下將簡稱為盾構(gòu)。 1． 2 盾構(gòu) 技術(shù)的概念 盾構(gòu)技術(shù)是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法。它使用地鐵盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面穩(wěn)定的同時(shí)，在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開挖和襯砌作業(yè)。其施工過程需先在隧洞某段的一端開挖豎井或基坑，將地鐵盾構(gòu)機(jī)吊入安裝，地鐵盾構(gòu)機(jī)從豎井或基坑的墻壁開孔處開始掘進(jìn)并沿設(shè)計(jì)洞線推進(jìn)直至到達(dá)洞線中的另一豎井或隧洞的端點(diǎn)。 1． 3 盾構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn) 使用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行隧洞施工具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時(shí)可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)技術(shù)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。 2 1． 4 盾構(gòu) 掘進(jìn) 技術(shù)的工作原理 盾構(gòu)技術(shù)施工法主要由穩(wěn)定開挖面、挖掘及排土、襯砌包括壁后灌漿三大要素組成。其中開挖面的穩(wěn)定方法是其工作原理的主要方面，也是區(qū)別于硬巖掘進(jìn)法或比硬巖掘進(jìn)法復(fù)雜的主要方面。大多數(shù)硬巖巖體穩(wěn)定性較好，不存在開挖面穩(wěn)定問題。 1． 5 盾構(gòu) 隧道掘進(jìn) 機(jī) 盾構(gòu)機(jī)，全名叫盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測量等多門學(xué)科技術(shù)，而且要按照不同的地質(zhì)進(jìn) 行 “ 量體裁衣 ” 式的設(shè)計(jì)制造，可靠性要求極高。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。 用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧洞施工具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時(shí)可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下，用盾構(gòu)機(jī)施工更為經(jīng)濟(jì)合理。 1． 5． 1 盾構(gòu) 隧道掘進(jìn) 機(jī)的工作原理 盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段 起著臨時(shí)文撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。 據(jù)了解，采用盾構(gòu)法施工的掘進(jìn)量占京城地鐵施工總量的 45%，目前共有 17臺(tái)盾構(gòu)機(jī)為地鐵建設(shè)效力。雖然盾構(gòu)機(jī)成本高昂，但可將地鐵暗挖功效提高 8到 10倍，而且在施工過程中，地面上不用大面積拆遷，不阻斷交通，施工無噪音，地面不沉降，不影響居民的正常生活。不過，大型盾構(gòu)機(jī)技術(shù)附加值高、制造工藝復(fù)雜，國際上只有歐美和日本的幾家企業(yè)能夠研制生產(chǎn)。 盾構(gòu)機(jī)根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)，擠壓式 盾構(gòu)，半機(jī)械式盾構(gòu)（局部氣壓、全局氣壓），機(jī)械式盾構(gòu)（開胸式切削盾構(gòu)，氣壓式盾構(gòu)，泥水加壓盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)，混合型盾構(gòu)，異型盾構(gòu)）。 泥水式盾構(gòu)機(jī)是通過加壓泥水或泥漿 (通常為膨潤土懸浮液 )來穩(wěn)定開挖面，其刀盤后面有一個(gè)密封隔板，與開挖面之間形成泥水室，里面充滿了泥漿，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到 3 洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿重復(fù)使用。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是把土料 (必要時(shí)添加泡沫等對土壤進(jìn)行改良 )作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉(zhuǎn)開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出，泥 土室內(nèi)土壓可由刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量 (旋轉(zhuǎn)速度 )進(jìn)行調(diào)節(jié)。 1． 5． 2 盾構(gòu) 隧道掘進(jìn) 機(jī)分類 （ 1）盾構(gòu)機(jī)根據(jù)工作原理一般分為手掘式盾構(gòu)，擠壓式盾構(gòu)，半機(jī)械式盾構(gòu)（局部氣壓、全局氣壓），機(jī)械式盾構(gòu)（開胸式切削盾構(gòu)，氣壓式盾構(gòu)，泥水加壓盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)，混合型盾構(gòu)，異型盾構(gòu)）。 （ 2）盾構(gòu)機(jī)根據(jù)其適用的土質(zhì)及工作方式的不同主要分為壓縮空氣式、泥水式，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)等不同類型。下面簡單介紹后兩種： ① 泥水式盾構(gòu)機(jī)是通過加壓泥水或泥漿 (通常為膨潤土懸浮液 )來穩(wěn)定開挖面，其刀盤后面有一個(gè)密封隔板，與開挖面之間形成泥水室，里面充滿了泥漿，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿重復(fù)使用。 ② 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是把土料 (必要時(shí)添加泡沫等對土壤進(jìn)行改良 )作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉(zhuǎn)開挖使泥土料 增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運(yùn)出，泥土室內(nèi)土壓可由刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量 (旋轉(zhuǎn)速度 )進(jìn)行調(diào)節(jié)。 4 泥水式 盾構(gòu)機(jī) 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 根據(jù)盾構(gòu)機(jī)不同的分類，盾構(gòu)開挖方法可分為：敞開式、機(jī)械切削式、網(wǎng)格式和擠壓式等。為了減少盾構(gòu)施工對地層的擾動(dòng)，可先借助千斤頂驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)使其切口貫入土層，然后在切口內(nèi)進(jìn)行土體開挖與運(yùn)輸。 手掘式及半機(jī)械式盾構(gòu)均為半敞開式開挖，這種方法適于地地質(zhì)條件較好，開挖面在掘進(jìn)中能維持穩(wěn)定或在有輔助措施是能維持穩(wěn)定的情況，其開挖一般是從頂部開始逐層向下挖掘。若土層較差，還可借用千斤頂加撐板對開挖面進(jìn)行臨時(shí)支撐。采用敞開式開挖，處 理孤立障礙物、糾偏、超挖均為其它方式容易。為盡量減少對地層的擾動(dòng)，要適當(dāng)控制超挖量與暴露時(shí)間。 指與盾構(gòu)直徑相仿的全斷面旋轉(zhuǎn)切削刀盤開挖方式。根據(jù)地質(zhì)條件的好壞，大刀盤可分為刀架間無封板及有封板兩種。刀架間無封板適用于土質(zhì)較好的條件。大刀盤開挖方式，在彎道施工或糾偏是不如敞開式開挖便于超挖。此外，清除障礙物也不如敞開式開挖。使用大刀盤的盾構(gòu)，機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜，消耗動(dòng)力較大。目前國內(nèi)外較先進(jìn)的泥水加壓盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)，均采用這種開挖方式。 采用網(wǎng)格式開挖，開挖 面由網(wǎng)格梁與格板分成許多格子。開挖面的支撐作用是由土的粘聚力和網(wǎng)格厚度范圍內(nèi)的阻力而產(chǎn)生的。當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)是，土體就從格子里擠出來。根據(jù)土的性質(zhì)，調(diào)節(jié)網(wǎng)格的開孔面積。采用網(wǎng)格式開挖時(shí)，在所有千斤頂縮回后，會(huì)產(chǎn)生較大的盾構(gòu)后退現(xiàn)象，導(dǎo)致地表沉降，因此，在施工務(wù)必采取有效措施，防止盾構(gòu)后退。 全擠壓式和局部擠壓式開挖，由于不出土或只部分出土，對地層有較大的擾動(dòng)，在施工軸線 5 時(shí)，應(yīng)盡量避開地面建筑物。局部擠壓時(shí)施工時(shí)，要精心控制出土量，以減少和控制地表變形。全擠壓式施工時(shí)，盾構(gòu)把四周一定范圍內(nèi)的 土體擠密實(shí)。 1． 5． 3 盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷史 盾構(gòu)機(jī)問世至今已有近 180年的歷史，其始于英國，發(fā)展于日本、德國。近 30年來，通過對土壓平衡式、泥水式盾構(gòu)機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，如盾構(gòu)機(jī)的有效密封，確保開挖面的穩(wěn)定、控制地表隆起及塌陷在規(guī)定范圍之內(nèi)，刀具的使用壽命以及在密封條件下的刀具更換，對一些惡劣地質(zhì)如高水壓條件的處理技術(shù)等方面的探索和研究解決，使盾構(gòu)機(jī)有了很快的發(fā)展。國外主要生產(chǎn)廠家有日本三菱重工人川崎重工、日立造船、德國海倫克內(nèi)希特 (HerrenknechtAG)公司等。盾構(gòu)機(jī)尤其是土壓平衡式和泥水式盾構(gòu)機(jī)在 日本由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及實(shí)際工程的需要發(fā)展很快。德國的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)也有獨(dú)到之處，尤其是在地下施工過程中，保證密封的前提以及高達(dá) 氣壓的情況下更換刀盤上的刀具，從而提高盾構(gòu)機(jī)的一次掘進(jìn)長度。德國還開發(fā)了在密封條件下，從大直徑刀盤內(nèi)側(cè)常壓空間內(nèi)更換被磨損的刀具。 1． 6 盾構(gòu)選型的重要性 盾構(gòu)是進(jìn)行土體開挖、正面支護(hù)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)安裝的施工機(jī)具，盾構(gòu)的類型由支護(hù)、挖土、排土的方式來區(qū)別。用什么技術(shù)來支護(hù)盾構(gòu)正面土體，保證土體不流失、坍塌，用什么技術(shù)挖土，挖下的土體用什么方法運(yùn)至地面，這些都與盾構(gòu)施工所經(jīng)過 的地層土體性能、特征有關(guān)，根據(jù)土體對盾構(gòu)推進(jìn)施工的影響及盾構(gòu)施工時(shí)將對土體產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，選擇適應(yīng)工程全過程施工的盾構(gòu)技術(shù)十分重要。 盾構(gòu)在施工中，既要保證盾構(gòu)正面的土體不流失、不坍塌，又要把切削下來的土方順利的送至地面，并保護(hù)施工人員在盾構(gòu)內(nèi)安全制造隧道，所以，就必須對工程線路的土質(zhì)作充分的了解，否則就不能保證工程的順利進(jìn)展。如在肇嘉浜路排水工程中，就因?yàn)閷θ€路的土質(zhì)了解不透，在施工中，支護(hù)正面地層土體采取的措施缺乏針對性，使施工進(jìn)展不順利；又如廣州地鐵工程，先采用滾刀切削土體，發(fā)現(xiàn)滾刀被粘土包裹， 根本無法把土切削下來，因?yàn)橥翆拥?R值較大，但卻是粘性的（粘性土處于半固態(tài)的情況下 R值很大，當(dāng)遇洪水時(shí)，土性就發(fā)生變化），增加了刀盤的扭矩，并使正面溫度升高，給施工帶來極大困難，經(jīng)改換了刀具后，才使施工順利進(jìn)行；再如污水處理過程中，由于刀盤的進(jìn)土孔構(gòu)造不適應(yīng)土的特性，切下來的土不能暢通進(jìn)入土倉，出現(xiàn)刀盤正面將土體碾磨成泥餅的現(xiàn)象，使推力急劇增大，正面擠壓擾動(dòng)破壞地層，中斷了施工，在調(diào)整了進(jìn)土孔的構(gòu)造后，才繼續(xù)施工。 6 從以上三個(gè)工程實(shí)例可以看出，違背了“支護(hù)、挖土、排土 3項(xiàng)技術(shù)措施必須適應(yīng)工程所處地層的土質(zhì)”選 型原則，將給施工帶來極大的麻煩。 第二章 圓形土壓平衡式盾構(gòu) 隧道工程施工 2． 1 圓形土壓平衡式盾構(gòu)的構(gòu)成及原理 2． 1． 1 圓形土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要構(gòu)成 圓形土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的主要由以下部分構(gòu)成：盾構(gòu)殼體、刀盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、皮帶輸送機(jī)、人行閘、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及其其他后配套車架輔助系統(tǒng)等。土壓平衡式盾構(gòu)（ EPBS）開挖面裝有全斷面切削刀盤，在切口環(huán)與支撐環(huán)間設(shè)有密封隔板，使前面切口環(huán)部分形成密封隔艙，同時(shí)在盾構(gòu)下 部或中心設(shè)有長筒形螺旋輸送機(jī)的進(jìn)土口，排土口設(shè)在密封隔艙外，而在支撐環(huán)上安裝有推進(jìn)千斤頂，盾尾裝有管片拼裝機(jī)和密封系統(tǒng)。 上海隧道工程股份有限公司圓形盾構(gòu)機(jī) 盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)成 2． 1． 2 圓形土壓平衡 式 盾構(gòu)機(jī)的 工作原理 圓形土壓平衡式盾構(gòu)主要是利用全斷面切削刀盤上的刀具，在刀盤扭矩和千斤頂推力的作用下，對正面土體進(jìn)行切削。切削下來的土體經(jīng)刀盤開口進(jìn)入刀盤后面的密封隔艙，必要時(shí)通過配備的加泥（泡沫）系統(tǒng)對艙內(nèi)土體進(jìn)行改良，使其具有良好的塑流性和較少的粘結(jié)力，再通過可控轉(zhuǎn)速的螺旋輸 送機(jī)和后續(xù)皮帶輸送機(jī)連續(xù)地進(jìn)行棄土。 為了減少盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動(dòng)，保證盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，必須高度關(guān)注各施工參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，嚴(yán)格控制掘削量與出土量的平衡，其通用的控制方法有以下 3 種 : 7 1) 調(diào)整螺旋輸送機(jī)出土速度 首先通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)修正，設(shè)定基本的平衡土壓力；再根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)參數(shù)和地質(zhì)條件，設(shè)定正常的掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速，形成盾構(gòu) 掘削量的基本參數(shù)；然后按螺旋輸送機(jī)的參數(shù)決定排土效率，以得到每一環(huán)襯砌的出土量及出土速度；最后通過調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，使出土量與盾構(gòu) 掘削量匹配，維持平衡土壓力，達(dá)到穩(wěn)定開挖面的目的。 2）調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度 根據(jù)理論設(shè)定的開挖面平衡土壓力和螺旋輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù)，形成每一環(huán)襯砌出土量的初始施工參數(shù)；然后通過盾構(gòu)推進(jìn)速度參數(shù)的控制，使盾構(gòu)掘削量和出土量有機(jī)地匹配，保證土艙內(nèi)土體具有適當(dāng)壓力，并與開挖面水土壓力保持動(dòng)態(tài)平衡，以減少盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動(dòng)，從而達(dá)到控制地面隆沉的目的。 3）同時(shí)控制螺旋機(jī)出土速度和盾構(gòu)掘進(jìn)速度 根據(jù)理論計(jì)算，設(shè)定設(shè)定初始的螺旋機(jī)出土速度和盾構(gòu)掘進(jìn)速度，在盾構(gòu)施工過程中，由盾構(gòu)司機(jī)同時(shí)對上述 2個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，滿足開挖面水土壓力平衡。但是，通過控制螺旋輸送機(jī)排土閘門的開口度 和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來控制土壓平衡比較簡單，也是最為實(shí)用的。 8 2． 1． 3 圓形土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) 的施工工藝流程 2． 2 施工組織設(shè)計(jì)編制 2． 2． 1 施工組織設(shè)計(jì)編制的目的和要求 為了滿足工程施工要求，