1、西南交通大学硕士学位论文土压平衡盾构施工引起的地表沉降分析姓名：徐俊杰申请学位级别：硕士专业：桥梁与隧道工程指导教师：李志业20041001西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘 要在城市地铁工程的修建中，盾构法隧道施工技术以其独有的智能化、安全、快捷等特点与优势，越来越得到广泛的推广和应用。虽然盾构法取得了斐然成绩，但此法施工不可避免地引起地表沉降，地表沉降过大时，会影响到盾构隧道的安全施工和地表建筑物的正常使用。本文以广州地铁三号线客村站大塘站区问隧道盾构工程为背景，对土压平衡盾构施工引起的地表沉降进行了研究。首先利用现场地表沉降的监控量测数据进行地表沉降的曲线拟合，然后利用大型有限元通
2、用软件ANSYS对施工过程进行了三维有限元动态施工模拟，分别得出了拟合沉降曲线和计算沉降曲线，结合现场地质条件、设计情况及施工参数等分析了隧道盾构法施工引起的地表沉降的一般规律和影响地表沉降量值大小的因素。并通过比较，验证了数值模拟结果的可信性和数值模拟预测地表沉降的可行性。对地表沉降监测结果的数据处理说明，拟合曲线能反映出测试数据的一般趋势，并且误差波动较小，可用来分析土压平衡盾构施工引起的地表沉降。而本文采用有限元法得到的结果与实测结果基本吻合这说明，只要建立合理的计算模型，选用合理的计算参数，有限元法不失为一种研究隧道盾构施工力学过程的有效工具，而且较实测和模型试验方法更为方便、灵活和经
3、济。最后结合实际施工参数，提出了控制地表沉降的有效施工措施。关键词：盾构法隧道地表沉降土压平衡盾构监控量测数值模拟西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I页AbstractTunnel construction technology with shield driven method is beingmore and more developed and applied in building Metro engineeringbecause of itsunique characteristicS and advantages such asintelligence，safety and qu
4、ickness，etcThough shield driven methodhas obtained splendid achievements，it is inevitably caused groundsurface settlementThis will affect the normal USe and the safe runningof the shield tunnel and the ground surface building while the groundsurface settlement is too muchThis paper refers the case p
5、roj ect of therunning tunnel from Kecun Station to Datang Station in GuangzhouMetro，researches the ground surface settlement by using EPB shielddriven methodIn order to obtain the approached curve and thecalculated curve，this paper completed the curve approach of the groundsurface settlement through
6、 the sitemonitoring measurement data andcalculated with threedimensional FEM during the period of theconstruction Combined With the geoiogi Cal condition andconstructi on val ue， etCthis paper anal Yzed the generaldi SeiPline due t0 the conStructi on with shield driven method andthe faefor that affe
7、ctS the Si ze of the ground surface settlementComparing with the approached curve and the calculated curve，theeredibilitY of numerical simulation result and the feasibility ofpredicting the ground surface settlement through numerical simulationare verifiedDealing with the data showed the approached
8、curve canreflect the common tendency of the data with less error，SO it can beused to analyze the ground surface settlement due to the tunnelconstruction with EPB ShieldAt last，some valid constructionmeasurements are given to control the ground surface settlementKey words：tunnel construction with shi
9、eld driven method；groundsurface settlement；EPB shield tunnel；sitemonitoringmeasurement；numerical simulation西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章绪论11研究问题的提出近年来，世界范围内的城市化水平一直呈现出不断上升的趋势，即城市数目和规模都不断增加和扩大。改革开放以来，随着中国经济的高速发展，中国的城市化进程也正在大大加快，到1997年底，中国城市已达666个，其中超大、特大和大城市有75个，预计到2l世纪中期，我国的城市将增加到1000多个，城市化水平将达到50以上。随着城市化的
10、高速发展，也带来了一系列的城市环境问题，形成了所谓的“城市综合症”。主要表现为城市超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化面积减少、交通阻塞。我国上海和北京城区位于世界人口高密度城市之首，按国际标准，处于超饱和状态。据1990年统计，我国城市人均绿地面积只有39m 2，距国家制定的人均lOm 2的卫生标准和联合国建议的人均40m2的城市绿地面积相差甚远。交通阻塞也已成为我国许多城市普遍的突出问题，如北京市干道平均车速已比10年前降低50以上，而且时速正以每年递减2km的速度继续下降，据统计，市区183个路口中，严重阻塞的达60m。工业发达国家现代化城市建设的实践表明，有序、合理、综合、高效地开发利用城市
11、地下空间资源，是解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”，实现城市可持续发展的重要途径m。城市地下空间作为新型国土资源受到世界发达国家的越来越多的重视。自1997年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不少呼吁开发利用地下空间的决议、文件、和宣言。在工程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日本、美国、法国和芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模和水平。城市地下空问的开发利用，已成为世界性发展趋势，并已此作为衡量城市现代化的重要标志。向地下要土地、要空间己成为城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市密度、人车立体分流、疏导交通
12、、扩充基础设旎容量、增加城市绿地、保护城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。因此国际上不少学者提出“2l世纪是地下空间开发利用的世纪”，并预测21世纪束将有三分之一的世界人口生活在地下空间是并不夸张的w。西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机己广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电燧道工程。城市地铁采用盾构机旄工不仅给作业者提供安全的工作环境，而且机械化、自动化水平高，利于地面建(构)筑物和地下管线的保护，利于城市环
13、境保护，更减少了对城市秩序的影响，实现快速、安全、可靠目的。盾构法(shi e1 d)源于1825年法国工程师MABrunel的矩形盾构发明和应用。十九世纪后期伦敦地铁的建设、美加水底铁路隧道的施工大大促进了盾构法发展，完善了施工工艺和相关技术。进入二十世纪以来，美、英、德、苏、法、日开始广泛应用于公路隧道、地铁隧道、铁路隧道、下水道、市政管道等工程建设中。最近几十年来，日本超过英国而成为世界首号盾构大国，总共制造了2000多台盾构，仅1980年就制造了300台，在日本，虽然其使用历史不如欧洲悠久，但这些年为了满足其独特的地质条件和土地使用要求，在新型盾构技术发展方面做了大量的工作，其中一些技
14、术代表了盾构技术的发展方向。这些新技术主要反映在以下三个方面”，：施工断面的多元化，从常规的圆形向2圆形3圆形、方形、矩形及复合断面发展：施工新技术，包括出洞技术、地中接合、长距离施工、急转弯、扩径盾构、球体盾构等：隧道衬砌新技术，包括压注混凝土衬砌、管片自动化组装、管片接头等技术。五十年代我国最早将盾构用于煤矿疏水巷道的建设，之后于1963年击4，2m试验盾构在上海问世。目前用盾构法修筑隧道多限于沿海地区的软土环境，如上海、广州、深圳、北京、南京、天津等地，其中尤以上海为最多，代表着国内盾构技术的最高水平。国内由六、七十年代的挤压式盾构，经过八十年代和九十年代中期泥水平衡式盾构，发展到九十年
15、代后期的压平衡式盾构为主，从自己试验到技术引进，再到自己设计制造较先进的盾构，无不标志着盾构技术已在我国成熟和发展起来。在上海地区已成功应用盾构法修建了打浦路过江隧道、延安东路过江隧道、合流污水工程、地铁号线、地铁二号线、外滩观光隧道等，中国第一台中495m铰接式土压盾构掘进机，是上海隧道股份自主设计、关键部件引进、核心技术具有自主产权的先进盾构掘进机，己成功应用于上海肇嘉浜路污水改造工程，并解决了隧道转弯半径小、掘进“拐弯”难的问题，适应城市地底污水、通讯、西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页电力隧道施工；在广州除已修建了地铁一号线、地铁二号线外，地铁三号线目前有8个区间隧道共使用15台盾
16、构机同时施工，线路总长229公里(双线)，占三号线全线长度的63；在北京，地铁5号线也使用了土压平衡式盾构；2001年开工的深圳地铁1号线都在一些区间采用了盾构隧道施工技术；南京地铁目前有3个盾构标段4台盾构机在进行施工，施工总量占全线的30；盾构还广泛用于我国台湾省的台北都会区捷运工程施工。但无论盾构隧道施工技术如何改进，由于施工技术工艺质量及周围的环境和岩土介质的特点，其施工引起的地表沉降是不可能完全消除的。盾构推进对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降w。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地下铁道，隧道
17、施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视m。城市地铁隧道施工过程会给周围的建筑物、地下构筑物以及地下管网带来不同程度的影响，严重者将危害生产建设和人民生命财产安全。因此，近年来关于隧道工程施工给周边环境造成的影响与危害的研究已经引起学术界和工程界的注意和重视。地面沉降对工程建筑的影响：建筑结构破坏；建筑物电梯和其他灵感机械装置的破坏；对道路、桥梁、涵洞与堤坝的破坏；管道和铁路的扭曲、剪切破坏；改变运河、渠道及供排水设施的设计坡度：水井、油气井的相对抬升及扭曲、剪切破坏。近几年来研究表明，上海城市工程建设引起的地面沉降约占地面沉降总量的30，上海市年均地面沉降经济损失约在7300万元人民币以上”
18、1。在上海地铁一号线于1995年建成投入营运后，经过长期的变形监测发现，隧道在长期运营中的沉降及不均匀沉降相当大，许多隧道段的沉降和不均匀沉降一直在发展，而且没有收敛的趋势，长期下去，必然会对隧道的结构、接头和正常营运造成威胁，而且过大的不均匀沉降也会影响轨道的平整，影响乘坐的舒适性”，；2000年5月正在施工中的重庆轻轨大渡口春晖隧道顶端道路存在沉降现象，靠隧道口方向的公路一侧最大沉陷有30多厘米，同时，路面上已逐渐开裂了数条20几厘米宽的“大口子”， 幸好及时发现，否则后果不堪设想；西气东输三大“咽喉”工程之一的长江盾构隧道工程，2001年9月26同开工以来，由于长江地质情况复杂、施工单位
19、缺乏经验、盾构机盾尾渗水及地面沉降超标等原因，西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页致使掘进非常缓慢，截至2002年10月底，比计划工期滞后l 30天：正在施工中的广州地铁三号线沥活站施工地北端的开挖现场突然出现下沉式的大面积坍塌，工地一带至少有30栋居民楼受到不同程度的破坏，受损最严重的?栋居民楼南侧的地基已被架空。加固的地桩单薄地支撑着，楼体摇摇欲坠；2003年7月1日在施工过程中发生地面下沉的上海轨道四号线事故段，隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，造成3栋建筑物严重倾斜黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌，造成15亿元人民币的重大损失。12地铁盾构法施工引起的地表沉降研究现状在与其他各种隧道
20、施工法相互竞争中，盾构法克服了众多困难，取得了斐然成绩。英国和其他一些国家在20世纪20年代就开始重视对“在软弱地层中开挖隧道产生地面沉陷和地层变形”问题的研究工作。许多工程技术人员为此进行了大量研究工作，使对地层运动的预测能力，有了一定的发展，积累了不少控制由于盾构旌工引起的地面沉降的方法。在城市地铁隧道的兴建中，影响地表沉降的因素很多，地表沉降的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且还受工程的水文地质条件的影响。国内外专家学者对这一问题的研究方法可归纳为：实测数据回归、室内模拟试验、理论分析和专家系统等四种途径“-。(1)实测数据回归实测数据回归是指通过对现场收集资料
21、的回归、分析，用数理统计法从所得数值中回归出预测沉降的数学表达式。电子计算机的出现为数值分析法提供了强有力的工具。此后，不少学者用此方法对盾构施工引起的地面沉降进行了专门研究。有些学者在此基础上，结合工程实际提出了经验估算方法。美国著名科学家PBPeck曾结合采矿引起地面位移的估算方法，提出了“沉降槽的形状近似于概率论中正态分布曲线”，并给出地面沉降的横向分布估算公式。同时还给出了不同地层种类中沉降槽的宽度与隧道直径及埋深的无量纲关系式。在墨西哥举行的国际土力学地基基础会议上，PB，Peck作了相当有名的“State of the ArtReport”报告。报告对1 7例隧道工程进行了研究。此
22、外，PBPeck还介绍了加有气压情况下开挖面稳定条件，或者Jf：挖面到达之前发生西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页的地面沉降的实测实例1。日本学者半谷在东京举行的第九届国际土力学和地基基础会议的论文集内，整理了适用于地铁的25件关于盾构隧道的(包括双孔隧道)58例实测数据，给出了预测最大沉降量的方法。英国Durham大学教授Attewell也假定沉降槽的曲线形式为正态分布曲线，对于地表的沉降量提出计算公式。虽然，可求得最大沉降量，但需满足一定的地层损失量范围，且预测精度也不高。在我国，隧道股份公司和同济大学在1975年先后对上海地铁试验段等隧道进行了地层移动的现场量测与监控，在总结经验和理
23、论分析的基础上，提出了考虑土体扰动后固结沉降的经验公式。中国工程院院士刘建航先生根据延东隧道施工实测数据得到预测纵向沉降槽曲线的公式，并提出了“负地层损失”的概念。侯学渊、杨我清、傅德明和徐方京等对盾构推进各阶段的地层变形的行为作出了机理上的解释，并提出了土压平衡盾构在到达、通过、脱开及长期沉降等阶段的地表沉降预估方法，从减少她层移动的角度出发，提出了各簏工阶段的技术和施工参数控制要点。(2)室内模型试验所谓室内模型试验是指在实验室内针对某一工程具体条件，依照相似理论建立模型，进行模型试验，然后得出地层运动规律。英国剑桥大学的Atkinson以砂和高岭土为介质，中设隧道，以橡皮膜敷于隧道内表面
24、上。试验结果表明，土的破坏面近似朗会主动破坏面，十分接近Peck曲线，Litwi nS Zyn用大量大小相同的球体模拟地层，并对这种介质的应力、应变状态不作任何假定。实验结果表明，沉降槽的横向分布曲线形式与概率曲线相同。此后Hewer进行了二次加载的板状模型试验，结果表明沉降曲线为s型。TakaoShimada等人以标准砂为介质，分别模拟以松填土和密填土两种不同情况，研究土体的覆盖状况与横向下沉之间的关系。试验结果表明地面沉降断面形状近似于正态概率密度曲线。似乎可以得到这样的结论，伴随着隧道开挖的地表下沉量是由四个因素控制：隧道的自身变形、地质条件、距隧道中心距离及地层覆盖厚度。覆盖薄时，破裂
25、面梯度变化大，曲线陡峭；覆盖厚时，破裂面梯度变化小，曲线平缓。随着覆盖层厚度的增大，地面沉降量减小。近年来Mair等人通过室内离心模型试验，并结合实地量测，探西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页讨了粘土中隧道施工引起的地表沉降槽宽度和最大沉陷量随深度的变化规律，总结出相应的经验公式。模型试验如果按尺寸比例来分又可分为足尺模型和缩尺模型两种情况。足尺模型试验或现场原位试验，采用1：l比例，这种方法最能体现原型的实际情况，结果也是真实可靠的，但是由于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一样，对于比较大的土工构筑物来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、财力，有时得不偿失，这种方法仅应用于较少的
26、工程实践中。缩尺模型特别是小比尺模型目前是人们常常采用的一种方法，即将原型的几何尺寸按照一定比例(通常是1：50l：200)缩小后进行研究，小比尺模型又可分为小比尺常规模型和小比尺离心模型，小比尺常规模型由于不能补偿几何尺寸的缩小带来的自重损失，同时也不能解决隧道施工中地下水渗流场与地层应力场相互作用问题，因此不能反映原型的真实情况。离心模型试验(Cel3trifuge model test)是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受重力加速度n倍的离心加速度(n为模型率)，增加模型的容室，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力(重力加速度=19)的条件下的常规模型更接近
27、于实际。这一特点导致了离心模型与常规模型本质的区别1。(3)理论分析理论分析是指研究盾构推进过程中相应的地层受力情况，用理论分析和数值计算方法推导地层运动计算公式或估算方法。德国学者Sweet和Bagdamof认为土体是球体集合，这些球体可以在空隙间自由移动或行走。并假设竖向空间坐标代替时问坐标。每个空隙总是向上移动，直达地面，或者达已被一个空隙占领的网络点。这时空隙的位置已受到前一个存在空隙位置的限制。从许多质点下沉现象得出一个v型顺滑曲线，曲线中轴对称，两侧有等于对垒体的安息角的倾角。Broms和Bernermark对“简单超载数”定义为：隧道开挖在其轴线上的覆盖压力与隧道支护压力的差值，
28、同粘士在不排水情况下的抗剪强度之比，缩写成“OFS”。另外，gromS和Bernermark利用长度和高度的关系。以及OFS和应变的关系，制成能预测地面沉降的程序图，用它可以推算地面沉降量。Chabou SSi和Ranken用计算机进行弹塑性研究时，假设在工作面的推进值和一颗土粒朝工作面的位移值之间存在着一种线性关系。西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页日本学者竹山乔总结弹性介质有限元的成果，并根据实测资料加以修正，得到了计算地面沉降的实用公式。近年来，Rowe和Lee阐述了用于估算“间隙参数”的简单数值方法。间隙参数值反映了隧道拱顶的垂直位移和软土隧道施工中的地层损失的大小，它是掌子面三维
29、弹塑性变形、盾构机性能、衬砌几何形状和施工工艺等的函数，通过它，并利用二维有限元法经验关系对地层位移规律加以预测。在我国理论研究也取得了一定进展。侯学渊教授用考虑多孔介质和孔隙水压力流动的粘弹塑性有限元计算方法研究沉降预测：孙钧、曾小清用半解释法把三维有限元计算简化为一维有限元。北京李世辉高级工程师用线弹性边界加上典型工程类比法和现场测量修正方法计算地层运动。鉴于地下工程应力场与渗流场作用的复杂性，这种方法使用十分有限，即便是得出结论，也由于结论中含有许多未知参数不能确定而不具有实用价值。(4)专家系统灰色系统自1982年由华中理工大学首先提出后，在自然科学领域得到广泛应用。北京交通大学张弥教
30、授及学生潘杰梁通过广泛搜集了国内外的文献资料，运用经典的专家系统的理论对沉降预测方法进行新的探索n“。上海大学的黄黔教授和隧道股份公司周文波先生分别对此进行了研究，并将其用于上海地铁一号线的地面沉陷预测，专家系统在对地面沉降进行预测的方面，以其对模糊概论良好的适应性而崭露头角。上述方法都没有或不能很好的反映隧道的实际施工过程，由于隧道结构及周围岩土介质的高度非线性，地下结构的开挖问题具有非线性的路径相关性，即随着施工进程的变化，结构的形状也在不断发生变化，与此同时作用在结构上的外荷载也随之改变，从力学角度上来看，结构响应量是与加(卸)载途径有关的。在隧道施工中，采用不同的施工方法、不同的开挖步
31、骤、不同的支护参数将会引起程度不同的地表变形。也就是说只有考虑施工过程和路径才能准确反映隧道施【j过程中围岩和结构的应变、应力状态，进而才能准确的预计地表的移动与变形。因此上述方法的使用范围和发展前景是非常有限的。实际上，隧道开挖特别是在软弱围岩地层中进行复杂隧道结构的开挖是西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页非常复杂的三维时空问题，随着数值计算方法的发展和计算机软硬件的高速发展，复杂定解条件问题的处理才成为可能，也使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能。计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。因为隧道施工引起的地表沉降影响因素很多，任何简单实用的计算方法都无法反映众多因素的综合影响。而借
32、助于计算机，可以较全面地考虑影响地表沉降的各主要因素，较为准确地预计隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。常用的预计地表沉降的数值计算方法主要有有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、边界元法(BEM)、离散元法(DEM)和刚性有限元法(RFEM)等n。其中实际运用最为广泛的还是有限单元法(FEM)。采用有限单元法(FEM)预计隧道旌工引起的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形，而且可以得到地层内部的应力、变形状况。根据隧道施工的地层条件及隧道施工的实际情况，可以将地层假定为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介质。弹性有限元方法一般适用于地层和
33、施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限元法对隧道开挖施工引起的地表沉降进行了估算，并取得了较为满意的结果m，。由于在隧道施工过程中，周围的土体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算值偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法不仅能够考虑隧道施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的失水固结、土体本身的压缩性等，并且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以考虑各种断面形式，因而获得了广泛的应用m，。目前已经开发出了各种成熟的二维及三维线性与非线性有限元程序，能够考虑不同类型土的本构关系和各种施工因素，ANSYS有限元程序是其中的代表之一。13本论文研
34、究的主要内容本文首先对广州地铁三号线客村站大塘站区间隧道盾构工程地表沉降的现场监测结果进行曲线拟合，得到拟合沉降曲线；然后根据实际施工情况，对土压平衡盾构的地表沉降进行动态有限元数值模拟，得出计算沉降曲线。在比较、分析拟合沉降曲线和计算沉降曲线的基础上，分析影响土压平衡盾构地表沉降的因素，在兼顾旖工速度西南交通大学硕士研究生学位论文 第9页和施工技术水平的基础上，提出最优的施工参数，为施工单位创造经济效益和社会效益。广州地铁三号线客村站大塘站区间隧道盾构工程沿线建筑物密集，区间地形起伏较小，地面高程72139m，地貌属平缓坡地。针对盾构工程的地表沉降问题，从近年来兴起的有限元数值模拟的角度出发
35、，基于著名的ANSYS有限元程序平台，进行了动态数值模拟计算，主要内容包括：(1)土压平衡盾构施工现场地表沉降的监控量测，并对监测结果进行沉降曲线拟合及分析；(2)隧道开挖问题的有限元基本理论以及土压平衡盾构施工有限元数值模拟方法；(3)根据实际施工参数的组合情况，进行土压平衡盾构施工过程的动态模拟；(4)将现场监测结果和模拟计算结果进行比较，验证土压平衡盾构施工有限元数值模拟的可行性；(5)分析地表沉降的一般规律以及影响地表沉降的因素，结合实际施工参数，提出控制土压平衡盾构地表沉降的有效施工措施。西南交通大学硕士研究生学位论文 第lO页第2章土压平衡盾构施工引起的地表沉降21土压平衡盾构机介
36、绍211系统简介德国HERRENKNECHT公司设计与制造的中6250mm复合式土压平衡盾构机主要由开挖系统、推进系统、排土系统、管片拼装系统、油压、电气、控制系统、姿态控制装置、导向系统、壁后注浆装置、后方台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆、铰接装置、通风装置、土碴改良装置及其他一些重要装置如盾壳、稳定翼、人闸等组成“。土压平衡盾构的基本原理是(见图2一1)：盾壳支承着围岩并保护着刀盘旋转，在千斤顶推力的作用下，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过面板形刀盘上开口进入密闭室，当密闭室内的泥土压力与开挖面压力取得平衡的同时，端部伸入密闭室下部的螺旋输送机开机排土，控制螺旋输送机的转速或者盾构机的推
37、进速度，达到密闭室内的泥土压力与开挖面压力的动态平衡，碴土通过配套的运输设备运至洞外【2n图21盾构主机示意图盾构机全长743米，全重500吨，从前往后依次为盾构本体、连接桥架、l西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1页“5。台车。其中盾构本体：长832米，分刀盘、前体、中体、盾尾四部分；连接桥架：长1 2米，为台车及盾体的连接结构(包含各种管路)；1 4台车：安置操作室、砂浆罐；2 4台车：安置膨润土罐、液压站i 34台车：安置泡沫发生器、控制柜；4 4台车：安置空压机、变压器；5 4台车：安置电缆、水管卷盘。(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。面
38、板形刀盘(见图22)装在盾构机的最前面，直接与开挖面接触，上面装有64把刮刀、8把边缘刮刀、5把双刃滚刀、6把双刃齿刀和8把单刃齿刀，用来对付各种土体和岩层，还有一把超挖刀，专门用于盾构曲线施工和盾构姿态的修正。图22刀盘正面图(2)推进功能由推进系统来完成。沿支承环圆周均匀地安装了30个盾构推进油缸(见图23)，西南交通大学硕士研究生学位论文 第12页其中双联油缸10套(每套2个油缸)，单个油缸1 0个。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2000mm，满足1500
39、mm宽管片的错缭拼装兽求。图23推进油缸布置图(3)摊土功能主要由螺旋输送机、皮带输送机及运碴车来完成。螺旋输送机由一台液压马达驱动，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泥浆管路，以减少阻力延长寿命。在螺旋输送机上安装有两个土压传西南交通大学硕士研究生学位论文 第13页感器测量压力变化情况，便于控制土仓压力，使排土顺利流畅。(4)管片拼装系统由管片拼装机、管片输送机构
40、、整圆器组成。由管片车运来的管片，通过管片吊机吊下，放在管片输送机构上，通过管片输送机构将管片输送到管片拼装机下。管片拼装机为环形结构，由盾构支承环加强圈上的二根横梁支承，拼装机可在横梁上移动，拼装机回转由两台液压齿轮马达和小齿轮驱动，拼装机平移、伸缩由液压油缸操纵控制。管片拼装机有6个自由度，确保管片的旋转、升降、移动、俯仰、侧倾和摇摆等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1 500mm宽管片的错缝拼装。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纵向连接和环向连接。(5)油压、电气
41、、控制系统功能油压控制系统油压控制系统根据施工要求合理配置，主要用于刀盘的驱动和推进系统、螺旋输送机、管片拼装机及铰接装置等，集中供油装置设在后方台车上。电气控制系统电气控制系统由高压电缆卷筒、高压电缆及快速接头、变压器、配电盘等组成。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。控制系统盾构控制系统由PLC和l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
42、自动或手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、油压器、行程仪、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、报警西南交通大学硕士研究生学位论文 第14页等。计算机屏幕为直观菜单显示，有多幅画面供盾构司机选择，并有打印功能。(6)附属装置功能姿态控制装置姿态控制装置主要由调整盾构推力大小和合力作用点位鹭以及设置在刀盘的超挖装置来控制。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
43、的姿态。导向系统导向系统采用SLSTAPI)自动定位隧道导向系统图(见图24)，由Pc机、隧道掘进软件、激光经纬仪、E1S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40mm，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采取必要措施，确保隧道掘进的质量和安全”。管片图24激光导向系统布置示意图壁后注浆装置壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成，安装在后方台车上。当盾构掘进时，注浆泵将储浆槽中的浆液泵出，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，
44、对管片外表面的环型窀隙进行同步注浆(见图25)”“。西南交通大学硕士研究生学位论文 第15页、脂注入管一。 图25同步注浆及盾尾密封腔示意图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。恬方台车共有五节。台车为门式结构，跟在盾构后面，以拖车的方式牵引，中间为通道，顶部安装皮带输送机，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。超前钻机及预注浆配4个超前钻孔，最大超前钻探距离为30m。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
45、，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。铰接装置铰接装置在盾构的支承环和盾尾之间，是一个活动的铰接体，便于盾构小半径曲线掘进和掘进方向纠偏，铰接角度为任意方向20度。土碴改良装置根据地层情况，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，减少刀盘功率消耗。、l、Q一一一丫，f西南交通大学硕士研究生学位论文 第16页212盾构机主要技术参数表21盾构机主要技术参数表项目 名称 技术参数 备注设备总长 743m盾构尺寸 总重量约500t盾壳长度 832m外径 62 50mm长度 4280mm
46、盾体 铰接式盾构型式 复合式最小水平转弯半径 300m外径 6230mm长度 3285mm盾尾 盾尾密封 钢丝刷、注入油脂注脂管 8(2x 4) bN25注浆孔 4 DN50最大总推力 3640t 30个油缸同时行程 2000mm推进油缸千斤顶昂大伸出速度 80mlllIll i n千斤顶最大回缩速度 1400mmmi n开口率 30开挖直径 6280m滚刀、刮刀、齿刀、刀盘 刀具边缘刮刀、超挖刀旋转方向 正、反重量 55t驱动形式 液压驱动 无级调速扭矩 450tm刀盘驱动 最大扭矩 530tm转速 06rpm电机功率 945kW 3315kW管片安装机 型式 环形 液压驱动旋转角度 200
47、。 比例控制西南交通大学硕士研究生学位论文 第17页项目 名称 技术参数 备注举升油缸行程 1000mm 比例控制纵向移动行程 2000m帕 比例控制自由度 6举升能力 12t型式 中心轴式 无级调速外径 900mm驱动功率 315kW螺旋输送机 转速 022rpm 可调最大输土能力 400m 3h螺旋输送机门 滑动式重量 30t驱动型式 电动皮带输送机最大输送能力 450m 3h液压系统 1冷却系统 1注浆设备 2 x KSP5泵泡沫注入系统 1盾尾注脂泵 l控制室 l电缆卷筒 l后配套设备水管卷筒 1管片输送系统 l数据采集系统 1SLSTAPD激光导向系统 1导向系统后续台车 5通讯(电
48、话) 4功率配置 1619kW 盾构机总功率西南交通大学硕士研究生学位论文 第18页213盾构掘进模式盾构掘进根据不同的地质条件采用敞开式、半敞开式和EPB模式(土压平衡模式)三种掘进模式以适应硬岩、软硬混合地层和含水软岩的掘进n“。(1)敞开式在前方掌子面足够稳定并且涌水能够被控制的条件下，可以采用敞开式作业。主要适用于隧道处于地层(8)、地层(9)中时的盾构掘进。敞开式土仓内的空气压力为常压，不需要在士仓内建立土压或气压平衡来支撑工作面的土体压力和水压力。因此用螺旋输送机及时出土，基本上切削多少土体就排出多少土体。在这种情况下，地表沉降不需要依靠泥土仓内的土压力与地层压力和开挖面土压力的差
49、值来控制，而是由对管片外表面的环形空隙进行同步注浆来控制。根据计算，对同一地质断面而言，敞开式推进所需刀盘扭矩比EPB模式(土压平衡模式)所需扭矩降低4050，可大大减轻盾构机的工作负荷，改善盾构机受力状态，降低掘进成本，并可加快掘进速度。土仓压 IV v类围岩、力分布 部分m类围岩ODen模式图26敞开式掘进示意图(2)毕敞开式半敞开式用于含水、水压为0101 5MPa左右、掌子面可保持稳定的地层中。当洞身处于地层(7中或处于软硬不均地段时，均可采用此模式。半敞开式作业时隧道掘进速度近似于敞丌式作业，土仓内底部是岩碴，上部为压缩空气，气压控制标准值为静水压力值与松散土柱压0自用丁=0西南交通大学硕士研究生学位论文 第19页力值之和。对同一断面而言，半敞开式推进所需刀盘扭矩比土压平衡状态所需扭矩降低3040，可减轻盾构机的负担，提高掘进速度和效率，并可降低施工成本。t仓压B钮I璞围岩，力分布蜜睫黝Semi-q)en模式图27半敞开式掘进示意图(3)EPB模式(土压平衡模式)EPB模式用于围岩不稳定、地下水
