盾构机掘进技术

一、掘进参数的选择

1、掘进参数的选择依据：①地质情况判断 ②盾构机当前姿态 ③地面监测结果反馈 ④盾构机状况 ；

地质情况的判断依据：①地质资料及补勘资料 ②掘进参数变化 ③渣土状态。 也就是说，盾构机目前要在什么样的地层中施工，是硬岩、软岩、沙层，还是断层等；目前盾构机的中心线是不是与隧道设计中心线相吻合，有偏差，怎样的偏差？地表面是不是有沉降？沉降了多少？建筑物是否有影响？盾构机目前的刀具状况怎样的？各系统是不是完好？等等

由于盾构机的可操作性很强，掘进参数的选择不能一概而定，需根据不同的实际情况选择相应的掘进参数。如：在地质条件较破碎的地质情况下应采用低速掘进，但刀具磨损较快时，应考率调整刀盘准速和掘进速度已获得最佳的贯入度；又如：盾构机栽头且偏离中线较大时，应考虑蛇行纠偏，防止过急纠偏造成管片开裂、错台或渗水等问题；所以掘进中一定要根据现场实际情况，灵活正确地选择掘进参数。

2、影响掘进的主要参数：掘进模式、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、推进力、推进速度、螺旋输送机扭矩、铰接油缸的行程、泡沫注入率等

二、掘进模式的选择

1、土压平衡式盾构机的掘进有三种模式：①敞开模式 ②半敞开模式 ③土压平衡模式

采取何种掘进模式关键在于地层的自稳性和地下水含量决定的。 a 、敞开模式

该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。该掘进模式类似于TBM掘进，盾构机切削下来的碴土进入土仓内即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有极少量的碴土，土仓基本处于清空状态，掘进中刀盘所受反扭力较小。由于土仓内压力为大气压，故不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入。 b 、半敞开模式

半敞开式有的又称为局部气压模式，该掘进模式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层。其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。掘进中土仓内的碴土未充满土仓，尚有一定的空间，通过向土仓内输入压缩空气与碴土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。 c 、土压平衡模式

该掘进模式适用于不能稳定的软土和富水地层。土压平衡模式是将刀盘切削下来的碴土充满土仓，并通过推进操作产生与土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定开挖面地层和防

止地下水的渗入。该掘进模式主要通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量来产生压力，并通过测量土仓内土压力来随时调整、控制盾构推进速度和螺旋输送机转速。在该掘进模式下，刀盘所受的反扭力较大。

2、土压平衡的建立

通过对掘进速度、出土速度的控制实现盾构机的土仓压力与掌子面的土压和水压平衡防止地层坍塌。

即掌子面的压力控制因素：①盾构机的掘进速度 ②螺旋输送机的转速 ③螺旋输送机的开度

3、地表沉降的控制因素

地表沉降的控制因素：土仓压力、每环出土量、每环注浆量

掘进时土仓的压力的控制如前所述根据盾构机的掘进速度 、螺旋输送机的转速 、螺旋输送机的开度来控制；

渣土的管理则应由主司机记录每环的出土量，出土量过大时可采用关仓掘进，每循环的出碴量应根据不同的地质情况计算得出或根据经验把握（理论体积×松散系数），一般为80m－90m 。

应根据管片外圆与盾壳之间的间隙以及渗透系数计算出每环的注浆量，以便更好地及时回填注浆，控制盾构机通过后的地表沉降。

3

3

三、碴土改良

1、渣土改良的作用：

①降低渣土内摩擦角及刀盘扭矩 ②降低土壤的强度以利于开挖，降低刀具磨损 ③减少渣土的透水性

2、渣土改良材料：

①膨润土 ②水 ③聚合物 ④泡沫剂

最常用、最经济且适用地质范围最广的渣土改良材料一般选用泡沫剂。 3、泡沫剂的特点：

①能获得渣土较低的密度②与渣土的易混合特性③含有较低的化学成分（环保）④与渣土不易分离特性（与渣土分离一般需7－8小时）⑤强止水性

在掘进过程中应时刻注意碴土的状态，随时调节泡沫和水的注入量，保持碴土的可朔性和流动性。 4、泡沫剂算

泡沫注入率Foam Injection Rate(FIR)

泡沫注入率(FIR)=泡沫的流量(Qfoam）/渣土的流量(Qsoil)

渣土的流量(Qsoil) =掌子面的面积(Aface)×掘进速度(VTBM) 泡沫的流量(Qfoam)= 泡沫注入率(FIR)×渣土的流量(Qsoil) 膨胀率Foam Expansion Rate

膨胀率（FER）=泡沫的流量(Qfoam) /液体的流量(Qliquid)

FER=12：1

1 泡沫空气的流量(Qair) Qair=(FER-1) ×Qliquid×(P土仓+1)

改良后的渣土状态（成牙膏状）

泡沫发生效果的检查：可观察泡沫颗粒的大小来判断泡沫的发生效果

四、掘进方向的控制

1、掘进方向的控制原则：

• 使盾构机趋向DTA中心线方向，蛇行纠偏，防止过急纠偏

• 盾构机姿态的调整应适应管片的状态，管片的选型拼装应适应盾构机的姿态及趋势 • 底部推进油缸的压力稍高于顶部的压力，防止盾构机栽头 2、纠偏曲线 纠偏管片安装序列 掘进方向的控制是通过调节推进系统几组油缸的不同压力来进行调节的。当盾构油缸左TBM方向 侧压力大于右侧时，盾构姿态自左向右摆；当上侧压力大于下侧压力时，盾构姿态自上向下

盾构机 摆；依次类推即可调整盾构的姿态，当盾构机的方向偏离隧道中线时，应按偏离的多少缓慢

纠偏，防止过急纠偏。 完成的隧道 纠偏曲线 R DTA 盾构机滚动的调节：当盾构机较硬岩层掘进时或长时间一个方向转动刀盘掘进时，盾构机会发生滚动现象，这时可停止掘进，反向启动刀盘后掘进。一般不盾构机的滚动值（rotate）不能超过设定值10，否则会自动停机。 3、纠偏过急对管片的影响

盾构机姿态的调整应适合管片的状态即盾尾间隙，管片的选型拼装应适应盾构机的姿态及趋势。在隧道转弯和盾构掘进方向调整时，管片所能承受的推力和管片环不在同一直线上，管片所受的斜向推力可能导致管片破损，此时要注意控制推力的大小。

为了保证盾构的铰接密封、盾尾密封工作良好，同时也为了保证隧道管片不受破坏，在调整盾构姿态的过程中，要优先考虑盾尾间隙的大小，在调向的过程中不能有太大的趋势，．．．．．．．．一般在VMT上显示的任一趋势值（trend）不应大于10，避免调向过猛。

纠偏过急会造成管片开裂或管片错台现象。

在软硬不均的地层中，盾构会向地层软的方向偏转，姿态难以控制，此时要仔细调整各组油缸的推力，控制好掘进的方向。

合适的盾尾间隙是保护管片所必需的，在调节盾构姿态时要先考虑到盾尾间隙的大小，在掘进方向不超限的前提下，以缓慢的纠偏速度来保证盾尾间隙最小不小于50mm。

管片碎裂管片错台

五、掘进与刀具

1、刀具的破岩机理 滚刀破岩机理

为了研究滚压破岩的基本原理，我们首先研究刀刃在静压作用下侵入岩石的情况和岩石

破碎的过程。在静压压力P（图4）作用下刀刃侵入岩石，首先岩石与刀刃接触面前方发生局部粉碎或显著的塑性变形而形成一个袋状的核，也称为密实核；其次侵入深度增加（此过程侵入深度与荷载按一定的比例增长）到一定深度时，由于锥形刀刃在垂直荷载作用下对周围岩体产生侧向挤压，密实核旁侧的岩石会突然出现崩碎，如图4所示；由于这种崩碎的突然出现，会导致荷载突然降低出现跃进现象，越是脆性岩石，这种跃进式侵入特点越明显，塑性岩石则较缓和；因此在脆性岩石中应用滚压破岩方式其效率高，而相对来说在塑性岩石中采用滚压破岩的效率要低。

盘刀在滚压岩石面上连续做同心圆运动，其外荷载之一为轴压力（推力）使盘刀刀刃压入岩石，产生类似于静压破岩；其外荷载之二为滚动力（扭矩）使盘刀刀刃沿轨迹线连续滚压岩石，并在盘刀通过处对岩体作用侧向压力，使盘刀运动轨迹线周边的岩石不断产生崩裂，从而达到连续破岩。

滚压破岩状况

滚刀破岩原理示意图

切刀破岩机理

切削破岩是利用切刀（或刮刀）施力与于被作用的岩土层上，靠刀具的刀刃从岩土体的外层上分离岩土，并使之脱离母体达到破岩的一种机械破岩方式，其基本原理如图8所示。盾构机掘进切削破岩的过程可分为以下二步：首先通过盾构的掘进推力将切刀的刀刃压入岩土体，切入的阻力取决于岩土体的物理力学性质及切刀的形状；其次切刀随着刀盘作同心圆运动，在刀具刀刃处与切削面成β角的方向上出现最大剪应力，当剪应力超过岩土体的抗剪强度时，被切削部分产生错动形成裂纹，并且在刀尖与岩土接触部形成切削核，随着切削核的增大，已形成裂纹的岩土体脱离开母体松散或碎削状，而达到破岩的目的。一般来说，对于岩体和固结程度高的硬土，先是出现裂纹，然后一块块地剥落；而对于较为松散的土层，往往是出现整体粉碎的现象；对于塑性地层（粘土）往往是出现连续切削，而无明显的裂纹

出现或出现整体粉碎。

切刀破岩机理示意图

2、刀具的失效形式

滚刀的失效形式：正常磨损、刀圈断裂、刀圈剥落、刀圈卷刃、刀圈移位、漏油、挡圈脱落、偏磨（弦磨）、多边弦磨、刀体磨损、端盖磨损、完全损坏。

正常磨损 刀圈断裂

刀圈断裂碎片

偏磨（弦磨）

3、掘进参数及地质对刀具的影响

偏磨与断裂 滚刀被碴土粘住

硬岩掘进时推力及速度过大会造成刀具崩刃断裂

硬岩掘进时，应向刀盘内加水或泡沫以降低刀具温度，防止刀圈温度过高造成刀圈卷刃

或刀具因高温出现漏油现象

粘土层掘进时泡沫、水等添加不合适即渣土改良效果不好会产生泥饼或刀具被渣土裹住无法转动

软弱围岩掘进时，推力过大或刀盘转速过快会造成局部刀具过载、密封失效等 软弱围岩掘进时，坍塌的石块可能会将刀体、端盖、挡圈砸怀造成刀具漏油或挡圈脱落等现象，同时也会造成滑动密封受冲击发生漏油现象

六、特殊地层的掘进

不同的地层，掘进参数的选择千差万别，这里仅根据我们在广州二号线、三号线、深圳地铁及南京地铁施工中所遇到的一些特殊地层下的掘进作一探讨。

掘进时要随时注意刀盘扭矩、螺旋机扭矩、推进速度、土仓压力、铰接的变化，渣土状况和盾构机姿态等，根据相应的状况及时调整掘进参数。确保刀盘和刀具不超载，掘进方向不超限。 1、硬岩地层

硬岩地层就是指盾构机掘进断面的各部分围岩强度变化小，整体强度在70MPa以上。隧道全断面都是8Z－2、9Z－2。

掘进中刀盘的扭矩大，推进速度明显减慢，盾构机有较大滚动和震动现象和连续的响声，渣土中会有很多的石块出现。

在此地层中应采用高刀盘转速、低推进速度掘进。掘进时要向刀盘和螺旋机多加泡沫，向土仓加水，对刀盘和螺旋机进行冷却、润滑，就是降低刀具和螺旋带的磨损速度。为了防止刀具的超载，不能为了提高推进速度而盲目加大油缸推力。

硬岩地层（掌子面可清楚地看到刀具的轨迹为同心圆）

2、软硬不均地层

软硬不均地层就是指盾构机掘进断面的地质不均,断面的上部、中部、下部、左边、右边的围岩强度变化大，如上部是6Z－2，下部是9Z－2。

掘进中刀盘的扭矩变化大，盾构机有较大滚动和震动现象和间断的响声，掘进方向很难

控制，渣土中会有较大的石块出现。

在此地层中应采用低刀盘转速、低推进速度掘进。因为掌子面地质不均，掘进时，刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过大而不能转动，最终导致偏磨。还有就是当推进速度太快时，刀具的切入量也很大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至使刀圈崩裂脱落。

3、粘土地层

粘土地层就是指土质比较粘，土的渗水性弱，与水不易混合，容易形成块状。一般是5Z－2、6Z－2地层。

掘进中容易在刀盘上形成泥饼。

此种地层中掘进应向刀盘多加泡沫和水，多搅拌，改善渣土的流动性和塑性；防止在刀盘上形成泥饼，裹住刀具使刀具不能转动而偏磨。再有就是掘进中要随时注意刀盘扭矩和究竟速度的变化，当掘进速度明显降低，而刀盘扭矩却增加时，很有可能是刀盘上形成了泥饼，应立即采取措施处理，加泡沫加水搅拌除去泥饼，如地质条件允许，可开仓用水冲洗刀盘，快速除去泥饼。

4、含砂富水地层

此地层自稳性差，含有大量砂粒、砾石，遇水容易坍塌。

盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料，改善碴土性能，提高碴土的流动性和止水性，防止涌水流砂和发生喷涌现象，并利于螺旋输送机排土。每环掘进结束前要保证土仓相当的渣土量，让下一环开始掘进时不会因土仓水太多而发生喷涌。

掘进应采用土压平衡模式，掘进中要严格控制出渣量；要加大盾尾油脂的注入量和调整好盾构姿态，防止水带沙土从盾尾或铰接密封处进入隧道。

5、硬岩破碎地层

此地层岩石强度较大，但整体结构性差；岩层节理裂隙发育、透水能力强，岩层中含有石英、角砾、硅化角砾。

掘进时刀盘扭矩变化大，有较大的振动和响声，对刀具的损伤较大，可能出现较大块岩石的崩落和震断刀圈。

掘进中要适当降低刀盘转速和掘进速度，防止刀具因超载而损坏，多加泡沫改善碴土性能，减小对刀具的磨损，提高碴土的流动性和止水性，以防失水；加强盾尾密封油脂的注入，确保盾尾密封效果；加强铰接处的密封检查，及时调节密封压板螺栓，保证其密封效果。随时观察出渣口渣土情况。在地质条件允许的情况下，适当增加检查刀具的频率。

硬岩破碎地层

6、过江河地段

此地层除隧道本身的地质条件外，还存在隧道外围的高土压和高水压影响。 过江河前，要对设备进行全面的检查保养，保证设备的完好，特别是盾尾密封，铰接密封、刀具的完好。

选择土压平衡模式掘进，掘进时要尽量降低对地层的扰动，防止土仓与河水直接连通，加泡沫增加对地层的止水性，加强盾尾密封油脂的注入，确保盾尾密封效果；加强铰接处的密封检查，及时调节密封压板螺栓，保证其密封效果。调整好注浆配比，适当提高浆液的凝固速度。

七、掘进中异常现象的处理

• 推力大，扭矩小，推进速度小

可能的原因：铰接油缸压力过大，必要时释放；土仓压力过高；刀具严重磨损。 • 刀盘扭矩大，推进速度小

可能的原因及处理：可能有泥饼产生，应立即停止掘进并加泡沫、水搅拌。 • 土仓压力上升快

可能的原因及处理：掌子面坍塌，应适当加快掘进速度并增加土仓压力防止更大的坍塌。

• 喷涌

可能的原因，地层含水量大或渣土改良效果不好不能形成土塞效应，一般关闭螺旋输送机继续掘进一段以增加土仓内渣土含量并改良土质

• 油温上升快

可能的原因：刀盘扭矩或推力过大，或设备系统故障（如冷却系统） 应立即停机检查或调整掘进参数。 • 刀盘被卡住

可能的原因及处理：刀盘扭矩过大或设定值过低，应立即停机检查并调整设定值，反转刀盘缓慢启动或采用脱困模式启动刀盘。

• 盾尾漏浆

可能的原因及处理：纠偏过急、管片间隙不正常或盾尾失圆等，一般将注脂模式改为手动并调大注入频率，同时降低注浆压力。

• 铰接密封漏浆

可能的原因及处理：密封或盾尾状态不好，应检查密封压板状态或盾尾姿态，必要时调整；漏浆严重时应停机并开启紧急密封后处理。

• 泡沫管堵塞

防止泡沫管路堵塞的措施是一般在掘进过程中尽量保持开启每条管路，当发现某条管路压力升高时，则应增加该路泡沫的流量以进行冲洗。长期不用时及时关闭注入口处的

手动阀。

掘进中要调整或参考的参数

参数名称 刀盘转速 刀盘扭矩 螺旋机转速 螺旋机扭矩 螺旋机舱门位移 A组油缸推力 B组油缸推力 C组油缸推力 D组油缸推力 推进速度 铰接力 一般正常范围 1.7～2.0rpm 220bar以下 4.0～10rpm 120bar以下 200～800mm 60～140bar 80～160bar 100～180bar 80～160bar 0～80mm/min 0～100bar 参数名称 1号土仓压力 2号土仓压力 3号土仓压力 4号土仓压力 5号土仓压力 一般正常范围 0～1.8bar 0.8～2.5bar 0.8～2.5bar 1～3bar 1～3bar 参数名称 2号铰接位移 5号铰接位移 10号铰接位移 13号铰接位移 1号泡沫液体流量 2号泡沫液体流量 3号泡沫液体流量 4号泡沫液体流量 1号泡沫气体流量 2号泡沫气体流量 3号泡沫气体流量 4号泡沫气体流量 一般正常范围 10～140mm 10～140mm 10～140mm 10～140mm 螺旋机前舱门土压 1～3bar 螺旋机后舱门土压 0bar