盾构机结构原理

1、泥水盾构系统和结构原理泥水盾构系统和结构原理1、盾构的发展2、TBM的发展3、泥水盾构的发展4、泥水盾构系统和结构原理目录一、盾构发展简介一、盾构发展简介盾构的发展简介盾构的发展简介明挖法矿山法掘进机（Tunnel Boring Machine）常用隧道施工方法TBM硬岩掘进机盾构*1818年，英国的布鲁偌尔（法国人）从蛀虫钻孔得得启示，提出了盾构掘进隧道的设想。*1825-1843年，布鲁偌尔在伦敦泰晤士河下用盾构法修建了458米长的矩形隧道（11.4MX6.8M）。布鲁诺尔注册专利的盾构，1818 1832年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水 用压缩空气抵消外部水压 18741874年德

2、国工程师开发了用流体支撑开挖面的盾构年德国工程师开发了用流体支撑开挖面的盾构，18961896年德国第一台泥水式盾构申请了专利。年德国第一台泥水式盾构申请了专利。 19591959年用流体支撑开挖面的盾构成功地建造了一条年用流体支撑开挖面的盾构成功地建造了一条直径为直径为3.353.35米的排污隧洞。米的排污隧洞。 19601960年采用了膨润土悬浮液来支撑开挖面。年采用了膨润土悬浮液来支撑开挖面。 19671967年开发了首台有切削刀盘并以水力出土的泥水年开发了首台有切削刀盘并以水力出土的泥水加压平衡盾构。加压平衡盾构。 19741974年日本开发了首台土压平衡盾构。年日本开发了首台土压平衡

3、盾构。 19941994年日本制造出首台年日本制造出首台3 3圆式泥水盾构。圆式泥水盾构。二、二、TBMTBM发展简介发展简介 先驱者是一个是叫亨利-约瑟. Maus的比利时工程师。他在1845 年得到撒丁国王的许可修建一条连接法国和意大利的铁路。毛瑟的“片山机(mountain-slicer) ” 1846 年在都灵附近的一个军工厂组装成形。他庞大而复杂，体积超过一节火车头。他有一百多个钻头。到了到了18511851年，波士顿南部的理查年，波士顿南部的理查德穆恩公司又建造了一台重德穆恩公司又建造了一台重7575吨的吨的巨大机器，用于马萨诸塞州西北巨大机器，用于马萨诸塞州西北HoosacHoo

4、sac（胡塞克）隧道的开挖。（胡塞克）隧道的开挖。仅仅开挖了仅仅开挖了1010英尺（英尺（3 3米），机器米），机器就不动了，成为一个丑闻。就不动了，成为一个丑闻。18561856年，美国最著名的工程师之年，美国最著名的工程师之一，赫尔曼一，赫尔曼. .豪普特，宣布他将以另豪普特，宣布他将以另一台隧道机拯救胡塞克项目。他对一台隧道机拯救胡塞克项目。他对此充满信心，甚至自掏腰包资助该此充满信心，甚至自掏腰包资助该计划。然而，他的机器开挖了不到计划。然而，他的机器开挖了不到1 1英尺（英尺（0.30.3米）就寿终正寝，豪普特米）就寿终正寝，豪普特在郁闷中破产。在郁闷中破产。18811881年年-

5、-一台压缩空气驱动的一台压缩空气驱动的TBMTBM用于掘进英吉利海峡探测隧道。用于掘进英吉利海峡探测隧道。MoieMoie（鼹鼠），重：（鼹鼠），重：125T125T，直径：，直径：7.97.9米，长：米，长：2727米，日进尺：米，日进尺：48.748.7米米岩石掘进机ROBBINS站在新开挖的掌子面旁TBM发展史1846年：比利时工程师亨利-约瑟. Maus制作了第一台TBM，未成功。1851年：美国在马萨诸塞州西北HOOSAC隧道使用TBM，未成功。1856年：同一个HOOSAC隧道又使用了一台TBM,同样未成功。1881年：一台压缩空气驱动的TBM用于掘进英吉利海峡探测隧道。1953年

6、：一台ROBBINS开发的TBM用于南达科他州皮尔引隧道。1956年：ROBBINS研制了硬岩TBM用于加拿大多伦多。1973年：一台双护盾TBM在意大利诞生。三、泥水平衡盾构的发展三、泥水平衡盾构的发展由于高透水性地层用压缩空气支撑隧洞开挖面非常困难由于高透水性地层用压缩空气支撑隧洞开挖面非常困难 18741874年：年：GreatheadGreathead开发了用流体支撑开挖面的盾构，开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的土料以泥水流的方式排出。开挖出的土料以泥水流的方式排出。 18961896年：年：HaagHaag在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专

7、利，该盾构以液体支撑开挖面，其开挖室是有压和密封的。利，该盾构以液体支撑开挖面，其开挖室是有压和密封的。 19591959年：年：E.C.GardnerE.C.Gardner成功地将以液体支撑开挖面应用成功地将以液体支撑开挖面应用于一台用于建造排污隧洞的直径为于一台用于建造排污隧洞的直径为3.35m3.35m的盾构。的盾构。19601960年年引进了用膨润土悬浮液来支撑开挖面，而引进了用膨润土悬浮液来支撑开挖面，而H.LorenzH.Lorenz的专利的专利提出用加压的膨润土液来稳固开挖面。提出用加压的膨润土液来稳固开挖面。 19671967年：第一台有切削刀盘并以水力出土、直径为年：第一台有

8、切削刀盘并以水力出土、直径为3.1m3.1m的泥水盾构在日本开始使用。在德国，第一台以膨润土悬浮的泥水盾构在日本开始使用。在德国，第一台以膨润土悬浮液支撑开挖面的盾构由液支撑开挖面的盾构由Wayss&FreytagWayss&Freytag开发并投入使用开发并投入使用。 泥水式盾构机的发展有三种历程，即日本历程、英国泥水式盾构机的发展有三种历程，即日本历程、英国历程和德国历程，到目前则只有日本和德国两个主要历程和德国历程，到目前则只有日本和德国两个主要的发展体系。的发展体系。 日本的发展历程导致当今的泥水盾构日本的发展历程导致当今的泥水盾构, ,德国的发展历程德国的发展历程导致

9、水力盾构。以日本的泥水盾构为基础又发展了土导致水力盾构。以日本的泥水盾构为基础又发展了土压平衡盾构。压平衡盾构。 而德国的水力盾构导致很多不同的机型而德国的水力盾构导致很多不同的机型, ,如混合型盾构如混合型盾构, ,悬臂刀头泥水盾构及水力喷射盾构等。悬臂刀头泥水盾构及水力喷射盾构等。 德国和日本体系的主要区别是，德国式的在泥水舱中德国和日本体系的主要区别是，德国式的在泥水舱中设置了气压舱，便于人工正面控制泥水压力，构造简设置了气压舱，便于人工正面控制泥水压力，构造简单；日本式的泥水密封舱中全是泥水，要有一套自动单；日本式的泥水密封舱中全是泥水，要有一套自动控制泥水平衡的装置。控制泥水平衡的装

10、置。 19671967年：三菱公司制造了第一台为泥浆开挖面支年：三菱公司制造了第一台为泥浆开挖面支护的试验盾构，直径为护的试验盾构，直径为3.10m3.10m的样机取得经验后的样机取得经验后。 19701970年：建造了第一台大型泥水盾构年：建造了第一台大型泥水盾构, ,直径为直径为7.20m,7.20m,用于建设海峡下的用于建设海峡下的KeiyoKeiyo铁路线。自此以铁路线。自此以后后, ,日本的很多制造商生产了此型盾构。与欧洲相日本的很多制造商生产了此型盾构。与欧洲相比比, ,泥水盾构在日本使用很多。在欧洲泥水盾构在日本使用很多。在欧洲, ,英国的英国的Markham,Markham,法

11、国的法国的NFMNFM及及FCBFCB公司等采用日本公司等采用日本许可证许可证, ,也制造了泥水盾构。也制造了泥水盾构。 德国的发展历程起始于德国的发展历程起始于19721972年，德国承包商年，德国承包商WayssWayss及及FreytagFreytag公司开发了水力盾构系统。公司开发了水力盾构系统。 19741974年：其样机用于建设年：其样机用于建设HamburgHamburg港口下的总港口下的总管道，盾构外径为管道，盾构外径为4.48m4.48m。当时还没有可靠的盾当时还没有可靠的盾尾密封尾密封。这样一来整条隧道被加压。因为此型盾构。这样一来整条隧道被加压。因为此型盾构是首次使用，很

12、多修改事先未预料到。为了继续隧是首次使用，很多修改事先未预料到。为了继续隧洞修建工程洞修建工程, ,采取了许多补救措施，解决了一些主采取了许多补救措施，解决了一些主要问题。第二次掘进着重解决了可靠的尾封，使得要问题。第二次掘进着重解决了可靠的尾封，使得在最后的在最后的30m30m，采用了新的尾封后才达到隧洞内，采用了新的尾封后才达到隧洞内无压力的目的。当今水力盾构在欧洲市场占有很重无压力的目的。当今水力盾构在欧洲市场占有很重要的位置要的位置。 总结：日本泥水盾构 土压平衡盾构 德国泥水盾构 混合型盾构 日本体系：泥水仓全是泥水，直接控制型泥水盾构，调节控制阀开度来进行泥浆压力控制。德国体系：泥

13、水仓中设置了气压仓，间接控制型泥水盾构，气压复合模式，调节空气压力来进行泥浆压力控制，液位传感器根据液位的高低来调整液位。盾构历史简介盾构历史简介 纵观盾构和纵观盾构和TBMTBM的发展史，总结盾的发展史，总结盾构的应用历程，可以说它是随着构的应用历程，可以说它是随着机械制造、机械制造、液压技术、电气控制、密封技术及测量技液压技术、电气控制、密封技术及测量技术术的进步而发展壮大起来的，并逐步将的进步而发展壮大起来的，并逐步将TBMTBM和盾构的功能和特点合二为一，从和盾构的功能和特点合二为一，从而使其适应于各种环境和不同地质地层的而使其适应于各种环境和不同地质地层的综合型盾构机。使最初只适应于

14、软岩的盾综合型盾构机。使最初只适应于软岩的盾构，现在也能成为掘进硬岩（滚刀刀盘与构，现在也能成为掘进硬岩（滚刀刀盘与盾壳的结合）的盾构机。盾壳的结合）的盾构机。三、泥水加压平衡三、泥水加压平衡 盾构机的工作原理盾构机的工作原理 泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压泥水式盾构机施工时稳定开挖面的机理为：以泥水压力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳力来抵抗开挖面的土压力和水压力以保持开挖面的稳定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形定，同时，控制开挖面变形和地基沉降；在开挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。成弱透水性泥膜，保持泥水压力有效作用于开挖面。 在

15、开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中在开挖面，随着加压后的泥水不断渗入土体，泥水中的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的砂土颗粒填入土体孔隙中，可形成渗透系数非常小的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且的泥膜（膨润土悬浮液支撑时形成一滤饼层）。而且，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压，由于泥膜形成后减小了开挖面的压力损失，泥水压力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形力可有效地作用于开挖面，从而可防止开挖面的变形和崩塌，并确保开挖面的稳定。因此，在泥水式盾构和崩塌，并确保开挖面的稳定。因此，在泥水式盾构机施工中，控制泥水压力和控制泥水质量是两个重要机施

16、工中，控制泥水压力和控制泥水质量是两个重要的课题。的课题。压缩空气泥浆压力土体水压土体对刀具反力进浆管排浆管进气管 1、开挖面稳定机理：刀盘结构、泥膜、泥水压力。 2、泥膜形成机理： 泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的黏性、泥水压力：土压力、水压力、预留压力）尽快形成不透水的泥膜 。 掘进速度与泥膜的关系：高质量泥水成膜时间1-2秒。 3、地质适用范围 1.沙性土层2.砂层3.砾石层4.贝壳层。泥浆比重：常采用泥浆比重计测定。泥浆比重计由由泥浆杯和秤杆等泥浆比重：常采用泥浆比重计测定。泥浆比重计由由泥浆杯和秤杆等组成。测量时将泥浆杯装满泥浆，加盖并擦净从小口溢出的泥浆。然组成。测量

17、时将泥浆杯装满泥浆，加盖并擦净从小口溢出的泥浆。然后置于支架上，移动游码，使杠杆呈水平状态，读出游码左侧所示刻后置于支架上，移动游码，使杠杆呈水平状态，读出游码左侧所示刻度，即为泥浆的比重。该仪器测使用前要用清水对仪器进行校正，如度，即为泥浆的比重。该仪器测使用前要用清水对仪器进行校正，如读数不在读数不在1.01.0处，可通过增减杠杆右端的金属颗粒来调节。处，可通过增减杠杆右端的金属颗粒来调节。 泥浆的粘度：施工现场常采用漏斗粘度计测定，测量时将用手指堵住泥浆的粘度：施工现场常采用漏斗粘度计测定，测量时将用手指堵住漏斗下面的出口，从量杯分别将漏斗下面的出口，从量杯分别将500ml+200ml5

18、00ml+200ml泥浆倒入漏斗，然后泥浆倒入漏斗，然后打开出口，让泥浆从内径打开出口，让泥浆从内径5mm5mm，长度，长度100mm100mm的管子中流出，用秒表的管子中流出，用秒表测定流出测定流出500ml500ml所需时间（所需时间（s s），即为泥浆粘度。该粘度计测得的是），即为泥浆粘度。该粘度计测得的是泥浆对水的相对粘度。因此，在使用前应用水进行校正。其方法是先泥浆对水的相对粘度。因此，在使用前应用水进行校正。其方法是先往漏斗中注入往漏斗中注入700ml700ml清水，而流出清水，而流出500ml500ml的标准时间应为的标准时间应为15s15s，如有，如有误差则通过下式进行修正：泥

19、浆粘度误差则通过下式进行修正：泥浆粘度= =测得的泥浆粘度（测得的泥浆粘度（s s）15s/15s/测测得的清水粘度数（得的清水粘度数（s s） 含砂量：通常采用含砂量仪来测定。测定时将含砂量：通常采用含砂量仪来测定。测定时将100ml100ml泥浆装入量杯中泥浆装入量杯中，用清水将泥浆稀释，将其倒入过滤筒筛网上过滤，并用水冲洗，最，用清水将泥浆稀释，将其倒入过滤筒筛网上过滤，并用水冲洗，最后将筛余的砂粒倒入干净的含砂量杯中，垂直静置一分钟，记录沉淀后将筛余的砂粒倒入干净的含砂量杯中，垂直静置一分钟，记录沉淀物体积的毫升数，即为泥浆的含砂率物体积的毫升数，即为泥浆的含砂率 H最大推力最大推力推

20、进速度推进速度最大扭矩最大扭矩切口压力切口压力进浆比重进浆比重排浆比重排浆比重理论123850KN40mm/min13650KN.m实际40000-90000KN20-40mm/min3000-7000KN.m2.8-4.8bar1.05-1.251.15-1.35进浆管参数参数推力推力速度速度扭矩扭矩转速转速切口水压切口水压进浆比重进浆比重排浆比重排浆比重理论278400KN50mm/min36585KN.m0.1-1.84rpm排浆管刀盘气垫仓主轴承推进缸盾尾刷拼装机刀盘刀具配置图NO.1(114t)No.4(112t)No.2(112t)No.3(110t)刀盘分割图一刀盘分割图二刀盘中

21、心块1 1、刀具的种类及配刀、刀具的种类及配刀双刃滚刀双刃滚刀单刃滚刀单刃滚刀切刀切刀周边刮刀周边刮刀超挖刀超挖刀柱型超挖刀柱型超挖刀刮刀刮刀滚刀破岩机理滚刀破岩机理 滚刀在岩石面上连续做同心圆运动，轴压力（推力）使滚刀在岩石面上连续做同心圆运动，轴压力（推力）使刀刃压入岩石，产生类似于静压破岩；滚动力（扭矩）使刀刃压入岩石，产生类似于静压破岩；滚动力（扭矩）使盘刀刀刃沿轨迹线连续滚压岩石，并在滚刀通过处对岩体盘刀刀刃沿轨迹线连续滚压岩石，并在滚刀通过处对岩体产生侧向压力，使盘刀运动轨迹线周边的岩石不断产生崩产生侧向压力，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。裂，从而达到连

22、续破岩。滚刀破岩原理示意图滚刀破岩原理示意图 静压破岩状况静压破岩状况切刀破岩机理切刀破岩机理 切刀（或刮刀）施力于岩土层上，靠刀具的刀刃从岩土切刀（或刮刀）施力于岩土层上，靠刀具的刀刃从岩土体的外层分离岩土，并使之脱离母体达到破岩的一种机械体的外层分离岩土，并使之脱离母体达到破岩的一种机械破岩方式破岩方式 切切刀刀破岩机理示意图破岩机理示意图3 3、刀具的失效形式、刀具的失效形式滚刀的失效形式滚刀的失效形式 正常磨损正常磨损 刀圈断裂刀圈断裂 刀圈剥落刀圈剥落 刀圈卷刃刀圈卷刃 刀圈移位刀圈移位 漏油漏油 挡圈脱落挡圈脱落 偏磨（弦磨）偏磨（弦磨） 多边弦磨多边弦磨 刀体磨损刀体磨损 端盖磨

23、损端盖磨损 完全损坏完全损坏切刀的失效形式切刀的失效形式 正常磨损正常磨损 断齿断齿 掉齿掉齿 刀体折断刀体折断刀具失效图例刀具失效图例 偏磨（弦磨）偏磨（弦磨）偏磨与断裂偏磨与断裂滚刀被碴土粘住滚刀被碴土粘住刀圈断裂刀圈断裂刀圈断裂碎片刀圈断裂碎片正常磨损正常磨损4 4、掘进参数及地质对刀具的影响、掘进参数及地质对刀具的影响 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推力及速度过大会造成刀具崩刃断裂 粘土层掘进时泡沫、水等添加不合适即碴土改良效果不好粘土层掘进时泡沫、水等添加不合适即碴土改良效果不好会产生泥饼或刀具被碴土裹住无法转动会产生泥饼或刀具被碴土裹住无法转动 软弱围岩掘进时，推力过