盾构机的发展及应用（PPT版60页）

1、*第一讲大型施工机械盾构机部分 盾构机的发展及应用主讲：郭京波 教授*目 录一、全断面隧道掘进机二、盾构机的发展三、泥水加压平衡盾构及应用四、土压平衡盾构及应用*一、全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、电、液、光、气、水、信息于一体的隧道施工成套专用设备。具有自动化程度高、对交通和周围地层影响小、有利于环境保护的优点。隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。1 掘进机分类*TBM硬岩掘进机：双护盾*2 盾构与TBM的区别TBM是“Tunnel Boring Machine”的英文缩写，一般指全断面

2、硬岩隧道掘进机，通常定义中的TBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM及比TBM复杂的主要方面。*盾构，用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。*1 世界盾构机的发展1818 年Marc Isambard Brunel 获得隧道盾构法施工的专利，在 1825 年到 1843 年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初

3、步证明盾构法隧道施工的价值。1830年由劳德考克让施（Lord Cochrance）发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。1874 年格雷蒙特（James Henry Greathead）在伦敦地铁南线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出。1896 年 Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。二、 盾构机发展*20 世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国推广。1917 年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工

4、中引进盾构法。1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构（直径为3.1m）。1974 年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国 Wayss & Freytag 也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。二、 盾构机发展*2我国盾构机的发展1953 年东北阜新煤矿用手掘式盾构修建直径为 2.6m的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制

5、，盾构技术一直没有受到足够的重视，盾构技术的发展非常缓慢，应用也相当有限。直到 1985 年以后，随着经济技术的突飞猛进，各种地下工程的需求与日俱增，我国开始引进和研制全断面闭胸式盾构，我国开始现代盾构技术开发和应用。进入 20 世纪 90 年代后，随着城市化进程的加快，城市地下空间的进一步利用，对环境保护和施工质量要求相对较高的城市地铁隧道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备。 二、 盾构机发展*小 结盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的

6、第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。二、 盾构机发展*目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。手掘式盾构 半机械式盾构 网格式盾构 *三、泥水平衡盾构泥水加压平衡盾构（slurry pressure balance shield），简称SPB盾构。是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水

7、进行质量调整，再输送到开挖面。*1 结构原理泥水盾构有两种体系。 泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为:直接控制型间接控制型*直接控制型泥水盾构日本一般采用直接控制型泥水盾构直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水仓中的泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应，不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行

8、泥浆压力调节。*间接控制型泥水盾构德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。地 层刀盘进泥管排泥管泥浆压缩空气连通管压缩空气泥模形成区*2 泥水盾构的工程应用东京湾海底公路隧道 日本于1998年建成通车的东京湾公路工程，全长15.1km，其中海底隧道长9.12km，由两条外径13.9m的单向公路隧道组成，采用了8台直径14

9、.14m的泥水盾构施工.在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛，从人工岛的竖井向东西两个方向推出4台盾构，在隧道的东端，也筑造了木更津人工岛，从此岛的竖井中向西推出2台盾构，这2台盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的2台盾构在东侧海底地层中对接，川崎岛竖井向西推出的2台盾构与浮岛竖井中向东推出的2台盾构在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形，中央最大海水深约28m。隧道段的土质，川崎侧以冲积粘性土、洪积粘性土为主体，木更津侧在冲积粘性土和洪积粘性土层中夹有洪积砂质土层；浮岛、木更津倾斜段为人造地基。 *德国汉堡易北河第四隧道易北河第四条隧道距原有隧道约3570m，全长3100.75m，其中2

10、561m采用14.2m泥水盾构施工。易北河第四条隧道1995年开工，1997年11月27日开始使用盾构，2003年完工。隧道掘进从南岸始发井开始，开始的500m段为填筑土（由砂、砾石和无级配回填物质结合各种垃圾组成）。中间的1000m为河下冰川物质层，由非常硬的粘土和砾石或砾岩混合而成。最后的1000m为易北河北部填筑层，土的状况与河中段相类似。14.2m泥水盾构易北河第四隧道纵剖面示意图北*荷兰绿心隧道 长 7,176m的荷兰“绿心隧道”采用NFM公司制造的14.87m泥水盾构施工。穿越的地层为泥炭土、粘土和饱和砂层土 。“ 绿心隧道 ”于 2001年11月2日始发推进 ，于2004年1月7

11、日贯通。最高月进尺为616m。*四、土压平衡盾构土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。推进管片拼装*1 结构原理土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。*刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。*整体结构盾体*刀盘介绍*刀盘及驱动系统*驱 动 系 统液压站主驱动