盾构机在中国的发展

1、盾构机在中国(zhn u)的发展共五十五页共五十五页盾构机定义及组成盾构机工作原理盾构机的刀具及开挖面分析盾构机在中国(zhn u)的发展内容(nirng)概述共五十五页盾构机定义(dngy)盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、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，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门(du mn)学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。共五十五页盾构机主要(zh

2、yo)由8大组成盾体刀盘驱动双室气闸管片拼装机排土机构后配套装置(zhungzh)电气系统辅助设备共五十五页盾构机工作(gngzu)原理 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时(ln sh)支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。共五十五页盾构机具体(jt)工作原理盾构机的掘进掘进中控制排土量与排土速度管片(un pin)拼装共五十五页盾构机的掘进(jujn) 液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前

3、推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过(tnggu)竖井运至地面。共五十五页掘进中控制(kngzh)排土量与排土速度当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定(ydng)数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。共五十五页拼装(pn

4、zhun)管片盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片(un pin)，使隧道一次成型。共五十五页盾构刀具(doj)对于盾构机来说,掘削系统即是掘削刀盘及其驱动系统。掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响,而且选择的差异对盾构机造价也有着很大的影响,刀盘选型可以影响到总造价的48,尤其掘削设备的装备扭矩是盾构机最基本的参数之一。盾构机掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具(doj)，稳定掘削面的面板，出土槽口，转动或摇动的驱动机构，轴承机构等构成。 综述某刀盘实物照片 共五十五页搅拌棒某刀盘主驱动主轴承刀盘驱动系统示意图 刀盘搅拌结构共五十五页盾构机刀

5、具(doj)可根据运动方式、布置位置和方式及形状等进行分类。按切削原理划分，盾构机的刀具(doj)一般分为切削刀和滚刀两种，其余形式的刀具(doj)为辅助刀具(doj)。切削刀又分为齿刀、刮刀和先行刀等。 盾构刀具(doj)的分类按运动方式分类按安装方式分类共五十五页滚刀(n do)的示意图和实物照片b) 盘形滚刀(n do)圈 c) 盘形滚刀(n do)a) 盘形滚刀示意图14共五十五页Shijiazhuang railway institute 硬岩滚刀破岩几个(j )主要阶段： 1) 挤压阶段：滚刀在高推力作用下，切入岩石表面(切入深度110/15mm，取决于岩体强度)，同时岩面产生局部

6、变形及很高的接触应力。并在此应力作用下，刀刃(dorn)与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。共五十五页2) 起裂阶段：沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先诀条件。在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率(xio l)，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。共五十五页3)破碎阶段：当相邻滚刀的间距(jin j)使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成

7、碎片并脱离开挖面。共五十五页切削刀的实物(shw)照片h) 先行(xinxng)刀 i) 先行(xinxng)刀 j) 先行(xinxng)刀k) 牛角刀 l) 羊角刀 m）三棱刮刀 共五十五页盾构开挖(ki w)面分析a. 先期沉降，盾构尚未到达该点时的变位，表现为地表下沉。对于砂质土，其可能是由于地下水下降引起，对于极软粘性土，则沉降可能是由于开挖(ki w)面过量取土引起的；盾构通过时地基变形的分类 共五十五页b. 开挖面前方地基变位，盾构机前方(qinfng)刀盘即将到达之前发生的变位，表现为地表隆起或下沉。其主要是由于盾构机对开挖面土层施加的支护压力过大或过小，致使开挖面失去平衡状态

8、，从而发生地基变位；盾构通过(tnggu)时地基变形的分类 共五十五页c. 盾构机通过时地基变位，指从盾构开挖面到达该地表点的正下方开始，直至盾尾即将脱离该点为止(wizh)的发生的地基变位，表现为地表隆起或下沉。产生这部分地基变位的原因，主要是盾壳对土体的摩擦力，破坏了土体的结构强度，另外超挖及盾构机姿态的非水平也加剧了地基变位；盾构通过(tnggu)时地基变形的分类 共五十五页d. 盾构机尾部脱离时变位，指盾尾空隙形成至注浆结束为止的那段时间内的下沉或隆起(ln q)。管片从盾尾脱离之前，盾壳对土体有一约束力，方向指向土体，一旦盾尾脱离，盾构机壳土体之间产生空隙，如果在盾尾脱离后未能及时注

9、浆或填充率不足，则空洞断面就会向内缩小，引起应力释放力，产生地表沉降，相反，如果注浆压力过大，则会导致地表隆起(ln q)；盾构通过(tnggu)时地基变形的分类 共五十五页e. 后期沉降，指从注浆结束开始，直到(zhdo)下沉停止的那部分下沉，引起这部分沉降的原因，主要是蠕变变形与固结变形，在软粘土地基表现尤为明显。盾构通过(tnggu)时地基变形的分类 共五十五页 3.盾构技术发展阶段盾构作为一种安全、快速的隧道掘进技术，归纳起来可以说经历了四个发展阶段：（1）以Brunel盾构为代表的初期盾构；（2）以机械式、气压(qy)式、TBM为代表的第二代盾构；（3）以闭胸式盾构为代表（泥水式、土

10、压式）的第三代盾构；（4）以安全、高速、大深度、多样化为特色的第四代盾构。共五十五页Brunel盾构易北河盾构 共五十五页辐条(ftio)式盾构面板(min bn)式盾构共五十五页荷兰(h ln)14.87泥水盾构复合式盾构共五十五页中国(zhn u)盾构技术的发展与应用1.1950年初(ninch)，在辽宁阜新煤矿使用手掘式盾构修建疏水巷道工程2.1957年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构工法的尝试。3.60年代，为了修建北京地铁，也有过研究盾构施工技术，并成功地进行了试验 .60年代北京地铁用盾构试验共五十五页4.60年代在北京进行了1:500的盾构挤压混凝土衬砌的模拟(mn)试验 盾

11、构压缩(y su)混凝土衬砌模拟试验60年压缩环与钢模板共五十五页6.1966年采用10.22m网格挤压(j y)式盾构修建打浦路过江隧道工程 打浦路直径10.2m网格(wn )挤压型盾构掘进机共五十五页7.1988年建成的11.3m的延安东路过江隧道(sudo)等都是应用盾构技术在软土地层施工成功 延安东路直径11.3m网格(wn )型水力出土盾构掘进机共五十五页8.2003年6月，当时中国最大的盾构法隧道翔殷路开工(ki gng)，采用直径为11.58m的超大型泥水平衡盾构掘进 翔殷路盾构9.上海上中路隧道(sudo)工程盾构直径达14.87m 共五十五页10.中国(zhn u)国家863

12、计划支持，上海研制出了有自主知识产权的”先行号”盾构共五十五页2004年9月，我国第一台具有多项专利权的地铁盾构掘进机“先行号”在上海隧道工程股份有限公司问世。，并于2006年批量推向市场并得到成功(chnggng)应用。目前，国产土压平衡盾构已累计销售47台，先后应用于上海、南京、杭州、武汉、郑州、广州等地的轨道交通工程，受到了业主、承包商和设备租赁商的好评。共五十五页2005年6月，“先行号”样机在上海轨道交通二号线延伸段投入使用，创造了日推进38.4米和月推进566.4米的国内盾构施工最快纪录，其主要综合指标达到国际先进(xinjn)水平。至今“先行号”盾构机已经投入市场41台，不仅有效

13、降低了国家基础建设的投入，而且拉动了国产盾构机产业链下游企业的经济发展。共五十五页2007年，隧道股份又研制了首台具有完全自主知识产权的直径11.22米大型泥水平衡盾构，成功运用于世博配套工程打浦路复线隧道的施工，2008年4月，中铁隧道设备制造有限公司成功制造出拥有自主知识产权的国内首台复合式土压平衡盾构，应用于天津地铁施工并于2009年6月份顺利完成工业性试验，当年7月份通过“863”计划科技成果专家组鉴定，整机性能达到国际(guj)先进水平，多项关键技术达到国际(guj)领先水平。共五十五页2008年12月底，上海隧道股份研制的直径11.22米国产大型泥水平衡盾构机，在我国第一条大型公路

14、隧道打浦路复线工程向世博园区掘进，并将穿越黄浦江，国产盾构机产业化步伐又成功地迈出一步。 2008年中铁隧道集团自主制造了8台地铁盾构机，并取得了良好的施工效果。2010年5月，隧道股份设计制造的拥有自主知识产权的直径6.64米复合型铰接式土压平衡盾构成功销往新加坡，国产盾构首次正式进入海外(hiwi)市场。共五十五页2010年11月16日，隧道股份国家863计划先进制造技术领域重点项目泥水平衡盾构关键技术与样机研制课题顺利通过国家科技部验收，中国大直径盾构国产化率首次达到68.33%，制备成本(chngbn)较进口盾构降低25%，中国国有地下装备研发制造企业在大直径盾构领域再次突破进口盾构垄

15、断局面。共五十五页 初步预测2005-2010年间至少要建设500-600公里，需要投资3000多亿元。目前(mqin)，已有30多个城市开展了城市轨道交通的前期工作。 初步估算：中国城市轨道交通土建工程总投资约为1000亿元。据不完全统计，我国地铁建设中，共有(n yu)约60台盾构在使用中。共五十五页上海地铁(dti)建设用盾构 在上个世纪90年代，修建上海地铁一号线的时候，区间隧道都采用盾构施工，共使用了7台盾构机，推进长度约为18.6km。 以后在地铁二号线、明珠线和M8线的施工中，所有区间隧道都采用了盾构法施工，现在(xinzi)共有20余台盾构机在作业。 共五十五页 广州修建(xi

16、jin)地铁一号线由日本青木公司采用了3台盾构机施工，造价昂贵，每延米约1万美元。 目前施工的三号(sn ho)线，共有15台盾构机在作业，即将开工的地铁四号线计划新购8台盾构机。共五十五页 北京修建地铁五号线也采用了盾构法施工，进行(jnxng)了试验段的施工，并顺利完成。 现在后期3台盾构机已到场组装。 北京地铁4号线、10号线盾构施工招标已结束(jish)，计划采用13台盾构机，大部分为新购。 共五十五页12.中国用掘进机修建(xijin)铁路隧道TB880E修建的秦岭18.4km铁路(til)隧道TB880E掘进机共五十五页安康至南京磨沟岭铁路(til)隧道(掘进机)共五十五页13.中

17、国(zhn u)的江（海）底隧道南水北调工程中线建造了穿越(chun yu)黄河河底的引水隧道(8.8m) 重庆主城越江排水隧道(6.7m泥水式盾构) 城陵矶西气东输越江隧道(3.185m泥水盾构) 三江口西气东输越江隧道(4.3m泥水盾构) 武汉长江公路隧道（长江第一隧道） (11.2m泥水盾构) 上海崇明越江隧道(15.1m泥水盾构) 南京长江越江隧道(15.1m泥水盾构) 上海上中路越江隧道(14.87m泥水盾构) 共五十五页武汉长江(chn jin)公路隧道（长江第一隧道）共五十五页北京市政隧道(sudo)建设共五十五页（四）盾构工程市场列强分析 目前已经(y jing)进入地铁盾构施

18、工市场的单位近20家，其中上海4家、广州3家、北京3家、天津1家、铁道部7家。其中实力比较强的单位有：隧道局、上海隧道股份、上海机施、上海基础、广州盾建、北京市政、北京城建等单位。（三）市场预测 据专家预测，仅2010年前的10年间就需购置39m岩石和盾构掘进机190余台，若包括微型掘进机在内，将超过200台。远期估计(gj)，随着城市立体化、管线入地化趋势的到来，盾构和掘进机将超过千台。 共五十五页（五）盾构工程市场的几个特点（1）随着工程总承包的推广，盾构施工手段是以后承揽地铁工程的必要条件之一。（2）掌握盾构施工技术的单位数量较多，市场准入标准提高。（3）地下施工实力将取决于拥有盾构机和

19、专业技术人员的数量和质量。（4）工程造价日趋降低，且各地水平高低不一。（5）除地铁外，市政、水利等亦采用盾构施工，使用范围扩大。（6）市场前景看好(kn ho)，竞争更加激烈，正确对待购置风险。共五十五页1.中国地域广大、地层条件复杂根据地质条件特点，可以粗略将盾构技术可以分为三大地区：（1）以上海地区为代表的软弱土地区（2）以广州地区为主的风化岩及软硬不均(b jn)地层（3）以北京为代表的砂层、砂卵石地层四、中国应用(yngyng)盾构技术的几个特点2.所需盾构种类多土压平衡盾构、泥水盾构软土盾构、复合盾构、岩石盾构闭胸式盾构、开敞式盾构共五十五页4.盾构机的来源 国外购置：日本、德国、法

20、国等 引进配件组装：上海、新乡、大连等 国产化发展5.盾构施工(sh gng)配套设置6.技术人员的培训3.盾构机选型 应根据各地水文、地质条件(tiojin)选用合适的盾构共五十五页 （1）世界盾构技术正朝着大断面化、工程的大深度化、长距离化、高速化发展，施工技术也越来越成熟，越来越多样化。 （2）在中国大量的城市隧道工程在大量工程实践中积累了丰富的经验。在21世纪盾构工法将会更加多种多样，我们应当完善当前已问世的新工法、新工艺的技术细节，使之提高成熟；加速盾构工法的自动化进程；推出崭新概念的工法、工艺、材料。 （3）我们应当看到我国的盾构技术还存在着许多不足之处(b z zh ch)，应当多注重原有技术