市政轨道交通盾构施工技术培训

盾构施工技术

SHIELDCONSTRUCTIONTECHNIQUE盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

1盾构概论2典型盾构介绍3盾构在我国的发展与应用4盾构的市场前景盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1盾构概论隧道及地下空间的大发展，促进了盾构法施工技术的进步。盾构施工的历史，始于英国，发展于日本德国。自从1825年布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下使用矩形盾构开始修建第一条盾构法隧道以来，盾构法施工已有180多年的历史。我国自20世纪50年代开始涉足盾构法修建隧道和管道工程，最近十年开始大规模应用。虽然起步较晚，但由于主意吸收和采用先进技术和工艺、参考和借鉴国外成功的经验和失败的教训，所以发展较快，但与国外先进国家仍存在较大差距。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1.1盾构及其工作原理概念：是一种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、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成型的工作机械。盾构是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、量测导向纠偏等功能。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

盾构的三大要素：1、开挖面稳定2、掘进及排土3、管片衬砌及壁后注浆。

盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构动画盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构与硬岩掘进机（TBM）的区别：TBM不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。2.盾构通过盾尾千斤顶支顶已安装好的管片来获得反力；TBM通过支在岩壁上的支撑靴的弯矩和扭力获得反力。盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1.2盾构分类按断面形状分类按支护地层的形式分类按开挖面与作业室之间隔板的构造分类盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE

1.2.1按断面形状分类

单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。异形盾构包括复圆盾构（双圆和三圆）和非圆盾构（椭圆形盾构、矩形、马蹄形、半圆形）盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE双圆和多圆盾构盾构施工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE自然然支支护护式式机械械支支护护式式压缩缩空空气气支支护护式式泥浆浆支支护护式式土压压平平衡衡式式1.2.2按支支护护地地层层的的形式式分分类类盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE手掘掘式式盾盾构构全敞敞开开式式半半机机械械式式盾盾构构机械械式式盾盾构构敞开开式式部部分分敞敞开开式式挤挤压压式式盾盾构构盾构构压压气气式式压压缩缩空空气气盾盾构构闭胸胸式式泥水水式式土土压压平平衡衡盾盾构构土压压平平衡衡盾盾构构土压压式式加泥泥式式土土压压平平衡衡盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3典型型盾盾构构介介绍绍敞开开式式盾盾构构压缩缩空空气气盾盾构构泥水水盾盾构构土压压平平衡衡盾盾构构复合合盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.1敞开开式式盾盾构构（OpenfaceshieldOF盾构构））1全敞敞开开式式：：手手掘掘式式（（砂砂性性土土和和黏黏性性土土地地层层均均能能适适用用，，便便于于观观察察地地层层，，清清除除障障碍碍，，易易于于纠纠偏偏））2半地地机机械械（（部部分分断断面面开开挖挖盾盾构构—适用用于于良良好好层层：反反铲铲式式和和铣铣削削头头式式））3机械械式式（（全全断断面面开开挖挖））OF盾构构———自稳稳性性强强的的围围岩岩，，各各种种非非黏黏性性和和黏黏性性地地层层在在地地下下水水位位以以下下地地层层或或渗渗漏漏地地层层掘掘进进时时，，必必须须用用井井点点降降水水降降低低地地下下水水位位。。盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE敞开开式式盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE半机机械械式式盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE反铲铲式式盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE机械械式式盾盾构构盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4挤压压式式盾盾构构(Blindtypeshield盲式式盾盾构构)对底底层层的的扰扰动动较较大大，，地地面面易易产产生生较较大大的的隆隆陷陷变变化化，，在在地地面面有有建建筑筑物物地地区区不不宜宜使使用用。。仅适适用用于于自自稳稳性性很很差差，，流流动动很很大大的的软软黏黏土土和和粉粉砂砂质质围围岩岩，，不不适适用用于于含含砂砂率率高高的的围围岩岩和和硬硬质质围围岩岩。。Ⅰ盖板板式式挤挤压压盾盾构构利用用隔隔板板将将开开挖挖面面全全部部封封闭闭，，只只在在一一部部分分上上设设面面积积可可调调的的排排土土盖盖板板，，盾盾构构正正面面向向前前推推进进，，使使贯贯入入部部位位土土砂砂呈呈塑塑性性化化流流动动，，由由盖盖板板部部位位出出土土。。通通过过调调节节盖盖板板开开口口的的大大小小和和排排土土阻阻力力使使千千斤斤顶顶推推力力和和开开挖挖面面土土压压力力达达到到平平衡衡。。盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUEⅡ螺旋旋出出土土式式挤挤压压盾盾构构利用用封封板板将将开开挖挖面面封封闭闭，，盾盾构构正正面面贯贯入入围围岩岩向向前前推推进进，，使使贯贯入入部部位位土土砂砂呈呈塑塑性性化化流流动动，，由由螺螺旋旋输输送送机机进进行行排排土土。。通通过过调调节节螺旋旋输输送送机机的的速速度度和和土土闸闸门门打打开开度度，，来来实实现现千千斤斤顶顶推推力力和和开开挖挖面面土土压压力力的的平平衡衡，，以以稳稳定定掌掌子子面面。。Ⅲ网格格挤挤压压盾盾构构在上上海海软软土土地地层层中中常常常常被被采采用用，，进进土土量量接接近近或或等等于于全全部部隧隧道道其其出出土土量量，，且且往往往往带带有有局局部部挤挤压压性性质质，，盾盾构构正正面面装装钢钢板板网网格格，，在在推推进进中中可可以以且且学学土土体体，，而而在在停停止止推推进进时时可可以以起起到到稳稳定定开开挖挖面面的的作作用用。。可可有有效效控控制制地地表表变变形形。。盾构构施施工工技技术术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE网格挤压压式盾构构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.2压缩空气气盾构（airpressurebalanceAPB盾构）适用于黏黏土，黏黏砂土，，多水松松软地层层原理：空空气压力力与地下下水的静静压力保保持平衡衡，土压压由自然然或机械械的支撑撑承受。。要保证压压力平衡衡，否则顶顶部过剩剩的压力力“喷发发”的危危险已被泥水水盾构取取代盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.3泥水盾构构（slurrypressurebalanceshieldSPB盾构）泥水盾构构的构成成：一边利用用刀盘挖挖掘整个个开挖面面、一边边推进盾盾构掘进进系统可调整泥泥浆物性性，并将将其送到到开挖面面，保持持开挖面面稳定的的泥水循循环系统统综合管理理送排泥泥状态、、泥水压压力及泥泥水处理理设备运运转状况况的综合合管理系系统泥水分离离处理系系统壁后同步步注浆系系统盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE目前最大大的泥水水盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE目前最大大的泥水水盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE日本泥水水盾构土土压平平衡盾构构德国泥水水盾构混混合合型盾构构日本体系系：泥水水仓全是是泥水，，直接控控制型泥泥水盾构构，调节节控制阀阀来开度度，来进进行泥浆浆压力控控制。德国体系系：泥水水仓中设设置了气气压仓，，间接控控制型泥泥水盾构构，气压压复合模模式，调调节空气气压力来来进行泥泥浆压力力控制，，液位传传感器根根据液位位的高低低来调整整液位。。盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE泥水盾构构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1开挖面稳稳定机理理2泥膜形成成机理泥膜形成成的基本本要素（（泥水的的密度、、含砂率率、泥水水的黏性性、泥水水压力：：土压力力、水压压力、预预留压力力）——尽快形成成不透水水的泥膜膜。掘掘进速度度与泥膜膜的关系系：高质质量泥水水成膜时时间1-2秒3地质适用用范围1.黏性土层层2.砂层3.砾石层4.贝壳层盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.4土压平衡衡盾构(earthpressurebalanceEPB盾构)一.基本配置置1.刀盘刀具的三三大功能能：开挖挖功能、、稳定功功能、搅搅拌功能能土压平衡衡式盾构构的刀盘盘有两种种形式：：面板式式和辐条条式，其其中面板板式安全全性高，，但易堵堵塞;辐条式开开口率大大，不易易堵塞，，但不能能安装滚滚刀，安安全性差差，费用用高，需需加固土土体。2.刀盘的驱驱动方式式：变频频电机驱驱动、液液压驱动动、定速速电机驱驱动3.刀盘支承承：中心心支承方方式（中中小型盾盾构）、、中间支支承方式式（中大大型）、、周边支支承方式式（小型型盾构））盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE土压平衡衡盾构（（面板式式和辐条条式）盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4.膨胀土添添加系统统和泡沫沫系统5.螺旋输送送机6.皮带输送送机7.同步注浆浆系统（（作用：：防地表表沉降、、防水、、与围岩岩一体））8.盾尾密封封系统铰接式盾盾构：铰铰接密封封、盾尾尾密封9.管片安装装机：机机械抓取取式、真真空吸盘盘式10.数据采集集系统11.导向系统统（VUT导向系统统和PPS导向系统统）盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE目前最大大的土压压平衡盾盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE二.开挖面稳稳定机理理刀盘切削削下来的的土渣与与螺旋输输送机向向外输送送量相平平衡；土压传感感器：控控制推进进力、推推进速度度、螺旋旋输送机机转速。。排土量：：由螺旋旋输送机机的转速速和出土土闸门的的开度来来调节适用于黏黏性土和和砂性土土土压平平衡盾盾构开开挖面面的稳稳定由由下列列各因因素综综合作作用而而维持持：①土仓仓内的的土压压力平平衡地地层压压力和和水压压力。。②螺旋旋输送送机调调节排排土量量③适当当保持持泥土土的流流动性性，根根据需需要调调节添添加剂剂的注注入量量土仓内内的泥泥土压压力与与地层层压力力与水水压力力盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE土压平平衡盾盾构盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE三.地质适适应范范围黏稠土土壤中中（黏黏土、、亚黏黏土、、淤土土、低低渗透透性图图），，作为为支撑撑介质质土料料要具具有良良好的的塑性性变形形、软软稠度度、内内摩擦擦角小小及渗渗透率率小A型：特特殊发发泡剂剂B型：泡泡沫添添加剂剂盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE3.5复合盾盾构一台盾盾构在在不同同地层层经转转换可可以以以不同同的原原理和和方式式运行行，这这类盾盾构称称为复复合盾盾构，，也称称混合合盾构构，polyshield或Mixshield也有称称其为为combinedshield。组合模模式：：压缩缩空气气/敞开式式盾构构，泥泥水式式/敞开式式，土土压平平衡/敞开式式，泥泥水式式/土压平平衡，，敞开开式/泥水式式/压平衡衡，敞敞开式式/压缩空空气/土压平平衡。。适用于于软土土和硬硬岩的的复杂杂地层层施工工特点：：1.既有切切刀和和刮刀刀等软软刀工工具，，又安安装有有滚刀刀等硬硬刀具具。具有两两套出出渣系系统盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构刀刀具盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE滚刀和和刮刀刀盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE中铁隧隧道集集团研研制的的复合合盾构构盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE复合式式土压压平衡衡盾构构只有一一套出出渣系系统：：螺旋旋输送送机三种掘掘进模模式：：土压压平衡衡模式式、敞敞开模模式、、半敞敞开模模式（（压缩缩空气气加压压模式式）盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE敞开模模式：：掌子子面足足够稳稳定并并且涌涌水能能够控控制时时半敞开开模式式（加加气模模式））：掌子面面具有有足够够的自自稳能能力，，且水水压小小于1.5×105Pa，下部部为刀刀盘切切削下下来的的渣土土，上上部为为压缩缩空气气，当当土仓仓内压压不大大于1×105Pa时不会会发生生螺旋旋输送送机出出渣喷喷涌现现象;当土仓仓内气气压不不小于于1×105Pa且不大大于1.5×105Pa时，可可能会会发生生出渣渣喷涌涌现象象，但但可以以控制制。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构安安装盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构施施工盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE土压平平衡掘掘进模模式主要用用于开开挖面面不能能自稳稳或地地下水水较多多以及及流塑塑性的的软粘粘土地地层或或砂土土地层层。土土压平平衡掘掘进可可以有有效地地防止止过大大的地地面沉沉降。。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE复合式式土层层平衡衡盾构构在土土压平平衡模模式下下工作作时，，必须须具备备以下下功能能特点点：1土压监监测功功能；；2必须具具有泡泡沫、、膨润润土和和压缩缩空气气注入入系统统；3密封防防水性性能：：主轴轴承、、铰接接密封封和盾盾尾密密封必必须具具有一一定的的防水水性能能；4刀盘的的主轴轴承密密封必必须能能承受受一定定的压压力；；5螺旋输输送机机的出出渣量量、出出渣速速度可可控，，随时时间可可关闭闭，具具有防防喷涌涌的功功能，，建立立土塞塞效应应。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1.3盾构在在我国国的发发展与与应用用我国盾盾构的的开发发与应应用始始于1953年，东东北阜阜新煤煤矿用用手掘掘式盾盾构修修建了了直径径2.6m的疏水水巷道道。1962年2月，上上海城城建局局隧道道工程程公司司结合合上海海软土土地层层，研研制了了1台4.16m的手掘掘式普普通敞敞胸盾盾构。。1965年月由由上海海工程程设计计院设设计、、江南南造船船厂制制造的的2台盾构构直径径5.8米的网网格挤挤压盾盾构，，于1966年完成成了2条平行行的隧隧道，，隧道道长660m，地面面最大大沉降降10cm。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE武汉地地铁盾盾构盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1966年5月，中中国第第一条条水底底公路路隧道道——上海打打浦路路越江江隧道道工程程主隧隧道采采用由由上海海隧道道工程程设计计院设设计、、江南南造船船厂制制造厂厂制造造的的的直径径10.02m网格挤挤压盾盾构施施工，，掘进进总长长1322m，于1970年底建建成通通车。。1973年采用用1台直径径3.6m的水利利机械械化出出土网网格盾盾构和和2台直径径4.3m的网格格挤压压盾构构，在在上海海金山山石化化总厂厂修建建了1条污水水排放放隧道道和3条引水水隧道道。1980年上海海地铁铁1号线试试验段段施工工，研研制了了一台台直径径6.412m网格挤挤压盾盾构，，在淤淤泥质质粘土土地层层中掘掘进1130m。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE盾构吊装盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE1982年，上上海外外滩的的延安安东路路北线线越江江隧道道工程程1476m圆形主主隧道道采用用上海海隧道道股份份设计计、江江南造造船厂厂制造造的直直径11.3m网格挤挤压水水力出出土盾盾构。。1986年，中中铁隧隧道集集团研研制出出半断断面插插刀盾盾构，，并成成功用用于修修建北北京地地铁复复兴门门折返返线。。1990上海地地铁一一号线线全线线开工工，18km区间隧隧道引引进了了7台由法法国FCB公司制制造的的φ6.34m土压平平衡式式盾构构。1996年，上上海延延安东东路隧隧道南南线工工程，，总长长1300m采用从从日本本引进进的φ11.22m泥水加加压平平衡盾盾构施施工。。盾构施施工技技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE沈重国国产盾盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE中铁隧道道集团研研制的复复合式盾盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE2002年8月，国家家科技部部将φ6.3m土压平衡衡盾构的的研究设设计列入入国家““863””计划。通通过公开开招标，，第一批批3项设计课课题分别别由中铁铁隧道集集团有限限公司和和上海隧隧道工程程股份有有限公司司为主承承担。2002年底，同同样通过过公开公公开招标标，第二二批4项课题分分别由中中铁隧道道集团有有限公司司和上海海隧道工工程股份份有限公公司为主主承担。。两家国国内盾构构设计、、制造与与施工优优势企业业成立了了联合攻攻关组，，组织了了有浙江江大学、、同济大大学、华华中科技技大学、、东南大大学、煤煤炭科学学研究院院、北京京城建、、洛阳九九久科技技开发有有限公司司等单位位参加的的产、学学、研结结合的课课题组。。盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE“先行号号”盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE2004年5月中铁隧隧道集团团有限公公司与日日本小松松公司联联合制造造了1台直径6.3m土压平衡衡盾构。。2004年10月下旬，，上海隧隧道股份份有限公公司制造造了一台台直径6.3m土压平衡衡盾构应应用于上上海地铁铁2号线西延延伸隧道道工程。。2005年12月，中铁铁隧道集集团有限限公司自自主研制制的适用用于沙砾砾复杂地地层的土土压平衡衡盾构刀刀盘成功功应用于于北京地地铁4号线19标颐和园园——圆明园区区间。2008年4月中铁隧隧道集团团研制成成功了我我国第一一台具有有自主知知识产权权的复合合式土压压平衡盾盾构。盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE上海隧道道股份盾盾构盾构施工工技术SHIELDCONSTRUCTIONTECHINQUE4盾构市场场前景4.1城市地铁铁前景“十一五五”期间间，已获获批建设设地铁的的16个城市的的新建里里程合计计为1009km，正在申申报和在在编制轨轨道交通通规划的的城市6个，到2050年规划建建成轨道道交通里里程将超超过1500km，总投资资超过5000亿。据预预测，近近5年内地铁铁盾构的的需求量量约在350台次以上上。盾构施工工技术SHIELDCONS