泥水盾构系统和结构原理61

广州吉原交通技术工程有限公司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、盾构发展简介盾构的发展简介常用隧道施工方法明挖法矿山法掘进机（TunnelBoringMachine）常用隧道施工方法TBM硬岩掘进机盾构盾构发展简介*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）。盾构发展简介布鲁诺尔注册专利的盾构，18181832年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水盾构历史简介用压缩空气抵消外部水压盾构的发展史1874年德国工程师开发了用流体支撑开挖面的盾构，1896年德国第一台泥水式盾构申请了专利。1959年用流体支撑开挖面的盾构成功地建造了一条直径为3.35米的排污隧洞。1960年采用了膨润土悬浮液来支撑开挖面。1967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。1974年日本开发了首台土压平衡盾构。1994年日本制造出首台3圆式泥水盾构。TBM的发展史二、TBM发展简介TBM发展史

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。

TBM发展史到了1851年，波士士顿南部部的理查查德穆恩恩公司又又建造了了一台重重75吨的巨大大机器，，用于马马萨诸塞塞州西北北Hoosac（胡塞克克）隧道道的开挖挖。仅仅仅开挖了了10英尺（3米），机机器就不不动了，，成为一一个丑闻闻。1856年，美国国最著名名的工程程师之一一，赫尔尔曼.豪普特，，宣布他他将以另另一台隧隧道机拯拯救胡塞塞克项目目。他对对此充满满信心，，甚至自自掏腰包包资助该该计划。。然而，，他的机机器开挖挖了不到到1英尺（0.3米）就寿寿终正寝寝，豪普普特在郁郁闷中破破产。1881年-一台压缩缩空气驱驱动的TBM用于掘进进英吉利利海峡探探测隧道道。TBM发展史Moie（鼹鼠）），重：：125T，直径：：7.9米，长：：27米，日进进尺：48.7米岩石掘进进机TBM发展史ROBBINS站在新开开挖的掌掌子面旁旁TBM发展史1846年：比利利时工程程师亨利利-约瑟.

Maus制作了第第一台TBM，未成功功。1851年：美国国在马萨萨诸塞州州西北HOOSAC隧道使用用TBM，未成功功。1856年：同一一个HOOSAC隧道又使使用了一一台TBM,同样未成成功。1881年：一台台压缩空空气驱动动的TBM用于掘进进英吉利利海峡探探测隧道道。1953年：一台台ROBBINS开发的TBM用于南达达科他州州皮尔引引隧道。。1956年：ROBBINS研制了硬硬岩TBM用于加拿拿大多伦伦多。1973年：一台台双护盾盾TBM在意大利利诞生。。三、泥水水平衡盾盾构的发发展泥水平衡衡盾构的的发展由于高透透水性地地层用压压缩空气气支撑隧隧洞开挖挖面非常常困难1874年：Greathead开发了用用流体支支撑开挖挖面的盾盾构，开开挖出的的土料以以泥水流流的方式式排出。。1896年：Haag在柏林为为第一台台德国泥泥水式盾盾构申请请了专利利，该盾盾构以液液体支撑撑开挖面面，其开开挖室是是有压和和密封的的。1959年：E.C.Gardner成功地将将以液体体支撑开开挖面应应用于一一台用于于建造排排污隧洞洞的直径径为3.35m的盾构。。1960年引进了了用膨润润土悬浮浮液来支支撑开挖挖面，而而H.Lorenz的专利提提出用加加压的膨膨润土液液来稳固固开挖面面。1967年：第一一台有切切削刀盘盘并以水水力出土土、直径径为3.1m的泥水盾盾构在日日本开始始使用。。在德国国，第一一台以膨膨润土悬悬浮液支支撑开挖挖面的盾盾构由Wayss&Freytag开发并投投入使用用。泥水平衡衡盾构的的发展泥水式盾盾构机的的发展有有三种历历程，即即日本历历程、英英国历程程和德国国历程，，到目前前则只有有日本和和德国两两个主要要的发展展体系。。日本的发发展历程程导致当当今的泥泥水盾构构,德国的发发展历程程导致水水力盾构构。以日日本的泥泥水盾构构为基础础又发展展了土压压平衡盾盾构。而德国的的水力盾盾构导致致很多不不同的机机型,如混合型型盾构,悬臂刀头头泥水盾盾构及水水力喷射射盾构等等。德国和日日本体系系的主要要区别是是，德国国式的在在泥水舱舱中设置置了气压压舱，便便于人工工正面控控制泥水水压力，，构造简简单；日日本式的的泥水密密封舱中中全是泥泥水，要要有一套套自动控控制泥水水平衡的的装置。。泥水平衡衡盾构的的发展1967年：三菱菱公司制制造了第第一台为为泥浆开开挖面支支护的试试验盾构构，直径径为3.10m的样机取取得经验验后。1970年：建造造了第一一台大型型泥水盾盾构,直径为7.20m,用于建设设海峡下下的Keiyo铁路线。。自此以以后,日本的很很多制造造商生产产了此型型盾构。。与欧洲洲相比,泥水盾构构在日本本使用很很多。在在欧洲,英国的Markham,法国的NFM及FCB公司等采采用日本本许可证证,也制造了了泥水盾盾构。泥水平衡衡盾构的的发展德国的发发展历程程起始于于1972年，德国国承包商商Wayss及Freytag公司开发发了水力力盾构系系统。1974年：其样样机用于于建设Hamburg港口下的的总管道道，盾构构外径为为4.48m。当时还没没有可靠靠的盾尾尾密封。这样一一来整条条隧道被被加压。。因为此此型盾构构是首次次使用，，很多修修改事先先未预料料到。为为了继续续隧洞修修建工程程,采取了许许多补救救措施，，解决了了一些主主要问题题。第二二次掘进进着重解解决了可可靠的尾尾封，使使得在最最后的30m，采用了了新的尾尾封后才才达到隧隧洞内无无压力的的目的。。当今水水力盾构构在欧洲洲市场占占有很重重要的位位置。泥水平衡衡盾构原原理总结：日本泥水盾构构土土压平衡盾构构德国泥水盾构构混混合型盾构构日本体系：泥泥水仓全是泥泥水，直接控控制型泥水盾盾构，调节控控制阀开度来来进行泥浆压压力控制。德国体系：泥泥水仓中设置置了气压仓，，间接控制型型泥水盾构，，气压复合模模式，调节空空气压力来进进行泥浆压力力控制，液位位传感器根据据液位的高低低来调整液位位。盾构历史简介介纵观盾构和TBM的发展史，总总结盾构的应应用历程，可可以说它是随随着机械制造、液液压技术、电电气控制、密密封技术及测测量技术的进步而发展展壮大起来的的，并逐步将将TBM和盾构的功能能和特点合二二为一，从而而使其适应于于各种环境和和不同地质地地层的综合型型盾构机。使使最初只适应应于软岩的盾盾构，现在也也能成为掘进进硬岩（滚刀刀刀盘与盾壳壳的结合）的的盾构机。泥水加压平衡衡盾构机原理理三、泥水加压压平衡盾构机的工作作原理泥水加压平衡衡盾构机原理理泥水式盾构机机施工时稳定定开挖面的机机理为：以泥泥水压力来抵抵抗开挖面的的土压力和水水压力以保持持开挖面的稳稳定，同时，，控制开挖面面变形和地基基沉降；在开开挖面形成弱弱透水性泥膜膜，保持泥水水压力有效作作用于开挖面面。在开挖面，随随着加压后的的泥水不断渗渗入土体，泥泥水中的砂土土颗粒填入土土体孔隙中，，可形成渗透透系数非常小小的泥膜（膨膨润土悬浮液液支撑时形成成一滤饼层））。而且，由由于泥膜形成成后减小了开开挖面的压力力损失，泥水水压力可有效效地作用于开开挖面，从而而可防止开挖挖面的变形和和崩塌，并确确保开挖面的的稳定。因此此，在泥水式式盾构机施工工中，控制泥泥水压力和控控制泥水质量量是两个重要要的课题。土压平衡加压压盾构原理压缩空气泥浆压力土体水压土体对刀具反反力进浆管排浆管进气管泥水平衡盾构构原理1、开挖面稳定定机理：刀盘盘结构、泥膜膜、泥水压力力。2、泥膜形成机机理：泥膜形成的基基本要素（泥泥水的密度、、含砂率、泥泥水的黏性、、泥水压力：：土压力、水水压力、预留留压力）——尽快形成不透透水的泥膜。。掘掘进速度与泥泥膜的关系：：高质量泥水水成膜时间1-2秒。3、地质适用范范围1.沙性土层2.砂层3.砾石层4.贝壳层。泥水平衡盾构构原理泥浆比重：常常采用泥浆比比重计测定。。泥浆比重计计由由泥浆杯杯和秤杆等组组成。测量时时将泥浆杯装装满泥浆，加加盖并擦净从从小口溢出的的泥浆。然后后置于支架上上，移动游码码，使杠杆呈呈水平状态，，读出游码左左侧所示刻度度，即为泥浆浆的比重。该该仪器测使用用前要用清水水对仪器进行行校正，如读读数不在1.0处，可通过增增减杠杆右端端的金属颗粒粒来调节。泥浆的粘度：：施工现场常常采用漏斗粘粘度计测定，，测量时将用用手指堵住漏漏斗下面的出出口，从量杯杯分别将500ml+200ml泥浆倒入漏斗斗，然后打开开出口，让泥泥浆从内径5mm，长度100mm的管子中流出出，用秒表测测定流出500ml所需时间（s），即为泥浆浆粘度。该粘粘度计测得的的是泥浆对水水的相对粘度度。因此，在在使用前应用用水进行校正正。其方法是是先往漏斗中中注入700ml清水，而流出出500ml的标准时间应应为15s，如有误差则则通过下式进进行修正：泥泥浆粘度=测得的泥浆粘粘度（s）×15s/测得的清水粘粘度数（s）含砂量：通常常采用含砂量量仪来测定。。测定时将100ml泥浆装入量杯杯中，用清水水将泥浆稀释释，将其倒入入过滤筒筛网网上过滤，并并用水冲洗，，最后将筛余余的砂粒倒入入干净的含砂砂量杯中，垂垂直静置一分分钟，记录沉沉淀物体积的的毫升数，即即为泥浆的含含砂率泥水平衡盾构构原理无气垫仓泥水水盾构与有气气垫仓泥水盾盾构压力波动动比较图泥水平衡盾构构原理H泥水平衡盾构构原理泥水盾构原理理泥水盾构原理理日本东京湾隧隧道日本东京湾泥泥浆平衡盾构构机日本东京湾泥泥浆平衡盾构构机狮子洋广深港港高铁泥水盾盾构机直径：Φ11182mm最大推力推进速度最大扭矩切口压力进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南京伟三路隧隧道泥水盾构构机进浆管参数推力速度扭矩转速切口水压进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置图NO.1(114t)No.4(112t)No.2(112t)No.3(110t)刀盘分割图一一刀盘分割图二二刀盘中心块1、刀具的种类类及配刀双刃滚刀单刃滚刀切刀周边刮刀超挖刀柱型超挖刀刮刀滚刀破岩机理理滚刀在岩石面面上连续做同同心圆运动，，轴压力（推推力）使刀刃刃压入岩石，，产生类似于于静压破岩；；滚动力（扭扭矩）使盘刀刀刀刃沿轨迹迹线连续滚压压岩石，并在在滚刀通过处处对岩体产生生侧向压力，，使盘刀运动动轨迹线周边边的岩石不断断产生崩裂，，从而达到连连续破岩。滚刀破岩原理示意图

静压破岩状况切刀破岩机理理切刀（或刮刀刀）施力于岩岩土层上，靠靠刀具的刀刃刃从岩土体的的外层分离岩岩土，并使之之脱离母体达达到破岩的一一种机械破岩岩方式切刀破岩机理示意图3、刀具的失效效形式滚刀的失效形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切刀的失效形形式正常磨损断齿掉齿刀体折断刀具失效图例例偏磨（弦磨）偏磨与断裂滚刀被碴土粘住刀圈断裂刀圈断裂碎片正常磨损4、掘进参数及及地质对刀具具的影响硬岩掘进时推推力及速度过过大会造成刀刀具崩刃断裂裂粘土层掘进时时泡沫、水等等添加不合适适即碴土改良良效果不好会会产生泥饼或或刀具被碴土土裹住无法转转动软弱围岩掘进进时，推力过过大或刀盘转转速过快会造造成局部刀具具过载、密封封失效等上软下硬的地地层会造成刀刀具崩刃断裂裂、刀圈脱落落及偏磨破碎地层和断断层岩层容易易造成刀圈崩崩裂及脱落地质对刀具的的影响小盾构机主轴轴承结构主轴承外圈主轴承内圈带带大齿圈后弹性密封主推力轴承经向轴承前部推力轴承承前弹性密封大盾构主轴承承结构外圈外密封内密封内圈大齿圈（外））外壳旋转体主驱动减速器器小齿轮膨胀套安全销膨胀液动力输入轴外壳动力输出轴安全环槽泥水平衡盾构构结构盾尾密封盾尾密封同步注浆孔油脂管盾尾刷手抹油油脂的作用：：保护盾尾刷刷不受杂物的的侵蚀泥水平衡盾构构结构盾尾密封泥水平衡盾构构结构管片拼装机：：功能：举升、、回转、水平平移动。吸盘盘的横、纵向向微动、水平平微转。泥水平衡盾构构结构盾构机铰接结结构形式：1、被动铰接式式优点：铰接油油缸数量少、、体积也小，，调向灵活。。缺点：转弯时时，推力油缸缸与管片不垂垂直，2、主动铰接