盾构机结构原理

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，波士顿南部的理查德穆恩公司又建造了一台重75吨的巨大机器，用于马萨诸塞州西北Hoosac（胡塞克）隧道的开挖。仅仅开挖了10英尺（3米），机器就不动了，成为一个丑闻。1856

年，美国最著名的工程师之一，赫尔曼.豪普特，宣布他将以另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计划。然而，他的机器开挖了不到1英尺（0.3米）就寿终正寝，豪普特在郁闷中破产。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。TBM发展史Moie（鼹鼠），重：125T，直径：7.9米，长：27米，日进尺：48.7米岩石掘进机TBM发展史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：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1874年：Greathead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。1896年：Haag在柏林为第一台德国泥水式盾构申请了专利，该盾构以液体支撑开挖面，其开挖室是有压和密封的。1959年：E.C.Gardner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3.35m的盾构。1960年引进了用膨润土悬浮液来支撑开挖面，而H.Lorenz的专利提出用加压的膨润土液来稳固开挖面。1967年：第一台有切削刀盘并以水力出土、直径为3.1m的泥水盾构在日本开始使用。在德国，第一台以膨润土悬浮液支撑开挖面的盾构由Wayss&Freytag开发并投入使用。泥水平衡盾构的发展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的发展体系。日本的发展历程导致当今的泥水盾构,德国的发展历程导致水力盾构。以日本的泥水盾构为基础又发展了土压平衡盾构。而德国的水力盾构导致很多不同的机型,如混合型盾构,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，要有一套自动控制泥水平衡的装置。泥水平衡盾构的发展1967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3.10m的样机取得经验后。1970年：建造了第一台大型泥水盾构,直径为7.20m,用于建设海峡下的Keiyo铁路线。自此以后,日本的很多制造商生产了此型盾构。与欧洲相比,泥水盾构在日本使用很多。在欧洲,英国的Markham,法国的NFM及FCB公司等采用日本许可证,也制造了泥水盾构。泥水平衡盾构的发展德国的发展历程起始于1972年，德国承包商Wayss及Freytag公司开发了水力盾构系统。1974年：其样机用于建设Hamburg港口下的总管道，盾构外径为4.48m。当时还没有可靠的盾尾密封。这样一来整条隧道被加压。因为此型盾构是首次使用，很多修改事先未预料到。为了继续隧洞修建工程,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，使得在最后的30m，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要的位置。泥水平衡盾构原理总结：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。盾构历史简介纵观盾构和TBM的发展史，总结盾构的应用历程，可以说它是随着机械制造、液压技术、电气控制、密封技术及测量技术的进步而发展壮大起来的，并逐步将TBM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（滚刀刀盘与盾壳的结合）的盾构机。泥水加压平衡盾构机原理三、泥水加压平衡

盾构机的工作原理泥水加压平衡盾构机原理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。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，在泥水式盾构机施工中，控制泥水压力和控制泥水质量是两个重要的课题。土压平衡加压盾构原理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泥水平衡盾构原理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。泥水平衡盾构原理泥浆比重：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，如读数不在1.0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漏斗下面的出口，从量杯分别将500ml+200ml泥浆倒入漏斗，然后打开出口，让泥浆从内径5mm，长度100mm的管子中流出，用秒表测定流出500ml所需时间（s），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。其方法是先往漏斗中注入700ml清水，而流出500ml的标准时间应为15s，如有误差则通过下式进行修正：泥浆粘度=测得的泥浆粘度（s）×15s/测得的清水粘度数（s）

含砂量：通常采用含砂量仪来测定。测定时将100ml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

泥水平衡盾构原理

无气垫仓泥水盾构与有气垫仓泥水盾构压力波动比较图泥水平衡盾构原理H泥水平衡盾构原理泥水盾构原理泥水盾构原理日本东京湾隧道日本东京湾泥浆平衡盾构机日本东京湾泥浆平衡盾构机狮子洋广深港高铁泥水盾构机

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南京伟三路隧道泥水盾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心块1、刀具的种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

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裂，从而达到连续破岩。滚刀破岩原理示意图

静压破岩状况切刀破岩机理

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破岩方式切刀破岩机理示意图3、刀具的失效形式滚刀的失效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式正常磨损断齿掉齿刀体折断刀具失效图例

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软弱围岩掘进时，推力过大或刀盘转速过快会造成局部刀具过载、密封失效等上软下硬的地层会造成刀具崩刃断裂、刀圈脱落及偏磨破碎地层和断层岩层容易造成刀圈崩裂及脱落地质对刀具的影响小盾构机主轴承结构主轴承外圈主轴承内圈带大齿圈后弹性密封主推力轴承经向轴承前部推力轴承前弹性密封大盾构主轴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结构盾尾密封

盾尾密封同步注浆孔油脂管盾尾刷手抹油脂的作用：保护盾尾刷不受杂物的侵蚀泥水平衡盾构结构盾尾密封

泥水平衡盾构结构管片拼装机：功能：举升、回转、水平移动。吸盘的横、纵向微动、水平微转。泥水平衡盾构结构盾构机铰接结构形式：1、被动铰接式优点：铰接油缸数量少、体积也小，调向灵活。

缺点：转弯时，推力油缸与管片不垂直，2、主动铰接式

优点：转弯时，推力油缸与管片垂直，

缺点：铰接油缸数量多、体积大。3、无铰接式

优点：结构简单

缺点：对转弯半径要求高被动式铰接方式示意图盾尾中前盾推进油缸铰接油缸主动铰接