盾构发展概要第一章

1构的概念业，而使隧道一次成形的机械。铁路、公路、市政、水电隧道工程。盾构的工作原理盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个钢分类1.3.1按断面形状分类盾构根据其断面形状可分为：单圆盾构、复圆盾构(多圆盾构)、非圆盾构。其中复圆圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”2土－泥浆混合物1.3.2按支护地层的形式分类盾构按支护地层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥五种类型。见图1－5。自自然支护机机械支护压压缩空气支护泥泥浆支护1.3.3按开挖面与作业室之间隔板的构造分类盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。3盾构盾构的起源与发展1.4.1盾构的起源1806年，马克.布鲁诺尔(MarcIsambrdBrunel)在蛀虫钻孔并用分泌物涂在四周的启示下，最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利(图1－7)。布鲁诺尔专利盾构由不同液压千斤顶将整个盾壳向前推进。1818年，图1—7布鲁诺尔专利盾构(1806年)图1—8布鲁诺尔螺旋盾构(1818年)史。1825年，马克.布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一马克.布鲁诺尔矩形盾构见图1－9。由12个邻接的框架组成，每一个框架分成3个工壳上，当掘进完一段隧道后，由螺杆将鞍型框架向前推进，紧接着后部砌砖。4②顶部支撑螺杆图1—9用于泰晤士河底隧道施工的Brunel矩形盾构(1825~1843④顶部单元涌入隧道的方法，隧道施工因被淹而停工。1828年1尔提出采用压缩空气的建议，然而布鲁诺尔未采纳。在经历了五次特大洪水后，直到18435“盾构”(shield)术语的来源盾构最初称为小筒(cell)或圆筒(cylinedr)，1866年，莫尔顿在申请专利中第一次使用了“盾构”(shield)这一术语。1861869年，英国人詹尼斯.亨利.格瑞海德泰晤士河底修建了一条外径为2.18m，长于隧道基本上是在不透水的粘土层中掘进，所以在控制地下水方面没有遇到什么困难。格瑞海德圆形盾构后来成为大多数盾构的模1.4.4泥浆盾构的开发1874年，詹尼斯.亨利.格瑞海德(JanesHearyGreathead)开发了液体支撑隧道工作面1.4.5压缩空气的使用年发明了气闸，它能使人们从常压空间进入到加压的工作仓。1879年，在安特卫普首次采1886年，詹尼斯.亨利.格瑞海德(JanesHearyGreathead)在伦敦地下施工中将压缩空隧道的一个重大进步，填补了隧道施工的空白，促进了盾构在世界范围内的进一步推广。1.4.6机械化盾构的开发在Brunel开发盾构之后的另一个进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构insonBrunton (GeorgeBrunton)申请的专利。这台盾构采用了半球形旋转刀盘，开挖土碴落入径向装6图1—13Brunton机械化盾构(1876年专利)1896年，英国人普莱斯(Price)开发了一种幅条式刀盘机械化盾构，并于1897年起成功地应用在伦敦的粘土地层施工中。它第一次将格瑞海德圆形盾构与旋转刀盘结合在一起，1.4.7第一台德国盾构的开发1896年，德国人哈姬(Haag)在柏林为第一台德国盾构申请了专利。这是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖仓密封作为压力仓的盾构。见图1－15。用有压水或压缩空气密封的管71.4.8泥水加压盾构的开发与应用种技术的发展受到了限制。1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用，这台盾构由三菱公司制造，其直径为3.1m。在京叶线森崎运河下，羽田隧道工程中采用了直径为7.29m2m，施工获得了极大成功，这是当时直径最大的泥水盾构。WayssFreytag展前途，开发了德1.4.9土压平衡盾构的开发81.4.10混合盾构的开发的地层经转换后可以以不同的工作模式运行的盾构称为混合式盾构。混合式盾构主要是针对盾构的专利。它以Wsyss&Freytay公司拥有专利的泥水盾构为基础，有其独特的沉浸墙/它可以从泥水式转换到土压平衡式或敞开式。混合式盾构可以根据土层地质和水文条件作调里进行。在城市地铁的建造中，隧道掘进一般由车站分成长度为0.5km~2km的区间，可以在适当的站点进行工作模式转换。1.5盾构在我国的发展与应用1.5.1手掘式盾构的开发与应用1962年2月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土地层对盾构进行了系统的试验研闸门千斤顶闸门千斤顶进土闸门螺旋切削装置盾构千斤顶盾构操纵阀盾壳9半断面插刀盾构能全液压传动、电控操作、可自行推进、转向、调头。能有效控制地面沉降，减轻工人劳动强度，施工建成通车。此次所用的网格盾构有所改进，敞开式施工可转换为闭胸式施工。进行了地铁1号线试验段施工，研制了1台直径6.412m网格挤压盾构，采用泥水加压和格挤压水力出土盾构施工。盾盾构千斤顶操纵台管片安装机密封仓泥浆系统盾构千斤顶盾尾密封管片千斤顶板横梁盾壳1.5.3插刀盾构的开发与应用“浅埋暗挖法”紧密结合，取消了小导管超前“浅埋暗挖法”紧密结合，取消了小导管超前注浆，在盾构壳体和尾板的保护下，进行地铁隧道上半断面的开挖。半断面插刀盾构将“盾构法”与1.5.4土压平衡盾构的引进和开发年1月~9月用于上海市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m。管片安装机构(1987年)上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的6.34m土压平衡盾构。每台盾构月掘进200m以上，地表沉降控制达+1~-3cm。mm用于南京地铁施工的土压平衡盾构铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司在盾构开发上取得了巨大的成绩。适应于软土地层的6.3m土压平衡盾构的设计和制造有了明显突破，完成了样机的制造，初步形计试验研究中心。目前，正在继续进行砂砾复杂地层盾构切削与测控系统关键技术的研究及大型泥水盾构消化吸收与设计的研究。1)产业化基地建设202000年初，中铁隧道集团在详细调查研究中国盾构市场前景及发展方向后，做出了进行盾构开发和盾构产投资了3500多万元建立了盾构产业化基地，成立了以盾构研究开发中心、盾构组装调试中心、盾构制造维修中心为主要发展方向的中铁隧道股份制造公司。盾构产业化基地占地100多000平米。上海隧道工程股份有限公司也在上海建2)土压平衡盾构的开发团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。研制和标准规范编制等)分别由中铁隧道集团公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。学、华中科技大学、东南大学、煤炭科学研究院、北京城建、中信重工机械有限责任公司、式，形成企业动态技术联盟。充分利用国内现有的盾构设备研发能力及施工技术，充分利用国内现有的液压、测控等技术的研究成果，组织相关专业领域的著名专家针对这些成果在盾在国家“863”计划的引导下，中铁隧道集团已经完成了6.3m土压平衡盾构的结构设计、盾构控制原理流程图设计、盾构液压系统、电气系统、流体输送系统以及元的刀盘及刀具、液压系统成功用于上海地铁功贯通，标志着中铁隧道集团承担的国家“863”计划土压平衡盾构关键技术研究取得阶段性胜利。目前，中铁隧道集团有限公司承担的“863”计划中，有5个项目(盾构中能调节开口通过引进、消化和吸收，研究和掌握了土压平衡盾构的关键技术；在消化吸收的基础上，进行仿制和创新。在通过引进、消化和吸收，研究和掌握了土压平衡盾构的关键技术；在消化吸收的基础上，进行仿制和创新。在技术上先进可靠的前提下，尽可能提高国产化程度，对于尚未掌握的关键技术，有限公司成功组装了率的装置、盾构盘形滚刀刀圈及其制造方法、采用比例流量压力复合控制的方法、采用比例流量压力复合控制的掘进机液压推进系统、全局功率自适应的盾构刀盘驱动电液控制系统、比例反馈控制及蓄能器补油的盾构螺旋输送机液通过国际采购与国产化相结合的方式，通过国际采购与国产化相结合的方式，线小新区间。台6.3m土压平衡盾构(先行号)应用于上海地铁二号线西延伸中铁隧道集团有限公司对盾构后配套设备的研制也取得了7项专3)盾构模拟试验研究在联合攻关研制具有完全自主知识产权的土压平衡盾构的同时，国家科技部引导参与单中铁隧道集团有限公司、上海科技投资公司、浙江大学、同济大学投资公司、浙江大学、同济大学、在上海组建了股份制的盾构设计试验研究中心。研制出了我国第一台拥有自主知识产权的先进的大型多功能盾构试验平台，模拟盾构物模拟盾构试验平台，具有土压平衡和泥水平衡互换及刀盘开口率可调功能。在该试验平台上，已完成了两次土压盾构掘进粘土、砂试验。4)砂砾复杂地层关键技术研究机研制”的基础上，针对该盾构仅适用软土地层的局限问题，进一步扩大研究范围，以北京前，已完成砂砾复杂地层的掘进模拟试验的设计，砂砾复杂地层进行室内原状土土性模拟研的数据分析、数据管理模型的研究。5)大型泥水盾构消化吸收与设计国家十五“863”计划是以攻克和掌握土压平衡盾构制造的核心关键技术为突破口，制自主知识产权的土压平衡盾构，并应用于地铁工程标段。十一五铺垫项目“大型泥水盾构消化吸收与设计”课题是以中铁隧道集团有限公司为主、由上海隧道股份、浙江大学等单位协助的国家“863”计划重大专项课题。本课题的主要目标是以武汉长江公路隧道(由中铁隧道集团有限公司施工)11.38m水盾构。课题的总体规划如下：盘、刀具的设计技术；掌握控制系统设计技术；掌握泥水盾构总体设计技术，完成控制系统模拟试验平台的设计。第二阶段：2007年~2008年，3~4项关键技术在泥水盾构上进行工业试验；第三阶段：2009年~2011年，制造出具有自主知识产权的泥水盾构进行工业性试验。2012年以后国产大型泥水盾构(直径6m以上)进入市场。1.5.6泥水盾构的引进步注浆孔化学注浆纠编千斤顶刀盘驱动马达安装机人孔管片安装机作业平台搅拌器盾尾刷仿形刀转轴盘片公司11.38m超大型泥水盾构用汉长江公路隧道施工。武汉长江公路隧道位于武汉长江一、二桥之间，是穿越长江的第一条公路隧道，称为“万里长江第一隧道”。武汉长江公路隧道的盾构法1.5.7异形盾构的开发矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日日本在80年代开发应用了矩形(Multi-MicroShieldTunnel)MMST盾构、自由断面盾构、多圆盾构，并完成了多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政异形断面隧道工程日益增多。上海隧道股份于1995年开始研沉降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月，上海地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道近年来，上海隧道股份研究所开展了对双圆隧道和多圆隧道掘进工程的可行性研究，2003年9月，上海隧道股份有限公司引进日本双圆盾构掘进轨道交通8号线。施工中摸索和积累了丰富的经验，为我国异形隧道的发展做了技术储备工作。盾构法新技术工，大量的盾构法施工新技术应运而生。这些新型盾构技术不仅解决了一些常规技术难以解决的施工问题，而且使得盾构技术的效动化组装、管片接头等技术。1.6.1扩径盾构工法扩径盾构工法是对原有盾构隧道上的部分区间进行直径扩展。施工时，先依次撤除原有也可设置将推力转移到原有管片上的装置。1.6.2球体盾构工法球体盾构亦称直角盾构，其刀盘部分设计为球体，可以进行转向。球体盾构施工法又称直角方向连续掘进施工法。主要是在难以保证盾构竖井的用地或需“纵一横”方向连续掘进施工则是从地面开始连续沿竖直方向向下开挖竖井，到达预定位置后，球体进行转向，然后实施横向隧道施工的方法。④④②③①①主盾构竖向掘进②次盾构内藏球体回转③球体回转完毕④次盾构水平掘进1.6.3多圆盾构工法横横式连续掘进球体盾构的施工。MF盾构可以采用泥水式、土压平衡式两种类型。1.6.4H&V盾构工法由具有直字铰接构造的多个圆形盾构组成，通过使复数个前盾各自向相反的方向铰接，给盾构施加旋转力，通过螺旋形掘进，可从一个横向平行的盾构连续地变换到Varition&VerticalVarition”平和垂直变化的盾构施工法，可从水平双孔转变为垂直双孔，或者由垂直双孔转变为水平双孔，可以随时根据设计条件，不断地改变断面形状，开挖成螺旋形曲线双断面(见图1－42)。两条隧道的衬砌各自独立。由于两条隧道作为一个整体来施工，可解决两条隧道邻近施工的干扰和影响问题。1.6.5变形断面盾构法变变形断面盾构通过主刀和超挖刀相结合，其中主刀用于掘进圆形断面的中央部分，超挖刀用于掘进周围部分。根据主刀的每个旋转相位，通过自动控制系统来调节液的伸缩行程，进行超挖，通过调节超挖刀的