《轨道交通工程盾构施工技术》 课件 项目1 盾构发展历史认知

轨道交通工程盾构施工技术项目1盾构发展历史认知目录

CONTENTS2中国盾构发展认知1国外盾构发展认知任务1.1国外盾构发展认知（1）以布鲁内尔盾构为代表的手掘式盾构；（2）以半机械式、机械式、网格式、气压式为代表的机械开挖式盾构；（3）以土压平衡或泥水平衡为代表的闭胸式盾构；（4）以大断面、大深度、长距离、断面多样化为代表的多元化盾构。国外盾构主要经历了4个发展阶段：相关知识1.1.1 手掘式盾构1806年，法国工程师马克·布鲁内乐（Marc

Brunel）在蛀虫钻孔的启示下，发现了盾构掘进隧道的原理，并在英国注册了专利。1818年，马克完善了盾构结构的机械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬砌紧随其后，如图所示。布鲁内尔申请的盾构专利示意1.1.1 手掘式盾构1825年，马克和他的儿子金德姆·布鲁内尔（Kingdom

Brunel）第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8

m，宽11.4

m的矩形盾构修建第一条盾构法隧道。1869年，英国人詹姆斯·亨利·格雷特黑德（JamesHenry

Greathead）用圆形盾构再次在泰晤士河底修建了一条外径为2.18m，长402m的隧道（Rotherhithe隧道），并第一次采用了铸铁管片。国际上公认马克为盾构法隧道创始人，而他的儿子金德姆更是作为杰出发明家和工程师留名青史。Greathead圆形盾构后来成为大多数盾构的模型。1.1.2 机械式盾构用机械开挖代替人工开挖是盾构施工的一个巨大进步。第一个机械化盾构的专利是1876年英国人约翰·迪金森·布伦顿（JohnDickinson

Brunton）和他的兄弟乔治·布伦顿（George

Brunton）申请的专利。1886年，格雷特黑德将压缩空气方法与盾构掘进相结合使用。压缩空气在盾构掘进中的使用，标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，填补了富水地层隧道施工的空白，促进了盾构在世界范围内的推广。1896年，英国人普赖斯（Price）开发了一种幅条式刀盘机械化盾构，并于1897年成功地应用在伦敦的黏土地层的施工中。1.1.3 闭胸式盾构第三代盾构以闭胸式盾构为代表，主要包括土压平衡盾构和泥水平衡盾构，以新型衬砌为主要技术特点。土压平衡盾构是通过调节土舱的土压力稳定开挖面，弃土可以从土舱排出的盾构。泥水平衡盾构是通过调节泥水舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排出的盾构。土压平衡盾构土压平衡盾构又称为泥土加压式盾构。所谓土压平衡就是密封舱中切削下来的土体和泥水充满密封舱，并具有适当压力与开挖面土压平衡，以减少对土体的扰动，控制地表沉降。1.1.3 闭胸式盾构2.

泥水平衡盾构泥水平衡盾构也称泥水加压盾构，它的开发目的是通过喷射水流，将土料以泥浆的形式排出。但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽相类似，从而提出在开挖面用类同槽壁法的支护，而膨润土泥浆可在无黏聚力土槽沟中支护掘出的开挖面。这样就诞生了泥水平衡盾构。1964年英国人莫特·海（Mott

Hay）、安德森（Anderson）和约翰·巴特利特（John·Bartlett）申请了泥水平衡盾构的专利。1.1.4 多元化盾构1.

盾构隧道长距离化、大直径化表 列出了部分直径超过15

m的国外盾构隧道工程序号工程名称盾构直径/m盾构类型1马德里M30环线隧道15.2土压2意大利Sparvo隧道15.55土压3东京湾公路海底隧道14.14泥水4意大利Santa

Lucia隧道15.87土压5东京外环公路隧道16.1土压6美国西雅图SR99隧道17.45土压7意大利Caltanissetta公路隧道15.08泥水1.1.4 多元化盾构类矩形盾构2.

盾构多样化从断面形状方面:类矩形、双圆盾构、三圆盾构、马蹄形盾构等；从功能上讲:球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从盾构的掘削:出现了摇动、摆动掘削方式的盾构。三圆盾构马蹄形盾构母子型盾构1.1.4 多元化盾构3.

施工自动化施工设备出现了：（1） 管片供给、运送、组装自动化装置；（2）盾构掘进中的方向、姿态自动控制系统；（3）施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。任务1.2中国盾构发展认知1.2.1 中国盾构的黎明期中国盾构历经了黎明期、创新期和跨越期。中国盾构从曾经落后于世界发展到现在总体技术已位于世界领先水平。1953年至2001年是中国盾构发展的黎明期。1953年，东北阜新煤矿用手掘式盾构是我国首条用盾构法施工的隧道。从而揭开了中国盾构从无到有的历史。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究。1986年，中铁隧道局集团有限公司研制出半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。1.2.1 中国盾构的黎明期1987年12月，上海造船厂制造出我国首台直径4.35m加泥式土压平衡盾构。1988年上海又自主开发研制了当时我国直径最大的新一代土压平衡盾构。上海自行开发研制的直径5.64

m土压平衡盾构是当时国内直径最大的加水型土压平衡盾构。盾构的总体设计合理，刀盘结构新颖、切削硬土能力强，螺旋输送机排泥性能良好，采用了具有自整定和预整定功能的土压平衡控制系统，性能稳定可靠。盾构分解为几个单元体制造并在工地总装，简化了工艺、降低了造价、缩短了加工周期。1.2.2 创新期中国盾构(2)

2002年至2008年是中国盾构的创新期。2002年8月，国家将盾构的自主研发正式列入国家高技术研究发展计划（简称“863”计划），从而揭开了中国盾构从有到优的历史。2002年8月，国家科学技术部将“

6.3

m全断面隧道掘进机研究设计”列入国家“863”计划。为缩小我国在泥水平衡盾构的设计、制造技术方面与国际先进水平的差距。国家科学技术部于2005年7月将泥水平衡盾构的研究列入“863”计划，对大直径泥水平衡盾构消化吸收与设计课题进行了专题立项。1.2.3 跨越期中国盾构(3)

2009年至今，是中国盾构的跨越期。这个时期中国盾构自主创新能力显著提高，在关键核心技术、实验平台研制、盾构产业化跨越式发展等方面取得了重大突破。在关键核心技术方面，以“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”项目为依托，攻克了稳定性、顺应性、协调性三大关键技术。在实验平台研制方面，研制出了多台具有自主知识产权的盾构技术科研仪器设备。在盾构产业发展方面，土压平衡盾构、泥水平衡盾构和岩石掘进机产业化取得了重大突破。1.2.4 中国盾构市场前景1.

城市地铁盾构应用前景北京、天津、上海、广州是中国前4个拥有地铁的城市。目前中国运作地铁项目的城市，尽管1号线的长度都在25

km以内，但地铁总长度规划没有一个在100

km以下的。我国近期地铁盾构施工市场主要分布在以下三类城市：①

区域地区经济龙头城市：以北京、上海、广州等城市为代表。②

经济发达的超大城市：以深圳、天津、重庆、成都等城市为代表。③

人口密集的特大城市：以杭州、沈阳、青岛等城市为代表。1.2.4 中国盾构市场前景2.

过江隧道前景中国江河湖海众多，海岸线绵延万余公里，越江、跨海隧道大有前景。泥水平衡盾构已广泛地应用于越江、跨海等隧道工程。国家发改委于2020年发布了《长江干线过江通道布局规划（2020—2035年）》。规划中指出，目前过江通道仍存在通道总量偏少、部分通道负荷较重、资源利用水平不高等亟待解决的矛盾和问题，到2025年，建成过江通道180座左右，到2035年，建成过江通道240座左右，另长江下游等重点河段应坚持“少桥多隧”“宜隧则隧”的原则。1.2.4 中国盾构市场前景3.

铁路隧道前景铁路隧道是盾构施工的重要对象，从2000年开始，新建铁路隧道每年平均以200

km的速度增长，且长大隧道所占相对密度增加。4.

市政管道前景城市综合管廊是在城市道路、厂区等地下建造一个隧道空间，将电力、通信、燃气、供热、给排水中两种及两种以上的市政公用管线铺设在同一个构筑物内，同时设置专门的投料口、通风口、检修口和检测系统保证其正常运行。引水工程不可避免地会遇到引水隧道的施工问题，而选择盾构或硬岩掘进机施工是其最佳手段。1.2.5 盾构施工发展展望:

智能盾构智能建造相对于传统的浅埋