盾构机结构原理

广州吉原交通技术工程有限公司盾构结构原理及功能2012年３月南京１、TBM、盾构简介２、不同类型盾构的工作原理及基本构造3、盾构工程常见施工难点目录一、TBM、盾构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TBM历史简介•岩石隧道掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。所谓岩石地层是指该地层有硬岩、软岩、风化岩、破碎岩等类，在其中开挖的隧道称为岩石隧道。施工时所使用机械通常称为岩石隧道掘进机，英文名称是TunnelBoringMachine．简称TBM。•在中国，由于行业部门的习惯，也称之为全断面隧道掘进机或隧道掘进机或简称掘进机。按岩石的破碎方式，大致分为挤压破碎式与切削破碎式。TBM历史简介挤压破碎滚压破岩状况滚刀破岩原理示意图TBM历史简介切削破碎TBM历史简介•1852年，一台蒸汽机驱动的岩石隧道掘进机（RTM）或隧道掘进机(TBM)，在花岗岩中试用，未获成功。•罗宾斯掘进机制造厂最早于1947年研制和生产的原始型掘进机是在煤层中使用的，但后来也用在页岩中开挖隧道。在这两台掘进机上，第一次使用了盘形刀具作为对岩体破碎工具并得到较好的效果。TBM历史简介•1953年，制造了一台直径为7．85m全断面隧道掘进机（fullfacetunnelboringmachine），是利用回转刀盘开挖（同时破碎及掘进）隧道的整个断面的专用机械总称。这台掘进机被认为是十九世纪未以来的第一台岩石隧道掘进机（照片1）。中国岩石掘进机发展历史年表（年）发展过程中概况1966中国第一台掘进机，是上海水工机械厂设计制造的。它是为云南下关西洱河水电站引水隧道进行工业性试验，直径3.5m。该隧道埋设于地层岩性系花岗片麻岩、石灰岩，抗压强度100～180Mpa，最高月进尺48.5m。1969广州市机电工业局研制的掘进机直径为4m，为广西桂林的隧道工程的施工而提供。隧道掘进长度245m。隧道通过地层岩性系花岗岩、石灰岩，抗压强度30～240Mpa，最高月进尺20m。1970第三台掘进机在西安煤矿机械厂制造出厂，直径3.5m，掘进长度669m。地质系石灰岩，抗压强度56～160Mpa，最高月进尺179m。1977上海水工机械厂设计制造的SJ－58型机曾于同年的4月至1978年4月在云南西洱水电站水工隧道中进行工业性试验，掘进长度247.63m，直径为5.8m。通过地层岩性为花岗片麻岩、石灰岩抗压强度100～180Mpa，最高月尺31.7m。1980萍乡矿务局研制了两台直径3m的掘进机，应用于萍乡煤矿河北迁西南观洞，掘进长度分别为695和240m。通过地层岩性为石灰岩，最高月进尺分别为301m和224m。1981对SJ－58型机进行了一次比较全面彻底的修改设计和加工制造的新掘进机，应用于河北新王庄引滦入津工程，直径5.8m的掘进机长度1444.5m，1983年3月隧道贯通。通过地层为岩性白云质矽质灰岩含燧石结核及条带，抗压强度80～160Mpa。最高月进尺202m，月平均进尺92m的成绩。中国岩石掘进机发展历史年表19833月～12月，广州市机电工业局、铁道兵、抚顺矿务局、上海水工机械厂研制四台直径2.5~5.5m的掘进机1985中国从美国引进了罗宾斯公司大型掘进机，直径为φ10.8m，用来开挖施工引水隧道总长度约10km，掘进机遇到岩石地层系石灰岩，抗压强度150MPa，施工时最高月进尺150m，这是我国第一条采用大断面的岩石掘进机进行施工的隧道。1991甘肃省引大（大通河）入秦（秦王川）大型跨流域灌溉工程中30A隧道全长11.649km，由意大利CMC公司和中国华水水电工程公司组成联合企业采用套筒式（铰接盾构型）岩石掘进机（TBM），掘进机直径5.53m，隧道砼衬直径φ4.8m1995陕西秦岭隧道引进两台德国威尔特公司全断面硬岩掘进机TB808E，直径φ8.8m2002新疆引水工程引进德国海瑞克公司一台全断面硬岩掘进机2003辽宁大伙房水库引进一台威尔特公司TB803E全断面掘进机，两台美国罗宾斯公司的全断面掘进机，直径φ8mTBM掘进机的施工特点•利用掘进机开挖隧道与常规的钻爆法相比，主要有以下特点：•1．掘进效率高。•2．掘进机开挖施工质量好，且超挖量少。•3．对岩石的扰动小。掘进机开挖施工可以大大改善开挖面的施工条件，而且周围岩层稳定性较好，从而保证了施工人员的健康和安全。•4．掘进机对多变的地质条件（断层、破碎带、挤压带、涌水及坚硬岩石等）的适应性较差。但近年来随着技术进步，采用了盾构外壳保护型的掘进机，施工既可以在软弱和多变的地层中掘进又能在中硬岩层中开挖施工。•5．掘进机的经济性问题：由于掘进机结构复杂，对材料的要求较高，零部件的耐久性要求高。因而制造的价格较高在施工之前就需要花大量资金购买部件和制造机器，因此对工程建设投资就高。盾构的历史•1803年，法国工程师布鲁诺尔（MareIsambardBrunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。•布鲁诺尔构想的盾构机械内部结构由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。采用的方法是将所有的单元格都被牢靠地装在盾壳上。当时设计了两种施工方法：–一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进；–另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。•第一种施工法后来被采用，并得到推广应用，演变为成熟的盾构法，目前所有的封闭式盾构都是基于第一种方法。此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成封闭式盾壳用全断面螺旋式开挖，衬砌紧随其后。它可以被认为是土压平衡盾构（EPBShield）的先行者。1882年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水布鲁诺尔注册专利的盾构，18061825年～1843年盾构的历史•1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家。•1957年，北京下水道工程曾经设想使用盾构法，采用直径2m或2.6m的盾构进行施工，由于种种原因未能实施。•1959年，用液体泥水支撑隧道工作面的想法由噶登纳成功地试用于一条直径为3.35m的排污隧道。•1962年2月，中国上海隧道建设公司开始启动塘桥试验隧道工程。试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。••1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来。土压平衡盾构的开发比泥水盾构要晚得多，开发土压平衡盾构是因为在日本许多大城市中对环境有严格的规定及法律。土压平衡盾构的出现，迅速在日本大城市的地下铁道、上下水道、电力通讯设施的隧道工程中得到了大量的应用。盾构的历史•1985年，Wayss&.Freytag公司和Herrenknecht公司申请了一台称之为“混合盾构”的组合盾构专利。该混合盾构隧道掘进系统的基本机器如图所示，它是Wayss＆Freytag公司专利的液力盾构，采用了独特的沉浸墙／压力舱壁布置。通过旋转喂料器可以转换到土压平衡模式或压缩空气模式。混合盾构的专利至今主要用在泥浆模式下。•混合盾构专利（Wayss&Freytag）•异形盾构：1986年日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构，又称双头型泥水盾构或双连体泥水盾构,这台双圆泥水加压式盾构是由两个直径7.42m的盾构组合而成，盾构横向总宽度为12.19m，刀盘呈半重叠状。1988年用于日本新建京叶线的京桥双线隧道施工，长度约620m。盾构的历史bookmagazine_d•1987年，上海市南站过江电缆隧道工程，成功应用我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。•1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构•1995年，北京地铁复八线成功应用一台北京地铁建设公司和铁道部隧道局自行研制的半断面插刀式盾构盾构的历史盾构的历史•2000年2月，广州地铁2号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改制的两台直径6.14m复合型土压平衡盾构，在珠江底风化岩地层中掘进。•2000年4月，北京地铁5号线工程进行区间隧道盾构掘进试验工程，引进一台德国海瑞克公司的土压平衡盾构掘进机。南京地铁1号线区间隧道也选用三台土压平衡盾构掘进机。•2001年5月，广州地铁2号线开始引进四台德国海瑞克公司的复合式土压平衡盾构机，使用获得巨大成功。至此，盾构施工技术开始在全国范围内在地铁建设和其它领域得到广泛的应用。•2006年4月，北京地下直径线引进两台直径11.7m的泥水盾构•全世界有大约12个知名的盾构主机生产厂商，包括德国的三家；法国一家；美国和加拿大各一家；日本六家；日本真正开始应用盾构也不超过40年时间，但发展迅猛，迄今为止已经有超过5000台盾构投入使用。当然，制造盾构的远远不只这些厂家。•最大直径15.2米，最小0.2米，目前有60%以上是土压平衡盾构•施工进度水平：根据不同类型的盾构，施工进度水平不同，最大进度的统计可能要算是英国西思罗机场（swot）2.91米的直径的泄洪隧道，最大施工日进度72米，平均日进度50米。盾构现状•上海隧道股份机械厂已经能够设计、生产日系盾构机，主要应用于上海、南京一带的软土隧道施工。上海隧道股份机械厂还可以独立设计制造管片模具。•做为国家863计划重点扶持项目之一，中铁隧道集团、上海隧道股份有限公司已开始国产盾构机的研制，中铁隧道集团已和日本小松、德国威尔特公司合做生产了一台盾构机、一台全断面硬岩TBM。•德国海瑞克公司先期在广州和广重合作生产盾构机,后来已在广州建立两个盾构分厂，并同时在北方和大连重工合作生产盾构机•德国威尔特公司已和沈阳重工合作生产盾构机及TBM。•日本三菱、小松及石川岛已和上海造船厂、沪东造船厂等合作生产多台盾构机国内盾构制造现状TBM简介•TBM、掘进机是利用回转刀盘上的滚刀对岩石进行挤压破碎或切割岩面来进行隧道开挖的。•全断面敞开式硬岩掘进机主要由刀盘、护盾、主驱动、前后支撑、控制部分、激光导向系统、辅助设备及后配套系统组成，主机用于开挖破岩、装碴、支护；后配套系统用于出碴、初期支护。ＴＢＭ高度集成了机械、电子、液压及控制等多项先进技术，具备自动控制推力模式、自动控制扭矩模式和手动控制三种控制方式。主机配备有掘进系统、支护系统，后配套配备有喷浆系统、出碴皮带机系统、空压机、供水设备等，•ＴＢＭ施工中多项工序可同步作业，可连续完成掘进，初期支护，仰拱块安装，风、水、电延伸和自行轨道铺设等作业。施工全过程采用电脑PLC程序控制，实现了无爆破、无振动、无粉尘的工厂化快速掘进。TBM简介单护盾TBM秦岭TBM直径8.8m德国Wirth公司辽宁大伙房水库TBM直径8.0m美国罗宾斯公司TBM简介单护盾TBMTBM简介单护盾TBMRobins单护盾TBM主机结构示意图TBM简介单护盾TBMRobins单护盾TBM主机结构俯视图19inch(483mm)and20inch(508mm)15.5inch(394mm)17inch(432mm)(SameBearingas17”)TBM简介刀具TBM简介－掌子面TBM简介－破碎岩石支护TBM简介－双护盾TBMTBM简介－双护盾TBMTBM简介－双护盾TBMTBM简介－双护盾TBM双护盾TBM的特点及工作原理1.特点（1）开挖与衬砌同步，采用管片支护，支护速度快，隧道一次成型；（2）硬岩掘进的适应性同敞开式，软弱围岩能采用单护盾模式掘进，比敞开式有更好的适应性。与敞开式TBM相比，对地质变化的适应能力更强。（3）设备与人员处于TBM壳体的保护下，安全性好。2工作原理（1）围岩破碎，采用单护盾模式掘进（类似于盾构）；（2）围岩条件好，采用双护盾模式掘进，开挖与衬砌同步。双护盾TBM工作原理图TBM简介－双护盾TBMTBM简介－双护盾TBM盾构机的分类A类盾构掘进机分类总结盾构的应用历程，纵观盾构和TBM的发展史，可以说它是随着机械制造、液压技术、电气控制和测量技术的进步而发展壮大起来的，并逐步将TBM和盾构机的功能和特点合二为一，从而使其适应于各种