第一篇盾构发展概要与应用

第一篇盾构发展概要与应用提纲•一盾构的起源与发展•二盾构在我国的应用与发展•三盾构发展现状及发展趋势•四盾构法施工新技术•五盾构工程施工风险•六盾构市场前景一盾构的起源与发展1.1盾构的起源•1806年，法国工程师马克•布鲁诺尔（MarcIsambrdBrunel）在伦敦的一艘船上,发现船的木板中，有一种蛀虫钻出孔道，并用它自己分泌的液体涂在孔壁上,在蛀虫钻孔的启示下，布鲁诺尔发现了盾构掘进隧道的原理,并在英国注册了专利。•◆布鲁诺尔专利盾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。•◆是手掘式网格盾构的雏形。•盾构的问世已有187年的历史。1825年，马克•布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m，宽11.4m的矩形盾构修建了第一条盾构法隧道。1.2“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。1.3圆形盾构的开发•1869年，英国人詹尼斯•亨利•格瑞海德（JanesHearyGreathead）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，并第一次采用了铸铁管片。1.4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的盾构，通过液体流，土料以泥浆的形成排出。1.5压缩空气的使用◆1886年，詹尼斯•亨利•格瑞海德（JanesHearyGreathead）在伦敦地下施工中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。1.6机械化盾构的开发•第一个机械化盾构的专利是1876年英国人约翰•荻克英森•布伦敦（JohnDickinsonBrunton）和姬奥基•布伦敦（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在刀盘上的料斗中，料斗将土碴转运到皮带输送机上。辐条式刀盘机械化盾构•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，在4个幅条式刀盘上装有切削工具，刀盘通过一根长轴由电机驱动。1.7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。1.8泥水加压盾构的开发•1964年英国摩特·亥（Mott·Hay）和安德森（Anderson）及约翰·巴勒特（John·Bartlett）申请了泥水加压平衡盾构的专利。但由于英国当时缺乏能适合促进这种技术的隧道工程，这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。•1974年，德国Wayss&Freytag公司开发了德国的第一台泥水盾构，并在德国汉堡使用。1.9土压平衡盾构的开发•1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用，该盾构由日本IHI（石川岛播磨）公司制造，其外径为3.72m。1.10复合盾构的开发•复合盾构主要是针对欧洲的地质条件由德国开发的。1985年，Wsyss&Freytay公司和海瑞克公司申请了混合式盾构的专利。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/压力隔板结构。可转换为泥水模式、土压模式、敞开模式运行。二盾构在我国的发展与应用2.1手掘式盾构的开发与应用•我国盾构的开发与应用始于1953年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。•1962年2月，上海城建局隧道工程公司研制了1台直径4.16m的手掘式普通敞胸盾构。2.2网格挤压式盾构的开发与应用•1965年3月，江南造船厂制造了2台直径5.8m的网格挤压盾构。•1966年5月，中国第一条水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工程由江南造船厂制造的直径10.22m网格挤压盾构施工。•1966年，北京城建集团前身基建工程兵为修建北京地铁，研制网格式压缩混凝土盾构成功地进行了试验。•1973年，采用1台直径3.6m的水力机械化出土网格盾构和2台直径4.3m的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了1条污水排放隧道和2条引水隧道。•1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了1台直径6.412m网格挤压盾构，在淤泥质粘土地层中掘进隧道1130m。•1982年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径11.3m网格挤压水力出土盾构施工。▼2.3插刀盾构的开发与应用•1986年，中铁隧道集团开始研制半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。•半断面插刀盾构将“盾构法”与“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。2.4土压平衡盾构的引进与开发1987年，上海隧道股份研制成功了我国第一台4.35m加泥式土压平衡盾构。1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道引进采用7台由法国FCB公司制造的6.34m土压平衡盾构。2.5泥水盾构的引进•1996年，上海延安东路隧道南线工程，总长1300m，采用从日本引进的11.22m泥水加压平衡盾构施工。2.6我国盾构开发研究•我国于1964年经周总理批准在国家科委领导下，成立了掘进机攻关小组，取得一定的成果。•2002年8月，国家科技部将6.3m土压平衡盾构的研究设计列入国家“863”计划。•2004年5月，中铁隧道集团与日本小松联合制造了1台6.3m土压平衡盾构，并成功应用于广州地铁和北京地铁施工。•2004年10月下旬，上海隧道股份成功制造了一台6.34m土压平衡盾构（先行号）应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。•2005年12月，中铁隧道集团研制出了适用于北京地铁砂砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘，并成功应用于北京地铁4号线19标颐和园～圆明园区间。北京地铁刀盘大直径泥水盾构技术消化吸收与设计研究•2006年中铁隧道集团在国外大直径泥水盾构技术消化吸收及研究的基础上，设计和制造了具有自主知识产权的国内唯一的模拟盾构控制系统试验平台，模拟盾构直径为2.5m。复合盾构研制•中铁隧道集团在引进消化吸收和自主创新的基础上，于2008年4月研制成功了具有自主知识产权的复合盾构。三盾构发展现状及发展趋势3.1盾构发展现状•国外盾构经历了四个发展阶段：•一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；•二是以机械式、气压式盾构为代表的第二代盾构；•三是以闭胸式盾构为代表（泥水加压平衡式、土压平衡式）的第三代盾构；•四是以大直径和微型直径、高智能化、断面多样化为特色的第四代盾构。手掘式盾构布鲁诺尔机械式、气压式盾构闭胸式盾构大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构易北河第四隧道14.2m泥水盾构3.2与国外的差距•掘进机的技术发展一直在围绕地层稳定和地面沉降控制、自动化掘进和提高掘进速度、衬砌和隧道质量三个要素进行改进和施工方法的革命。中国制造业与国外产品相比存在着巨大的差距和困难，主要表现在以下几个方面：•研究试验及设计：•（1）首先，在模型试验与系统仿真方面，国外在盾构研制开发过程中，非常重视系统仿真与模型试验，作为实现盾构结构与性能优化设计的重要手段。在适应性设计上，德、日等国，在长期的实践探索过程中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设计理论；如日本早在1969年就编制《盾构施工法指南》，1986年编制《隧道标准规范（盾构篇）及解说》。•我国目前缺乏适应不同地质设计理论和经验数据指导，总体设计能力偏弱。•研究试验及设计：•（2）其次，我国在系统集成技术方面，特别是关键技术尚没有形成真正的自主设计能力。•（3）第三，刀具及刀盘设计技术在地质适应性设计方面缺少完整的理论依据，经验数据和可靠的试验数据。•制造加工及配套：•结构设计形式单一，目前国内还在研制单圆结构，国外已有双圆、三圆、球体盾构等多种形式。•国内相关配套设备生产技术相对落后，许多关键设备还需要进口，影响盾构的国产化进程。如盾构刀盘驱动的主轴承、液压泵、驱动马达、液压阀件、检测元件、刀具等质量稳定性差。•在衬砌、管片制作及拼装技术方面；国外已实施全自动化拼装系统，包括混凝土管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。目前，国内盾构虽然实现了管片移动的机械化，但是管片的对中、就位、拼装等大多数还是靠人工作业。•检测控制：•需要解决地层稳定控制检测技术与掘进导向技术。•国外盾构施工的液压推进与导向技术已经比较成熟，通过在开挖面与盾构周边必要的位置布置各种监控点，采集盾构运行状态、土压和地层扰动等多种信号，将这些信号一起输送给计算机进行分析处理，然后计算机再将处理数据指令发送给盾构各执行元件，实现对盾构推进和导向的自动控制。•目前，国内在利用激光、陀螺并用的盾构自动方向控制系统；模糊控制理论用于盾构姿态控制等相关技术方面的开发研究取得了一定的成果。但根据地表沉降和变形及运动轨迹进行实时反馈控制技术尚不完善。•操作使用：•国家对掘进机制造及产业化缺乏统一的规划，国内企业多采取合作生产方式，核心技术仍掌握在国外制造商手中。•掘进机研究开发及使用人才的培养至关重要。一些发达国家的高等院校等都设置有关TBM的专业课程，并进行研究生培养。国际上一些著名的学术团体也常与高等院校、咨询公司、生产厂家联合开办有关TBM人才培养方面的进修班或研讨班。我国在这方面差距较大，应采取有力措施迎头赶上。更重要的是，要培养一批训练有素的施工队伍。•目前国内很多工程项目招投标时要求买国外产品，对国内产品缺少信心，又不愿承担责任和风险，怕出问题不好交待；使得施工单位在投标过程中只能与国外联合，或全部从国外进口设备。也有施工单位肓目追求高档、进口产品。3.3盾构发展趋势•国际上盾构技术日趋完善，盾构的类型在不断增多，适用范围不断扩大，断面尺寸在向两极发展，所应用的地质条件也更为复杂。•主要发展趋势可以大致归纳为五个方面:3.3.1小型和超大型化•为适应隧道及地下工程建设的发展需要，盾构的断面尺寸在向超大断面（直径大于12m）与小型断面（直径2m左右）方向发展；目前国际上最大盾构的直径已达15.43m。•随着城市化的发展，用于民生的各种地下工程和地下管网也越来越急需开发，为了保障城市的生态环境及正常生活，环保型、不扰民的地下共同管沟的建设也要求盾构施工技术进行创新，因此，微型全断面隧道掘进机（Micro-TBM）的发展将越来越重要。15.43m大直径泥水盾构3.3.2形式多样化、更经济合理•为适应不同工程条件和环境的需要，盾构的形式越来越多，目前，已生产了断面为圆形、矩形、双圆、三圆、球型盾构、子母盾构等。•盾构制造及使用成本更趋经济合理。MMST盾构球体盾构双圆盾构H&V盾构变形断面盾构三圆盾构3.3.3隧道施工长距离化•在高速铁路、高速公路、运输通道向城市地下空间发展、超远距离的调水工程，以及城市轨道交通建设为降低成本，标段划分长度越来越大，长隧道的应用就越来越多，因此适用于长距离隧道掘进的盾构需求正在增长。•世界各国都在研究掘进长距离隧道的盾构设备，满足其高可靠性、使用寿命长、准确的空间定位及监控操作人性化等技术。3.3.4高智能化、更安全可靠•目前，盾构都使用了机械传动与控制技术、计算机控制技术、现代传感检测技术、激光导向技术、超前地质探测技术和网络远程通讯遥控技术等。•随着计算机控制技术的快速发展，盾构的自动化程度越来越高，具有姿态管理、设备管理、施工数据采集、处理和实时远距离传输等功能。在盾构施工中以实现智能化的操作模式，体现出盾构控制系统的多学科化，性能可靠更安