盾构施工基本原理介绍

盾构技术在中国的应用与发展ApplicationandDevelopmentforShieldMethodinChina2011年3月2日主要介绍内容•盾构技术发展历史•盾构技术在中国的应用•盾构技术施工基本原理•工程实例分析一、盾构技术发展历史盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。盾构机技术仍有巨大的发展余地。现在的盾构机几乎全是针对具体项目规范和地质条件而量身订做。盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。根据盾构机开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。敞开式手掘式及半机械式盾构均为半敞开式开挖，这种方法适于地地质条件较好，开挖面在掘进中能维持稳定或在有辅助措施是能维持稳定的情况，其开挖一般是从顶部开始逐层向下挖掘。若土层较差，还可借用千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑。采用敞开式开挖，处理孤立障碍物、纠偏、超挖均为其它方式容易。为尽量减少对地层的扰动，要适当控制超挖量与暴露时间。机械切削式指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘开挖方式。根据地质条件的好坏，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种。刀架间无封板适用于土质较好的条件。大刀盘开挖方式，在弯道施工或纠偏是不如敞开式开挖便于超挖。此外，清除障碍物也不如敞开式开挖。使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大。目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。网格式采用网格式开挖，开挖面由网格梁与格板分成许多格子。开挖面的支撑作用是由土的粘聚力和网格厚度范围内的阻力而产生的。当盾构推进是，土体就从格子里挤出来。根据土的性质，调节网格的开孔面积。采用网格式开挖时，在所有千斤顶缩回后，会产生较大的盾构后退现象，导致地表沉降，因此，在施工务必采取有效措施，防止盾构后退。挤压式全挤压式和局部挤压式开挖，由于不出土或只部分出土，对地层有较大的扰动，在施工轴线时，应尽量避开地面建筑物。局部挤压时施工时，要精心控制出土量，以减少和控制地表变形。全挤压式施工时，盾构把四周一定范围内的土体挤密实。Brunel盾构1825年应用于泰晤士河，1841年贯通敞开式盾构泥水式双圆盾构土压平衡盾构2006年上海地铁六号线9标应用2003年翔殷路轨道8号线运用荷兰14.87泥水盾构复合式盾构广州地铁2号线挤压式盾构网格式盾构二、盾构技术在中国的应用1.1950年初，在辽宁阜新煤矿使用手掘式盾构修建疏水巷道工程2.1957年的北京市下水道工程中进行过小口径盾构工法的尝试。3.60年代，为了修建北京地铁，也有过研究盾构施工技术，并成功地进行了试验。4.60年代在北京进行了1:500的盾构挤压混凝土衬砌的模拟试验。60年代北京地铁用盾构试验5.上海地区软土地基盾构发展历史6.1966年采用φ10.22m网格挤压式盾构修建打浦路过江隧道工程打浦路直径10.2m网格挤压型盾构掘进机建成于1970年，位于市区西南角，以货运为主。隧道西双车道，全长2761m。隧道采用全横向通风方式，隧道内设有照明、通讯、监视仪、排水泵房、消防等装置。是国内第一条水底公路隧道，也是第一条采用盾构法施工的隧道。隧道位于区境西南打浦路处，为上海市第一条穿越黄浦江水底的公路隧道。1959年制订规划，上海隧道局设计，经专家组审定，由国务院批准列为国家基本建设项目。1966年动工，1970年建成，1971年6月正式通车。7.1988年建成的φ11.3m的延安东路过江隧道等都是应用盾构技术在软土地层施工成功,长2.2公里。延安东路直径11.3m网格型水力出土盾构掘进机是上海连接浦东与浦西，跨越黄浦江的一条主要道路，由南北两条隧道组成，共4条行车道。隧道浦西出口位于延安东路福建路口，浦东出口则位于陆家嘴银城中路路口，直接连接世纪大道。全长2,261米，穿越黄浦江的部分有1,476米。车道宽7.5米，高4.5米，原本为双程行车，每小时流量为1,000辆。8.2003年6月，当时中国最大的盾构法隧道翔殷路开工，采用直径为11.58m的超大型泥水平衡盾构掘进翔殷路盾构9、2008年7月，上海外滩通道工程施工方采用了直径14.27米的超大土压平衡盾构。10.北京枢纽北京站至北京西站地下直径线，简称北京地下直径线，是北京市正在建设中的一条铁路地下联络线，两端分别连接北京西站和北京站，是北京铁路枢纽的重要组成部分。该线在2005年12月24日动工。地下直径线全长9.156公里，盾构直径11米。11.“十二五”中国轨道交通发展规划2010年5月27日召开的2010中国（长春）国际轨道交通与城市发展高峰论坛上了解到，中国城市正在兴起轨道交通建设热潮，目前有27个城市正在筹备轨道交通的建设。中国土木工程学会理事长谭庆琏介绍说，截至2009年底，中国投入运行的城市轨道交通线路总长达到962公里，目前有27个城市正在筹备轨道交通的建设。预计到2015年前后，中国城市轨道交通线路将达到87条，运营总里程将超过2500公里。此外，南京、武汉、长春、沈阳、杭州、成都、西安等中国一大批省会城市也纷纷规划建设地铁。城区人口约300多万的长春市正在准备建设全长约20公里的首条地铁线路。与会业内人士普遍表示，积极发展轨道交通，正在成为中国解决城市拥堵难题的一项重要措施。交通拥堵问题是中国在城市化进程中遇到的前所未有的突出问题。中国住房和城乡建设部总经济师李秉仁认为，“解决城市交通拥堵问题，关键是我们要减少机动出行，优先发展公共交通，特别是发展城市轨道交通，这是解决城市交通拥堵的有力措施之一。”中国工信部装备工业司副司长王富昌表示，中国发展轨道交通面临着难得的机遇，既符合中国政府实施的积极扩大内需的方向，同时，随着全球气候的变化，低碳经济越来越受到世界各国的重视，轨道交通方式具有单位能耗低、排放少等特点，顺应未来的发展趋势。同时，一些专家和业内人士也表示，发展轨道交通，也需要解决很多现实问题，包括如何解决轨道交通的运营和管理问题，扭转轨道交通普遍亏损的局面。此外，中国轨道交通设备的核心技术也需要加强攻关，尽快实现新的突破，带动轨道交通事业实现更快发展。“北京、上海等地都在修改扩容原先的规划，‘十二五’期间，这些城市的地铁线路或将延长一倍。”上海轨道交通领域专家王振信说，其他的省会城市大多已开始规划地铁线路，二线城市也在积极规划。据悉，北京2009年地铁通车里程共228公里，今年年底预计达到330公里。北京市副市长黄卫此前表示，北京2015年地铁规划里程原先是561公里，但实际可能会达到580公里。再过5年，到2020年预计再翻一番，超过1000公里。而上海目前轨道交通建成线路总长达到420公里，上海轨道交通建设指挥部副总指挥应名洪表示，“十二五”期间，上海城市轨道交通新建里程将超过200公里。国家发展改革委基础产业司巡视员李国勇今年3月份曾透露，全国有33个城市正规划建设地铁。2020年全国规划地铁总里程将达6100公里，2010至2015年地铁建设投资规划额将达11568亿元，将是今年的5.93倍。中金公司最近的报告称，中国已有36个城市上报了城市轨道交通建设规划，2009-2020年，城市轨道交通新增营业里程将达到6560公里。预计到2020年，全国城市轨道交通累计营业里程将达到7395公里。以每公里5亿元造价计算，2009-2020年城市轨道交通将投入3.3万亿，年均达2700亿元，中国城市轨道交通建设将迎来黄金十年。北京在“十二五”期间，除东西二环以外，还将在首体南路、学院南路等地建设5条地下隧道以疏解节点处的拥堵。昨日记者从市两会上了解到，共有7条地下隧道将在今年规划设计。市规划委主任黄艳介绍说，目前已经确定先期建设的7条地下隧道分别是东西二环、首体南路、学院南路、西山隧道、台基厂大街和北辰东路南延。地下隧道也是城市道路建设的一部分，目前本市路网中还有不少断头路，而地下隧道是连接断头路的有效方案之一。据了解，这些地下隧道都处在地上基础设施和地下管线密集地区，地质较复杂，还要涉及下穿立交桥、地铁、盖板河等施工难题。勘探部门已经开始勘测，目前，首体南路、学院南路和西山隧道3条地下道路已完成了初期地质勘探，7条隧道的具体线位将在勘探完成后确定。北京上海天津广州深圳南京重庆成都武汉沈阳长春杭州西安乌鲁木齐兰州合肥昆明哈尔滨佛山台北香港大连鞍山济南青岛高雄长沙已通车的城市前期工作城市在建设的城市苏州中国地铁建设计划上海地铁规划2010年，建成的线路是：1（北延伸到泰和路），2（虹桥临空园区-浦东机场），3（北延伸到铁力路），4，5，6（港城路到主题公园），7（祁连山路外环路到新国际博览中心），8（新江湾城到三林镇和上南路外环线），9（松江新城到杨高路内环线），10（西郊公园到军工路新江湾城）11（嘉定-石龙路）12（漕河泾到高桥）13（金沙江路外环线-汉中路），2020年里程达到970公里。广州地铁规划广州地铁(GuangZhouMetro)是广州市的城市轨道交通系统，由广州市地下铁道总公司负责营运管理。现有1号线（西朗—广州东站）、2号线（嘉禾望岗—广州南站）、3号线（机场南—体育西路、天河客运站—番禺广场）、4号线（黄村—金洲）、5号线（滘口—文冲）、8号线（凤凰新村—万胜围）、广佛线（魁奇路—西朗）及APM线（赤岗塔—林和西）正在营运中，广州地铁现时的运营总里程为236公里（含广佛线佛山段）。但远远无法满足交通需求，为解决拥阻的道路交通，广州地铁在亚运后将进行新一轮的建设。广州地铁的远期规划长度为600公里。2011年2月28日，北京正式开工建设8条地铁线，其中，15号线一期西段、6号线二期等5条线路昨日动工；山后线、16号线以及燕房线列入本市2015年地铁路网规划，年内开工建设。目前共16条地铁线路在建。深圳地铁规划目前深圳地铁已开通四条线路包括罗宝线（原一号线）罗湖至深大段、蛇口线（原二号线）赤湾至世界之窗段、龙岗线（原三号线）高架段及龙华线（原四号线）南段。一期工程于2004年12月28日试通车运营。总计19个车站，总长21.866千米。2009年9月28日，深圳地罗宝线续建工程首通段正式开通试运营，10月1日正式运营。1号线首通段包括白石洲、高新园、深大三站三区间，全长3.39公里。直到2010年12月28日，蛇口线（世界之窗—赤湾）南段、龙岗线（草埔—双龙）北段已开通试运营。2010年新开通的线路长34千米。提出2011年至2020年间的建设方案，其中包括龙华线的北延段（三期），以及8条新建的地铁线路：6－12号线，总长约245.4千米。远期方案规划了至2030年的16条地铁线路，总长585.3千米，设站357座。其中组团快线4条、干线6条、局域线6条。12.中国用掘进机修建铁路隧道TB880E全断面硬岩掘进机修建的秦岭18.4km铁路隧道TB880E掘进机对全长252m的TB880E掘进机而言，技术含量高、操作复杂，其90%的指令由主控室发出，任意一个误操作都会影响施工或酿成重大事故，所以，正确地操作、合理地选择掘进参数是非常重要的。秦岭18.4km铁路隧道安康至南京磨沟岭铁路隧道(掘进机)磨沟岭隧道全长6113米，位于我省商南县和丹凤县交界处，地处秦岭中低山区，地质结构复杂。施工时采取地质超前预报，TBM超前导管注浆技术和及时施作初期支护等有效手段，攻克了TBM软弱围岩施工技术难题，最高月掘进528．1米的记录，仅用18个月打通了磨沟岭隧道。地震法是当前隧道中长期超前预报的主流方法。它包括：负视速度、HSP