盾构发展史及构成和分类

盾构法施工的起源发展及原理1、盾构法隧道的起源及发展史1818年，法国的布鲁诺尔从观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启示，提出盾构掘进隧道设想。布鲁诺尔注册专利的盾构M.I.Brunel螺旋盾构，18181825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）。1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。1963年SatoKogyo（佐藤）公司土压平衡盾构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。1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来。1966年5月，上海隧道工程公司用盾构法建造中国第一条水底公路隧道—打浦路隧道。Ф4.35M土压盾构研制及工程应用1987年，上海市隧道工程公司承建市南站过江电缆隧道工程，成功设计了我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。日本东京湾海底隧道1989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km，是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。1996年，上海隧道工程股份有限公司施工总承包延安东路隧道南线工程。长1300m圆形主隧道采用从日本引进的直径11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。延安东路隧道南线Φ11.22M泥水平衡盾构2001年11月，荷兰全球最大的TBM隧道（一个满足生态平衡的工程项目）“绿心隧道”（GroeneHart）开始掘进。法国Ø14.87m盾构进洞目前世界上最大直径Ø15.43m泥水平衡盾构，用于上海长江隧道2、中国地下工程与盾构市场分析•改革开放30年来，我国高速发展，经济实力已经傲视全球，城市化的发展进程，使得地下空间的开发利用、隧道及地下工程建设无论在规模和数量上都已经取得极大成就。但是目前基础设施建设远远不能满足经济飞速发展、人民生活需要。•预计在未来20年间，中国地下工程建设将有10万亿元以上规模市场。•这些隧道很大部分都将采用盾构施工。正在修建中的地铁城市有近30个，还有一些正在做一些前期工作，20年后，开通地铁的城市最少将在60个以上。目前城市地铁区间隧道施工工法选取原则是能盾则盾，特别是穿越江河等特殊区间隧道。城市铁路地下隧道。公路交通地下通道：上海、北京、广州、南京、杭州、深圳、天津等。城市市政建设：电力、燃气、排水、公共通道等隧道水利工程：南水北调中线、西线工程，海水西送，城市调水，国际河流引水等。海底隧道：汕尾，台山，渤海湾、台湾海峡的隧道等。盾构技术在国内的应用现状•2000年我国盾构机（含TBM）数量大约20多台；2008年约300台；目前已发展到近600台左右，由原来的集中在几个大城市，现已向全国多个主要城市分散。•除地铁、公路、铁路隧道外，应用盾构机（TBM）施工的工程还有：上海、北京、新疆、甘肃、青海、辽宁大伙房、西安、云南、穿黄、四川锦屏电站等引水水利工程，重庆、北京污水工程，磁悬浮隧道，西气东输一期、二期工程。•我国最大直径15米左右的盾构机有7台，上海隧道股份3台，中国铁建2台。中交集团2台。•小直径的顶管机，盾构机也在各种工程广泛应用。6米以上盾构国内使用情况序号管片规格mm盾构类型开挖直径mm应用情况1Φ6000—5400土压、泥水Φ6280地铁2Φ6200—5500土压、泥水Φ64403Φ6700—6000土压、泥水Φ6980东莞～深圳快速地铁4土压Φ8280秦山核电站5Φ8500—7700土压Φ8830惠深莞城际6Φ8700—7900泥水Φ9030穿黄、台山核电站7Φ9000—8100土压Φ9330长株潭城际8Φ9600—8700泥水Φ9960广深港高铁9Φ10000—9000土压Φ10260北京地铁10Φ10800—9800泥水Φ11182广深港高铁11Φ11000—10000泥水Φ11380武汉长江过江隧道12Φ11200—10200泥水Φ11640南京双线地铁13Φ12800—11700泥水Φ13230广深港高铁14土压Φ14270上海外滩隧道15Φ14500—13300泥水Φ14960南京长江过江公路隧道16Φ15000—13700泥水Φ15510上海长江过江公路隧道3、盾构分类与选型原则盾构（TBM)分类按动力分类按密闭分类按平衡方式分类按挖掘方式分类按护盾方式分类手掘式半机械式密闭式气压平衡式护盾式土压平衡式刀盘式护盾式泥水平衡式护盾式机械式开敞式正、反铲开敞式铣削式刀盘式护盾式全断面掘进机软土掘进机盾构机敞开式人工挖掘模式盾构机机械挖掘模式盾构机密闭式土压平衡式盾构机泥水平衡式盾构机混合模式式盾构机硬岩掘进机敞开式单护盾硬岩掘进机双护盾硬岩掘进机掘进机开敞式硬岩掘进机混合模式硬岩掘进机a.土压平衡盾构土压平衡盾构掘进机与工法土压平衡盾构工法示意图b.泥水平衡盾构泥水盾构掘进机与工法地面泥水处理装置地层情况与盾构选型的关系Seite2April20045N.ZuberYellowRiverProject.1234567891011121.ZeilebleibtimmerfreiEPBMethods土压平衡区间MixshieldMethods泥水盾构区间60,020.06,02,00,60,20,060,020,0060,0020,0011009040302010080706050SieveSizeFineClaySiltSandGravelMediumMediumCoarseFineCoarseFineMediumCoarseGraindiameterd(mm)粒径直径MMSieveresidueinweight%EPB/MixshieldRange.粒径分布与盾构选型图Portionofgrainsdin%ofthetotalamount不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡式盾构较适应于粉细颗粒地层，使切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性。而泥水平衡式盾构机较适应于较粗颗粒地层及水压较高的地层，通过泥浆在砂土地层形成泥膜，以保持开挖面的稳定。两种盾构机的适应范围见地层颗粒粒径分布与盾构机选型关系图。地层渗透性、水压与盾构机选型的关系地层渗透系数是盾构机选型另一个重要的因素。根据国外的施工经验，两种盾构机对于地层渗水性能适应范围见下图。其中渗透系数1×10－7m/s是个分界点，大于此系数宜选用泥水平衡式盾构机，小于此系数宜选用土压平衡式盾构机。粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗水性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构透水系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10-10-11地层渗透系数与盾构选型关系示意图项目土压平衡盾构泥水平衡盾构优选断面开挖面的稳定可以通过控制塑流土体的压力来保持工作面的稳定，依靠泥土的不透水性在螺旋机内形成土塞效应抵抗水土压力。可以通过控制泥水压力来迅速保持工作面的稳定，依靠泥水在开挖面形成的泥膜抵抗水土压力，更能适应高水压地层。泥水平衡盾构对地面沉降量的控制依靠保持土仓压力、控制推进速度、维持切削量与出土量相平衡，对压力波动敏感程度较差，压力传递较慢，压力控制精度不如泥水平衡盾构。依靠控制泥浆质量、压力及推进速度、保持送排泥量的动态平衡，对压力波动敏感、压力传递迅速、便于压力控制、控制精度高，对地面沉降量控制精度高。泥水平衡盾构泥水和土压盾构特点对比隧道埋深隧道埋深可相对较浅，对于埋深大的地层，可以通过控制加泥压力来施工。对于埋深大的地层，可以通过控制泥水压力来施工；对浅覆土，泥水压力控制难度相对较大，有冒浆的危险。土压平衡盾构渣土出土及推进效率在隧道内用机车牵引渣车进行运输，或用皮带机运输到井下集土坑，由门吊提升出渣，效率低；输送随着掘进距离的增加，其施工效率也降低，辅助工作多使用泥浆泵泵送流体形式出渣土，直接泵送到地面泥水处理池，效率高。掘削下来的渣土转换成泥水通过管道输送，辅助工作少。泥水平衡盾构所需地面设备、场地无需对弃土进行处理即可运送，无需大规模场地，不会对周围环境造成污染，能以最少的设备进行施工，经济性良好。需要大规模的泥水处理设备和大规模场地，对于精细土体粒子难以分离，处理弃土费用昂贵，若直接排放，则造成环境污染。土压平衡盾构对土体性能改良的影响土体改良、土体搅拌力较大，特别是大直径盾构中的土体很难搅拌均匀，不利于土体塑流性能的改良和改善。在泥水中搅拌力较小。泥水平衡盾构刀盘及刀具寿命刀盘转矩刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土渣与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘的寿命比泥水平衡盾构要短，刀盘驱动转矩比泥水平衡盾构大。切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到润滑冷却作用，摩擦阻力与土压平衡盾构相比要小，泥浆搅拌阻力小，相对土压平衡盾构而言，其刀具、刀盘的寿命要长，刀盘驱动转矩小泥水平衡盾构c.异型盾构d.双圆盾构e.TBM硬岩盾构直径4.35mTBM用于阿根廷隧道工程TBM盾构圆盘滚刀破碎后的岩石块正被排出直径4.05mTBM盾构4、盾构的主要部件和组成土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。刀盘在盾构的最前端装有刀具，能旋转切削土体的钢结构组合体刀盘形式a)刀盘形式应按能适合地质情况、切实发挥其功能的原则选定。b)刀盘结构形式分为：辐条形、面板形，具体形式应根据施工条件、土质条件等决定。面板式辐条式刀具先行刀盘形滚刀刮刀周边刮刀刀盘驱动装置驱动刀盘旋转的装置。有液压驱动、变频电机驱动、定速电机驱动三种形式。该装置包括液压马达、电动机或变频电机、减速器、小齿轮、大轴承等。刀盘驱动系统主驱动系统大轴承主轴承外密封主轴承内密封主轴承减速器液压马达刀盘联接件搅拌装置搅拌装置应在刀盘的开挖部位、取土部位能有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、附着、沉淀等现象。a)刀盘上的刀具、轮辐、中间梁在开挖过程中也起到搅拌的作用。b)刀盘背面的搅拌翼c)设置在土仓壁上的固定翼d)独立驱动搅拌翼e)设置在螺旋输送机芯轴上的搅拌翼管片拼装机拼装管片的机械装置，能夹持或吸附管片作圆弧运动、径向运动和纵向运动等管片拼装机种类管片拼装机的形式有盘式和中心筒体式等形式盘式拼装机一般以挡轮、托轮定位中心筒体式一般以大轴承来定位管片拼装机管片拼装机的性能应满足：ａ）提升力应是最大提升总重量的1.5～2倍；ｂ）平移力应是克服平移阻力的2～5倍；ｃ）回转速度有低速和高速两种，在0～1.5r/min之间可调整，回转速度也可以是无级调速，可在0～3r/min间变化；ｄ）平移距离应根据管片的宽度、封顶块插入的形式、纠偏等因素综合考虑；ｅ）回转驱动装置应带有液压或其他形式的制动器；f）正负旋转角度不小于±210°管片拼装机夹持装置拼装机夹具有机械连接式、真空吸盘式螺旋输送机（土压平衡盾构）输送土仓中土体的机械装置，包括螺旋部分、驱动和闸门等装置。驱动螺杆筒体螺旋机驱动结构图闸门装置轴承油马达测速齿轮螺旋输送机结构根据螺旋的形状，可分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机以出土部位分，可分为轴向出土和径向出土紧急关闸装置为了防止在失电情况下泥水倒灌入盾构内，应设有紧急关闸装置，可用蓄能器作为紧急关闭闸门的动力源多节螺旋机泥水输送系统（泥水平衡盾构）旁路模式：设备待命泥水输送系统的控制模式泥水输送系统的控制模式HMT6,65FDPPPPPPPPPPVersusinedetraitementd