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1、泥水盾构技术介绍 1 盾构技术基础内容 1 盾构机概述 基本概念 历史与现状 2 盾构机的分类3 泥水盾构基本工作原理4 泥水盾构机与配套设备5 泥水平衡盾构施工6 关键技术问题 2 3 4 5 6 7 泥水盾构机 8 1 盾构概述 基本概念 历史与现状 1 1盾构基本概念 盾构机 ShieldMachine TunnelBoringMachine TBM 也称为隧道掘进机 综合配有各种不同的挖掘 顶进 转向 支护 排渣 衬砌 运输机械 和自身配备的传感 测量与控制装置一起 形成一个完整的施工机械系统 9 盾构实际上是盾构机的简称 它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同 尺寸稍大 内藏挖土 排
2、土机具 自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械 以盾构为核心的一整套完整的隧道施工方法称为盾构工法 盾构工法的设想19世纪初产生于英国 已有200年的历史 盾构工法问世以前隧道施工主要靠开挖法 但就城市隧道施工而言 开挖法存在受地形 地貌 环境条件的限制 开挖法给城市交通带来极大不便 开挖产生的地层沉降较大 施工机械的噪声和振动 施工对环境构成的污染等诸多不利因素 相对而言 盾构工法不存在这些缺陷 故受到人们的极大重视 并得以迅速发展 人们不仅开发了软土盾构工法 而且还开发了适于卵石地层等多种其它地层的盾构工法 此外 还在提高安全性 提高工程质量 缩短工期及降低成本等方面作了精心的研究和开发 并取得
3、了较大的成功 目前盾构工法在城市隧道施工技术中已确立了稳固的统治地位 且已成为一种必不可少的通用隧道施工技术 10 1 2盾构发展历史 1806 Brunel shield 11 18世纪未英国人提出在伦敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构想 并对具体的掘削工法和使用机械等问题做了讨论 到1798年开始着手希望实现这个构思 但由于竖井挖不到预定的深度 故计划受挫 但横贯泰晤士河隧道的设想与日俱增 4年后Torevix决定由另一地点建造连结两岸的隧道 随后工程再次开工 施工中克服了种种困难 当掘进到最后30m时 开挖面急剧浸水隧道被水淹没 横贯泰晤士河的设想再次破灭 工程从开工到被迫终止用了5年时间
4、横贯泰晤士河的计划在以后10年中未见显著进展 12 1818年Brunel观察了小虫腐蚀木船底板成洞的经过 从而得到启示 在此基础上提出了盾构工法 并取得了专利 这就是所谓的开放型手掘盾构的原型 Brunel对自己的新工法非常自信 并于1823年拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划 随后 这个计划由当时的国会确认 工程于1825年动工 隧道长458m 隧道断面为11 4m 6 8m 工程进展顺利 但因地层下沉 致使工程被迫中止 但Brunel并没有因此而灰心失望 他总结了失败的教训 对盾构做了7年的改进 后于1834年工程再次开工 又经过7年的精心施工 终于在1841年贯通隧道 Bru
5、nel在该隧道中采用的是方形铸铁框盾构 自Brunel向泰晤士河隧道挑战到隧道峻工前后经历了20个春秋 Brunel经过不懈的努力 克服了种种困难 终于最后取得了胜利 此时 他已是72岁的老人 Brunel对盾构工法的贡献极为卓著 这是后人的一致公论 13 1825 43 Brunel shield 14 1825 43 Brunel shield 15 1882 ThamesIrruptionwater 16 1876 mechanisedshield 17 自Brunel的方形盾构以后 盾构技术又经过了23年的改进 到1869年建造横贯泰晤士河上的第二条隧道 首次采用圆形断面 外径2 18
6、m 长402m 这项工程由Burlow和Great两人负责 Great采用了新开发的圆形盾构 使用铸铁扇形管片直到隧道掘削结束未出任何事故 随后Great在1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功 这为现在的盾构工法奠定了基础 从起初Torevix反复失败和受挫折 到引出Brunel的盾构工法 及进而改进成为Great的盾构工法前后经过80年的漫长岁月 18 1904 08 9 35m 19 19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国 法国 德国 日本 苏联等国 并得以不同程度的发展 美国于1892年最先开发了封闭式盾构 同年法国巴黎使用混凝土管片建造了下水道隧道 18
7、96年 1899年德国使用钢管片建造了柏林隧道 1913年德国建造了断面为马蹄形的易北河隧道 1917年日本采用盾构工法建造国铁羽越线 后因地质条件差而停止使用 1931年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道 施工中使用了化学注浆和冻结工法 1939年日本采用手掘圆形盾构建造了直径7m的关门隧道 1948年苏联建造了列宁格勒地铁隧道 1954年中国阜新建造 2 6m的圆形盾构疏水隧道 1957年中国北京建造了 2m 2 6m的盾构下水道隧道 1957年日本采用封闭式盾构建造东京地铁隧道 总之在这50 60年的时间里盾构工法虽然也有进步 但这一时期的特点是盾构工法在世界各国得以推广普及 20 21
8、 22 20世纪60 80年代盾构工法继续发展完善 成绩显著 1960年英国伦敦开始使用滚筒式挖掘机 同年美国纽约最先使用油压千斤顶盾构 1964年日本埼玉隧道中最先使用泥水盾构 1969年日本在东京首次实施泥水加压盾构施工 1972年日本开发土压盾构成功 1975年日本推出泥土加压盾构成功 1978年日本开发高浓度泥水盾构成功 1981年日本开发气泡盾构成功 1982年日本开发ECL工法成功 1988年日本开发泥水式双圆搭接盾构工法成功 1989年日本开发HV工法 注浆盾构工法成功 总之这一时期的特点是开发了多种新型盾构工法 以泥水式 土压式盾构工法为主 23 1990年 2003年这一段时
9、间里盾构工法的技术进步极为显著 归纳起来有以下几个特点 盾构隧道长距离化 大直径化 盾构多样化 施工自动化 24 1 3我国盾构应用情况 1 盾构台数多 现有各类盾构机150多台2 盾构种类齐全 土压平衡式 泥水平衡式 双护盾式 硬岩 复合式 盾构直径大 小均有 最大为15 4米 目前世界最大 3 盾构适应地质范围不断扩大 4 盾构应用范围广 地铁 铁路 公路 水利 观光 市政 燃气等 得到广泛认可 5 盾构施工技术水平提高 25 2 盾构机的分类与选型 一般将全断面隧道掘进机器 TBM 分为三类 即盾构机 shieldmachine 岩石掘进机 tunnelboringmachine TBM
10、 和顶管掘进机 pipejackingmachine 这三种机器原理基本相似 随着科学技术的发展和机器的不断改进 盾构机与TBM的差别越来越小 人工开挖式 机械开挖式敞开式 密闭式土压平衡式 泥水平衡式软土盾构 硬岩盾构现代盾构机主要分为土压平衡式 泥水平衡式 硬岩式 复合式等类型 26 复合式盾构 盾构类型 泥水平衡式 开式 土压平衡式 硬岩式 27 28 盾构机选型依据 29 泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表 30 泥水平衡式盾构机与土压平衡盾构机工作特点对比表 31 地层情况与盾构选型的关系 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
11、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 32 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 33 3 泥水平衡式盾构原理 34 泥水平衡盾构机的工作原理 35 泥水盾构机的泥水循环系统 36 泥水盾构气垫工作原理 泥浆性能指标 粘度25s 3
12、0s PH值7 10 相对密度1 2 可渗比14 16 析水量小于5 通过加压把泥浆中的悬浮颗粒挤压到开挖的掌子面上 形成一层泥膜 使开挖面不易坍塌 也就是所谓的 泥浆护壁原理 37 开挖仓 分隔仓板 气垫 人闸 承压隔板 38 泥水加压平衡盾构机的技术优势 泥水加压平衡盾构机的操作 气泡调节原理 有如下优点 在不稳定的 混合土层中能够安全地进行隧道开挖掘进能够在高压状态下安全地进行隧道开挖掘进减少地面受到影响的危险性 沉降 超挖 坍塌等 对格栅 岩石破碎机区域的维保更加容易泥水管路和保护格栅被堵塞的危险减小断电时 例如高压电缆延伸时 和泥水回路停止运转时 管路延伸 进行维保等 有效的隧道掌子
13、面压力支撑减少大的障碍物 漂石等 进入排泥管 岩石破碎机的危险人员能够安全进入格栅 岩石破碎机区域进行维保工作 39 40 4 泥水盾构机与配套设备 4 1 盾构机 刀盘 刀具 主驱动 推进系统 泥水输送设备 管片拚装机 注浆设备 电气设备 液压系统 冷却系统 PLC 台车等 4 2 泥水处理设备 轨道运输设备 垂直运输设备 通风系统 配电设备 其它辅助设备 41 4 1穿黄盾构机基本参数 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 盾构机主要结构 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 主轴承密封 盾尾密封 67 68 激光导
14、向系统 69 70 数据采集系统 71 72 73 电气系统 74 液压系统 75 注浆系统 76 后配套门架台车 77 其它辅助装置 78 盾构机配套设备 79 配套设备 80 配套设备 81 82 83 84 85 86 5 泥水平衡盾构施工 5 1组装5 2始发5 3开挖 推进 泥水压力平衡5 4泥水输送 泥水处理 5 5管片拚装 隧道防水5 6管片注浆 辅助工作5 7设备管理 维护保养与维修5 8安全 质量 快速 文明施工 87 5 2始发 安全始发要点 稳固土体 防止破除洞门时塌方 措施 加固 降水 冷冻 止水 洞门密封 注浆 保持TBM始发阶段的正确姿态 88 89 90 91 9
15、2 洞门止水装置安装 93 盾尾密封主要是防止地下水涌入盾构机内 94 95 5 3开挖 推进 泥水压力平衡 泥水压力管理泥水进出排量管理刀盘扭矩变化盾构机姿态管理各种控制按钮操作顺序各种异常情况处理 96 泥浆管理 掘进开始 监视 掘进终止 1 输泥压力 开挖面水压2 输泥 排泥密度 粘度3 偏差流量4 开挖土量 旁通运行 泥浆调整 泥浆试验 送排泥密度 旁通正在运行 继续掘进 异常 正常 97 98 99 100 101 102 103 5 4泥水输送 泥水处理 104 105 盾构机掘进中 排泥接力泵 106 5 5管片拚装 方向控制 管片生产 运输 喂片器管片防水条与衬垫管片清洁 真空
16、吸盘 管片拚装顺序管片拚装定位管片螺栓紧固防止管片破损 107 108 109 110 111 管片拼装 管片拼装机真空吸盘 通用管片 112 113 外衬管片横剖面示意图一环管片剖视图 114 管片尺寸1617 4 1582 6楔形量 33 8mm 4A 2B 1K 搭接长度为2 3管片长度 115 盾构机姿态与DTA关系 TBM Positiongraphical TBM Position numerical ProjectTunnelAxis ALTUValues Date Time DialogBox FunctionKeys TendencyDTA CC Tunnelcircle 116 K片位置选择 117 程序计算管片拚装位置 Expectednegativgap 118 纠偏曲线 缓纠 常纠 FinishedTunnel DTA 盾构机TunnellingMachine 纠偏曲线 AzimuthofTBM RingBuildSequenceforCorrectionCurve 119 在选择管片位置时 有两个参数需要考虑 一个是盾尾间隙的保证 另一个是管片平面走向趋势
