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1、2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,1,盾构施工技术 Shield Construction Technology,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,2,6.1 概述,盾构一词的含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物。盾构机是由外形与隧道断面相同、但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地层中构成保护掘削机的外壳和壳内各种作业机械、作业空间组成的组合体。盾构机是一种既能支承地层压力，又能在地层中推进的施工机具。以盾构机为核心的一套完整的建造隧道的施工方法称为盾构法。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,3,盾构法施工是先建造竖井或基坑。盾构从墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线
2、，向另一端预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制管片上。在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段内沿周边安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉。,6.1.1 盾构法基本原理,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,4,图6-1 盾构法施工示意图 盾构法是一项综合性的施工技术，它除土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装等主要作业外
3、还需要其他施工技术密切配合才能顺利施工，如地下水的降低，防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施，隧道衬砌结构的制造，隧道内的运输，衬砌与地层间的充填，衬砌的防水与堵漏，开挖土方的运输及处理方法，施工测量、变形监测，合理的施工布置等。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,5,优点： 对环境影响小。除竖井外，施工作业均在地下进行，噪音、振动引起的公害小，既不影响地面交通，又可减少噪音和振动影响。 施工不受地形、地貌、江河水域等地表环境的限制。 地表占地面积小，征地费用少。 隧道的施工费用受埋深的影响不大，适宜于建造覆土较深的隧道。在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较好的技术经济优越
4、性。 施工不受风雨气候条件影响。 修筑的隧道抗地震性极好。 对地层的适应性宽，软土、砂卵石、软岩直至岩层均可。 因此，盾构法已在城市隧道（地铁隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建造中确定了绝对的统治地位，有人将其称为城市隧道工法。,6.1.2 盾构法的主要优缺点,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,6,缺点： 当隧道曲线半径过小时，施工较为困难。 在陆地建造隧道时，如隧道覆土太浅，开挖面稳定甚为困难，甚至不能施工；当在水下时，如覆土太浅则盾构法施工不够安全，要确保一定厚度的覆土。 竖井施工时有噪声和振动，需有解决的措施。 盾构法隧道上
5、方一定范围内的地表沉陷尚难完全防止，特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施才能把沉陷限制在很小的限度内。 在饱和含水地层中，盾构法施工所用的拼装衬砌，对达到整体结构防水性的技术要求较高。 盾构施工中采用全气压方法疏干和稳定地层时，对劳动保护要求较高，施工条件差。 用气压施工时，在周围有发生缺氧和枯井的危险，必须采取相应的办法。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,7,世界上第一条盾构隧道： 盾构施工技术自1825年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道工程以来，已有170余年的历史。 1818年法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）发现船的木板中有
6、一种蛀虫，钻出孔道并用它自己分泌的液体覆涂在孔壁上得到启发，最早提出了盾构工法并取得专利，即所谓的敞口式手掘盾构的原型问世。Brunel于1823年拟定了横贯泰晤士河的另一条隧道的计划。1825年，布鲁诺尔用他自己的想法制成盾构，并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。该台矩形盾构断面11.3m6.7m，采用砖砌管片，第二年因塌方，工程终止。Brunel总结经验教训，制作了一个改进型的方形铸铁框盾构，于1834年再次动工。在经历了5次以上特大洪水后，泰晤士河下的隧道于1841年贯通，1843年全部完工。,6.1.3 盾构技术发展简介,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,8,国外盾构技术的发展,
7、19世纪末到20世纪初，盾构施工法已在美国、德国、前苏联、法国、英国等国开始推广。18801890年间，在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构法建成一条直径6.4m，长1800余米的水底铁路隧道。3040年代在这些欧美国家已成功地使用盾构建成内径为3.09.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道。盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其它市政公用设施管道等。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,9,1994年5月7日建成通车的连接英法两国的英吉利海峡隧道（The Channel Tunnel），隧道由2条单线铁路隧道及1条辅助隧
8、道，共三条长51km的平行隧洞组成，总长度153km，其中海底段的隧洞长度为338km，是目前世界上海底部分最长的海底隧道。辅助隧道位于两个主隧道之间，每隔375m与主隧道连接一次。该隧道全部采用盾构法技术施工，英国一侧共用6台盾构，3台施工岸边段，3台施工海底段，施工海底段的盾构要向海峡中单向推进21.2km ，与从法国侧向英国方向推来的盾构对接。法国一侧采用5台盾构同时施工，2台施工岸边段，3台施工海底段。11台盾构机的直径分别为5.38m、5.61 m、5.77 m、8.36 m、8.72 m。该隧道的修建标志着当时盾构施工技术的最新水平。 1999年，英法两国又提出用15m土压平衡盾构
9、建造第二条英吉利海峡隧道。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,10,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,11,日本是欧美国家以外第一个引进盾构施工技术的国家。1939年的关门隧道是日本首次采用盾构施工技术的隧道工程，1957年东京地铁的丸之内线采用盾构施工技术修建了一段区间隧道。 从20世纪60年代起，盾构法在日本得到迅速发展。 80年代以来，日本无论是新型盾构工法的开发（双圆、三圆、椭圆形、矩形，球体盾构，母子盾构，地中对接技术等很多新工法、新工艺源于日本），还是施工机械盾构机的制作数量（据文献报道，从1964年到1984年20年间日本制作的各式盾构机不少于5000台）、建造的
10、隧道的长度（仅东京地铁隧道一项累计长度已超过300km）、承包海外隧道工程（设计及施工）的数量和地区，刊登有关盾构法的刊物的数量（近10种），向国际隧道学会历届学术会议提交论文的数量等等均名列前茅。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,12,国内盾构技术的发展及应用,我国盾构技术在解放前是个空白。新中国成立后，在第一个五年计划期间，阜新煤矿用2.6m圆断面盾构及小型混凝土预制块建造了疏水巷道工程，1957年在北京下水道工程中也用过2.0m及2.6m的盾构。而系统地开发盾构技术可认为是始于1963年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层进行的4.2m网格挤压式盾构法的实验。1966年上海
11、隧道公司用网格水力出土盾构建造了l0.22m的上海第一条黄浦江越江隧道（打浦路过江隧道）；1988年上海隧道公司又建成了l1.3m的延安东路过江隧道。20世纪90年底以来上海隧道公司成功地掌握了土压平衡盾构（6.34m）工法和泥水平衡盾构工法（l1.22m）技术。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,13,2004年，上海隧道工程股份有限公司成功研制出了具有自主知识产权的国产地铁隧道加泥式土压平衡盾构掘进机“先行号”，该机集欧洲产品的稳定性和日本产品的经济性为一体，国产化率达到70%。隧道工程股份公司机械厂，具备年产20台产品的产能，现已成为目前全球最大的专业性盾构设备制造基地。 先行号
12、盾构1号机从2004年10月15日投入施工以来，已经顺利完成了上海地铁天山路至中山公园等四个区间的隧道施工工程，累计4200环（5.04公里）。现正处于第五区间工地紧张的施工推进之中，该区间总长度为571.2米。 截止至2008年5月24日，机械公司另外有25台国产盾构投入到上海、南京等施工工程之中。其中，12台国产盾构已经投入第二区间的施工，1台开始了第三区间的施工。总计推进了30169环（36.2公里）。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,14,1. 武汉长江第一隧 由于隧道穿越粉细沙不稳定地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径11.38m，采用复合式刀盘，以实现长距离
13、不换刀掘进。工程建设范围3630m，其中隧道长度3255m，穿江段1310m。盾构隧道外径11m、内径10m。管片采用通用环，为9块拼装式结构。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,16,港、珠、澳海上大通道 全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥相联后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再用桥和6km长的山岭隧道相联，并和太澳公路相联，工程规模为双向六车道。,上海浦东至长兴岛水底隧道 拟定双向六通道，采用盾构法施工，盾构直径15.18m。专家提醒：长距离4km掘进，风险很大，需认真研究，尤其不易在江中设置横通道，应充分利用主洞行车道下面的很大空间进行疏散救援，取消
14、横通道对两个主体隧道的结构沉降减少制约，防止结构开裂非常有利。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,18,上海长江隧道，隧道起于浦东新区五好沟，穿越南港水域在长兴岛西南方登陆，全长8.95km，其中穿越水域部分达7.5km。隧道整体断面设计为上下的双管隧道，两单管间净距约为16m，沿其纵向每隔800m左右设一条横向人行联络通道。单管外径为15.0m，内径为13.7m，内设三条（33.75m）车道，即双向六车道。隧道施工采用15.43m泥水加气平衡盾构，该盾构机为目前世界上直径最大的盾构掘进机。 仅次于上海的南京第一条过江隧道，双向六车道，长3825m，采用了德国海瑞克公司生产的14.93
15、m泥水平衡盾构机施工，于2008年1月正式开挖。武汉长江隧道东线2008年1月19日的胜利贯通，标志着我国采用盾构法修建水下隧道的科研攻关已取得重大突破。,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,19,泥水、土压平衡盾构技术的普及推广，技术细节的完善、改进及提高。如向舱内注入泥水、泥土成分配比，注入压力，出泥、出土的速度等参数的优化选取，排除泥水的分离处理，排出废泥的处理及再利用等。 特种盾构工法的相继问世。如双圆、三圆搭接形、椭圆形、矩形（含凹凸矩形）、马蹄形等盾构工法，球体盾构工法，母子盾构（异径盾构、分岔盾构）工法，扩径盾构工法，断面变形盾构工法，硅胶盾构工法，ECL盾构工法等。 大深
16、度、大口径、长距离、高速施工、高地下水压等各种施工措施方法的成功运用。 特种施工技术，如地中盾构接合技术（对接、侧接），竖井、隧道一体化施工技术，盾构刀盘直接掘削竖井井壁的盾构直接出井、进井技术，掘削废泥的现场处理直接背后填充技术，新型填充注浆材料，多种新型管片的设计、制造、自动组装技术，管片的快速运输技术，掘削面前方障碍物的预报、掘除技术等。 盾构技术正朝着大深度化、高地下水压、大口径化、长距离化、施工机械化、省力化、自动化、施工高速化、断面异圆化方向发展。,6.1.4 盾构技术的新发展,2019年7月12日星期五,地下工程讲稿,20,盾构机由通用机械（外壳、掘削机构、挡土机构、推进机构、管片拼装机构、附属机构等部件）和专用机构组成。专用机构因机种的不同而异。 盾构的外形主要有：圆形（如左图）、双圆搭接形、三圆搭接形、矩形（如右图）、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等，但绝大多数为传统的圆形断面。,6.2 盾构的基本构造,6.2.1 概述,新型盾构,双圆盾构,三圆盾构
