盾构机及其应用

*第一讲第一讲大型施工机械大型施工机械盾构机部分盾构机部分 盾构机的发展及应用主讲：郭京波主讲：郭京波 教授教授2机械工程学院*目目 录录一、全断面隧道掘进机二、盾构机的发展三、泥水加压平衡盾构及应用四、土压平衡盾构及应用3机械工程学院*一、全断面隧道掘进机一、全断面隧道掘进机v全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、电、液、光、气、水、信息于一体的隧道施工成套专用设备。具有自动化程度高、对交通和周围地层影响小、有利于环境保护的优点。v隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。1 1 掘进机分类掘进机分类4机械工程学院*5机械工程学院*6机械工程学院*7机械工程学院*TBM硬岩掘进机：双双护护盾盾9机械工程学院*2 2 盾构与盾构与TBMTBM的区别的区别vvTBMTBM是是“Tunnel Boring MachineTunnel Boring Machine”的英文缩写，一般指全断面的英文缩写，一般指全断面硬岩隧道掘进机，通常定义中的硬岩隧道掘进机，通常定义中的TBMTBM是以岩石地层为掘进对象，是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。vv盾盾构构施施工工主主要要由由稳稳定定开开挖挖面面、掘掘进进及及排排土土、管管片片衬衬砌砌及及壁壁后后注注浆浆三三大大要要素素组组成成。其其中中开开挖挖面面的的稳稳定定方方法法是是其其工工作作原原理理的的主主要要方面，也是盾构区别于方面，也是盾构区别于TBMTBM及比及比TBMTBM复杂的主要方面。复杂的主要方面。10机械工程学院*盾构，用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。11机械工程学院*12机械工程学院*1 世界盾构机的发展v1818 年Marc Isambard Brunel 获得隧道盾构法施工的专利，v在 1825 年到 1843 年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明盾构法隧道施工的价值。v1830年由劳德考克让施（Lord Cochrance）发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。v1874 年格雷蒙特（James Henry Greathead）在伦敦地铁南线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥水流的方式排出。v1896 年 Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。二、二、盾构机发展盾构机发展13机械工程学院*v20 世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国推广。v1917 年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法。v1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。v1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构（直径为3.1m）。v1974 年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国 Wayss&Freytag 也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。二、二、盾构机发展盾构机发展14机械工程学院*2我国盾构机的发展v1953 年东北阜新煤矿用手掘式盾构修建直径为 2.6m的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术一直没有受到足够的重视，盾构技术的发展非常缓慢，应用也相当有限。v直到 1985 年以后，随着经济技术的突飞猛进，各种地下工程的需求与日俱增，我国开始引进和研制全断面闭胸式盾构，我国开始现代盾构技术开发和应用。v进入 20 世纪 90 年代后，随着城市化进程的加快，城市地下空间的进一步利用，对环境保护和施工质量要求相对较高的城市地铁隧道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备。二、二、盾构机发展盾构机发展15机械工程学院*小小 结结v盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以展阶段：一是以BrunelBrunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。色的第四代盾构。二、二、盾构机发展盾构机发展16机械工程学院*v目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。构。手掘式盾构手掘式盾构 半机械式盾构半机械式盾构 网格式盾构网格式盾构 17机械工程学院*18机械工程学院*三、泥水平衡盾构三、泥水平衡盾构v泥水加压平衡盾构（slurry pressure balance shield），简称SPB盾构。是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。19机械工程学院*20机械工程学院*1 1 结构原理结构原理泥水盾构有两种体系。泥水盾构有两种体系。泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为的不同，泥水盾构分为:vv直接控制型直接控制型vv间接控制型间接控制型21机械工程学院*直接控制型泥水盾构直接控制型泥水盾构v日本一般采用直接控制型直接控制型泥水盾构直直接接控控制制型型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水仓中的泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应，不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。22机械工程学院*间接控制型泥水盾构间接控制型泥水盾构vv德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。地地 层层刀盘刀盘进泥管进泥管排泥管排泥管泥浆泥浆压缩空气压缩空气连通管连通管压缩空气压缩空气泥模形成区泥模形成区23机械工程学院*2 2 泥水盾构的工程应用泥水盾构的工程应用东京湾海底公路隧道东京湾海底公路隧道 日日本本于于19981998年年建建成成通通车车的的东东京京湾湾公公路路工工程程，全全长长15.1km15.1km，其其中中海海底底隧隧道道长长9.12km9.12km，由由两两条条外外径径13.9m13.9m的的单单向向公公路路隧隧道道组组成成，采采用用了了8 8台直径台直径14.14m14.14m的泥水盾构施工的泥水盾构施工.在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛，从人工岛的竖井向东西两个方向推在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛，从人工岛的竖井向东西两个方向推出出4 4台盾构，在隧道的东端，也筑造了木更津人工岛，从此岛的竖井中向西推台盾构，在隧道的东端，也筑造了木更津人工岛，从此岛的竖井中向西推出出2 2台盾构，这台盾构，这2 2台盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的台盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的2 2台盾构在东侧海底地台盾构在东侧海底地层中对接，川崎岛竖井向西推出的层中对接，川崎岛竖井向西推出的2 2台盾构与浮岛竖井中向东推出的台盾构与浮岛竖井中向东推出的2 2台盾构台盾构在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形，中央最大海水深约在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形，中央最大海水深约28m28m。隧道段的土质，川崎侧以冲积粘性土、洪积粘性土为主体，木更津侧。隧道段的土质，川崎侧以冲积粘性土、洪积粘性土为主体，木更津侧在冲积粘性土和洪积粘性土层中夹有洪积砂质土层；浮岛、木更津倾斜段为在冲积粘性土和洪积粘性土层中夹有洪积砂质土层；浮岛、木更津倾斜段为人造地基。人造地基。24机械工程学院*25机械工程学院*德国汉堡易北河第四隧道德国汉堡易北河第四隧道易易易易北北北北河河河河第第第第四四四四条条条条隧隧隧隧道道道道距距距距原原原原有有有有隧隧隧隧道道道道约约约约3535353570m70m70m70m，全全全全长长长长3100.75m3100.75m3100.75m3100.75m，其其其其中中中中2561m2561m2561m2561m采采采采用用用用14.2m14.2m14.2m14.2m泥泥泥泥水水水水盾盾盾盾构构构构施施施施工工工工。易易易易北北北北河河河河第第第第四四四四条条条条隧隧隧隧道道道道1995199519951995年年年年开开开开工工工工，1997199719971997年年年年11 1111 11月月月月27272727日日日日开开开开始始始始使使使使用盾构，用盾构，用盾构，用盾构，2003200320032003年完工。年完工。年完工。年完工。隧隧隧隧道道道道掘掘掘掘进进进进从从从从南南南南岸岸岸岸始始始始发发发发井井井井开开开开始始始始，开开开开始始始始的的的的500m500m500m500m段段段段为为为为填填填填筑筑筑筑土土土土（由由由由砂砂砂砂、砾砾砾砾石石石石和和和和无无无无级级级级配配配配回回回回填填填填物物物物质质质质结结结结合合合合各各各各种种种种垃垃垃垃圾圾圾圾组组组组成成成成）。中中中中间间间间的的的的1000m1000m1000m1000m为为为为河河河河下下下下冰冰冰冰川川川川物物物物质质质质层层层层，由由由由非非非非常常常常硬硬硬硬的的的的粘粘粘粘土土土土和和和和砾砾砾砾石石石石或或或或砾砾砾砾岩岩岩岩混混混混合合合合而而而而成成成成。最最最最后后后后的的的的1000m1000m1000m1000m为为为为易易易易北北北北河河河河北北北北部部部部填填填填筑筑筑筑层层层层，土土土土的的的的状状状状况况况况与河中段相类似。与河中段相类似。与河中段相类似。与河中段相类似。14.2m14.2m泥水盾构泥水盾构易北河第四隧道纵剖面示意图易北河第四隧道纵剖面示意图北北26机械工程学院*荷兰绿心隧道荷兰绿心隧道 长长 7,176m7,176m的的荷荷兰兰“绿绿心心隧隧道道”采采用用NFMNFM公公司司制制造造的的14.87m14.87m泥泥水水盾盾构构施施工工。穿穿越越的的地地层层为为泥泥炭炭土土、粘粘土土和和饱饱和和砂砂层层土土 。“绿绿心心隧隧道道 ”于于 20012001年年1111月月2 2日日始始发发推推进进 ，于于20042004年年1 1月月7 7日贯通。最高月进尺为日贯通。最高月进尺为61