盾构发展史

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1、第一章 盾构技术进展概况1.1 引言 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，概况如图1.1 所示。盾构工法的设想19 世纪初产生于英国， 至今已有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

2、。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。目前隧道科技工作者正在致力于更先进的全机械化的计算机控制的智能化的盾构工法， 适于地下大深度的盾构工法及特殊断面、特殊功能的盾构工法的研究和开发。1.2 盾构法隧道的发展历史和现状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

3、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。横贯泰晤士河的计划在以后10年中未见显著进展。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o 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，

4、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ll.4mX6.8m。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。Brunel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。自 Brunel 的方形盾构以

5、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2.18m,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。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

6、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；1896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

7、 这 5060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世纪 6080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

8、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。1990 年2003 年这一段时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：八、 盾构隧道长距离化、大直径化首先是英法两国共同建造的英吉利海峡隧道（长48km）采用8. 8m的土压盾构工法于 1993年竣工；日本东京湾隧道（长15.1km）采用泥水盾构（14.14m）于1996年竣工；丹 麦斯多贝尔特海峡隧道（长7.9km）采用8. 5m 土压盾构工法于1996年竣工；德国易北河 第4条隧道采用复合盾构（14.2m）于2003年竣工；荷兰格累恩哈特隧道（14.87m、泥 水式）预计2004年竣

9、工；第2条英吉利海峡隧道（15m、土压盾构）于2003年动工，预 计 2008 年竣工。 盾构多样化从断面形状方面讲出现了矩形，马蹄形、椭圆形、多圆搭接形（双圆搭接、3圆搭接） 等多种异圆断面盾构；从功能上讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔 盾构、途中更换刀具（无需竖井）盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从盾构机的掘削 方式上看出现了摇动、摆动掘削方式的盾构，打破了以往的传统的旋转掘削方式。 施工自动化 施工设备出现了管片供给、运送、组装自动化装置；盾构机掘进中的方向、姿态自动控制系统；施工信息化、自动化的管理系统及施工故障自诊断系统。详细的盾构工法的进展状况如表1.1 所

10、示。2技术现状 当前是泥水盾构、土压盾构技术的普及和推广时期，但有些技术细节有待完善及改 进。如舱内注入泥水、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 出泥水的分离处理；排出废泥的处理及再利用。 多种特种盾构工法的相继问世，大大地扩展了盾构工法的应用范围，使盾构工法的 前景更加宽广美好。但由于这些特种工法问世的时间不长，存在的施工实例不够多，细节仍 有待改进。 近年交通工程、下水道工程、共同沟工程存在大直径盾构隧道的构建需求，所以大 直径、长距离、高速施工等施工措施、施工设备的研发和成功应用也较为迫切。3发展动向总起来说，盾构工法今后的开发动向有以下几点： 完善近年推出的新

11、工法、新工艺的技术细节，使之提高成熟。 加速盾构工法的自动化进程。 为适应大深度、高地下水压、大口径化、长距离化、施工自动化、施工高速化、断谜吋g 5机庐并”钿袖压抓斗U8k5lJ 吊勺炕fl.咲柩专门吊面多样化等社会需求，开发崭新概念的工法、工艺、材料、管理系统。fTL rmriKJJU百柚i号皮带传送机一 =a_ j_天鲫60kN帧台车I2写样齡传送机“：=匚-L:. ” 匸；：二 P 二T :-门 7L：-氓弓孑1占氓g一 M蠢亍刷加站：1 店构岀4台牛-动力戦皿台牟瞬加捕变压器远窕时fift土坑背后汴入僭台牟 询也孵图1.1盾构工法概念图表1.1盾构工法发展一览表年代国家地点盾构及辅助

12、工法学1804英国伦敦L. Torevix干泰晤士河隧道准备停止1818英国伦敦M. I. Brunel提出盾构获得专利1825英国伦敦M. I. Brunel在泰晤士河底隧道中最先使用盾构（第二年因塌方工程中 止）1830英国T.L.Cochrane发明气压支撑获得专利1836英国在泰晤士河道路隧道中使用新型盾构再次开工1843英国伦敦上术工程峻工1865英国铸铁管片1869英国伦敦J.H.Greathead在泰晤士河地下铁隧道中最先在隧道中使用铸铁管片气压 和圆形盾构1879英国伦敦J.Thomson提出使用机械盾构1887英国伦敦南伦敦铁道隧道1891美国的巴尔摩使用长方形盾构1892同

13、上最先使用封闭式盾构1892法国巴黎混凝土管片1896美国使用木制管片1896法国巴黎使用长方形盾构（下水道隧道）1896英国伦敦J.Price设计接近现在盾构的机械盾构1897英国首次使用铸铁管片，同时混凝土作衬18961899德国柏林钢板管片19091910德国易北河使用钢管片1913同上使用马蹄形盾构1914美国克利夫兰使用钢筋混凝土管片成功1915英国使用气压工法1917日本国铁羽越线折渡隧道中使用盾构工法（地质条件差，施工技术不足中途中 止使用）1926日本丹那导水隧道中使用盾构工法（由于地下水压高，硬岩中途放弃）1931苏联莫斯科首次莫斯科地下铁工程中使用英制和苏制盾构施工，由于渗

14、水采用了化学 注浆，冻结法，在第五次工程中使用莫斯科盾构1939日本国铁关门隧道中使用直径7米的手握式圆盾构（并用气压）1948苏联列宁格勒地下铁中使用机械盾构，同时开发到列宁格勒基辅机械盾构1953日本在关门道路隧道中采用半圆盾构1954中国阜新2.6m圆形疏水道1957中国北京6 2m、2.6m下水道1957日本东京地下铁4号线永田工区采用半圆盾构1960英国伦敦使用滚筒式掘削机1960美国纽约Beach首次使用油压千斤顶盾构1960日本名古屋地下铁隧道中日本首次使用圆形断面盾构1961法国提出水压封闭式盾构（与泥水加压盾构原理相同）1962日本东京东京下水道局石神川下干线中采用圆形断面盾

15、构（下水隧道中首次采用盾 构）1963中国上海网格挤压式1963日本大阪大阪市大淀送水管工程中使用机械盾构1964日本玉日本最早使用泥水盾构（荒川左岸下水道工程直径3m）1965中国上海打浦路过江隧道（网格式盾构）1965日本东京地下铁九号线中使用挤压盾构1969日本东京最先使用泥水加压盾构直径7.3m1972日本开发土压盾构1974日本梁一一弹簧模型管环荷载计算法提出1974日本开发卵石泥水盾构1975日本开发泥土加压盾构1977日本开发使用局部气压盾构1978日本东京开发使用高浓度泥水盾构1981日本开发气泡盾构（工程实验）1982日本东京现,场掘削同时作衬工法1984中国芙蓉江土压平衡盾构1985中国上海延安东路过江隧道（泥水盾构）1988日本东京京桥隧