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1、盾构法技术发展与展望一西南交通大学西南交通大学 晏启祥晏启祥The development and Prospect of shield methodQixiang Yan/ Southwest Jiaotong University中铁隆工程集团有限公司技术交流会中铁隆工程集团有限公司技术交流会2018201820182018年年年年5 5 5 5月月月月4 4 4 4日日日日 四川四川四川四川成都成都成都成都u西南交通大学教授、博士生导师u西南交通大学土木工程学院地下工程系主任u交通隧道工程教育部重点实验室常务副主任u教育部新世纪优秀人才计划入选者u四川省学术与技术带头人u成都市人才计划首
2、批突贡专家u隧道与地下工程分会地下铁道专委会副主任委员u土力学与岩土工程分会交通岩土工程专委会秘书长主主持持国国家家自自然然科科学学基基金金4 4项项，国国家家科科技技支支撑撑计计划划课课题题1 1项项，主主持持或或主主研研国国家家973973课课题题、国国家家863863课课题题、国国家家科科技技支支撑撑课课题题、铁铁道道部部重重点点和和重重大大、西西部部交交通通科科技技项项目目在在内内的的科研课题近科研课题近2020项；项；获获国国家家技技术术发发明明二二等等奖奖1 1项项（排排名名第第3 3），国国家家科科技技进进步步二二等等奖奖2 2项项（排排名名第第7 7和和第第1010）、省省部部
3、级级科科技技进进步步一一等等奖奖4 4项项、二二等等奖奖2 2项项（以以上上皆皆为为个个人人证证书书获获得得者者），詹詹天天佑铁道科技专项奖佑铁道科技专项奖1 1项；项；在在Tunnelling Tunnelling And And Underground Underground Space Space TechnologyTechnology、土土木木工工程程学学报报、岩岩石石力力学学与与工工程程学学报报、铁铁道道学学报报等等国国内内国国际际期期刊刊上上发发表表论论文文120120余余篇篇（SCISCI论文论文2020篇篇，国内国际会议论文近，国内国际会议论文近2020篇篇, ,获国家获国家
4、发明专利发明专利1111项，实用新型专利项，实用新型专利1313项项。主讲人简况2汇报提纲盾构隧道设计和施工问题盾构隧道设计和施工问题盾构隧道结构研究进展盾构隧道结构研究进展盾构隧道的建设现状盾构隧道的建设现状中外盾构隧道技术的差距中外盾构隧道技术的差距3汇报提纲我国中长期发展规划中将交通基础设施建设摆在重要位置。在未来10年到20年，将新建近100万公里公路，其中高速公路约6万公里，新建3万公里铁路，其中高速铁路1.8万公里。这些铁路公路干线中有存在大量盾构隧道工程。盾构隧道建设现状4铁路盾构隧道广深港铁路狮子洋隧道l广深港铁路狮子洋隧道长10800m,直径10.8ml广深港客专益田路隧道长
5、6232m,直径13.2ml北京至沈阳铁路客运专线望京隧道长8100m,直径10ml佛莞城际铁路狮子洋隧道长6150m,直径13.1ml广佛环线沙堤隧道长5985m,直径8.5ml天津西站至天津站地下直径线工程长5005m,直径11.6m5广深港高速铁路狮子洋隧道广深港高速铁路狮子洋隧道 国内第一条盾构法水下铁路隧道，被誉为国内第一条盾构法水下铁路隧道，被誉为“中国铁路世纪隧道中国铁路世纪隧道” 国内最长水下隧道（长国内最长水下隧道（长10.8km10.8km） 世界上行车速度目标值最高的盾构法水下隧道（世界上行车速度目标值最高的盾构法水下隧道（350km/h350km/h） 概 况：高速铁路
6、隧道,盾构法,长10.8km,外径10.8m,总投资33亿元,2010年贯通 6公路盾构隧道公路盾构隧道武汉长江隧道l延安东路隧道长2261m,直径11m,双向四车道l南京长江公路隧道长3385m,直径14.5m,双向六车道l武汉长江公路隧道长3270m,直径11.0m,双向六车道l上海崇明越江隧道长8950m,直径15.0m,双向六车道l杭州庆春路公路水底隧道长3060m,直径11.3m,双向四车道l瘦西湖隧道长3600m,直径14.5m,双向四车道南京长江隧道7南京长江隧道南京长江隧道我国第二大直径、砂卵石地层最大直径水下盾构隧道国内首次大规模穿越砂层及砂卵石地层的盾构法水下隧道 概 况：
7、市政公路隧道,盾构法,长3.022km,外径14.5m,总投资33.2亿元,2010年通车 8u目前，国内40余个城市正在着手进行城轨交通的建设、规划，预测到2020年，我国轨道交通里程将达到近6000公里，中国地铁建设已进入急速上升的发展时期。城轨交通盾构隧道城轨交通盾构隧道9南京地铁越江盾构隧道工程南京地铁越江盾构隧道工程盾构隧道管片内径10.2米，外径11.2米，厚度0.5米，管片环宽2米。隧道下部结构采取中间预制“口”字件+两侧现浇的结构形式，双线间设置现浇中隔墙，顶部设置预制烟道板。采用1台海瑞克11.64米泥水平衡式盾构机施工。10l重庆主城排水过江隧洞全长1048m，盾构段840
8、m，外径6.32ml广州西江引水工程穿越城区的大型交通枢纽位置采用了盾构法施工，外径6ml南水北调输水盾构隧道总长8.2km，外径6m，双层衬砌结构l亮马河北路污水隧道全长1675m，外径3.2ml上海合流污水隧道工程总管长35.5kml上海青草沙原水工程外径6.8m输排水盾构隧道输排水盾构隧道11输油输气盾构隧道输油输气盾构隧道u截至2014年底，中国除台湾省以外的所有地区已建成油气管道总里程约11.7万千米，其中天然气管道6.9万千米，原油管道2.7万千米，成品油管道2.1万千米，油气管道建设需求大。l中亚D线瓦赫什河输气盾构隧道，内径4.25m，线路全长约1000km，其中境外段840k
9、m，管道设计输量300亿方/年。l西气东输工程：忠一武输气管道工程，全长1400m，内径2.4m，是国内油气管道第一次采用盾构法越江工程。l西气东输工程：忠一武工程潜湘支线单项控制性工程-城陵矶穿越隧道，全长2012m。l12输电盾构隧道输电盾构隧道l上海已建和在建多条电力电缆隧道：虹杨站隧道群（长度12km，直径4m）、世博站隧道（长度17km，直径45.3m）、福州路电缆隧道（长度550m）、打浦路电缆隧道（长度550m）。l北京西路华夏西路电力电缆隧道工程，全长3959m，内径5.5m。l苏通GIL穿越长江特高压电力隧道，盾构段总长5466.5m，内径10.5m，外径11.6m13煤矿辅
10、运斜井盾构隧道煤矿辅运斜井盾构隧道u神东补连塔煤矿斜井总长度2745m，坡度-5.5，最大埋深280m，开挖直径7.62m，井筒净直径6.6m。填补了我国盾构在长距离大坡度煤矿斜井建设领域的技术空白，开创了煤矿斜井建井新模式，是煤矿建井模式的革命性变革。14l预计未来十年内煤矿斜井盾构工程量将超过500km以上；l神华新街矿区4个矿井（8个井筒确定按照盾构施工煤矿斜井规划。城市综合管廊盾构隧道城市综合管廊盾构隧道l天津市刘庄桥海河改造工程中的地下共同过河隧道长226.5m直径5.85ml南京云锦路电缆隧道莫双线220kv下地工程长850m直径2.44ml沈阳市南运河段综合管廊长12828m,直
11、径5.4ml曹妃甸工业区跨纳潮河综合管廊工程长1046m，直径5.5ml成都成洛大道综合管廊长4400m，直径6m15双管4车道双管6车道双管双层6车道双管双层8车道单洞单线单洞双车道内置排水管叠合结构 使用属性多变使用属性多变铁路、公路城轨、市政输水、输气 结构型式多样结构型式多样单层、双层圆形、马蹄形 断面型式多种断面型式多种单管单线单管双线双管四车道双管六车道.盾构隧道设计和施工问题16趋势之一：趋势之一：地质条件多样化地质条件多样化砂卵石地层：北京地铁、成都地铁、沈阳地铁等大粒径漂石、孤石的通过问题软土地层：上海地铁、南京地铁、苏州地铁等隧道结构的振陷、施工稳定性问题复合地层：广州地铁
12、、深圳地铁等软硬不均问题三大典型地层其他地层黄土地层：西安地铁遇水塌陷、地裂缝问题硬岩地层：重庆地铁高磨耗问题膨胀土地层：合肥地铁17趋势之二：趋势之二：越江跨海常态化越江跨海常态化水下隧道集中区域：武汉长江公路隧道南京长江公路隧道上海崇明长江隧道广深港高铁狮子洋隧道武广高铁浏阳河隧道 杭州庆春路隧道杭州钱江隧道重庆排水长江隧道台山核电取水隧道 西气东输长江隧道厦门翔安海底隧道胶州湾海底隧道南京地铁越长江隧道福州地铁越江隧道武汉市轨道交通8号线一期工程越江隧道南京地铁10号线过江盾构隧道渤海湾海底隧道佛莞城际铁路狮子洋隧道苏通GIL综合管廊工程琼州海峡隧道18趋势之三：趋势之三：结构断面结构断
13、面多元多元化化运速、运量、交通类型多样化带来的断面型式多样化城市地铁：6.0m、6.2m级-7m、8m市政公路：10m（双车道）-15m级（三车道、双层4车道）城际铁路：11m级为主，14m、15m19双圆、矩形断面型式上海轨道交通杨浦线黄兴绿地站一翔殷路站双圆盾构隧道隧道全长866m,外尺寸为6.3m10.9m(外径宽度)，内尺寸为5.7m10.3m，双线中心间距为4.6m郑州下穿中州大道隧道工程断面尺寸为10.12m7.27m趋势之三：趋势之三：结构断面结构断面多元多元化化20趋势之三：趋势之三：结构断面结构断面多元多元化化趋势之四：建设环境趋势之四：建设环境复杂复杂化化22趋势之五：埋置
14、深度深层化趋势之五：埋置深度深层化主隧道总长约17.5km埋深2540m直径33.4m武汉市大东湖核心区污水深隧工程23主隧道总长约105km埋深3060m主隧直径10.0m集城市污水收集调度、初雨径流污染治理和防洪防涝等功能为一体的“复合型深隧”成都市中心城区深隧排水系统工程趋势之五：埋置深度深层化趋势之五：埋置深度深层化24断面增大、幅宽增加的块体效应问题断面增大、幅宽增加的块体效应问题问题一问题一：城市地铁盾构隧道城市地铁盾构隧道6.06.2m6.06.2m断面积：断面积：约约30m30m2 2大断面盾构隧道大断面盾构隧道10.011.0m10.011.0m断面断面积：约积：约100m1
15、00m2 2超大断面盾构隧道超大断面盾构隧道14.515.2m14.515.2m断面断面积：积：约约180m180m2 225问题二问题二：高水压止水问题高水压止水问题v接缝渗漏26大深度、高地应力问题大深度、高地应力问题问题三问题三：qeqwp pel现有浅表部围岩屈服和破坏准则在深部是否适用有待探明l持续流变导致围岩-支护结构相互作用关系复杂流变全过程曲流变全过程曲线线掘进设备卡机大变形二衬开裂2727复杂地质地层施工荷载导致管片开裂问题复杂地质地层施工荷载导致管片开裂问题问题四问题四：软软硬硬交交界界地地层层千千斤斤顶顶推推力力、注注浆浆压压力力施设不当造成管片开裂施设不当造成管片开裂2
16、8l城城市市轨轨道道交交通通结结构构抗抗震震设设计计规规范范（GB 50909-2014）中中规规定定：抗抗震震设设防防地地区区的的城城市市轨轨道道交交通通结结构构必必须进行抗震设计。须进行抗震设计。l盾盾构构隧隧道道工工程程设设计计规规范范（征征求求意意见见稿稿）中中规规定定：国国家家标标准准中中国国地地震震动动参参数数区区划划图图（GB GB 1830618306）中中所所规规定定的的基基本本烈烈度度6 6、7 7、8 8、9 9度度地地区区的的盾盾构构隧道工程抗震设计。隧道工程抗震设计。l公公路路隧隧道道抗抗震震设设计计细细则则（送送审审稿稿）中中规规定定：地地震震动动峰峰值值加加速速度
17、度大大于于或或等等于于0.05g0.05g的的地地区区的的公公路路隧隧道道应应进进行行抗震设计。抗震设计。 我我国国中中西西部部山山区区、东东部部沿沿海海地地处处亚亚欧欧交交界界地地带带，属属地地震震区区多多发发区区，大大量量在在建建、已已建建的的隧隧道道需需开开展展抗抗震震设设计计或或测测评评，基基本本烈烈度度6 6度度及及以以上上地区均应进行抗震设计是否必要？地区均应进行抗震设计是否必要？管片衬砌抗减（隔）震设计问题管片衬砌抗减（隔）震设计问题问题五问题五：29侵蚀环境造成衬砌结构劣化问题侵蚀环境造成衬砌结构劣化问题问题六问题六：钢筋锈蚀外部侵蚀外部侵蚀污水内蚀污水内蚀混凝土污水管道内壁腐
18、蚀情况30盾构掘进失控泥水平衡盾构泥膜成型难、开挖面平衡难.土压平衡盾构螺旋机保压难、掘进控制难盾构施工失控导致地表沉陷盾构施工失控导致地表沉陷问题七问题七：房屋倒塌房屋倒塌 渣土喷涌、地层劈裂地面沉陷、建筑倒塌31盾构设备失效地层高磨耗特性对机体磨蚀冲撞刀盘刀具不匹配减磨手段效率低 . 盾构磨耗导致机具失效盾构磨耗导致机具失效问题八问题八：刀具磨耗、刀盘磨损出渣不畅、管路破裂刀盘解体、盾构卡机3233开发了开发了壳壳-弹簧弹簧-接触模型接触模型，解决了盾构隧道结构，解决了盾构隧道结构- -岩体岩体- -水体多水体多体接触求解问题体接触求解问题厚壳刚度矩阵：厚壳刚度矩阵：接头刚度矩阵：接头刚度
19、矩阵：进展一：大断面盾构隧道力学分析模型管片衬砌管片衬砌二次衬砌二次衬砌双层衬砌改进模型双层衬砌改进模型开发了盾构隧道防撞击双层衬砌的结构分析模型，探明了盾构隧开发了盾构隧道防撞击双层衬砌的结构分析模型，探明了盾构隧道复合衬砌的承载特性道复合衬砌的承载特性复合式双层衬砌层间关系复合式双层衬砌层间关系F FK KY2Y2K KY1Y1K KY3Y3F F管片衬砌管片衬砌二次衬砌二次衬砌衬砌间的材料衬砌间的材料K KY YD D1 1D D2 234进展一：大断面盾构隧道力学分析模型对比点对比点管片衬砌结构管片衬砌结构管片衬砌接头管片衬砌接头管管片片衬衬砌砌与与二二次次衬衬砌砌之之间间的的结结合合
20、面面管管片片衬衬砌砌与与地地层层之之间间的接触面的接触面模型模型梁单元梁单元具具有有拉拉压压、剪剪切切和和抗抗弯弯功功能能的的弹弹簧单元簧单元固结的径向梁单元固结的径向梁单元径径向向和和切切向向拉拉压压弹弹簧簧单元单元模型模型梁单元梁单元径向压杆和切向弹簧单元径向压杆和切向弹簧单元径向和切向拉压弹簧单元径向和切向拉压弹簧单元径径向向和和切切向向拉拉压压弹弹簧簧单元单元模型模型梁单元梁单元具具有有拉拉压压、剪剪切切和和抗抗弯弯功功能能的的弹弹簧单元簧单元摩擦单元摩擦单元径径向向和和切切向向拉拉压压弹弹簧簧单元单元改进模型改进模型梁单元梁单元点点位位移移耦耦合合的的拉拉压压、剪剪切切和和抗抗弯弯弹
21、簧单元弹簧单元径向压杆和点位移耦合切向弹簧径向压杆和点位移耦合切向弹簧模型一模型二模型三35进展一：大断面盾构隧道力学分析模型a) 接头正图接头立面图接头剖面图形成了反映管片衬砌接头细部构造的非线性刚度理论解析方法a)正弯矩作用（管片内侧受拉）b)负弯矩作用（管片内侧受压）接头板等效梁36进展一：大断面盾构隧道力学分析模型v螺栓的抗拉刚度直接对接头的抗拉刚度产生贡献，另一方面的抗拉刚度主要受接头板和螺栓影响。螺栓通过接头板将管片连接在一起，因此，二者的变形具有相互影响性。一方面，螺栓，接头板的压缩和弯曲也将对接头的抗拉刚度产生影响，主要表征为对抗拉刚度的削弱作用。因此，影响接头抗拉刚度的主要因
22、素包括螺栓的抗拉刚度、接头受拉作用下接头板压缩刚度和弯曲刚度三个方面。有效压缩区域示意图37进展一：大断面盾构隧道力学分析模型 接头分离前两种刚度相互作用关系接头分离后两种刚度相互作用关系、分别为正弯矩作用下接头分离前和接头分离后的抗拉刚度。(17)分别为负弯矩作用下接头分离前和接头分离后的抗拉刚度。38进展一：大断面盾构隧道力学分析模型接头抗弯刚度主要由接头抗拉刚度和接头处混凝土抗弯性能决定。接头抗拉刚度主要受到螺栓的抗拉刚度、接头受拉作用下接头板压缩刚度和弯曲刚度三个方面的影响，而接头处混凝土抗弯性能主要由混凝土材料的力学性能、管片幅宽和接缝面混凝土受压区高度决定。因此影响接头抗弯刚度的主
23、要因素除了接头抗拉刚度，还包括接头处混凝土材料的力学性能、管片幅宽和接缝面混凝土受压区高度这三个方面。可得在正弯矩作用下接头分离后的抗弯刚度见下式所示：分别为负弯矩作用下接头分离前和接头分离后的抗弯刚度。39进展一：大断面盾构隧道力学分析模型建立反映盾构隧道衬砌结构非线性刚度特性的迭代算法建立反映盾构隧道衬砌结构非线性刚度特性的迭代算法40进展一：大断面盾构隧道力学分析模型控制方程：界面滑移：界面不滑移：基于弹性薄壁圆柱壳理论，给出了求解深埋盾构隧道水平地震剪切波作用下的附加内力计算公式。给出了基于弹性薄壁圆柱壳的盾构隧道抗震拟静力分析方法41进展二：圆形盾构隧道抗震拟静力分析方法与抗震特性
24、隧道远场剪应变和剪应力 衬砌周边剪切力的等效 剪切力分解后的作用模型界面不滑移 界面滑移利用弹性中心法和空洞复变函数，给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的盾构隧道抗震分析公式42进展二：圆形盾构隧道抗震拟静力分析方法与抗震特性开裂与错动开裂与错动损伤区域损伤区域43揭示了穿越蠕滑断层隧道结构的损伤开裂特性(a) 弥散裂缝(b)离散裂缝（c）扩展有限元进展二：圆形盾构隧道抗震拟静力分析方法与抗震特性开展了地震荷载作用下盾构隧道的动态防水特性的试验验证进展二：圆形盾构隧道抗震拟静力分析方法与抗震特性v构建车体之间相容的动力边界条件，形成考虑列车编组数量、行驶速度、碰撞角度在内的撞击
25、荷载理论模型；获得了列车脱轨撞击荷载及撞击力特征曲线。各撞击角度下不同撞击速度的撞击力时程曲线第一类撞击力特征曲线的高斯多峰拟合进展三：高速列车撞击隧道结构动力学特性v撞击荷载下管片结构大变形数值分析技术-引入非连续位移扩展有限元法及损伤力学理论，通过模拟管片衬砌拼装效应和撞击大变形效应，揭示了列车撞击荷载作用下盾构隧道衬砌损伤演化、管片衬砌裂缝开裂扩展及接头螺栓断裂失效等动力学特性。内侧主裂缝及接头部位开裂内侧主裂缝及接头部位开裂衬砌内外表面裂缝扩展衬砌内外表面裂缝扩展管片衬砌拉压损伤特性管片衬砌拉压损伤特性螺栓连接单元的断裂失效准则螺栓连接单元的断裂失效准则进展三：高速列车撞击隧道结构动力
26、学特性v构建列车-隧道-围岩非线性接触耦合模型，揭示在真实列车高速撞击作用下列车防撞吸能动力特性及盾构隧道管片衬砌破坏力学方式。车-隧-围岩动力耦合模型管片内表面压缩损伤特性车头区域形变及等效塑性应变特性管片结构碎裂与掉落进展三：高速列车撞击隧道结构动力学特性v建立隧道内爆炸数值模型，采用流固耦合分析方法，研究爆炸冲击波在隧道内横向与纵向传播规律，获得隧道结构内壁面冲击波超压分布情况。爆炸冲击波计算模型不同时刻隧道内空气传播云图不同时刻爆心断面压力分布爆心截面空气冲击波压力时程曲线进展四：隧道半封闭空间中的爆炸动力特性v建立围岩-管片衬砌-接头整体数值分析模型，考虑炸药、空气与结构耦合作用，分
27、析内爆炸作用下盾构隧道动力响应，揭示盾构隧道爆炸破坏形态与规律。管片衬砌变形云图进展四：隧道半封闭空间中的爆炸动力特性管片衬砌碎裂图v进而获得内爆炸作用下管片接头部位及接头螺栓变形及受力规律。爆心截面管片环环向螺栓爆心截面管片环纵向螺栓管片张开与错台进展四：隧道半封闭空间中的爆炸动力特性M点接头张开量时程曲线点接头张开量时程曲线建立了考虑列车行驶效应的列车振动动力学分析方法51进展五：交叉隧道的振动响应与累积损伤将将实测列车振动荷载以竖向激振荷载的形式施加在列车轮轴上，实测列车振动荷载以竖向激振荷载的形式施加在列车轮轴上，同时同时在在列车编组上施加相应的列车编组上施加相应的速度场速度场。动力响
28、应曲线呈现。动力响应曲线呈现接近段接近段、上升段上升段、稳稳定段定段、下降下降段、段、远离段远离段五阶段特征五阶段特征。52考虑列车行驶效应的列车振动动力学分析模型图0 L隧道隧道动力响力响应时程曲程曲线进展五：交叉隧道的列车振动响应与累积损伤基于基于最新混凝土单轴本构模型，最新混凝土单轴本构模型，考虑影响混凝土疲劳损伤的三个主要考虑影响混凝土疲劳损伤的三个主要因素因素：混凝土疲劳刚度退化、疲劳强度下降混凝土疲劳刚度退化、疲劳强度下降和和疲劳残余应变增加，疲劳残余应变增加，得得出了出了改进的混凝改进的混凝土疲劳本构模型：土疲劳本构模型：其中，修正的相关参数如下：v改进的混凝土疲劳本构模型进展五
29、：交叉隧道的列车振动响应与累积损伤揭示了不同使用年限隧道的累积损伤情况与减振道床的作用揭示了不同使用年限隧道的累积损伤情况与减振道床的作用54l隧道的压致损伤集中在有地铁行驶的上部隧道拱底区域，下部隧道没有；l随着隧道运营年限的增加，损伤数和范围增加明显；拉致损伤云图(a)0.07年(b)13.70年(c)68.49年(b)102.74年l隧道的拉致损伤集中上部隧道拱底和仰拱边缘区域；l拉致损伤大小和范围远大于压致损伤0.22，7.0810-3进展五：交叉隧道的列车振动响应与累积损伤55 项项目目针针对对神神华华集集团团神神东东矿矿区区补补连连塔塔矿矿2 2号号副副井井工工程程，实实施施盾盾构
30、构施施工工、场场体体和和结结构构的的实实时时监监测测和和评评价价，以以期期对对国国内内首首条条盾盾构构施施工工斜斜井井进进行行远远程程化、数字化监测和评价化、数字化监测和评价 ，确保建井施工安全。，确保建井施工安全。进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术56 补补连连塔塔煤煤矿矿斜斜井井设设计计总总长长度度2745m2745m，坡坡度度-5.5-5.5 ，最最大大埋埋深深280m280m。穿越地层以砂岩和泥岩为主穿越地层以砂岩和泥岩为主进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术57斜井掘进开挖直径斜井掘进开挖直径7.62m7.62m，井筒净直径，井筒净直径6.6m6.6m，断面面积，断面面
31、积45.645.6，管片，管片厚度厚度0.35m0.35m，幅宽，幅宽1.8m1.8m，一环由，一环由7 7块管片组成。块管片组成。20152015年年7 7月月1010日工程开始日工程开始正式掘进，正式掘进，1212月月2222日贯通。日贯通。进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术监测系统监测系统层次层次设计设计自动监测系统网络拓扑图自动监测系统网络拓扑图l l操作监控端操作监控端l l数据同步端数据同
32、步端l l数据发布端数据发布端l l数据存储端数据存储端l l地图服务端地图服务端监测系统层次结构示意图监测系统层次结构示意图监测系统监测系统模块模块设计（设计（1313个模块）个模块）pp整体工况展示模块整体工况展示模块pp掘进监测模块掘进监测模块pp岩土改良系统模块岩土改良系统模块pp填充系统监测模块填充系统监测模块pp皮带机监测模块皮带机监测模块pp盾尾密封盾尾密封模块模块pp盾构姿态监测盾构姿态监测模块模块pp围岩围岩结构监测模块结构监测模块pp视频监控模块视频监控模块pp安全评估模块安全评估模块pp数据查询模块数据查询模块pp报警列表模块报警列表模块pp故障列表模块故障列表模块进展六
33、：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统掘进监测模块l ll盾构总推力盾构总推力盾构总推力l ll刀盘转速、扭矩刀盘转速、扭矩刀盘转速、扭矩l ll推进速度推进速度推进速度l ll刀盘行程和压力（上、下、左、刀盘行程和压力（上、下、左、刀盘行程和压力（上、下、左、右）右）右）l ll土压土压土压（上、下、左、右（上、下、左、右（上、下、左、右）l ll刀盘渗漏油温、工作油压刀盘渗漏油温、工作油压刀盘渗漏油温、工作油压l ll推进油泵推进油泵推进油泵油压油
34、压油压整体工况模块l ll动画动画动画形式实时展现盾构机当前的工作形式实时展现盾构机当前的工作形式实时展现盾构机当前的工作状态（掘进、拼装、停机）状态（掘进、拼装、停机）状态（掘进、拼装、停机）l ll当前当前当前盾构机所在盾构机所在盾构机所在位置位置位置l ll当前当前当前掘进环掘进环掘进环数数数l ll施工施工施工整体整体整体安全风险安全风险安全风险状态状态状态进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统岩土改良系统模块l ll监测监测监测膨润土系
35、统、泡沫系统、除尘膨润土系统、泡沫系统、除尘膨润土系统、泡沫系统、除尘喷雾喷雾喷雾系统系统系统p pp膨润土膨润土膨润土、泡沫、泡沫、泡沫消耗量消耗量消耗量p pp喷雾喷雾喷雾压力压力压力填充系统监测模块l ll监测：监测：监测：p pp注浆注浆注浆压力压力压力p pp注浆注浆注浆流量流量流量p pp豆粒石豆粒石豆粒石消耗量消耗量消耗量进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统皮带机监测模块l ll监测：监测：监测：p pp皮带机皮带机皮带机转速转速
36、转速p pp皮带机皮带机皮带机张张张紧力紧力紧力盾尾密封模块l ll监测：监测：监测：p pp均匀分布于盾尾的均匀分布于盾尾的均匀分布于盾尾的6 66个密封个密封个密封装置的装置的装置的工作状态工作状态工作状态p pp密封密封密封压力压力压力和油脂和油脂和油脂消耗量。消耗量。消耗量。进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统盾构姿态监测模块l ll监测盾构姿态并以图形化显监测盾构姿态并以图形化显监测盾构姿态并以图形化显示示示p pp水平倾向水平倾向水
37、平倾向p pp垂直倾向垂直倾向垂直倾向p pp俯倾角俯倾角俯倾角p pp侧滚侧滚侧滚角等角等角等围岩结构监测模块l ll监测荷载和内力的变化，可查看各监测值监测荷载和内力的变化，可查看各监测值监测荷载和内力的变化，可查看各监测值的时程曲线的时程曲线的时程曲线p pp围岩压力围岩压力围岩压力p pp外水压力外水压力外水压力p pp衬砌弯矩衬砌弯矩衬砌弯矩p pp衬砌衬砌衬砌轴力轴力轴力进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统视频监控模块l ll主要对
38、主要对主要对现场施工现场施工现场施工状况进行状况进行状况进行全方位监测全方位监测全方位监测与实时与实时与实时画面传送画面传送画面传送安全评估模块l ll包括施工安全与结构安全评估：包括施工安全与结构安全评估：包括施工安全与结构安全评估：p pp对对对盾构施工状态参数等进行评估盾构施工状态参数等进行评估盾构施工状态参数等进行评估p pp对对对衬砌结构受力状态进行评估衬砌结构受力状态进行评估衬砌结构受力状态进行评估进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系
39、统数据查询模块l ll对单环和多环进行信对单环和多环进行信对单环和多环进行信息查询或统计息查询或统计息查询或统计p pp出土出土出土量量量p pp进度进度进度p pp施工时间施工时间施工时间p pp材料消耗材料消耗材料消耗故障列表模块l ll对对对盾构机系统、皮带机系统、胶轮盾构机系统、皮带机系统、胶轮盾构机系统、皮带机系统、胶轮车系车系车系统等的统等的统等的故障故障故障p pp进行记录进行记录进行记录p pp定位定位定位与查看等与查看等与查看等进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系
40、统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统l ll通过通过通过监测系统的监测系统的监测系统的层次设计层次设计层次设计、功、功、功能设计能设计能设计、模块设计模块设计模块设计、接口设计接口设计接口设计和和和数据数据数据库设计库设计库设计，最后构建了盾构，最后构建了盾构，最后构建了盾构- -结构结构结构- -场体场体场体监测软件系统，该系统具有监测软件系统，该系统具有监测软件系统，该系统具有如下如下如下显显显著特点著特点著特点：l ll开放性和可开放性和可开放性和可扩展性扩展性扩展性l ll集成性和可管理性集成性和可管理性集成性和可管理性l ll实时性和高效实时性和高效实时性和高效性性性l ll安全性
41、和可维护性安全性和可维护性安全性和可维护性进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统研发了煤矿斜井远程数字化监测软件系统测试传感器总体布置方式测试传感器总体布置方式-测试断面位置选择测试断面位置选择斜井现场监测断面布置l ll补补补连塔连塔连塔2#2#2#辅运平硐设置辅运平硐设置辅运平硐设置101010个个个断面，间隔位置断面，间隔位置断面，间隔位置平均平均平均200m200m200m，特殊岩层和位置适当加密特殊岩层和位置适当加密特殊岩层和位置适当加密l ll测试断面测试断面测试断面传
42、感器传感器传感器包括包括包括埋入式传感器或表贴式传感器埋入式传感器或表贴式传感器埋入式传感器或表贴式传感器（测缝计、表贴式应变计）（测缝计、表贴式应变计）（测缝计、表贴式应变计） 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术埋入式传感器布置埋入式传感器布置管片衬砌结构现场测试测点布置量测元件埋设示意图l ll衬砌环安装以下传感器衬砌环安装以下传感器衬砌环安装以下传感器l ll土压力计、水土压力计、水土压力计、水压力计压力计压力计安装在分安装在分安
43、装在分块外表面的中间块外表面的中间块外表面的中间位置位置位置l ll每个每个每个分块安装两对分块安装两对分块安装两对混凝土应变混凝土应变混凝土应变计计计，位置以分块的环向等分长，位置以分块的环向等分长，位置以分块的环向等分长度度度确定确定确定l ll校正用校正用校正用温度传感器温度传感器温度传感器和和和局部钢筋局部钢筋局部钢筋计计计进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术埋入式元器件型号及参数埋入式元器件型号及参数元器件类型型号数量实物图性
44、能参数土压力计土压力计XYJ-6型压型压轴式双膜轴式双膜7型号：型号：XYJ-6，量程：，量程：30MPa，精度：，精度：1.0% F.S.，灵敏度：，灵敏度：0.025%F.S.孔隙水压力计孔隙水压力计XJS-37型号：型号：XJS-3，量程：，量程：10MPa，精度：，精度：1.0% F.S.，灵敏度：，灵敏度：0.025%F.S.混凝土应变计混凝土应变计XJH-2型埋型埋入式入式29型号：型号：XJH-2，量程：，量程：40MPa，精度：，精度：1.0% F.S.灵敏度：灵敏度：0.4钢筋计钢筋计XJG-216型号：型号：XJG-2，量程：，量程：40MPa，精度：，精度：1.0% F.
45、S.灵敏度：灵敏度：0.4温度传感器温度传感器LN-T4量程量程-50-350数据数据传输终端传输终端盒盒JS-201011个个10/100M网口网口/5个串口个串口/1个并口，支持个并口，支持TCP/IP/DHCP以异步以异步ASYNC连接方式，环连接方式，环境参数境参数:温度温度:0-40;湿度湿度:10%-80%进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术pp盾构的总推力盾构的总推力pp刀盘扭矩刀盘扭矩pp刀盘转速刀盘转速pp掘进速度掘进
46、速度pp推进行程推进行程pp推进油缸压力、速度推进油缸压力、速度采用盾构自带传感器测试盾构施工参数采用盾构自带传感器测试盾构施工参数盾构机在设计制造过程中，在其土仓内、主驱动内、排土装置、盾构机在设计制造过程中，在其土仓内、主驱动内、排土装置、密封装置、注浆装置、推进装置等重要设备当中都安设有传感器。密封装置、注浆装置、推进装置等重要设备当中都安设有传感器。pp注浆压力和流量注浆压力和流量pp泡沫消耗量泡沫消耗量pp喷雾压力喷雾压力pp油脂密封压力和消耗量油脂密封压力和消耗量pp盾构机俯视角和侧滚角盾构机俯视角和侧滚角pp土仓内和螺栓出土器的水压力、土压力土仓内和螺栓出土器的水压力、土压力进展
47、六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术采采用用视视频频摄摄像像机机开开展展视视频频监监测测视视频频服服务务器器、视视频频工工作作站站、编码器编码器、解码器解码器等等视频服务器XeonE5-26202GHz，IntelC600，1PCI-E+3.016+4PCI-E3.08，SAS硬盘视频工作站Corei5-3320M2.6GHz，IntelQM77，nVIDIAQuadroK1000M，集成千兆以太网卡编码器视频码率：2Mbps-16Mbps
48、；码流类型：复合流/视频流；视频压缩标准：H.264解码器视频压缩标准：H.264；视频输出接口：1个HDMI、一个VGA、一个BNC工业监视器最大分辨率：1920*1080；有效显示区域：1039.7（H）*584.8（V）IP-SAN接口类型：双1000MLAN；接口：SATAII、SAS；接口速度：3GB/s；硬盘盘位：161TB；RAID级别：0，1，1E，5，6，10，50，60视频摄像机配套设备进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组
49、网技术埋入式传感器的埋设工艺埋入式传感器的埋设工艺-固定固定土压力计固定l绑扎式安装绑扎式安装l弹性保护垫层弹性保护垫层混凝土应变计固定l应变计的绑扎方向应与环向受力主筋方向平行应变计的绑扎方向应与环向受力主筋方向平行l混凝土应变计和环向主筋高度一致混凝土应变计和环向主筋高度一致进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术传感器走线图土压力计、水压力计、钢筋计埋设及走线示意图埋入式传感器的埋设工艺埋入式传感器的埋设工艺-走线走线进展六：盾构隧道
50、监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术l l走线孔两端设置封堵，内端封堵设走线孔两端设置封堵，内端封堵设走线孔两端设置封堵，内端封堵设走线孔两端设置封堵，内端封堵设通线孔通线孔通线孔通线孔l l通线孔需进行充分的防水处理，避免管片在养护时发生渗水侵蚀电缆通线孔需进行充分的防水处理，避免管片在养护时发生渗水侵蚀电缆通线孔需进行充分的防水处理，避免管片在养护时发生渗水侵蚀电缆通线孔需进行充分的防水处理，避免管片在养护时发生渗水侵蚀电缆走线孔防水处理走线孔安装
51、位置固定埋入式传感器的埋设工艺埋入式传感器的埋设工艺-防水防水进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术埋入式传感器的埋设工艺埋入式传感器的埋设工艺-脱模、标记脱模、标记-接线接线-封孔封孔混凝土脱模管片标记开孔接线封堵走线孔进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术表贴式传感器的埋设工艺表
52、贴式传感器的埋设工艺- -在环缝、纵缝上表贴测缝针、混凝土上表贴应变计在环缝、纵缝上表贴测缝针、混凝土上表贴应变计表贴式测缝计表贴式应变计传感器布置设计图每衬砌环布置：每衬砌环布置：每衬砌环布置：表贴式表贴式表贴式测缝计测缝计测缝计7 77个个个，表贴式表贴式表贴式应变计应变计应变计4 44个个个，埋入式埋入式埋入式应变计应变计应变计4 44个个个。拱顶表贴式应变计进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术pp有线组网传输有线组网传输有线组网
53、传输有线组网传输方式方式方式方式斜井监测组网技术斜井监测组网技术-有线组网传输方式有线组网传输方式有线组网传输方式有线组网传输方式进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术补连塔补连塔补连塔2#2#2#辅运平洞盾构施工辅运平洞盾构施工辅运平洞盾构施工参数、地层荷载参数、结构参数、地层荷载参数、结构参数、地层荷载参数、结构内力参数的监测系统均利用内力参数的监测系统均利用内力参数的监测系统均利用光纤光纤光纤实现信号的远距离实现信号的远距离实现信号
54、的远距离传输传输传输p ppJS-SDTJS-SDTJS-SDT结构安检数据终结构安检数据终结构安检数据终端端端DODODO单元单元单元p ppJS-SDTJS-SDTJS-SDT结构安检数据结构安检数据结构安检数据终终终端端端CPUCPUCPU单元单元单元p ppPLCPLCPLCp pp光交换机光交换机光交换机p pp监测信号自动读取监测信号自动读取-集线箱中数据终端集线箱中数据终端集线箱内设备布置进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技
55、术p pp集集集线线线箱箱箱内内内根根根据据据各各各个个个科科科研研研断断断面面面传传传感感感器器器的的的预预预埋埋埋数数数量量量配配配备备备有有有一一一个或多个个或多个个或多个结构监测数据终端结构监测数据终端结构监测数据终端p pp单个单个单个结构监测数据结构监测数据结构监测数据终端可以对终端可以对终端可以对505050个个个传感器进行监测传感器进行监测传感器进行监测焊接和喷漆后的CPU板装配完成后的CPU单元正面监测系统集线箱的装配集线箱布置集线箱布置进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件
56、配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术防爆集线箱尺寸：宽700高1400厚350，材质为Q235A钢板，上部留进出线口和端子腔。内部安装有PLC，继电器，端子，光纤盒等元件进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术监测设备井下防爆处理监测设备井下防爆处理-防爆箱防爆箱81监控中心集成控制技术及其设备监控中心集成控制技术及其设备进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器
57、件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术p pp主要主要主要设备包括设备包括设备包括数据数据数据服务器、监控工作站、服务器、监控工作站、服务器、监控工作站、VGAVGAVGA矩阵矩阵矩阵等等等p pp通过计算机局域网联为一体，构成通过计算机局域网联为一体，构成通过计算机局域网联为一体，构成服务器服务器服务器- -客户机模式客户机模式客户机模式监控中心集成控制技术及其设备监控中心集成控制技术及其设备数据服务器、监控工作站监控中心集成控制设备进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术 形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件
58、配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术形成了斜井监测元器件配置、硬件组网技术结构安全评估流程结构安全评估流程83 建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术基于容许应力法的结构安全评估基于容许应力法的结构安全评估pp管片衬砌管片衬砌管片衬砌管片衬砌拉压强度校核拉压强度校核拉压强度校核拉压强度校核：衬砌各截面的切向应力应大于混凝土衬砌的抗拉压强度，即需满足 。管片衬砌安全系数为 ，其中pp管片衬砌接头管片衬砌接头管片衬砌接头管片衬砌接头抵抗弯矩校核抵抗
59、弯矩校核抵抗弯矩校核抵抗弯矩校核：螺栓接头截面的抵抗弯矩Mjr 取Mjc 与Mjs 中较小的数值，且必须达到主断面的抵抗弯矩60%以上。主断面抵抗弯矩Mc取Mcr与Mcs中较小的数值。 建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术建立了斜井结构安全评估方法与技术进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术基于极限状态法的结构安全评估基于极限状态法的结构安全评估uu管片管片管片管片混凝土混凝土混凝土混凝土主截面主截面主截面主截面弯矩轴力弯矩轴力弯矩轴力弯矩轴力校核校核校核校核:对结构最不利的轴力对结构最不利的轴力- -弯矩组合弯矩组合 进行进行校
60、核，校核，轴方向承载力与抗弯承载力关系轴方向承载力与抗弯承载力关系公式：公式：承载力关系曲线示例图uu管片管片管片管片衬砌衬砌衬砌衬砌混凝土混凝土混凝土混凝土主截面主截面主截面主截面剪力校核剪力校核剪力校核剪力校核 校核公式：uu管片衬砌管片衬砌管片衬砌管片衬砌接头接头接头接头的的的的剪力校核剪力校核剪力校核剪力校核 校核公式：进展六：盾构隧道监测与结构安全实时评估技术（a a）管片主体）管片主体 （b b）正弯情况下接头部位）正弯情况下接头部位（c c）负弯情况下接头部位）负弯情况下接头部位断面弯矩轴力评估结果断面弯矩轴力评估结果基于极限状态法的结构安全评估基于极限状态法的结构安全评估进展七：盾构隧道施工结构特性d=6mmd=6mmd=12mmd=12mm揭揭示示盾盾构构施施工工刀刀盘盘受受力力特特性性、滚滚刀刀破破岩岩机机理理以以及及千千斤斤顶顶偏偏心顶进引起的结构开裂分布心顶进引起的结构开裂分布若干新型结构若干新型结构若干新型结构若干新型结构88进展八：盾构隧道若干新型结构89进展八：盾构隧道若干新型结构90进展八：盾构隧道若干新型结构欢迎交流！欢迎交流！晏启祥：晏启祥： 1308802095613088020956；
