盾構(gòu)機基本原理及分類

1、*盾構(gòu)機基本原理及分類1 盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用 緒論 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類2 緒論緒論 1、盾構(gòu)及其基本工作原理、盾構(gòu)及其基本工作原理 2、盾構(gòu)法的優(yōu)缺點、盾構(gòu)法的優(yōu)缺點 3、盾構(gòu)施工開挖及支撐方式、盾構(gòu)施工開挖及支撐方式 4、盾構(gòu)機的分類、盾構(gòu)機的分類 5、盾構(gòu)的發(fā)展簡史、盾構(gòu)的發(fā)展簡史 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類3 第一節(jié)第一節(jié) 盾構(gòu)及其基本工作原理盾構(gòu)及其基本工作原理 一、盾構(gòu)的定義一、盾構(gòu)的定義 2008年3月31日發(fā)布的盾構(gòu)法隧道 施工與驗收規(guī)范定義：盾構(gòu)是盾構(gòu) 掘進機的簡稱，是在鋼殼體保護下完 成隧道掘進、拼裝作業(yè)，由主機和后 配套組成的機電一

2、體化設(shè)備 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類4 第一節(jié)第一節(jié) 盾構(gòu)及其基本工作原理盾構(gòu)及其基本工作原理 二、盾構(gòu)法施工的基本原理二、盾構(gòu)法施工的基本原理 盾構(gòu)機的基本工作原理就是一個圓柱盾構(gòu)機的基本工作原理就是一個圓柱 體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊 對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼 體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的 隧洞段起著臨時文撐的作用，承受周隧洞段起著臨時文撐的作用，承受周 圍土層的壓力，有時還承受地下水壓圍土層的壓力，有時還承受地下水壓 以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、以及將地下水

3、擋在外面。挖掘、排土、 襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類5 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類6 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類7 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類8 第二節(jié)第二節(jié) 盾構(gòu)法的優(yōu)缺點盾構(gòu)法的優(yōu)缺點 一。盾構(gòu)法的優(yōu)點一。盾構(gòu)法的優(yōu)點 (1)對環(huán)境影響小對環(huán)境影響小 出土量少，周圍地層沉降小，對周圍構(gòu)造出土量少，周圍地層沉降小，對周圍構(gòu)造 物的影響??；物的影響??； 不影響地表交通及商店營業(yè)，無需切斷、不影響地表交通及商店營業(yè)，無需切斷、 搬遷地下管線等各種地下設(shè)施；搬遷地下管線等各種地下設(shè)施； 對周

4、圍居民生活、出行影響小；對周圍居民生活、出行影響??； 無空氣、噪音、振動污染問題。無空氣、噪音、振動污染問題。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類9 ( (2)2)盾構(gòu)掘進不受地形、地貌、江河水域等盾構(gòu)掘進不受地形、地貌、江河水域等 地表環(huán)境條件的限制。地表環(huán)境條件的限制。 (3)(3)地表占地面積小，故征地費用少。地表占地面積小，故征地費用少。 (4)(4)適用于大深度、大地下水壓施工，相對適用于大深度、大地下水壓施工，相對 而言施工成本低。而言施工成本低。 (5)(5)施工不受天氣（風(fēng)、雨、施工不受天氣（風(fēng)、雨、）條件限）條件限 制。制。 (6)(6)挖土、出土量少、利于降低成本。挖土

5、、出土量少、利于降低成本。 (7)(7)盾構(gòu)工發(fā)構(gòu)筑的隧道的抗地震性好。盾構(gòu)工發(fā)構(gòu)筑的隧道的抗地震性好。 (8)(8)適用地質(zhì)情況范圍寬，軟土、砂卵土、適用地質(zhì)情況范圍寬，軟土、砂卵土、 軟巖、直到巖層均可使用。軟巖、直到巖層均可使用。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類10 二。盾構(gòu)施工法缺點二。盾構(gòu)施工法缺點 （1 1）需要隧道襯砌管片預(yù)制、運輸、襯砌、襯砌結(jié)）需要隧道襯砌管片預(yù)制、運輸、襯砌、襯砌結(jié) 構(gòu)防水及堵漏、施工測量、場地布置、機械安裝構(gòu)防水及堵漏、施工測量、場地布置、機械安裝 等施工技術(shù)的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調(diào)復(fù)雜；等施工技術(shù)的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調(diào)復(fù)雜； （2 2）施工過程變化斷面

6、尺寸困難；只能前進，不能）施工過程變化斷面尺寸困難；只能前進，不能 后退，當(dāng)隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時，后退，當(dāng)隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時， 施工難度大，在飽和含水的松軟地層中施工，地施工難度大，在飽和含水的松軟地層中施工，地 表沉陷風(fēng)險較大；表沉陷風(fēng)險較大； （3 3）盾構(gòu)機制造周期長，造價較昂貴，盾構(gòu)的拼裝、）盾構(gòu)機制造周期長，造價較昂貴，盾構(gòu)的拼裝、 轉(zhuǎn)移等較復(fù)雜，建造短于轉(zhuǎn)移等較復(fù)雜，建造短于750m750m的隧道經(jīng)濟性差。的隧道經(jīng)濟性差。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類11 第三節(jié)第三節(jié) 盾構(gòu)開挖與支撐方式盾構(gòu)開挖與支撐方式 一、盾構(gòu)施工的開挖方式 2021/4/

7、29盾構(gòu)機基本原理及分類12 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類13 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類14 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類15 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類16 反鏟挖掘盾構(gòu)反鏟挖掘盾構(gòu) 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類17 懸臂掘進盾構(gòu)懸臂掘進盾構(gòu) 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類18 3 3、機械式開挖、機械式開挖 機械式開挖又稱全斷面機械開挖。緊貼開挖面的機械式開挖又稱全斷面機械開挖。緊貼開挖面的 旋轉(zhuǎn)刀盤進行全斷面開挖，即從掘削到出土作業(yè)旋轉(zhuǎn)刀盤進行全斷面開挖，即從掘削到出土作業(yè) 均由機械完成。均由機械完成。 主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：

8、 （1 1）開挖的隧道面精準(zhǔn)，無超挖。）開挖的隧道面精準(zhǔn)，無超挖。 （2 2）在掘進過程中，隧道斷面輪廓保持不變。）在掘進過程中，隧道斷面輪廓保持不變。 （3 3）隧道工作面形式可根據(jù)其穩(wěn)定性進行優(yōu)化，特）隧道工作面形式可根據(jù)其穩(wěn)定性進行優(yōu)化，特 別是土層需要支撐的情況下。別是土層需要支撐的情況下。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類19 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類20 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類21 二、盾構(gòu)施工的支撐方式 1 1、自然工作面支撐、自然工作面支撐 即隧道工作面的穩(wěn)定性是借助掘進暫時停即隧道工作面的穩(wěn)定性是借助掘進暫時停 頓期間它固有的穩(wěn)定性或借助桁

9、架上的土頓期間它固有的穩(wěn)定性或借助桁架上的土 層行程的斜坡而穩(wěn)定的。層行程的斜坡而穩(wěn)定的。 適用于地層：由于不適于抵御水壓，因此只適用于地層：由于不適于抵御水壓，因此只 適用于干的或排干的地層適用于干的或排干的地層 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類22 2 2、機械工作面支撐、機械工作面支撐 （1 1）板條支撐）板條支撐 手動掘削手動掘削 （2 2）活動工作面支撐）活動工作面支撐 機械部分斷面開挖機械部分斷面開挖 （3 3）封閉切削輪支撐）封閉切削輪支撐 全斷面開挖全斷面開挖 以上支撐方式只適用于抵御土壓等低滲透性地層以上支撐方式只適用于抵御土壓等低滲透性地層 掘進掘進 2021/4/2

10、9盾構(gòu)機基本原理及分類23 3 3、壓縮空氣支撐、壓縮空氣支撐 原理：空氣壓力與地下水的靜壓力保持平衡，原理：空氣壓力與地下水的靜壓力保持平衡， 土壓由自土壓由自 然或機械的支撐承受。然或機械的支撐承受。 要保證壓力平衡要保證壓力平衡 ，否則頂部過剩的壓力，否則頂部過剩的壓力 “噴發(fā)噴發(fā)”的危險的危險 已被泥水盾構(gòu)取代。已被泥水盾構(gòu)取代。 適用于黏土，黏砂土，多水松軟地層 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類24 4 4、泥漿工作面支撐、泥漿工作面支撐 采用泥漿方法，隧道工作面借助有壓力的采用泥漿方法，隧道工作面借助有壓力的 液體得以很好的支撐，用泥漿就地抵御土液體得以很好的支撐，用泥漿就地

11、抵御土 壓及水壓。壓及水壓。 5 5、土壓平衡支撐、土壓平衡支撐 在黏土質(zhì)地層中，土料自身作為支撐介質(zhì)。在黏土質(zhì)地層中，土料自身作為支撐介質(zhì)。 在土料中添加介質(zhì)（水、泡沫、膨潤土或在土料中添加介質(zhì)（水、泡沫、膨潤土或 黏土），開挖料就轉(zhuǎn)化成土漿，它能夠起黏土），開挖料就轉(zhuǎn)化成土漿，它能夠起 到穩(wěn)定隧道工作面的作用。到穩(wěn)定隧道工作面的作用。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類25 第四節(jié)第四節(jié) 盾構(gòu)機的分類盾構(gòu)機的分類 1、按地層種類分 （1）硬巖盾構(gòu) （TBM） （2）軟巖盾構(gòu) （3）軟土盾構(gòu) （4）硬軟巖土盾 構(gòu)（復(fù)合盾構(gòu)） 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類26 2 、按盾構(gòu)機橫截

12、面大小分類 （1）超小型盾構(gòu) 1m （2）小型盾構(gòu) 1m3.5m （3）中性盾構(gòu) 3.5m6m （4）大型盾構(gòu) 6m14m （5）超大型盾構(gòu) 14m18m （6）特大型盾構(gòu) 18m 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類27 3、按盾構(gòu)機橫截面形狀分類 （1）半圓形 （2）圓形 （3）橢圓形 （4）馬蹄形 （5）雙圓搭接形：豎雙圓形、橫雙圓形 （6）三圓搭接形 （7）四圓搭接形 （8）矩形：矩形、凸字形、凹字形 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類28 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類29 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類30 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類31 2021

13、/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類32 4、 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類33 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類34 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類35 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類36 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類37 1、國外盾構(gòu)法隧道的起源及發(fā)展史 1806年，法國的布魯諾爾(M.I.Brune1)從 蛀蟲鉆孔得到啟示，最早提出了用盾構(gòu)法 建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國取得了專利 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類38 第五節(jié)第五節(jié) 盾構(gòu)的發(fā)展簡史盾構(gòu)的發(fā)展簡史 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類39 布魯諾爾構(gòu)想的盾構(gòu)機機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)由不同 的單

14、元格組成，每一個單元格可容納一個 工人獨立工作并對工人起到保護作用。采 用的方法是將所有的單元格牢靠地裝在盾 殼上。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類40 此后，布魯諾爾逐步完善了盾構(gòu)結(jié) 構(gòu)的機械系統(tǒng)，設(shè)計成用全斷面螺 旋式開挖的封閉式盾殼，襯徹緊隨 其后的方式。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類41 M.I.Brunel 螺旋盾構(gòu)，1818 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類42 . 1825年，他第一次在倫敦泰晤土河下開始 用一個斷面高6.8m、寬11.4m，并由12個鄰 接的框架組成的矩形盾構(gòu)修建隧道。每一 個框架分成3個艙，每一個艙里有一個工人 ，共有36個工人。 20

15、21/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類43 此系統(tǒng)按照以下模式工作： 首先，借助螺桿將鞍型框架壓入前方 的土中。從上部撤除隧道工作面上的 木料并掘土6英寸，然后，隧道工作面 重新用木料覆蓋并用螺桿支撐，緊接 著盾構(gòu)后部砌磚，把它作為整個機架 的支座。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類44 第一條隧道施工的盾構(gòu)機 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類45 泰晤士河下的隧道工程施工期間遇 到了許多困難，在經(jīng)歷了五次以上 的特大洪水后，直到1843年，經(jīng)過 18年施工，完成了全長458m的第一 條盾構(gòu)法隧道。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類46 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類47

16、 1830年，英國的羅德發(fā)明“氣壓法”輔助 解決隧道涌水。 1866年，莫爾頓申請“盾構(gòu)”專利。盾構(gòu)最初 稱為小筒（cell）或圓筒（cylinder），在莫 爾頓專利中第一次使用了“盾構(gòu)”（shield） 這一術(shù)語。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類48 1865年，英國的布朗首次采用圓形盾構(gòu)和鑄 鐵管片，1869年用圓形盾構(gòu)在泰吾士河下修 建外徑2.2m的隧道。在地下水方面沒遇到什 么困難。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類49 1874年，工程師格瑞海德發(fā)現(xiàn)在強滲水性 的地層中很難用壓縮空氣支撐隧道工作面 ，因此開發(fā)了用液體支撐隧道工作面的盾 構(gòu)，通過液體流，以泥漿的形式出土

17、。 1886年，格瑞海德在倫敦地下施工中將壓 縮空氣方法與盾構(gòu)掘進相組合使用，在壓 縮空氣條件下施工，標(biāo)志著在承壓水地層 中掘進隧道的一個重大進步，20世紀(jì)初， 大多數(shù)隧道都是采用格瑞海德盾構(gòu)法修建 的。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類50 布魯諾爾發(fā)明盾構(gòu)法之后的另一個技術(shù)進 步是用機械開挖代替人工開挖。第一個機 械化盾構(gòu)專利是1876年英國人約翰荻克英 森布倫敦和姬奧基布倫敦申請的。 這臺盾構(gòu)有一個由幾塊板構(gòu)成的半球形的 旋轉(zhuǎn)刀盤，開挖的土料落入徑向裝在刀盤 上的料斗中，料斗將渣料轉(zhuǎn)運至膠帶輸送 機上，再將它轉(zhuǎn)運到后面從盾構(gòu)中運出， 這一構(gòu)想后來被用于修建地鐵隧道工程。 2021/

18、4/29盾構(gòu)機基本原理及分類51 1917年，日本引進盾構(gòu)施工技術(shù)，是歐美 國家以外第一個引進盾構(gòu)法的國家。 1963年，土壓平衡盾構(gòu)首先由日本Sato Kogyo公司開發(fā)出來。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類52 1963年Sato Kogyo公司土壓平衡盾構(gòu) 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類53 1974年第一臺土壓平衡盾構(gòu)在東京被采用 。該盾構(gòu)由日本制造商IHI（石川島播磨） 設(shè)計，其外徑3.72m，掘進了1900m的主管 線。 在以后的年代里，很多廠商以土壓盾構(gòu)、 壓力保持盾構(gòu)、軟泥盾構(gòu)、土壤壓力盾構(gòu) 、泥壓盾構(gòu)等名稱生產(chǎn)了“土壓平衡盾構(gòu)”。 所有這些名稱的盾構(gòu)都應(yīng)有了同

19、一種工法 國際上稱為“土壓平衡系統(tǒng)”（EPBS）。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類54 1989年，日本最引人注目的泥水盾 構(gòu)隧道工程開工。東京灣海底隧道 長10km，是世界最長公路專用海底 隧道，用八臺直徑14.14m泥水加壓 式盾構(gòu)施工。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類55 日本東京灣海底隧道盾構(gòu)機示意圖 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類56 日本東京灣海底隧道泥水式盾構(gòu)機 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類57 1992年，日本研制成世界上第一臺三圓泥水加壓式盾構(gòu)，并成功地用于 大阪市地鐵7號線“商務(wù)公園站”車站工程施工。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類

20、58 2、我國盾構(gòu)機的發(fā)展歷程我國盾構(gòu)機的發(fā)展歷程 縱觀我國盾構(gòu)法隧道的發(fā)展歷程，大體上 可以分為三個階段： 起步階段(20世紀(jì)60年代-80年代初)； 平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀(jì)80年代中-2000年)； 快速發(fā)展階段。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類59 （1 1）起步階段起步階段(20世紀(jì)60年代-80年代初)： 1962年2月，我國上海市城建局隧道處開始 塘橋試驗隧道工程。采用直徑4.16m的一臺 普通敞胸盾構(gòu)在兩種有代表性的地層下進 行掘進試驗，用降水或氣壓來穩(wěn)定粉砂層 及軟粘土地層。選用由螺栓連接的單層鋼 筋混疑土管片作為隧道襯砌，環(huán)氧煤焦油 作為接縫防水材料。試驗獲得成功，采

21、集 了大量盾構(gòu)法隧道數(shù)據(jù)資料。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類60 （2）平穩(wěn)發(fā)展階段）平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀(jì)80年代中-2000年) ： 這一時期，隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，地 鐵建設(shè)也由服務(wù)于戰(zhàn)備轉(zhuǎn)為服務(wù)于經(jīng)濟發(fā) 展。繼北京、天津修建地鐵外，上海、廣 州也相繼修建了地鐵工程。地鐵施工技術(shù) 突破了原有淺埋明挖法的限制，盾構(gòu)法施 工方法被引入地鐵施工中。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類61 1980年，上海開始進行盾構(gòu)法隧道地鐵試 驗工程，采用直徑6.412m網(wǎng)格式機械出土 盾構(gòu)機施工。掘進長度為565m，采用泥水 加壓和局部氣壓施工。 1980年11月開始地鐵試驗一期、二期盾構(gòu)

22、 推進，1982年12月推進結(jié)束； 1983年6月開始地鐵試驗三期盾構(gòu)推進， 1984年10月推進結(jié)束，隧道總長1130m。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類62 1987年，上海市隧道工程公司承建市南站 過江電纜隧道工程，成功設(shè)計了我國第一 臺直徑4.35m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進機， 由上海造船廠制造。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類63 4.35m土壓盾構(gòu)研制 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類64 該盾構(gòu)能控制正面土壓平衡和減少地面沉 降，施工速度快，掘進長度達583m，該技 術(shù)獲得1990年國家科技進步一等獎。工程 于1988年1月開始盾構(gòu)推進，9月推進結(jié)束 。 20

23、21/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類65 1990年12月，上海市隧道工程公司承建的 上海合流污水治理工程6.1標(biāo)過江隧道推進 施工。采用自己設(shè)計制造直徑5.17m加泥式 土壓平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)自重190t,總推力 28800kN，總功率500kW。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類66 直徑直徑5.17m加泥式土壓平衡盾構(gòu)加泥式土壓平衡盾構(gòu) 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類67 1994年10月，上海隧道工程股份有限公司采 用盾構(gòu)法承建的南京第一條秦淮河治理工程 夾江隧道推進。 最具風(fēng)險的是盾構(gòu)推抵江中段，即鉆入全 斷面粉砂層中，該粉砂層上方?jīng)]有其它土 層與夾江水間隔。 直徑6.34m

24、土壓平衡盾構(gòu)掘進機于1995年2 月5日順利進入江心州接收井。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類68 南京夾江隧道直徑6.34m盾構(gòu)掘進機 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類69 1992年6月，上海市承建上海地鐵1號線上海火 車站漢中路車站區(qū)間，采用盾構(gòu)法隧道施工， 1993年4月全線貫通。 1993年8月，上海承建上海地鐵1號線黃陂路 站陜西路站區(qū)間隧道，1994年4月全線貫通。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類70 與法國FCB公司合作設(shè)計制作的6.34M土壓平衡盾構(gòu)機 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類71 1995年，我國開始研究矩形盾構(gòu)隧道掘進 技術(shù)，1996年上海隧道工程股份有限公司 研制了一臺2.5m2.5m可變網(wǎng)格矩形隧道 掘進機，頂進矩形隧道60m，解決了推進軸 線控制、糾偏技術(shù)、沉降控制、隧道結(jié)構(gòu) 等技術(shù)難題。 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類72 . 2021/4/29盾構(gòu)機基本原理及分類73 1999年5月，上海隧道工程股份有限公司研制成功國內(nèi)第一 臺3.8m3.8m矩形組合刀盤式土壓平衡掘進機，在浦東陸 家嘴地鐵車站掘進120m，建成兩條過街人行地