盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用（PPT版60頁）

1、*第一講大型施工機(jī)械盾構(gòu)機(jī)部分 盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用主講：郭京波 教授*目 錄一、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)二、盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展三、泥水加壓平衡盾構(gòu)及應(yīng)用四、土壓平衡盾構(gòu)及應(yīng)用*一、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)采用了類似機(jī)器人的技術(shù)，是集機(jī)、電、液、光、氣、水、信息于一體的隧道施工成套專用設(shè)備。具有自動(dòng)化程度高、對(duì)交通和周圍地層影響小、有利于環(huán)境保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。隧道掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)針對(duì)性非常強(qiáng)，一般來說，用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為TBM，用于軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)。1 掘進(jìn)機(jī)分類*TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)：雙護(hù)盾*2 盾構(gòu)與TBM的區(qū)別TBM是“Tunnel Boring Machine”的英文縮寫，一般指全斷面

2、硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)，通常定義中的TBM是以巖石地層為掘進(jìn)對(duì)象，不具備泥水壓、土壓等維護(hù)掌子面穩(wěn)定的功能。盾構(gòu)施工主要由穩(wěn)定開挖面、掘進(jìn)及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素組成。其中開挖面的穩(wěn)定方法是其工作原理的主要方面，也是盾構(gòu)區(qū)別于TBM及比TBM復(fù)雜的主要方面。*盾構(gòu)，用于軟土隧道暗挖施工，具有金屬外殼，殼內(nèi)裝有整機(jī)及輔助設(shè)備，在其掩護(hù)下進(jìn)行土體開挖、土碴排運(yùn)、整機(jī)推進(jìn)和管片安裝等作業(yè)，而使隧道一次成形的機(jī)械。*1 世界盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展1818 年Marc Isambard Brunel 獲得隧道盾構(gòu)法施工的專利，在 1825 年到 1843 年間首次使用盾構(gòu)在倫敦的泰晤士河下修建了一條河底隧道，初

3、步證明盾構(gòu)法隧道施工的價(jià)值。1830年由勞德考克讓施（Lord Cochrance）發(fā)明了施加壓縮空氣防止涌水的“氣壓法”。1874 年格雷蒙特（James Henry Greathead）在倫敦地鐵南線的隧道建設(shè)中采用了氣壓盾構(gòu)法的施工工藝，并首創(chuàng)了在盾尾后面的襯砌外圍環(huán)形空隙中壓漿的施工方法，并開發(fā)了用流體支撐開挖面的盾構(gòu)，開挖出的棄土以泥水流的方式排出。1896 年 Haag在柏林第一次申請(qǐng)了德國泥水式盾構(gòu)的專利，形成了現(xiàn)代泥水式盾構(gòu)的雛形，推動(dòng)了盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展。二、 盾構(gòu)機(jī)發(fā)展*20 世紀(jì)初，盾構(gòu)施工法在英、美、德、俄、法、日等國推廣。1917 年日本開始在鐵羽越線的折返段隧道施工

4、中引進(jìn)盾構(gòu)法。1938年正式在國鐵關(guān)門隧道應(yīng)用盾構(gòu)法施工，為日本盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1967年由英國提出的泥水加壓系統(tǒng)在日本得到了實(shí)施，日本研制成功第一臺(tái)有切削刀盤、水力出土的泥水加壓式盾構(gòu)（直徑為3.1m）。1974 年日本獨(dú)創(chuàng)性地研制成功土壓平衡盾構(gòu)，同時(shí)德國 Wayss & Freytag 也研制成功頗具特點(diǎn)的膨潤土懸浮液支撐開挖面的泥水平衡盾構(gòu)。之后，盾構(gòu)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，已成功應(yīng)用于各種公路隧道、地鐵隧道、引水隧道以及市政公用設(shè)施隧道等。二、 盾構(gòu)機(jī)發(fā)展*2我國盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展1953 年東北阜新煤礦用手掘式盾構(gòu)修建直徑為 2.6m的疏水巷道，但是由于受這一時(shí)期我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的限制

5、，盾構(gòu)技術(shù)一直沒有受到足夠的重視，盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展非常緩慢，應(yīng)用也相當(dāng)有限。直到 1985 年以后，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，各種地下工程的需求與日俱增，我國開始引進(jìn)和研制全斷面閉胸式盾構(gòu)，我國開始現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代后，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市地下空間的進(jìn)一步利用，對(duì)環(huán)境保護(hù)和施工質(zhì)量要求相對(duì)較高的城市地鐵隧道的需求越來越大，為了滿足這一需求，我國開始大規(guī)模地引進(jìn)、應(yīng)用國際先進(jìn)的盾構(gòu)施工技術(shù)和設(shè)備。 二、 盾構(gòu)機(jī)發(fā)展*小 結(jié)盾構(gòu)作為一種安全、快速的隧道掘進(jìn)機(jī)械，經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：一是以Brunel盾構(gòu)為代表的手掘式盾構(gòu)；二是以機(jī)械式、氣壓式、網(wǎng)格式盾構(gòu)為代表的

6、第二代盾構(gòu)；三是以閉胸式盾構(gòu)為代表（泥水式、土壓式）的第三代盾構(gòu)；四是以大直徑、大推力、大扭矩、高智能化、多樣化為特色的第四代盾構(gòu)。二、 盾構(gòu)機(jī)發(fā)展*目前，應(yīng)用最廣的是泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)。手掘式盾構(gòu) 半機(jī)械式盾構(gòu) 網(wǎng)格式盾構(gòu) *三、泥水平衡盾構(gòu)泥水加壓平衡盾構(gòu)（slurry pressure balance shield），簡(jiǎn)稱SPB盾構(gòu)。是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，與刀盤之間形成泥水倉,開挖面的穩(wěn)定是將泥漿送入泥水倉內(nèi)，在開挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過該泥膜的張力保持水壓力，以平衡作用于開挖面的土壓力和水壓力。開挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過泥水處理設(shè)備進(jìn)行分離，分離后的泥水

7、進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整，再輸送到開挖面。*1 結(jié)構(gòu)原理泥水盾構(gòu)有兩種體系。 泥水盾構(gòu)根據(jù)泥水倉構(gòu)造形式和對(duì)泥漿壓力的控制方式的不同，泥水盾構(gòu)分為:直接控制型間接控制型*直接控制型泥水盾構(gòu)日本一般采用直接控制型泥水盾構(gòu)直接控制型泥水系統(tǒng)流程如下：送泥泵從地面泥漿池將新鮮泥漿輸入盾構(gòu)泥水倉，與開挖泥土進(jìn)行混合，形成稠泥漿，然后由排泥泵輸送到地面泥水分離處理站，經(jīng)分離后排除土碴，而稀泥漿流向調(diào)漿池，再對(duì)泥漿密度和濃度進(jìn)行調(diào)整后，重新輸入盾構(gòu)循環(huán)使用。泥水倉中的泥漿壓力，可通過調(diào)節(jié)送泥泵轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)控制閥的開度來進(jìn)行。由于送泥泵安在地面，控制距離長(zhǎng)而產(chǎn)生延遲效應(yīng)，不便于控制泥漿壓力，因此常用調(diào)節(jié)控制閥的開度來進(jìn)行

8、泥漿壓力調(diào)節(jié)。*間接控制型泥水盾構(gòu)德國采用間接控制型泥水盾構(gòu)，其泥水系統(tǒng)由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構(gòu)的泥水倉內(nèi)插裝一道半隔板，在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構(gòu)軸心線以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在半隔板后面與泥漿的接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調(diào)節(jié)空氣壓力，就可以確定和保持在開挖面上相應(yīng)的泥漿支護(hù)壓力。地 層刀盤進(jìn)泥管排泥管泥漿壓縮空氣連通管壓縮空氣泥模形成區(qū)*2 泥水盾構(gòu)的工程應(yīng)用東京灣海底公路隧道 日本于1998年建成通車的東京灣公路工程，全長(zhǎng)15.1km，其中海底隧道長(zhǎng)9.12km，由兩條外徑13.9m的單向公路隧道組成，采用了8臺(tái)直徑14

9、.14m的泥水盾構(gòu)施工.在海底隧道段的中間處筑造了川崎人工島，從人工島的豎井向東西兩個(gè)方向推出4臺(tái)盾構(gòu)，在隧道的東端，也筑造了木更津人工島，從此島的豎井中向西推出2臺(tái)盾構(gòu)，這2臺(tái)盾構(gòu)與川崎人工島豎井中向東推出的2臺(tái)盾構(gòu)在東側(cè)海底地層中對(duì)接，川崎島豎井向西推出的2臺(tái)盾構(gòu)與浮島豎井中向東推出的2臺(tái)盾構(gòu)在西側(cè)海底地層中對(duì)接。海底地形呈極平緩的船底形，中央最大海水深約28m。隧道段的土質(zhì)，川崎側(cè)以沖積粘性土、洪積粘性土為主體，木更津側(cè)在沖積粘性土和洪積粘性土層中夾有洪積砂質(zhì)土層；浮島、木更津傾斜段為人造地基。 *德國漢堡易北河第四隧道易北河第四條隧道距原有隧道約3570m，全長(zhǎng)3100.75m，其中2

10、561m采用14.2m泥水盾構(gòu)施工。易北河第四條隧道1995年開工，1997年11月27日開始使用盾構(gòu)，2003年完工。隧道掘進(jìn)從南岸始發(fā)井開始，開始的500m段為填筑土（由砂、礫石和無級(jí)配回填物質(zhì)結(jié)合各種垃圾組成）。中間的1000m為河下冰川物質(zhì)層，由非常硬的粘土和礫石或礫巖混合而成。最后的1000m為易北河北部填筑層，土的狀況與河中段相類似。14.2m泥水盾構(gòu)易北河第四隧道縱剖面示意圖北*荷蘭綠心隧道 長(zhǎng) 7,176m的荷蘭“綠心隧道”采用NFM公司制造的14.87m泥水盾構(gòu)施工。穿越的地層為泥炭土、粘土和飽和砂層土 ?！?綠心隧道 ”于 2001年11月2日始發(fā)推進(jìn) ，于2004年1月7

11、日貫通。最高月進(jìn)尺為616m。*四、土壓平衡盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，在刀盤的旋轉(zhuǎn)作用下，刀具切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進(jìn)入土倉，使土倉和排土用的螺旋輸送機(jī)內(nèi)充滿切削下來的泥土，依靠盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏νㄟ^隔板給土倉內(nèi)的土碴加壓，使土壓作用于開挖面以平衡開挖面的水土壓力。推進(jìn)管片拼裝*1 結(jié)構(gòu)原理土壓平衡盾構(gòu)主要由刀盤及刀盤驅(qū)動(dòng)、盾殼、螺旋輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)、管片安裝機(jī)、推進(jìn)油缸、同步注漿系統(tǒng)等組成。*刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進(jìn)入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的碴車上。盾構(gòu)在推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)。盾殼對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍土層的土壓、承受地下水的水壓以及將地下水擋在盾殼外面。掘進(jìn)、排土、襯砌等作業(yè)在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行。*整體結(jié)構(gòu)盾體*刀盤介紹*刀盤及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)*驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng)液壓站主驅(qū)動(dòng)