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盾构机及管片与盾构机的相互影响一、盾构的起源与发展１、盾构在国际上的发展盾构是目前世界上最先进的隧道施工技术。盾构施工技术的发展基于盾构机械的发展。在发达国家，使用盾构施工已经占隧道总量的９０％以上。国外盾构的发展经历的四个发展阶段：一是手掘式盾构；二是机械式、气压式盾构；三是泥水加压式、土压平衡式盾构；四是大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的盾构。１.１、盾构的起源１８０６年，英国人马克布鲁诺尔利用蛀虫钻孔并用分泌物涂在四周的启示下，最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利。１８１８年布鲁诺尔完善了盾构结构的机械设计。１８２５年第一次在伦敦泰晤士河下修建隧道，隧道是断面高６.８米，宽是１１.４米的矩形，使用的盾构机为网格式。但是由于防水问题使隧道掘进速度非常之缓慢，经历了几次的大洪水，多次停工。一直到１８４３年才完成了这条全长４５８米的隧道。１.２、圆形盾构的发展１８６９年，英国人詹姆斯亨利格瑞海德用圆形盾构在泰晤士河下修建了一条直径２．１８米、长４０２米的隧道，并第一次采用了铸铁管片。１８６９年之前的盾构均为手掘式盾构。１８７４年格瑞海德开发了液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流土料以泥浆的形式排出。１８７６年英国人约翰布伦敦和姬奥基布伦敦申请了第一个机械化盾构的专利。这台盾构机的刀盘是半圆球行的旋转刀盘。这是盾构史上的一个巨大的进步。１８９６年英国人普莱斯开发了一种辐条式刀盘机械化盾构，并于１８９７年第一次将格瑞海德的圆形盾构与旋转刀盘结合在一起，成功的在伦敦的粘土底层中施工。１９６４年，英国人模特亥、安德森、巴勒特申请了泥水加压盾构的盾构。１９６７年，第一台用刀盘切削土体和水力出渣的泥水盾构在日本投入使用。这台盾构由日本三菱公司制造，直径为３.１米。１９７０年，直径７.２９米泥水盾构在日本成功的挖掘了一条１７１２米的隧道。１９６３年，日本的一个公司首先开发出了土压平衡盾构，１９７４年，土压平衡盾构在日本东京使用挖掘了一条外径３.７２米，长１９００米的隧道，该盾构机由日本石川岛公司制造。根据开挖面稳定以及掘进、出土模式的不同，盾构可分为敞开式、半敞开式、土压平衡式、泥水平衡式等，他们都适合于相应的土层结构。当某一隧道穿越不同的地层结构时，以上任何一种盾构都不能将隧道直接贯通，这样复合盾构就应运而生了。这种在不同地层经过转换后可以以不同的工作模式运行的盾构称为复合盾构或者混合盾构。１９８５年德国的海瑞克公司和另一家公司联合申请了双模式复合盾构的专利。１９９３年第一台多模式的复合盾构在巴黎挖掘了一条长１６００米，外径７.４米的穿越三种完全不同的地质条件的隧道。是泥水式转换到土压或敞开式的盾构模式。２、盾构在国内的发展我国的盾构开发与应用开始于１９５３年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径２.６米的疏水巷道。１９６２年２月，上海城建局隧道工程公司研制了一台直径４.１６米的手掘式敞胸盾构，并且第一次采用了钢筋混凝土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。隧道掘进的长度为６８米，实验获得了成功，并采集了大量的盾构法隧道数据资料。１９６５年３月，由上海隧道工程设计院设计，江南造船厂制造的２台直径５.８米的网格挤压盾构于１９６６年完成了２条平行的隧道，隧道长６６０米。１９６６年５月，同一个设计院和制造厂制造了一台直径１０.２２米的盾构机，并且用于对长１３２２米的过黄浦江隧道的掘进，该隧道于１９７０年底完成并通车。此次网格盾构有所改进，敞开式盾构可以转换为闭胸式盾构，这是一台复合盾构。１９７３年，在上海又用网格盾构修建了３条隧道。１９８０年，上海市进行了地铁１号线试验段的施工，研制了一台直径６.４１２米网格挤压式盾构，在淤泥黏土底层中掘进隧道１１３０米。１９８２年，上海又修建了一条直径１１.３米，长１４７６米的越江隧道。盾构机为上海隧道股份设计，江南造船厂制造。１９８６年，中铁隧道集团研制的半截面插刀盾构成功的应用于北京地铁复兴门折返线的隧道施工。该工法有效的控制了地面的沉降，减轻了工人的劳动强度，施工速度较快，日均进尺３—４米。１９９０年，上海地铁１号线全线开工，１８公里区间隧道引进了７台由法国ＦＢＣ公司制造的直径６.３４米土压平衡盾构。１９９６年，上海延安东路隧道南线工程，总长１３００米，采用从日本引进的直径１１.２２米的泥水加压平衡盾构施工。２００２年，国家科技部将直径６.３米土压平衡盾构的研究计划列入国家“８６３”计划。两批７个项目分别由中隧和上隧两个公司主承担。２００４年中铁隧道集团完成了直径６.３米土压平衡盾构的关键技术的公关，并且实现了产品化，在上海地铁２号线进行了试验，实现了连续掘进２６５０米，平均月掘进３３１米，最高月掘进量４７０米，达到了项目要求的各项指标。２００４年５月，中隧集团与日本小松联合制造了一台直径６.３米土压平衡盾构，用于广州地铁４号线施工。同年１０月，上隧股份制造了一台同样规格型号的盾构机（先行号）用于上海地铁２号线西延伸隧道工程。２００５年７月，国家科技部将泥水盾构列入“８６３”计划。仍由中隧集团和上隧股份住承担，并取得了重大的成果，申请了多项专利。３、我国盾构技术与国外的差距由于盾构制造工艺复杂，技术附加值高，目前只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。在国内的隧道建设中，盾构主要依赖进口，且德国和日本在中国的盾构市场占有率高达９０％以上，处于绝对垄断地位。我国的盾构设计制造业的总体水平与欧美、日本等国家存在较大差距。主要为以下几点：１）、尚未形成适合国情的适应性设计理论；国产的整机系统功能落后、地质适应性差、关键部件寿命短。２）、不具备盾构关键技术的自主能力。我国对盾构的研究都是基于对国外技术的引进、消化、吸收。总体设计、系统集成技术落后。没有完全掌握盾构的安装调试技术，因此国产的的盾构性能不稳定。３）、国内盾构配套设备生产技术落后。许多关键部件需要进口，影响了盾构国产化进程。比如：主轴承、刀具、土压探测传感装置、液压系统等。４）、模型试验及系统仿真方面存在很大的差距。导致在盾构结构与性能优化方面很难展开研究５）、在盾构姿态控制方面存在存在差距很大。国外的盾构对盾构的推进及导向的控制基本可以实现无人化的精确操作。国内根据地表变形和运动轨迹进行实时反馈控制技术尚不完善。我国目前仅掌握了土压平衡盾构的自主设计制造技术，在复合式土压平衡盾构的设计研究制造方面刚刚起步；对泥水盾构及硬岩掘进机的设计尚处于消化吸收阶段。核心技术的落后导致了基础设施建设成本的增加。二、盾构市场前景１、城市地铁前景中国目前正在运作地铁项目的城市，总体规划没有一个在１００公里以下。“十一五”期间大部分地铁城市已开工建设。已经获批的１６个城市的新建里程为１００９公里，正在申报和正在编制轨道交通规划的城市６个，到２０５０年规划建成轨道交通９０００公里。相当于目前世界已经开通运营轨道交通的总里程。“十一五”期间，我国投入运营的城市轨道交通里程超过１５００公里，总投资５０００亿元。据预测，进５年，地铁盾构的需求量约在３５０台次以上。２、过江隧道前景泥水盾构已经广泛应用于过江跨海隧道工程。上海、南京、杭州、重庆等长江流域主要城市正在建设越江隧道。上海规划的越江隧道有５条。规划待建的过江隧道还有南京长江公路隧道，哈尔滨松花江隧道，上海崇明岛越江隧道，湾口海底隧道，渤海海底隧道，长江水底隧道，杭州湾水底隧道，琼州海峡隧道。近５年，我国规划新建越江隧道约３０条，总长超过２００公里，需要大直径盾构３０台以上。３、铁路隧道前景从２０００年开始，新建铁路隧道平均以每年２００公里的速度增长。十二五期间铁路隧道大约为２０００公里，其中部分隧道也将采用盾构施工。４、引水隧道前景我国水资源分布不均，北方地区短缺严重，西南地区比较丰富，因此跨流域调水非常必要。也是我国十二五期间的重点工程项目，水工隧道采用盾构方式施工将占有一定比例。５、市政管道前景城市市政天然气管道工程、排污管道工程、供暖或供冷管道工程、电缆管道工程均可采用盾构法施工。５年内用于市政管道施工直径在２.５米—５米的盾构机需求量超过１００台次。三、几种盾构机类型简介按盾构机形状分类有：圆形盾构和异形盾构，异形盾构有矩形盾构、双圆盾构、三圆盾构和椭圆盾构。按地层类型分为：岩石盾构机、土层盾构机、复合盾构机。按盾构机的功能分为：全闭胸式盾构、网格式盾构、泥水平衡式盾构、土压平衡式盾构、敞开式盾构、护盾式盾构、复合式盾构、可转换式盾构等等。近２０年来，土压平衡盾构、泥水加压盾构共同成为了盾构的主流机种，这种机械切削挖掘的密闭型盾构，一般不需要其他辅助措施，而且从开挖面的稳定、土体的开挖一直到渣土的排出等作业都形成了一个机械化和自动化的系统，甚至可以通过远距离遥控就能完成盾构掘进的方向控制和同步注浆等作业。从而提高了功效，节省了劳力。在我国这两种盾构形式所占比例超过９０％。下面就简单介绍一下圆形土压平衡盾构和泥水加压盾构的结构及工作原理。１、圆形土压平衡盾构１.１、圆形土压平衡盾构的主要结构。其主要组成部分为：盾构壳体、刀盘及驱动系统、螺旋输送机、管片拼装机、推进系统、集中润滑系统、盾尾密封系统、同步注浆系统、加泥系统、皮带输送系统、人行闸、液压系统、电气系统及其他后配套车架辅助系统。土压平衡盾构开挖面装有全断面切削刀盘，在切口环与支撑环间设有密封隔板，使前面切口环部分形成密封隔舱，同时在盾构下部或中心设有长筒形螺旋输送机的进土口，排土口设在密封舱外，而在支撑环上安装有推进千斤顶，盾尾装有管片拼装机和密封系统。１.２、工作原理圆形土压平衡式盾构是利用全断面切削刀盘上的刀具，在刀盘扭矩和千斤顶推力的作用下，对正面土体进行切削。切削下来的土体经刀盘开口进入刀盘后面的密封隔舱，必要时通过配备的加泥（泡沫）系统对舱内土地体进行改良，使其具有良好的塑流性和较少的粘结力，再通过可控制转速的螺旋输送机和后续皮带输送机连续地进行弃土。为了减少盾构掘进对地层的扰动，保证盾构开挖面的稳定，必须高度关注各施工参数的关联性，严格控制掘削量与出土量的平衡，其通用的控制方法有以3种：1）调整螺旋输送机出土速度首先通过理论计算和经验修正，设定基本的平衡土压力；再根据盾构机的技术参数和地质条件，设定正常的掘进速度和刀盘转速，形成盾构削量的基本参数；然后按螺旋输送机的参数决定排土效率，以得到每一环衬砌的出土量及土速度；最后通过调节螺旋机的转速，使出土量与盾构掘削量匹配，维持平衡土压力，达到稳定开挖面的目的。2）调整盾构掘进速度根据理论设定的开挖面平衡土压力和螺旋输送机的技术参数，形成每一环衬砌出土量的初始施工参数；然后通过盾构推进速度参数的控制，使盾构掘削量和出土量有机地匹配，保证土舱内土体具有适当压力，并与开挖面水土压力保持动态平衡，以减少盾构掘进对地层的扰动，从而达到控制地面隆沉的目的。3）同时调整螺旋机出土速度和盾构掘进速度根据理论计算，设定初始的螺旋机出土速度和盾构速度，在盾构施工过程中，由盾构司机同进对上述2个参数进行调整，满足开挖面水压力的平衡。但是，通过控制螺旋输送机排土闸门的开口度和螺旋输送机的旋转速度来控制土压平衡比较简便，也是最为实用的。2、泥水平衡式盾构原理泥水平衡式盾构是通过在支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥水，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，进而与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排水泥泵及管道输送至地面。送至地面的泥水，根据土体颗粒直径，通过一次分离和二次分离设备，将大颗粒土砂分离并排弃，分离后的泥水送到调整槽再次调整，使其形成优质泥水后再输送到盾构工作面。在泥水平衡的理论中，泥膜的形成至关重要。当泥水压力大于地下水压力时，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，从而形成泥膜。随着时间的推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强，当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。泥水平衡式盾构工主要由盾构掘进系统、综合管