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讲座内容盾构法隧道的发展历史、技术现状和发展动向盾构法隧道的基本原理及特点盾构机的分类及选型盾构施工关键技术18世纪末英国人提出在伦敦地下修建横贯通泰晤士河隧道的设想，并于1798年开始着手工作希望实现这个构想，但由于竖井挖不到预定深度，计划受挫，4年后Torevix决定在另一个地方建造连接两岸的隧道，随后工程再次开工，当掘进到最后30m时，开挖面激剧浸水，工程再次受阻。工程从开工到被迫终止用了5年时间，此后修建横贯泰晤士河隧道的计划在以后10年内没有任何进展。1818年，Brunel观察小虫腐蚀木船底板成洞的经过，从而得到启发，在此基础上提出了盾构工法，并得到专利。这就是所谓开放型手掘式盾构的原型，Brunel对自己的新工法非常自信，于1823年拟定了修建另一条泰晤士河隧道的计划，随后这个计划得到英国国会批准，于1825年动工，初期，工程进展顺利，但后来由于地层下沉，工程被迫中止。但Brunel并没有灰心，总结了失败的教训后，对盾构做了7年改进后，于1834年再次开工，又经过7年施工，终于在1841年贯通隧道。自Brunel向泰晤士河隧道发起战到胜利，前后经历了20个春秋，此时，他已是72岁的老人。Brunel对盾构工法的贡献极为卓著，这是后人的一致评价。自Brunel的方形盾构后，盾构技术经过23年的改进，到1869年修建横贯通泰晤士河的第二条隧道，这个项目由Great负责，从起初Torevix的反复失败，到Brunel的盾构工法，进而改进为Great的盾构工法，前后经历了80年的漫长岁月。19世纪到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，并得到不程度的发展。在这一段时期，盾构工法虽然有一定进步，但这一时期仍主要是盾构工法在世界各国的推广与普及。20世纪60至80年代盾构工法继续发展完善，成绩显著。这一时期出现了多种盾构工法，以泥水式、土压式盾构工法为主。1990至2003年，这一段时间盾构工法的技术进步极为显著。归纳起来有以下几个特点：（1）盾构隧道长距离化、大直径化。这一时期英法两国修建了长达48km的英吉利海峡隧道，隧道断面直径达8.8m，采用的是土压盾构工法。（2）盾构多样化。出现了矩形、椭圆形、多园搭接形等多种异圆断面盾构。（3）施工自动化。盾构掘进中和方向、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。当前是泥水盾构、土压盾构技术的普及与推广时期，但有些技术细节还有待完善及改进。多种特种盾构的相继问世，大大地扩展了盾构工法的应用范围，使用盾构工法的前景更加宽广。但由于这这些特种工法问世时间不长，施工实例还不够多，有些细节仍有待改进。近年来交通工程、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、施工设备的研发与成功应用也较为迫切。盾构法隧道的基本原理是用一件有形钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。盾构由通用机构与专用机构组成。通用机构一般由外壳、掘土机构、推进机构、挡土机构、管片组装机构、附属机构等组成。专用机构因机种而异，如对于土压盾构而言，专用机构即为排土机构、搅拌机构、添加材注入装置；而对于泥水盾构而言，专用机构系指送排泥机构、搅拌机构。外壳设置盾构外壳的目的是保护掘削、排土、推进、做衬等所有作业设备、装置的安全，故整个外壳用钢板制作，并用环形梁加固支承。一台盾构机的外壳沿纵向从前到后分为前、中、后三段，通常又将这三段称为切口、支承、盾尾三部分。切口该部位装有掘削机械和挡土设备，故又称掘削挡土部。支承支承部即盾构的中央部位，是盾构的主体构造部。因为要支承盾构的全部荷载，所以该部位的前言和后方均设有环状梁和支柱，由梁和柱支承其全部荷载。盾尾盾尾部即盾构的后部。盾尾部为管片拼装空间，该空间内装有拼装管片的举重臂。为了防止周围地层的土、地下水及背后注入的填充浆液窜入该部位，物设置尾封装置。尾封盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水、背后注入浆液、开挖面上的泥水、泥土从盾尾间隙流向盾构而设置的封装措施。尾封通常使用钢丝刷、尿烷橡胶或者两者的组合。尾封的示意图如上图所示。另外，最近作为防止高压地下水的措施，有人在钢丝刷之间的空隙处加压注入密封材和润滑剂等填充材及采用4层钢丝刷密封，从而把耐地下水压的能力提高到1.1MPa。中折装置在小曲率半径曲线段施工时，可以把盾构机做成可以折成2节、3节的中折形式。中折装置的设置不仅可以减少曲线部位的超挖量，而且由于弯曲容易，使盾构千斤顶的负担得以减轻，推进时作用在管片上的偏压减小，故使施工性得以提高。推进机构盾构机的推进是靠设置在支承环内侧的盾构千斤顶的推力作用在管片上，进而通过管片产生的反推动力使盾构前进的。挡土机构挡土机构是为了防止掘削时，掘削面地层坍塌和变形，确保掘削面稳定而设置的机构。该机构因盾构种类的不同而不同。对泥水盾构而言，挡土机构是泥水舱内的加压泥水和刀盘面板。对土压盾构而言，挡土机构是土舱内的掘削加压土和刀盘面板。掘削机构对机械式盾构、封闭式（土压式、泥水式）盾构而言，掘削机构即掘削刀盘。刀盘的构成及功能掘削刀盘即作转动或摇动的盘状掘削器，由掘削地层的刀具、稳定掘削面的面板、出土槽口、转动或摇动的驱动机构、轴承机构等构成。刀盘设置在盾构机的最前方，其功能是既能掘削地层土体，又能对掘削面起一定支承作用从而保证掘削面的稳定。排土机构就土压盾构而言，排土机构由螺旋输送机、排土控制器及盾构机以外的泥土运出设备构成。螺旋输送机的功能是把土舱内的掘削土运出、经排土控制器送给盾构机外的泥土运出设备（至地表）。盾构机的主要部件刀盘、切口环、支撑环、盾尾、拼装机、螺旋机。刀盘切口环支撑环拼装机土压平衡盾构工作原理盾构推进时，其前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土舱。当土体充满土舱时，其被动土压与掘削面上的土、水压基本相同，故掘削面实现平衡（即稳定）。这类盾构靠螺旋输送机将渣土（即掘削弃土）排送至土箱，运至地表。由装在螺旋输送机排土口处的滑动闸门或旋转漏斗控制出土量，确保掘削面稳定。土压平衡盾构工法示意图土压平衡盾构掘进机与工法泥土在盾构压力舱中的增减受到有效控制，推进压力与土层压力和地下水压力相抗衡，使得掘进工作面保持稳定。土压平衡盾构工法示意图土压平衡盾构掘进机与工法几种不同直径的土压平衡盾构掘进机泥水平衡盾构工作原理泥水盾构系靠盾构机的推进力使泥水（水、粘土及添加剂的混合物）充满封闭式盾构的密封舱（也称泥水舱），并对掘削面上的土体施加一定的压力，该压力称为泥水压力。通常取泥水压力大于地层的地下水压+土压，所以尽管盾构刀盘掘削地层，但地层不会坍落，即处于稳态。刀盘掘削下来的土砂进入泥水舱，经设置在舱内的搅拌装置拌和后成为含掘削土砂的高浓度泥水，再经泥浆泵将其泵送到地表的泥水分离系统，待土、水分离后，再把滤除掘削土砂的泥水重新压送回泥水舱。如此不断循环实现掘削、排土、推进。因靠泥水压力使掘削面稳定故得名泥水加压盾构，简称泥水盾构。泥水平衡盾构掘进机与工法泥水盾构掘进机对于隧道面可被泥水加压所支撑的土质条件很理想，适用于应付各种困难地层和控制地表沉降。挖出的土以泥水形式由管道运输，而砾石可压碎后被管道运输或在管道输送中途被移走。泥水平衡加压式盾构掘进机工法示意图1工作井施工加固区2盾构吊装加固区3盾构出洞4盾构推进出土过程5推进拼装6拼装成环后的管片环面盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。手掘式半机械式机械式全敞开式半敞开式挤压式泥水式土压式闭胸式盾构土压平衡式加泥式土压平衡式盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。手掘式半机械式机械式全敞开式半敞开式挤压式泥水式土压式闭胸式盾构土压平衡式加泥式土压平衡式国内外根据各种使用条件的不同，使用的盾构也不同，特别是面板及刀具的形式多种多样。目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。◆手掘式盾构◆半机械式盾构◆网格式盾构新干线TUNNEL开敞式闭胸式SHIELD闭胸式SHIELD