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2020年2月21日星期五9时27分30秒盾构构造及应用1盾构构造及应用绪论2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/212绪论1、盾构及其基本工作原理2、盾构法的优缺点3、盾构施工开挖及支撑方式4、盾构机的分类5、盾构的发展简史2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/213第一节盾构及其基本工作原理一、盾构的定义2008年3月31日发布的《盾构法隧道施工与验收规范》定义：盾构是盾构掘进机的简称，是在钢壳体保护下完成隧道掘进、拼装作业，由主机和后配套组成的机电一体化设备2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/214第一节盾构及其基本工作原理二、盾构法施工的基本原理盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2152020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2162020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2172020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/218第二节盾构法的优缺点一。盾构法的优点(1)．对环境影响小①出土量少，周围地层沉降小，对周围构造物的影响小；②不影响地表交通及商店营业，无需切断、搬迁地下管线等各种地下设施；③对周围居民生活、出行影响小；④无空气、噪音、振动污染问题。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/219(2)．盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制。(3)．地表占地面积小，故征地费用少。(4)．适用于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低。(5)．施工不受天气（风、雨、……）条件限制。(6)．挖土、出土量少、利于降低成本。(7)．盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。(8)．适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、软岩、直到岩层均可使用。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2110二。盾构施工法缺点（1）需要隧道衬砌管片预制、运输、衬砌、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、机械安装等施工技术的配合，系统工程协调复杂；（2）施工过程变化断面尺寸困难；只能前进，不能后退，当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大，在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大；（3）盾构机制造周期长，造价较昂贵，盾构的拼装、转移等较复杂，建造短于750m的隧道经济性差。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2111第三节盾构开挖与支撑方式一、盾构施工的开挖方式2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21122020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21132020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21142020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21152020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2116反铲挖掘盾构2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2117悬臂掘进盾构2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21183、机械式开挖机械式开挖又称全断面机械开挖。紧贴开挖面的旋转刀盘进行全断面开挖，即从掘削到出土作业均由机械完成。主要优点：（1）开挖的隧道面精准，无超挖。（2）在掘进过程中，隧道断面轮廓保持不变。（3）隧道工作面形式可根据其稳定性进行优化，特别是土层需要支撑的情况下。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21192020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21202020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2121二、盾构施工的支撑方式1、自然工作面支撑即隧道工作面的稳定性是借助掘进暂时停顿期间它固有的稳定性或借助桁架上的土层行程的斜坡而稳定的。适用于地层：由于不适于抵御水压，因此只适用于干的或排干的地层2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21222、机械工作面支撑（1）板条支撑手动掘削（2）活动工作面支撑机械部分断面开挖（3）封闭切削轮支撑全断面开挖以上支撑方式只适用于抵御土压等低渗透性地层掘进2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21233、压缩空气支撑原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自然或机械的支撑承受。要保证压力平衡，否则顶部过剩的压力“喷发”的危险已被泥水盾构取代。适用于黏土，黏砂土，多水松软地层2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21244、泥浆工作面支撑采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的液体得以很好的支撑，用泥浆就地抵御土压及水压。5、土压平衡支撑在黏土质地层中，土料自身作为支撑介质。在土料中添加介质（水、泡沫、膨润土或黏土），开挖料就转化成土浆，它能够起到稳定隧道工作面的作用。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2125第四节盾构机的分类1、按地层种类分（1）硬岩盾构（TBM）（2）软岩盾构（3）软土盾构（4）硬软岩土盾构（复合盾构）2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21262、按盾构机横截面大小分类（1）超小型盾构Φ＜1m（2）小型盾构1m≤Φ＜3.5m（3）中性盾构3.5m≤Φ＜6m（4）大型盾构6m≤Φ＜14m（5）超大型盾构14m≤Φ＜18m（6）特大型盾构18m≤Φ2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21273、按盾构机横截面形状分类（1）半圆形（2）圆形（3）椭圆形（4）马蹄形（5）双圆搭接形：竖双圆形、横双圆形（6）三圆搭接形（7）四圆搭接形（8）矩形：矩形、凸字形、凹字形2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21282020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21292020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21302020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21312020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21324、2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21332020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21342020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21352020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/21362020年2月21日星期五9时27分30秒37•1、国外盾构法隧道的起源及发展史•1806年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2138第五节盾构的发展简史2020年2月21日星期五9时27分30秒2020/2/2139布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。采用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾壳上。2020年2月21日星期五9时27分30秒40•此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随其后的方式。2020年2月21日星期五9时27分30秒41M.I.Brunel螺旋盾构，18182020年2月21日星期五9时27分30秒42.•1825年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m，并由12个邻接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人，共有36个工人。2020年2月21日星期五9时27分30秒43•此系统按照以下模式工作：•首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方的土中。从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盖并用螺杆支撑，紧接着盾构后部砌砖，把它作为整个机架的支座。2020年2月21日星期五9时27分30秒44第一条隧道施工的盾构机2020年2月21日星期五9时27分30秒45•泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上的特大洪水后，直到1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。2020年2月21日星期五9时27分30秒461828年1月12日泰晤土河水涌入盾构机2020年2月21日星期五9时27分30秒47•1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。•1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为小筒（cell）或圆筒（cylinder），在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield）这一术语。2020年2月21日星期五9时27分30秒481865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。在地下水方面没遇到什么困难。2020年2月21日星期五9时27分30秒49•1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，以泥浆的形式出土。•1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压缩空气条件下施工，标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初，大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建的。2020年2月21日星期五9时27分30秒50•布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构专利是1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请的。•这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转运到后面从盾构中运出，这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。2020年2月21日星期五9时27分30秒51•1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家。•1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来。2020年2月21日星期五9时27分30秒521963年SatoKogyo公司土压平衡盾构2020年2月21日星期五9时27分30秒53•1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨）设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管线。•在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。所有这些名称的盾构都应有了同一种工法国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。2020年2月21日星期五9时27分30秒541989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km，是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。2020年2月21日星期五9时27分30秒55日本东京湾海底隧道盾构机示意图2020年2月21日星期五9时27分30秒56日本东京湾海底隧道泥水式盾构机2020年2月21日星期五9时27分30秒571992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构，并成功地用于大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。2020年2月21日星期五9时27分30秒582、我国盾构机的发展历程•纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上可以分为三个阶段：•起步阶段(20世纪60年代-80年代初)；•平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)；•快速发展阶段。2020年2月21日星期五9时27分30秒59（1）起步阶段(20世纪60年代-80年代初)：•1962年2月，我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程。采用直径4.16m的一台普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土地层。选用由螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。试验获得成功，采集了大量盾构法隧