盾构机工作原理

盾构机工作原理铁三院二○○六年六月内容一、盾构法隧道的起源及发展史二、盾构机的概述三、盾构法施工的特点及工艺流程四、盾构机的构造五、盾构机的工作原理一、盾构法隧道的起源及发展史1、国外盾构法隧道的起源及发展史•1818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。布鲁诺尔注册专利的盾构•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。•当时设计了两种方法，一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进；另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。•第一种方法后来被采用，并得到了推广应用，演变为成熟的盾构法•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。M.I.Brunel螺旋盾构，1818.•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。•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。第一条隧道施工的盾构机•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。1828年1月12日泰晤土河水涌入盾构机•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。1865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。•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。•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。•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。1963年SatoKogyo公司土压平衡盾构•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）。1989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。日本东京湾海底隧道盾构机示意图日本东京湾海底隧道泥水式盾构机1992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。2、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。（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道数据资料。（2）平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)：•这一时期，随着改革开放和经济发展，地铁建设也由服务于战备转为服务于经济发展。继北京、天津修建地铁外，上海、广州也相继修建了地铁工程。地铁施工技术突破了原有浅埋明挖法的限制，盾构法施工方法被引入地铁施工中。•1980年，上海开始进行盾构法隧道地铁试验工程，采用直径6.412m网格式机械出土盾构机施工。掘进长度为565m，采用泥水加压和局部气压施工。•1980年11月开始地铁试验一期、二期盾构推进，1982年12月推进结束；•1983年6月开始地铁试验三期盾构推进，1984年10月推进结束，隧道总长1130m。•1987年，上海市隧道工程公司承建市南站过江电缆隧道工程，成功设计了我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机，由上海造船厂制造。Ф4.35m土压盾构研制•该盾构能控制正面土压平衡和减少地面沉降，施工速度快，掘进长度达583m，该技术获得1990年国家科技进步一等奖。工程于1988年1月开始盾构推进，9月推进结束。•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标过江隧道推进施工。采用自己设计制造直径5.17m加泥式土压平衡盾构。盾构自重190t,总推力28800kN，总功率500kW。直径5.17m加泥式土压平衡盾构1994年10月，上海隧道工程股份有限公司采用盾构法承建的南京第一条秦淮河治理工程夹江隧道推进。•最具风险的是盾构推抵江中段，即钻入全断面粉砂层中，该粉砂层上方没有其它土层与夹江水间隔。•直径6.34m土压平衡盾构掘进机于1995年2月5日顺利进入江心州接收井。南京夹江隧道直径6.34m盾构掘进机1992年6月，上海市承建上海地铁1号线上海火车站～汉中路车站区间，采用盾构法隧道施工，1993年4月全线贯通。1993年8月，上海承建上海地铁1号线黄陂路站～陕西路站区间隧道，1994年4月全线贯通。与法国FCB公司合作设计制作的Φ6.34M土压平衡盾构机•1995年，我国开始研究矩形盾构隧道掘进技术，1996年上海隧道工程股份有限公司研制了一台2.5m×2.5m可变网格矩形隧道掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构等技术难题。.1999年5月，上海隧道工程股份有限公司研制成功国内第一台3.8m×3.8m矩形组合刀盘式土压平衡掘进机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m，建成两条过街人行地道。1998年12月，中国第一条较长距离的水底观光游览隧道――上海外滩观光隧道建成。采用国外二手直径7.65m铰接式土压平衡盾构施工。•隧道施工不仅工期短，还要在极大的坡度和曲率的条件下，穿越地铁2号线的两条越江隧道，观光隧道与地铁隧道间距离仅1.57m，形成越江隧道施工中罕见的“三隧叠交”，创造了中外越江隧道史上的奇迹，实现了中国软土隧道施工史上的又一次飞跃。.•1999年6月，深圳开埠以来第一台地铁盾构开始掘进益田～香蜜湖区间隧道。此项目由深圳地铁有限公司建设，由上海隧道工程股份有限公司设计、施工总承包。深圳地铁一号线引进2台三菱和1台小松制造的Ø6.20m复合型土压盾构（3）快速发展阶段：•进入21世纪，随着国家经济、技术的迅猛发展为地铁建设带来了重大机遇，同时也为盾构技术应用和发展提供了广阔的平台和空间。•国家有关部门已经规定人口在300万以上、GDP值在1000亿以上、年财政收入在100亿以上的城市可以建地铁。•据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员分析报告称：•目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。国内40多座百万人口以上的特大城市中，已经有30多座城市开展了城市快速轨道的建设或建设前期工作，约有15个大城市上报城市轨道交通网规划方案，拟规划建设55条线路，长约1500km，总投资5000亿元，其中“十一五”期间预计投资2000多亿元，计划在2010年前建成的地铁线路长度超过1200km。•目前已有成熟盾构施工经验的城市主要分布在长三角、珠三角和环渤海湾地区。如广州、深圳、上海、南京、北京、天津。近两年已开始盾构施工的有沈阳、成都、西安、杭州、武汉等。据有关信息宁波、无锡等都将修建城市地铁。•并且在越江道路、输气和市政排水隧洞等工程中广泛采用盾构法施工。2003年9月，上海隧道工程股份有限公司建设的中国首条双圆隧道在轨道交通8号线应用3、盾构设备保有情况•由于近年来我国基础建设和城市轨道交通发展迅速，盾构设备装备大幅度提升。•专家预计：到2020年前，我国的盾构需求量约为300多台。•据不完全统计，截至目前，国内保有的盾构机在170台左右，其中小松32台、三菱34台、海瑞克45台(不含7米以上盾构机)，其余的有法码通、FCB、维尔特、川崎、石川岛。盾构机的分布情况小松：主要在上海、北京、沈阳、西安使用。三菱：主要在上海、北京、天津、沈阳、广州、南京、深圳使用。海瑞克：主要在北京、天津、广州、深圳、成都、南京、沈阳使用。维尔特：在广州、深圳使用，法码通、FCB在上海使用。川崎、石川岛：在上海、天津、北京使用。直径单位台数制造厂家＜6m6～7m＞7m中铁一局0250海瑞克、小松中铁二局0100海瑞克、小松中铁三局080海瑞克、小松中铁四局060三菱、小松、海瑞克中铁五局010海瑞克中铁隧道局22110海瑞克、维尔特、小松中铁工程总公司系统盾构机情况表集团公司盾构机情况•2005年集团公司筹措资金4800万元，购置日本三菱φ6340土压平衡式盾构机2台，分别由机械工程分公司（杭州）和二公司（上海）管理使用。•2006年投入资金7222万元，购置日本小松φ6340土压平衡式盾构机2台。日本小松盾构机正天津施工。•2007年投入资金11426万元，购置德国海瑞克φ6250土压平衡式盾构机2台。目前海瑞克即将在深圳下井施工。二、盾构机概述•盾构机是掘进机的一种类型。•掘进机的定义是：用机械能破碎隧道掌子面、随即将破碎物质连续向后输出并获得预期的洞型、洞线的机器。•盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建成前，主要起防护开挖出的土体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件被称为盾构。•盾构的另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。•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•下图是我局拥有的土压平衡式日本三凌盾构机在上海彭浦厂组装是的照片。该盾构机直径6340mm，长10515mm，全长78m。我局共有两台：二公司和我们机械工程分公司各一台。•1掘进机的定义确定了以下作为掘进机的必要条件。•1.1能量要求：必须是用机械能破碎隧道掌子面。主要表现形式是由机械能通过刀具挤裂岩石。这完全区别于钻爆法用炸药的化学能破碎岩石的机理和方法。•1.2作业范围：破碎范围仅对隧道的掌子面。保持范围为预期的洞线、洞型。•1.3作业对象：开挖的对象是隧道掌子面的物质。•1.4出碴时间要求：掌子面物质破碎后随即连续向后输出，在出碴的时间上特别强调了随即性和连续性，掘进机实现了边掘进边出碴同时连续作业。区别于钻爆法和人工掘洞时将开挖和出碴分成二个在不同的时间进行的工序。•1.5洞线要求：必须配置精确的导向装置以确保开挖的洞线满足设计预期的要求。•1.6