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盾构工法的起源及基本构造 第一讲 1 一 盾构法隧道的起源与发展 盾构机 ShieldMachine 简称盾构 是一种用于软土隧道暗挖施工 具有金属外壳 壳内装有整机及辅助设备 在其掩护下进行土体开挖 土碴排运 整机推进和管片安装等作业 而使隧道一次成形的机械 盾构是一种既能承受地层压力 又能在地层中掘进的隧道专用工程机械 现代盾构集机 电 液 传感 信息技术于一体 具有开挖切削土体 输送土碴 拼装隧道衬砌 测量导向纠偏等功能 盾构已广泛用于地铁 铁路 公路 市政 水电隧道工程 以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法 简称盾构法 采用盾构法修筑的隧道称为盾构法隧道或盾构隧道 2 1806年 法国工程师布鲁诺尔 Brunel 在伦敦从蛀虫在船板上钻孔并用分泌物涂在孔的四周中得到启示 最早提出了盾构掘进隧道的原理并注册了专利 布鲁诺尔专利盾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 所有的单元格牢靠地装在盾壳上 当一段隧道挖完后 由液压千斤顶将整个盾壳向前推进 Brunel注册专利的盾构 1806年 3 1818年 布鲁诺尔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 衬砌紧随其后 1825年 布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6 8m 宽11 4m的矩形盾构修建了第一条盾构法隧道 布鲁诺尔矩形盾构由12个邻接的框架组成 每一个框架分成3个工作舱 每个舱可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用 每个工作舱都牢固地装在盾壳上 当掘进完一段隧道后 由螺杆将鞍型框架向前推进 紧接着后部砌砖 由于开始时 没有掌握抵制泥水涌入隧道的方法 隧道施工因被淹而停工 1828年1月12日 第一次出现洪水停工 伦敦地下铁道公司的Callodam曾向布鲁诺尔提出采用压缩空气的建议 然而布鲁诺尔未采纳 在经历了五次特大洪水后 直到1843年才完成了这条全长458m的隧道 1866年 莫尔顿申请 盾构 专利 盾构最初称为cell或cylinder 在莫尔顿专利中第一次使用了 盾构 shield 这一术语 4 Brunel螺旋盾构 1818年 涌水情况 5 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 土料以泥浆的形成排出 1869年 英国人格瑞海德首次开发了圆形盾构 并第一次采用了铸铁管片 格氏圆形盾构后来成为大多数盾构的模型 盾构的发展 格瑞海德泥浆盾构 6 1886年 格瑞海德在伦敦地下施工中首次将压缩空气方法与盾构掘进相结合使用 1876年英国人荻克英森 布伦敦和姬奥基 布伦敦申请了第一个机械化盾构专利 1896年 德国人哈姬在柏林为第一台德国盾构申请了专利 7 1964年英国人摩特 安德森等申请了泥水加压平衡盾构的专利 1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用 这台盾构由三菱公司制造 其直径为3 1m 1963年 日本SatoKogyo公司首先开发出土压平衡盾构 1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用 到20世纪80年代 盾构工法已经得到长足发展 形成并完善了圆形断面的各种平衡方式的盾构工法 挤压盾构 网格盾构 压气盾构 土压盾构 泥土加压盾构 泥水盾构等 但以泥水盾构和土压盾构工法为主 8 20世纪80年代以来 盾构工法发展极快 代表性工程有 日本采用泥水平衡式盾构 14 14m 东京湾横断公路隧道 该隧道采用双层衬砌 管片外径为13 9m 内径为12 6m 厚度为65cm 内侧现浇35cm厚的二次衬砌 英 法两国在汇聚了英 法 德 日 美等国先进盾构施工技术基础上 联合建造了英吉利海峡隧道 该隧道全长48 5km 海底段长37 5km 最大埋深100m 管片衬砌承受的最大水压为1 0MPa 2004年建成的格雷恩哈特隧道采用了当时世界上最大的泥水盾构 14 87m 该盾构由法国迈通公司设计制造 9 泥水 土压盾构工法得到全世界范围内的普及和推广 技术细节不断完善 改进和提高 特种盾构工法相继问世 如双圆盾构 三圆盾构 矩形盾构 马蹄型盾构 球体盾构 母子盾构 ECL盾构等 大深度 大口径 长距离 高速施工 高水压等各种施工措施及方法的成功应用 特种施工技术 如盾构地中对接技术 隧道竖井一体化施工技术 盾构直接进出井技术等 目前盾构工法的发展具有以下特点 10 我国盾构技术概况 1953年 我国首次采用手掘式盾构修建了直径2 6m的疏水巷道 1966年 首次采用直径10 22m网格挤压盾构 修建了第一条水底公路隧道 上海打浦路越江公路隧道工程主隧道 1986年 研制出半断面插刀盾构 并用于修建北京地铁复兴门折返线 1987年 研制成功了我国第一台4 35m加泥式土压平衡盾构 1996年 从日本引进了直径为11 22m泥水加压平衡盾构 并用于上海延安东路隧道南线工程 2004年 我国首台具有自主知识产权的国产地铁盾构 先行号 投入上海地铁工程建设 目前 我国盾构技术主要应用于城市地铁隧道 越江海隧道 以及越岭隧道和引水隧洞 11 在城市地铁中的应用 北京地铁 上海地铁 广州地铁 深圳地铁 成都地铁 天津地铁 杭州地铁 西安地铁 在越江海隧道中的应用 重庆主城区排水隧道 采用 6 6m泥水盾构施工 已建成 南水北调穿黄工程引水隧道 采用 8 8 m泥水盾构施工 在建中 南京地铁 武汉地铁 沈阳地铁 12 南京长江隧道 14 96m泥水盾构 长3 8km 双向六车道 已开工 上海崇明岛隧道 隧道外径达15 2m 长8 95km 双向六车道广深港高速铁路狮子洋隧道 11 2m泥水盾构 隧道内径9 8m 长10 9km 杭州庆春路越钱塘江公路隧道 双向4车道 隧道外径12m 长5 37km 武汉长江隧道 11 38m泥水盾构 2004年开工 为万里长江首条越江交通隧道 13 二 盾构施工的基本过程 1 基本原理 盾构工法的基本原理就是采用盾构机来支承地层压力 维持开挖面稳定 保障作业人员和设备的安全 同时实现向前推进和管片衬砌安装 14 常见的开挖面支撑方法 15 2 盾构工法的一些基本概念 1 竖井 竖井是用于盾构设备的运入 运出 组装 解体 施工材料的运入 出渣 施工人员的出入 供电 给排水 通风等作业坑道 2 衬砌 衬砌是用于承受盾构隧道周围的土压力 水压力 以确保隧道净空的结构物 衬砌分为一次衬砌和二次衬砌 盾构隧道中一次衬砌通常采用装配式管片环 二次衬砌是在一次衬砌内侧现浇的混凝土 地铁盾构隧道通常采用一次衬砌即可 3 壁后注浆 壁后注浆是指在盾构隧道管片衬砌和围岩之间的空隙 盾尾空隙 内注入填充材料的过程 其目的是防止地层变形 防止管片漏水 确保管片环的早期稳定及防止隧道的蛇行等 4 二次注浆 二次注浆是在壁后注浆未到达预期效果时对其的一个补充 16 3 盾构工法基本过程 1 在盾构隧道的始发端和到达端各修建一个竖井 2 盾构机在竖井内安装就位 3 依靠千斤顶推力 作用在已拼装好的衬砌环上 将盾构从始发竖井始发 4 盾构在地层中沿着设计轴线掘进 同时不断出土和安装管片环 并及时向盾尾空隙内注浆 防止地层下沉 5 盾构进入到达竖井后拆除 17 盾构掘进 盾构机掘进主要包含 刀盘旋转掘削土体 渣土排出 管片拼装 脱环及盾尾注浆等过程 18 优点 1 在盾构支护下进行地下工程暗挖施工 不受地面交通 河道 航运 潮汐 季节 气候等条件的影响 能较经济合理的保证隧道安全施工 三 盾构工法优缺点 19 2 盾构的推荐 出土 衬砌拼装等可实现自动化 智能化和信息化 掘进速度快 劳动强度低 20 3 地面人文自然景观受到良好保护 周围环境不受盾构施工干扰 在松软地层中开挖埋深较大的长距离 大直径盾构隧道 在经济 技术 安全等方面具有优越性 21 缺点 1 盾构机械造价昂贵 地铁隧道用盾构机价格在4000元 5000万元左右 隧道较短时经济性较差 4 隧道衬砌 运输 拼装 机械安装等工艺复杂 同时需要设备制造 衬砌管片预制 场地布置 盾构转移等不同施工技术的相互配合 系统工程协调复杂 2 隧道曲线半径过小时施工较为困难 3 隧道埋深太浅 则盾构法施工困难很大 地表沉降很难控制 22 1 外壳 作用 保护掘削 排土 推进 安装衬砌等作业设备的安全 应具备足够的刚度 故整个外壳采用钢板制作 并用环形梁加固支撑 外壳 切口环 支撑环 盾尾 四 盾构机的基本构造 23 三 掘削机构 掘削机构由刀盘 包括刀具 面板和槽口 驱动机构和轴承机构等构成 其功能是既能掘削地层的土体 又能对掘削面起到支撑作用 24 辐条形 面板形 刀盘由辐条及辐条上的刀具构成 特点为 刀盘扭矩小 排土容易 土仓压力可有效地作用在掘削面上 多用于土压盾构 刀盘由面板 刀具 槽口组成 特点为 面板直接支撑掘削面 即具有挡土功能 有利于掘削面稳定 但粘土易粘附在面板表面 妨碍刀盘选择 进而影响掘削质量 泥水盾构和土压盾构均可采用 25 刀具类型 切刀 齿刀 刮刀 先行刀 超前刀 超挖刀 滾刀 中心刀 26 齿刀 是软土刀具 布置在刀盘开口槽的两侧 其切削原理是盾构机向前推进的同时 切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向 沿隧道前进方向 剪切力和径向 刀盘旋转切线方向 切削力 在刀盘的转动下 刀刃和刀头部分插入到地层内部 不断将开挖面前方土体切削下来 切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂 卵石 粘土等松散体地层 滾刀 在纯硬岩地层掘进时 采用滚刀破岩 滚刀破岩的原理是依靠刀具滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用达到破碎岩石的目的 穿越地层有大粒径的砾石 粒径大于400mm 且含量达到一定比例时 也可采用滚刀型刀具 滚刀分为齿形 球齿 楔齿 滚刀和盘形滚刀 贝型刀 盾构机穿越砂卵石地层 特别是大粒径砂卵石地层时 若采用滚刀型刀具 因土体屑松散体 在滚刀掘进挤压下会产生较大变形 大大降低滚刀的切削效果 有时甚至丧失切削破碎能力 将其布置在刀盘盘圈前端面 专用于切削砂卵石 实质上是超前刀 27 油压马达 电动机 噪音小 维护管理容易 但启动力矩较小 启动力矩大 利于掘削砾石层 油压马达 28 盾构机的种类 第二讲 29 一 按掘削地层的种类分 不同地层的盾构 硬岩盾构 软岩盾构 软土盾构 复合盾构 硬岩软土交互地层 巨砾层盾构 30 TBM与盾构的关系 TBM TunnelBoringMachine 又称为隧道掘进机 主要应用于山岭隧道 引水隧洞等工程 盾构机 ShieldMachine 则主要应用于城市地铁隧道工程 而在越江海隧道工程等场合中 两者所指往往相同 TBM分为三类 无护盾TBM 单护盾TBM和双护盾TBM 31 TBM与盾构的区别有2点 一是TBM不具备平衡掌子面的功能 而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力 二是TBM采用皮带机出碴 而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴 32 二 按盾构隧道断面形状分 盾构隧道断面形状 圆形盾构 椭圆形盾构 马蹄形盾构 矩形盾构 双圆搭接形盾构 三圆搭接形盾构 33 三 按盾构机横截大小分 盾构断面大小 微型盾构 超小型盾构 1m 小型盾构3 5m 1m 中型盾构6m 3 5m 大型盾构14m 6m 超大型盾构 14m 34 四 按掘削面的敞开程度分 不同敞开程度的盾构 全敞开式 部分敞开式 密闭式 能直接看到全部掘削面状况的形式 在掘削面与内仓之间设有一层隔板 故无法直接观察掘削面状况 只能靠一些传感器间接地掌握掘削面状况 只能看到部分掘削面状况的形式 35 全敞开式盾构 掘削面呈裸露状态 故掘削状态是干挖 出土效率高 特点 根据机械化程度差异分三类 人工挖掘式 半机械式 机械式 适用地层 适用于掘削面自稳性好的地层 洪积层压实沙 沙砾 固结粉砂及粘土等 对于自稳性差的地层 冲积层中的砂层 粉砂层及粘土层 应辅以压气 降水 注浆加固等措施 以确保掘削面的稳定 36 部分敞开式盾构 主要指网格挤压式盾构 又称为窗闸式盾构 适用范围 利用盾构切口的网格将正面土体挤压并切削为小块 同时以切口 封板及网格板与土体间的摩阻力来平衡正面地层侧向压力 达到开挖面的稳定 特征 因正面网格开孔出土面积较小 适宜在软弱粘土层中施工 在局部粉砂层可以辅以局部压气法来稳定正面土体 因对正面土体存在挤压扰动 较难有效地控制地表沉降 不宜在建筑物密集地方使用 37 五 按掘削面的加压平衡方式分 不同掘削面平衡方式 气压平衡式 泥水平衡式 削土式 土压平衡式 加泥式 气泡材 矿物类添加材 膨润土 树脂材 硅溶胶式 38 泥水盾构 39 土压盾构 40 六 按盾构的特殊构造分 盾构的特殊构造 中折盾构 球体盾构 母子盾构 用于小半径隧道施工 R 20m 用于直转弯等情况下的隧道施工 用于半径突然改变的隧道施工 其它特殊构造类型 41 球体盾构 球体盾构由大盾构 球体 小盾构等部件构成 大盾构内藏一个可以旋转的球体 球体内藏一个无尾板可以伸缩的小盾构 大盾构的作用是完成大直径隧道的掘削 球体的