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隧道掘进机概况及管片受力的有限元分析,隧道,掘进机,概况,管片,有限元分析
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邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 1 前 言 人口爆炸、土地退化、资源短缺、环境脆弱，当前人类赖以生存的地球表面已不堪重负。在这种日趋严峻的情况下，世界各国除采取综合性的政治经济措施外，都非常重视地下空间开发利用，把地下空间当成一种新型国土资源，并称为“地下产业”。人们普遍认为：“ 19 世纪是桥梁的世纪， 20 世纪是高层建筑的世纪， 21 世纪则是地下空间的世纪” 1。 在地下空间的开发利用中。采用全新面隧道掘进机进行快速施工已成为总的发展趋势。 不同于常驻机构规钻爆法（俗称“打眼放炮” ），近代掘进机技术的最大特点是广泛使 用电子、信息、遥控等高新技术对全部作业进行制导和临控，使掘进进程始终处于最佳状态。在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的 410倍。最佳日进尺可达 150m。此外，还有优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护的优点 。因此，掘进机技术自 20 世纪 50年代中期进行工业化生产以来，日益受到人们的重视，已广泛应用于各国的能源、交通、城建、国防等部门的地下工程建设。在一些发达国家，不少施工企业都明确规定，对于 3上的隧道，必须用掘进机施工。 随着科学技术的不断进步，掘进机的类型和使用范围也不断扩大。 微型掘进机的直径一般为 25150型的可达 15m。从松散软土、淤泥，到极坚硬的岩石（抗压强度 350450可应用。不但能在岩石中掘进，还能在软土中掘进的复合型掘进机发展也很快。由于掘进机有诸多优势，因此在国际上有“移动式掘进工厂”之称。近年来，掘进机向断面多样化、多工作面方面向发展，如已研制成功矩形的、椭圆形的、双圆形的、三圆形的掘进机，在开挖地铁车站、铁路隧道、水工隧洞等地下工程中发挥中发挥了重要作用。 20 世纪 80 年代以来，微型掘进机技术在一些发达国家普遍得到应用。用这种方法 ，不需对地表“开膛破肚”就可在地下，包括水下、桥下、建筑物下开挖、更换各种管道。由于许多国际大城市通过立法，不允许在市内采用明挖方法，进一步促进了微型掘进机技术的发展，已经形成一种新兴产业。 从总体上看，掘进机技术体现了计算机、新材、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合密集，反映了一个国家的综合国力和科技水平。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 2 1 隧道掘进机的研究与应用 隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高科技施工装备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。 随着地下工程快速技术水平 的提高，隧道掘进机施工技术在中国得到了快速的应用和发展。开挖的需要和科学。 内外研究现状 我国在 1964 年经周恩来总理批准，在国家科委的领导下，成立了全断面隧道掘进机攻关小组，由第一机械工业部沈鸿副都长任组长，开始研制岩石掘进机，在“靠山、隐蔽、分散”及“深挖洞”口号的推动下，大搞群众运动，制造出50 多台掘进机，基本上没有发挥作用。 20 世纪 80 年代初，在国家科委领导下，成立了掘进机办公室，采取联合攻关的方式，制造出 8 台掘进机，先后在云南西洱河水电站、河北引滦入津水利工程、山西太原古交煤矿等得到应用 。但与国际水平相比，差距甚大，主要表现在掘进速度上，国产掘进机的月平均进尺为 100为国际水平的 1/50，显示不出优越性。目前，我国研制的岩石掘进进机，基本上处于闲置状态 2。 20世纪 80后代后期我国从美国 于天生桥二级水电站的长隧道洞开挖，效果不太理想。 20 世纪 90 年代以来，在甘肃引大人泰水利工程，由国外承包商使用国外掘进机的成功实例，经我国带来巨大冲击。该工程 30A 隧洞全长 挖直径 意大利 司使用 护盾掘进机开挖，仅用一年多时间就顺利完工。平均月进尺达 1000m，最高月尺 1500m。此后，在引黄入晋水利工程，由意大利 公司中标建的总班干线，南班干线引水隧洞，均采用国外掘进机开挖，也取得了显著的效益。 1998 年，铁道部泰岭 I 号特长隧道（总长 用德国 司生产的掘进机进行开挖，经过近 20 个月的有懈努力，克服种种困难，于 1999 年 8月 29 日提前 32 天完成了开挖任务，创造了全国铁路隧道施工的最高记录。 国外务公司开发的掘进机产品自成系列产品，使 产品达到公司内部通用化，从 每把刀 20 104 N 增至 40 104 N，盘刀直径从 至 534 内换刀普遍由刀盘前换刀改为刀盘背面换刀新技术，成功地发展了适用于软硬岩层的双护盾掘进机。罗宾斯公司近年研制实现连续掘进三护掘进机。法国布衣格公司和德邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 3 国维尔特公司先后研制了适用于软岩的摇臂式掘进机，可开挖圆形和矩形断面。目前的技术水平已达到掘进机刀盘直径 孔直径可达 15m 以上 ,适应岩石抗压强度达 25000进平均月进 600m700m。 掘进机 管片可分为钢管片和预制混凝土管片，从近十多年的实践经验看，用预制混凝土管片较多，如我国的万家寨引黄工程、引黄入晋工程等，国外的日本宫濑坝隧洞、爱尔兰都柏林隧洞、英国的希思罗新隧洞等。在国外，针对不同的地层条件，有不少工程仅将管片支护作为初次支护，而后还进行混凝土衬砌、喷钢纤维混凝土等二次支护。如美国犹他州 工过程中，为适应挤压地层和极度不稳定围岩中进 行 进施工，首先采用钢管片进行一次支护，而后安装预制混凝土二次衬护，获得了理想的施工效果；瑞 用的衬护形式为圆形的预制混凝土管片，外面再浇筑一层 25的钢纤维混凝土 (C 65/60 行加固。而在 利工程的 21输水隧洞 工中 , 为适应不同地质条件和覆盖层的变化，采用了三种不同配筋率的预制混凝土管片。 目前国内外对管片结构计算尚无一个公认的、准确的计算方法，计算 中以结构力学法为主，再辅以有限元法、特性曲线法分析计算，结合工程经验、规范要求确定管片的尺寸、配筋和联结方式等。而在荷载结构法中的众多计算方法中又以自由变形圆环法为主。 国内外管片的安装一般采用传统的管片安装机械手进行安装。早在 1990 年，就有报道称日本的东京电力公司（ o. ）和 设计了专门用于管片安装的机器人，该管片自动安装系统由一个电力提升装置、管片供应装置和一个管片安装机器 人组成，并在 洞径为 实际工程中得到运用 。 工中的质量控制 断面隧道掘进机是由美国罗宾斯（ 司生产的大断面岩巷掘进机，主要用于公路、铁路、水利及矿山工程中大型涵洞与隧道的掘进施工 3。 山西省万家寨引黄工程隧道开挖所采用的 6 台 断面隧道掘进机均为双护盾封闭式，由机头部和后配套组成。机头部主要由刀盘、前护盾、伸缩盾和后护盾等部分组成，主要实现截割、装渣、行走等功能。后配套位于 头部之后，分为滚动支撑段和轨道平台两部分，主要功能 是实现设备的控制、配电、供水、排水，及运输装车等，还有压风机、高压油泵等辅助系统。前护盾为开挖邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 4 系统，有 26 个单刀头和 4 个双刀头嵌于刀盘中，开挖时通过刀盘系统大圆盘的顺时针旋转、盘形刀头在主推进油缸推力的作用下向前回转滚动破碎岩石，开挖的岩渣由周边式铲斗不断铲起通过漏斗和溜槽卸落到皮带机上送入渣车。后护盾为衬砌系统，管片安装器直接将预制混凝土管片安装就位，然后缩盾，管片便脱离后护盾，随即通过管片安装孔（同时也是灌浆孔）豆砾石泵送至管片与围岩间隙中，最后进行回填灌浆。开挖和衬砌是一个连续而完整的工作循环。 掘进方向是由 光导向系统控制的。隧道施工中的测量，是将洞外测量控制网引入洞内之后，输入 光导向系统进行的。该设备由一种计算机控制的激光束和测斜仪组成，由激光发射器通过后靶投射到前靶上，激光束投射到安装在距掌子面 4m 的光靶上再通过传输系统传输到操作室的计算机中心，操作人员根据显示屏的数据控制掘进偏差，精度可达到 1过操作面板上的操作键调向。 施工过程质量控制是以工序质量控制为核心，设置质量控制点，进行预控。道施工质量控制包括开挖、管片安装、豆砾石回填、灌浆四个工序，且前一 工序往往直接影响后一工序。只有对各工序活动条件进行有效控制，才能保证隧道施工质量。所以在施工前和施工过程中，要对主要人员、原材料及中间产品、施工设备进行预控和监控，并及时检查施工质量，发现问题及时分析判断，找出产生质量问题的原因，进行纠偏。 工质量控制程序和控制点。 工测量质量控制 测量人员在将测量数据准确地输入 光导向系统后，日常工作便是根据已有测量控制点或临时水准点，每天或开挖一定洞长后测量一次，然后将测量数据输入激光导向系统，当隧道转弯时需加密测点，且每周利用 机维 修的时间进行系统复核。 道开挖过程质量控制 除发生塌方的洞段外， 挖无超挖或欠挖，所以开挖质量主要是指开挖轴线满足设计要求的程度，控制了轴线偏差，也就控制了欠挖 挖由控制系统控制，激光导向系统、掘进机运行参数（包括刀盘转速、扭矩或刀头最大推力、掘进速度、推进油缸压力和马达电流消耗等）均通过该系统来观察和控制，隧道开挖质量受操作人员素质、围岩地质条件、掘进机工作状况等多种因素影响。操作人员必须是经过专门培训、并有一定操作经验的技术工邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 5 人，在开挖过程中需时刻掌握 前位置、前 方 4m 的掘进偏差、掘进机偏转情况和掘进机运行参数，发现掘进已偏离设计洞轴线要及时分析原因、调整偏差。隧道围岩地质条件在一定程度上对开挖质量有较大影响，当掌子面上下或左右两侧的围岩强度、构造发育程度相差较大时，易产生掘进偏斜；当掘进机通过诸如断层碎带、强风化 全风化岩石、土洞等软弱围岩时，机头易下沉。当遇到上述不利地质条件时， 作手必须及时调整掘进速度、刀头推力和刀盘转速，才能有效地控制开挖偏差。当掘进机主推力缸液压系统或计算机主控制系统出现故障时，掘进就会发生偏斜。所以，在日常维修中，要注意检查， 以避免因故障而影响开挖质量。 片及安装质量控制 在管片运到施工现场前，已经过制造厂的各项检查，并有出厂合格证。在管片运往现场和堆放期间，不可避免地要出现混凝土表面损坏、止水条部分脱落等现象，如堆放不当且时间较长时还会出现管片裂缝。所以在进洞前要逐一检查，可修复使用的在洞外修复后进洞安装。 管片安装质量是指衬砌管片的接缝、错台、破损和裂缝满足设计要求，它主要受隧道开挖质量、管片安装人员素质、管片结构尺寸误差的影响。在 道施工中，衬砌和开挖面外缘近似于同心圆，当开挖轴线为直线时，安装管片后的洞轴线亦为直线；而当开挖轴线左右或上下摆动呈明显的曲线时，安装管片后的洞轴线亦为同形曲线。因通常采用规格相同的管片衬砌，当洞轴线发生弯曲时，管片间的接缝和错台就必然增大以适应洞轴线的变化。所以对开挖质量这一关键点进行有效控制，才能有效控制管片安装质量。管片安装人员素质是影响管片安装质量的主要因素在施工过程中，需经常了解开挖轴线的变化情况，根据洞轴线的变化来调整管片；在直接观察或测量管片接缝和错台的同时，需测量管片的偏斜程度、辅助推力缸的对称程度、管片背面不同部位与尾盾的间隙，在直线洞段，理论上管片左右应该 对称，上下推力缸间的长度、左右推力间的长度、管片与尾盾的间隙应该相等。所以如发现测量数据差异较大，说明管片安装偏差较大，需及时调整。在一定程度上，管片的破损率与管片的接缝和错台超差量成正比，即过大的接缝和错台会造成较多和较大面积的破损。所以，只有较好地控制管片接缝和错台误差，才能避免或减少管片破损率。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 6 砾石回填质量控制 由于 道施工时豆砾石用量大，一般使用人工豆砾石。尽管豆砾石在运往现场前已进行了各工序的加工处理，但有时会出现石粉含量过大现象，所以现场必须进行取样检验，石粉含量超标 时要进行二次过筛，合格后方可使用。豆砾石回填质量要控制回填顺序和充填密实度。豆砾石回填前，首先用高压风清理洞壁岩粉，然后按从下至上的顺序回填豆砾石，且要保证其充填密实。生产人员和质检人员可通过记录回填时间、检查管片安装孔及直接检查等方法控制豆砾石回填质量。 填灌浆质量控制 灌浆浆液制备由设于 配套尾部的计算机控制，浆液质量控制是确保设备正常运行的，每制备一定量浆液需测量一次浆液浓度，以保证水灰比满足设计要求。 浆顺序和孔距质量控制 由于 工的特殊性，灌浆顺序采 用从下至上的灌浆顺序，即底孔侧孔顶孔和顶垂孔。底孔灌浆紧跟管片安装进行，通常距 距为一环管片宽度；侧孔灌浆在 配套末端进行，距开挖面约 300m，灌浆压力也控制在 宜采用对称并联灌浆，灌浆孔距不大于三环管片宽度，相邻两灌浆孔间的孔为检查孔；顶拱灌浆紧跟着侧孔灌浆后进行，灌浆压力宜控制在 距不大于五环管片宽度，相邻两灌浆孔间的孔为检查孔。施工过程中，应严格控制灌浆顺序和孔距，避免脱空。 浆标准质量控制 底拱 和侧拱回填灌浆的闭浆标准为：当相邻底拱灌浆孔或两侧灌浆孔出现串浆，且出浆量较大、浆液浓度接近进浆浓度时，即可结束灌浆。顶孔和顶垂孔回填灌浆闭浆标准：在通常情况下同规隧道施工，即在规定的压力下，灌浆孔停止吸浆，延续灌注 5可结束。但当浆距离较远，且相邻灌浆孔和检查孔完全被浆液充满时，也可结束灌浆。 浆质量检查 回填灌浆质量检查应在该部位灌浆结束 7 天后进行。检查孔应布置在脱空较邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 7 大、串浆孔集中、灌浆情况异常以及围岩地质条件不良的部位，检查方法包括钻孔取芯法和钻孔注浆法。钻孔取芯法可直观检查 豆砾石灌浆层的密实度和充盈度，并对豆砾石灌浆层的抗压强度和渗透系数进行测试，若灌浆层充满管片与围岩间隙，且密实、无蜂窝，即认为合格。钻孔注浆法即向孔内注入水灰比 2:1的浆液，若在规定的压力下，初始 10注入量不超过 10L，即认为合格。对检查不合格的部位，应重新进行灌浆和钻孔检查。 总之，由于 工速度快，若出现开挖、衬砌质量缺陷，则处理难度很大。所以，在施工中应以事前控制、事中控制为主，严格每一施工工序，使各种隐患、缺陷消失于未然中。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 8 2 隧道掘进机简介 隧道掘进机，从通常意义上来讲，就是通过位于工作面的一组开挖机械或旋转刀具切削或破碎前方介质并由此向前推进的一种隧道开挖机械。如何正确地选择隧道掘进机，使它达到对地质条件、施工周期、机械成本、环境影响、安全性等一系列条件的尽量满足，是我们面临的一个问题。下面我将对几款隧道掘进机做一个间单的介绍。 掘式和网格挤压式盾构掘进机的应用 手掘式盾构掘进机是我国在早期隧道掘进中采用的最简单的掘进机。手掘式盾构，适用于含水量少、自立性好的地层，在含水丰富的软弱地层中使用时，必须辅以气压。网格挤压盾构是一种在手 构基础上发展起来的、适应于上海软土地层掘进隧道的实用新技术。 掘式盾构掘进机 20 世纪 50 年代，阜新煤矿和北京市政所用 2.0 m 和 2.6 m 的盾构就是开挖面敞开的手掘式盾构，在盾构壳体的保护下，采用人工挖土，劳动强度大，施工速度慢。 1963 年，上海隧道工程股份有限公司研制了一台 4. 2m 手掘式盾构在浦东塘桥进行掘进试验，盾构总推力 19600 挖面人工挖土，并备有支护千斤顶，掘进施工辅以气压和降水，隧道衬砌采用钢筋混凝土管片拼装。隧道掘进试验分为浅埋推进和深埋推进两 段，掘进总长度 68 m 。这是我国首次进行完整的盾构隧道掘进试验，试验成果应用于上海地铁工程和越江隧道工程 4。 格挤压盾构掘进机 1965 年 6 月，上海地铁 60 工程区间隧道采用由我国自行研制的 m 网格挤压型盾构施工，总推力为 104 隧道覆土约 12 m，掘进长度2 600 m 。隧道衬砌环由 5 块平板式钢筋混凝土管片拼装而成。盾构进出洞时洞口土体采用降水法，隧道掘进施工辅以气压，施工加气压值为 盾构推进穿越的建筑物和地 下管线均未受影响。 1967 年 7 月，地铁试验工程完成，这是我国首次采用盾构掘进机施工地铁隧道。 1967 年 3 月，上海打浦路越江公路隧道采用 10.2 m 网格挤压型盾构，掘进总长 1324 m 。盾构总推力达 104 筋混凝土管片采用整环浇筑，衬砌接缝防水采用环氧邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 9 树脂。盾构穿越地面以下深度为 17 30 m 的淤泥质粘土层和傅德明粉砂层，在岸边段采用降水全出土、气压全出土和局部挤压方法施工，在江中段采用全气压、局部挤压出土法施工。 1970 年以来，上海又用网格挤压盾构在长江边和海边建成 了 6 条 4.3 m 的排水及引水隧道。北京、江苏、浙江、福建等省市也用盾构法建造了各种不同用途的小直径隧道。 1980 年，上海重新规划地铁 1 号线，并在漕溪路进行试验工程，两条区间隧道采用刀盘式盾构掘进，因存在技术问题后仍改为网格挤压盾构。m，总推力 104 钢筋混凝土管片采用高精度钢模浇筑，管片尺寸精度达到 1 衬砌环防水初为焦油聚氨酯，后又改用防水性能更好的氯丁橡胶。地铁试验隧道进行了施工监测和沉降控制研究，并进行了管 片结构试验和多种形式管片 的试用。经试验，上海地铁 1 号线最终确定隧道衬砌 6 块，为厚 35 宽 100 平板式管片 4。 格型水力出土盾构掘进机 1983 年，上海建设第二条黄浦江越江公路隧道 延安东路隧道。 1476 m 圆形主隧道采用盾构掘进施工，其中 500 m 穿越黄浦江底， 500 m 穿越市中心建筑密集区。为提高掘进速度和确保隧道沿线的构筑物安全，上海隧道股份公司自行设计研制了 11.3 m 网格型水力出土盾构，这是在网格挤压型盾构基础上改进而得到的一种盾构掘进机。网格上布有 30 扇可开启和关 闭的液压闸门，具有调控开挖面进土部位、面积和进土量的作用，可辅助盾构纠偏和控制地面沉降。网格上还布设了 20 只钢弦式土压计，可随时监测开挖面部位土压值的变化，首次在盾构掘进过程中实现信息化施工。开挖面高压水冲切土体，并采用大型泥泵接要建筑物和地下管线。网格型水力出土盾构具有施力输送泥浆，自动计量装置控制出土量，实现掘进、工性能好、掘进速度较快、操作方便等优点。自出土运输自动化。衬砌拼装机的回旋装置首次采用了带制动器的大扭矩液压马达，起重量达 5t，运转平衡。盾尾密封装置吸收国外新技术，采用三道钢丝刷，并注入自 行研制的盾尾油脂，确保了盾尾密封。盾构推力由尾部周围 48 只油压千斤顶提供 105 力。采用 11. 3m 网格型水力出土盾构，顺利穿越江中段浅覆土层和浦西 500 m 建筑密集区，保护了沿线的主 1987 年开发成功后，广泛用于上海及江、浙沿海地区建造江底、海底的取排水隧道至今仍是一种成本低、实用性能好的盾构机型 4。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 10 2 2 土压平衡式盾构机的开发和应用 20 世纪 70 年代以来，开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土术发生了一次新的飞跃。 1975 年，日本隧道业的 10 余年间，我 国又陆续设计制造了 兴起了泥水加压式盾构热， 1978 年起，土压平衡式 m 土压平衡式盾构，用于取排水隧道和地铁隧盾构也得到广泛的应用。道。 1993 年，制造了一台 6. 34 m 土压平衡式盾 2. 1 我国土压平衡式盾构的引进和消化吸收构，用于南京市夹江排水隧道工程，穿越粉砂地层， 1985 年，上海芙蓉江路排水隧道工程引进日本掘进长度 1294 m 。川崎重工制造的一台 m 小刀盘土压平衡式 。 压平衡式盾构在地铁隧道工程中的应用 1990 年，国务院批准上海 地铁 1 号线开工建削土砂经螺旋输送机运至土箱。压力舱内设有土压设，圆形隧道选用 7 台 m 土压平衡式盾构推计，可设定平衡土压力值，保持开挖面土压平衡，以进。第一台 6. 34 m 土压平衡式盾构于 1991 年 6 月。它减小对周围土体的挤压影响。芙蓉江路排水隧道掘月始发推进， 7 台盾构掘进总长度 17. 374 1993 进长度 1450 m，这是我国首次引进简易式土压盾构年 2 月全线贯通，掘进施工期仅 20 个月，每台盾构用于隧道工程，其施工性能和掘进速度均优于以往的月掘进长度达 200 250 m 。掘进施工穿越上海的网格挤压型盾构。市区建筑群、道路、地下管线等，地面沉降控制在 1987 年，我国在消化吸收国外土压平衡盾构机 +1 m 土压平衡式盾构见图 5。理和设计制造技术的基础上，研制了国内首台 1995 年上海地铁 2 号线 24 间隧道开始 4. 3m 加泥式土压平衡盾构掘进机，见图 4。掘进施工，地铁 1 号线工程所用的 7 台 m 土 m 土压平衡盾构全部采用国产部件，由压平衡式盾构经维修以后，继续用于 2 号线区间隧上海船厂制造，用于上海 市南站过江电缆隧道。隧道掘进，同时又从法国 司和上海的联合体购道总长度 534 m，在黄浦江底掘进，隧道埋深 21 置两台土压盾构，加上上海隧道股份公司制造的一 30 m，穿越土层主要为砂质粉土隧道掘进顺利解台土压盾构，共计 10 台土压平衡式盾构用于隧道施决了高水压情况下的密封和砂性土加泥塑流技术难工。施工性能技术指标达到 80 年代国际先进水平。 1996 年，广州地铁 1 号线工程中有 8. 825 间隧道选用 3 台 阳学院毕业设计（ 论文 ） 11 m 盾构机施工，由日本青木建设承担隧道掘进施工，采用日本川崎重工制 造的一台土压平衡式盾构和两台泥水加压平衡压盾构。其中烈士陵园 农讲所 公园前使用一台可切削风化岩的土压平衡式盾构掘进了 2970 m，穿越地层为少量粉质粘土和风化岩。该复合型土压平衡式盾构刀盘上设置两种刀具，切割粘土的割刀和磨岩石的滚刀。刀盘边缘装有 10 挖刀。盾构机头为铰接型，盾构机设有中折装置，由两节组成，机身长 7.8 m，便于转弯纠偏，左右纠转 1. 5o，上下纠转 0. 5o 。 2000 年，广州地铁 2 号线工程海珠广场至江南新村 3423 m 区间隧道选用两台 m 复合型土压盾构掘进 施工。地铁隧道要从珠江底穿越，埋深 16 28 m，掘进地层主要为全风化岩、强风化岩和中风化岩。 2001 年，北京地铁 5 号线工程进行区间隧道盾构掘进试验工程，与国外厂商 谈引进一台土压平衡盾构掘进机。南京地铁 1 号线已开工建设，规划中的区间隧道也选用土压平衡式盾构掘进机。泥水加压式盾构的引进和开发应用泥水加压式盾构是上世纪 70 年代英国最早开发和应用的， 1975 年起在日本得到广泛的应用。 1994 年，日本东京湾横断道路隧道工程采用了 8 m 泥水加压式盾构掘进 18.8 底隧道，这是世界最先进、自动化程度最高的盾构掘进机。 1994 年，上海延安东路隧道南线 1300 m 圆形主隧道施工的 m 泥水加压式盾构具有自动化程度高、盾构掘进对周围地层影响小的优点。盾构穿越厂房、防汛墙、地下人行道、高层建筑十分安全，沉降量小于 2 掘进速度一般为 6m d 高达 12 m d 泥水加压式盾构设有掘进管理、泥水输送、泥水分离和同步注浆系统。掘进管理和姿态自动计测系统能及时反映盾构开挖面水压、送泥流量、排泥流量、送泥密度、排泥密度、千斤顶顶力和行程、刀盘 扭矩、盾构姿态、注浆量和压力等参数，便于准确设定和调整各类参数。广州地铁 1 号线工程于 1996 年引进两台 6. 14 m 泥水加压式盾构，掘进 5852 m 。 由于泥水加压式盾构需要在地面设置一套庞大的泥水处理装置，且施工成本高 于土压盾构，因而在我国的应用比较少 4。 2 3 其它形式掘进技术的研究和应用 在工程实践中，还应用了其他形式掘进机技术的掘进机。下面我将对另外几款掘进机及我国隧道掘进机发展的内容和展望做简单的介绍。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 12 管掘进机技术的发展和应用 当隧道和管道的直径小于 3m 时 ，用拼装式管片作隧道衬砌由于作业面小而较困难，一般采用预制管节作隧道衬砌，将盾构推进系统放置在管段后顶进，而盾构机头放在管节前端掘进，称之为顶管施工法。我国的顶管施工早在 50 年代就用于城市下水道工程，当时顶管机头为手掘式。至今，在我国许多城市还较多地使用手掘式顶管掘进机进行管道顶进。 20 世纪 80 年代初，上海地区开始应用网格挤压水力出土式顶管机。 1985 年，上海从日本伊势机株式会社引进一台 800 水机械平衡顶管机，这是一台遥控操作的全自动化掘进顶管机，具有刀盘切削、机械平衡、泥水输送功能 ，掘进速度快，对环境影响小。 1988 年，上海市政工程研究所在消化吸收国外技术的基础上，研制的一台 1200 水机械平衡遥控顶管机取得成功，以后又陆续设计制造了 1500 2400 泥水机械平衡式顶管机。 20 世纪 90 年代，是国内顶管掘进机技术大发展的 10 年，我国已能设计制造直径 1000 3600 各种机型的顶管掘进机，包括网格水力出土型、反铲型、刀盘式土压平衡型、泥水机械平衡型。 形盾构机的研究和应用 常用的盾构隧道掘进机为圆形，主要是圆形结构受力合 理，圆形掘进机施工摩阻力小，即使机头发生偏转，其影响也比较小。但是圆形隧道往往断面空间利用率低，尤其在人行地道和车行隧道工程中，矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本在 20 世纪 80 年代开发应用了矩形隧道，在 20 世纪 90 年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构，并完成了多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等，使异形盾构技术日益成熟，异形断面隧道工程日益增多。 国岩石隧道掘进机的发展应用 1964 年我国开始研究全断面岩石掘进机。由上海勘测设计院 机械设计室、北京水电学院机电系分别进行方案设计。 1965 年，当时的水电部抽调技术力量，以上海勘测院机械设计室为主，集中在上海水工机械厂进行现场设计， 1966 年生产出中国第一台直径 3.5 m 的全断面岩石掘进机，先后在云南下关的西洱河水电站引水隧道进行工业性试验，抗压强度为 100 240 高月进尺为邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 13 48.5 m 。 1969 年由广州市机电工业局制造了一台直径 4m 的掘进机，进行试验性工程的实践。 1970 年萍乡矿务局机修厂生产制造了直径 2.6 m 掘进机，应用于萍乡青山矿的巷道掘进施工。西 安煤矿机械厂也试制了一台直径 3.5 m 的掘进机被铜川矿务局用作工业性试验应用，掘进长度 669 m 。 1971 年广州市机电工业局、铁道兵、抚顺矿务局以及上海水工机械厂试制了直径分别为 2.5 m 、 5.5 m、 3.8 m 和 5.9 m 掘进机，在岩石类型白云质石灰岩、矽质石灰岩、花岗片麻岩和石灰岩地层中施工，其中最高月进尺 123 m 。 1977 年 4 月至 1978 年 4 月 58 型隧道掘进机在云南西洱河水电站的水工隧道中进行工业性试验，进行了一次比较全面彻底的改装设计，提高了该机的技术性能和今后 掘进施工的可靠性及适应性。 1981 年 11 月 25 日投入了引滦入唐工程中古人庄隧道的应用施工，主干线隧道直径 5.8 m，施工长度 2747. 2 m 。该工程隧道于 1983 年 3 月 15 日掘进贯通，历时 15 个月零 21 天，是中国第一条用掘进机施工的中型断面隧道； 58A 掘进机切削刀盘。 1985 年，在广西隆林天生桥水电站的水工隧道修建过程中，引进了美国罗宾斯公司掘进机，直径为 10.8 m。这是中国第一条采用大断面的岩石掘进机施工的隧道。 1991 年， 30A 隧道（水磨沟隧道）是甘肃省引大（ 大通河）人秦（秦王川）大型跨流域灌溉工程中一条次长的无压输水隧道，长度 11. 649 意大利公司和中国华水水电工程公司组成联合企业，采用美国罗宾斯制造厂生产的 188 套筒式（铰接盾构型）岩石掘进机（ 施工，掘进机直径 m，隧道砼衬砌直径 4.8 m，预制的装配式结构。 1997 年，安康铁路秦岭隧道 I 线采用从德国 司引进的两台 1000E 直径 8.8 m 进机施工， 见图 9，掘进隧道长度 18. 46 分别由南北两头掘进施工，中间对接。 1997 年，山西万家寨引水工程南干线 4 号洞、 5 号洞、 6 号洞、 7 号洞 88 道采用 4 台 4. 88 m 护盾全断面掘进机施工，由意大利英波基洛公司和 司及中国水利水电四局组成的万龙联营体中标， 9 月开工，总邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 14 工期 48 个月。 国隧道掘进机发展的内容和展望 我国从 20 世纪 90 年代以来，已成功地研制了直径 m 的土压平衡式盾构掘进机 10 余台，用于地铁隧道、引排水隧 道、电缆隧道工程，技术水平已接近国际先进，在隧道导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距，在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。在直径 3 m 的顶管掘进机方面，我国已经先后研制了先进的反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水加压顶管机，国内已完全有能力制造国产机械，替代进口设备。最近，上海已研制了国内第一台3.8 m 3.8 m 组合刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成了 2 条 62 m 长的地下人行通道，使我国在异形盾构的开发研究方面挤入世 界先进行列。在微型隧道掘进机方面，我国也已研制了直径 600 800 中心螺杆出土顶管机、夯管顶管机和水平定钻机等设备。 我国 2000 2009 年隧道掘进机市场预测面对 21 世纪我国城市地下空间开发利用的广阔市场，在 2000 2009 年 10 年间，我国将有 20 余座城市建设地铁，至少将建 250 而采用盾构掘进机施工将是必然的选择，正在建设中的深圳地铁和南京地铁采用盾构掘进区间隧道；广州地铁 2 号线、上海地铁 3 号线、北京地铁 5 号线均采用盾构法施工。直径 4 6 m 的地铁盾构的需 求量约达 40 余台，铁路隧道将有部分采用 进机，在今后 10 年内 8. 6m 的进机需求量约为 6 台。水电隧道将有相当一部分采用 进机， 4m 的 进机的需求量约 20 台。其他城市管道的建设， 5 m 的盾构掘进机需求量约为 100 台。因此，盾构国产化替代进口是我们的目标和主要任务，以每台 6m 的地铁盾构 500 万美元计算， 40 台盾构若全部进口将花外汇2 亿美元。铁路隧道 8. 5m 的 进机每台 3000 万美元，进口约需 1000 万美元， 20 台约需 2 亿美元。 2000 2009 年 1. 8 亿美元。水电隧。 2000 2009 年国内各类盾构的需求量预测表盾构机型直径（ m） 台数单价（ 万美元 / 台）引进费用（ 亿美元）备注土压平衡盾构 6 40 500 2 掘进地铁 240 水加压盾构 3 5 100 200 400 4 掘进市政隧道 600 合型盾构 6 15 800 1. 2 掘进地铁 120 进机 4 5 20 1000 2 掘进水电隧道 200 9 6 3000 1. 8 掘进铁路 隧道 60 计 181 10 今后 10 年我国隧道掘进机的市率达 60% 。场可达 10 亿美元，若有 60% 采用国产掘进机，至少（ 3）异形断邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 15 面盾构掘进机的研究可节省外汇 6 亿美元，并可振兴我国的掘进机制造椭圆形、矩形、马蹄形等断面的盾构是为适应不业。同用途隧道而开发的。我国已研制首台矩形盾构用 土压平衡盾构掘进机是一种先进实用的隧道掘轴式刀盘。结合不同的隧道工程断面要求，开发偏进机，适用于各种软土地层，即使含有砾石、卵石也心多轴式土压盾构，可减少工程成本，充分应用隧道能掘进。结合各城市的不同工程地质水文条 件，设断面。矩形和马蹄形隧道可用于地下人行道、地下计制造各种型号的土压平衡盾构，研究并应用盾构共同沟。隧道测量导向系统和施工监控系统，国产化率达中小口径顶管掘进机的系列化和推广应用 70% ，使施工性能达到国外同类产品的先进水平，盾直径 3.9 m 的中口径顶管机主要用于城构液压阀件的国产化率达 60% 。 随着对城市交通管理和环境和应用保护的重视，已不允许明挖排管施工。而我国目前 道掘进机适用于岩石地层，掘进机前端应用的顶管机大部分为落后的手掘式顶管机，为提刀盘上装有硬质合金滚刀。我国近年来引 进了国外高施工速度，降低劳动强度，减少对环境的影响，必 进机用于山岭铁路隧道和引水隧道。须大力推广土压平衡型、泥水平衡型、反铲型顶管复合型盾构的大刀盘上装有切削软土的刀排和机。切削岩石的滚刀，是适用于软土和硬岩复合地层的直径小于 1m 的微型顶管机将广泛地用于城市盾构掘进机，广州和深圳的局部地区为这种地层，我公用管道。微型顶管机是一种遥控的掘进机，要研国许多城市有这种地层，目前复合型盾构国内还没究配套的测量导向系统和监控系统，提高我国城市有，全部依赖进口。 自 20 世纪 60 年代始，我国的一些大型隧道工 程采用隧道掘进机开挖，取得了一定的成效，隧道施工速度加快，开挖质量提高，综合造价降低，环境破坏和污染减少。随着 21 世纪我国基础设施的大规模建设、西部大开发战略的实施，我国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工程将有大量的长大隧道需要建设；现代化城市建设中的地铁工程、市政工程 ( 排污管、输水管 ) 、越江隧道也在不断增加。据不完全统计在 2001 年至 2020 年间，我国将需完成近 6000 公里的地下隧道工程，年均 290 公里，其中少是长大隧道。鉴于速度、质量、环境以及综合造价等因素，越来越多的 工程建设单位将首选采用隧道掘进机施工。据预测，仅 2010 年前，我国就需购置 180 余台岩石和盾构掘进机这还不包括微型掘进机在内 46。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 16 3 装配与受力时的有限元分析 我国幅员辽阔，尤其是西部山多，而交通又很不发达。开发西部，关键是交通，也就是铁路和公路的建设。铁路选线标准的高低，在很大程度上取决于隧道长度的修建水平。 我国在“十五”及未来 10 年中，铁路、地铁、公路、市政工程建设市场规模相当大，因此掘进机技术具有广阔的市场空间，潜在需求巨大。目前我国隧洞建设使用的全断面岩石掘进机主要依赖进口，外 汇耗费数额巨大，因此依托国家工程建设潜在需求，开发 心集成技术，发展我国高技术隧道掘进技术和成套装备尤显重要。 构工程管片装配时的有限元分析 “十五”及未来十年时间中，我国铁路、公路、地铁、调水工程、市政工程建设市场规模相当大， 涉及隧洞累计长度将超过 4000此掘进机技术具有广阔的市场空间，潜在需求巨大。但是目前我国水工隧洞建设使用的全断面岩石掘进机主要依赖进口，外汇耗费数额巨大，因此依托国家工程建设潜在需求，开发 心集成技术，发展我国高技术隧道掘进技术和成套装备尤显重要 。 在隧道工程中，如果使用的是护盾式 既可以用于软岩的掘进，也可以用于硬岩的场合），与之配套的往往是连续安装的管片支护。国内外管片的安装一般采用传统的管片安装机械手进行安装。提高管片安装的效率与质量一直是隧道工程界的追求目标。护盾式 洞施工中的管片设计、合理的管片安装机械及安装工艺过程、正确的施工荷载确定等都关系到管片的安装质量并最终影响到 洞施工的总体进度。因此，对管片形式、管片安装机械及安装工艺过程进行研究分析，寻求合理的解决方案，具有重要意义 7。 3 1 1 管片的形状、基本参数 对于具体的隧道工程，如何确定管片的类型、尺寸参数并且保证管片的强度要求是一个较复杂的过程。目前还没有通用的方法对此作出解答。本文在参考国内外工程资料的基础上，整理出一套盾构隧道管片的设计方法及理论。 管片的形状及尺寸应根据使用目的、并便于施工和节约成本来确定。决定管片形状、尺寸的主要因素有：管片环的外径；管片厚度；管片宽度；管片环的分块。管片环的外径尺寸，取决于隧道净空和衬砌厚度（管片厚度、二次衬砌厚度等）。管片环外径尺寸是隧道设计时的最基本的因素。管片厚度：管片厚度与隧道断面大小的邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 17 比，取决于土质条件、覆盖 层厚度等，而主要是取决于荷载条件，但有时隧道的使用目的和管片施工条件也起支配作用。根据施工经验，管片厚度一般为管片外径的 4%左右，但对于大口径的，尤其是中子型管片时，约为 右。管片宽度：从便于搬运、组装以及在隧道曲线段上的施工，考虑盾尾长度等条件，管片宽度小一些为好。但是，从降低隧道总长的管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则此宽度大一些为好。管片宽度应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。根据日本至今为止的经验，管片宽度视隧道断 面大小而异，一般在 3001500用钢制管片时，为 7501200用混凝土类的管片时，为900200常是 1000片环的分块：管片环一般由数块 A 型管片、两块 B 型管片和一块可在最后在顶点附近封顶的 K 型管片组成。 K 型管片有的使用从隧道内侧插入的（半径方向插入型），有的使用从隧道轴方向插入的（轴方向插入型），也有两者都采用。其中，从隧道内侧插入的（半径方向插入型） 、 B 型管片的为好。从过去的经验及实际运用情况来看，根据管片的外径，铁路隧道等分块为 611 块，其中分为 68 块的较多。上下水道和电力通信等隧道，一般分为 57 块。 片提升及挤压时的有限元分析 依据前言中所述，管片厚度一般为管片外径的 4%左右，初步确定管片厚度为 350片宽度视隧道断面大小而异，一般在 3001500范围之内。采用钢制管片时，为 7501200用混凝土类的管片时，为 900200文采用钢筋混凝土管片，管片宽度初步确定为 1200用 8 块标准块， 1 块楔块的形式。标准块弧度为 ,楔块弧度为 为确定管片拼装机械 的抓取力和顶推力，在 件中对单块标准块管片进行了抓取工况下的应力分析。提升力为管片的最大重量的 倍。推压力，为管片的最大重量的 5 倍以上。标准块管片的重量为 3028以提升力取50000N，推压力取 150000N。在 分析管片拼装过程中的应力分析。分析结果表明，提升过程中在如图 示位置管片结点应力最大，为 片满足强度要求。推压过程中在如图 示管片结点应力最大，为 片满足强度要求。 邵阳学院毕业设计（ 论文 ） 18 片与管片拼装机械之间的滑移分析 接触是 一种很普遍的非线性行为。接触是状态变化非线性类型中的一个特殊而重要的子集。接触问题分为两种基本类型：刚体 体 持 3 种接触方式：点 面 种接触方式使用的接触单元适用于某类问题，并且每种类型的问题都有不同的特点。 72 200422:32:411 (20937图 升时的应力分布 图 压时的应力分布 持刚体 面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用 模拟二维和三维的“ 目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用 模拟。一个目标单元和一个接触单元叫作一个“接触对”。程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标
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