《盾构施工技术》课件-项目1 盾构法基础与设备类型

《盾构施工技术》1.盾构技术的国际演进与创新从“蜗牛壳”到“钢铁巨龙”目录CONTENTS01灵感起源：从船蛆钻孔到工程实践（1806-1825）02技术突破：圆形盾构与三大革新（1869-1876）03代际演进：四代盾构的技术跨越04现代成就：超大直径与智能化突破灵感起源：从船蛆钻孔到工程实践（1806-1825）01一、灵感萌芽起源期1806年法国工程师布鲁诺尔受船蛆钻孔原理启发1818年完善盾构机械系统设计1825年世界首条矩形盾构隧道（泰晤士河隧道）技术参数：断面高6.8m，宽11.4m船蛆技术突破：圆形盾构与三大革新（1869-1876）02二、技术突破期格瑞海圆形盾构1869年格瑞海德圆形盾构重大突破工程参数：外径2.18m，长度402m重要创新：首次采用铸铁管片技术1874年泥水盾构技术雏形出现代际演进：四代盾构的技术跨越03三、四代技术演进​机械式盾构（第二代）闭胸式盾构（第三代）大直径、高智能化、多样化为特色的第四代盾构手掘式盾构（第一代）时间轴图示第一代（1825-1874）：手掘式盾构（Brunel）第二代（1876-1964）：机械式、气压式盾构第三代（1964-1984）：闭胸式盾构（泥水式、土压式）第四代（1984-至今）：大直径、高智能化、多样化盾构三、四代技术演进​现代盾构机的“五脏六腑”​刀盘:​​“锋利的牙齿”盾体:​​“坚固的铠甲”推进系统:​​“强大的肌肉”管片拼装机:​​“灵巧的尾巴”控制室:​​“智慧的大脑”现代成就：超大直径与智能化突破04四、现代技术成就​美国西雅图项目：⌀17.52m土压平衡盾构香港屯门海底隧道：⌀17.6m泥水平衡盾构技术特色大直径智能化多模式四、现代技术成就​英吉利海峡隧道上海地铁隧道瑞士圣哥达基线隧道中国深江铁路海底隧道盾构的应用小结SUMMARY从生物仿生到智能工程的200年演进四代技术持续创新，安全效率不断提升现代盾构向智能化、巨型化方向发展思考THINKING盾构技术从矩形断面到圆形断面的转变，体现了哪些工程力学原理的进步？四代盾构技术各自解决了哪些关键的技术难题？现代超大直径盾构在施工中面临哪些新的技术挑战？《盾构施工技术》2.从技术引进到自主创新的崛起之路中国盾构技术的跨越发展目录CONTENTS01黎明期：技术学习与初步探索（1953-2002）02创新期：自主突破与快速成长（2003-2008）03跨越期：技术引领与产业发展（2009-至今）04产业格局：完整产业链形成黎明期：学习探索阶段​01一、黎明期：学习探索阶段​1953年阜新煤矿直径2.6m首条盾构隧道1962年上海研制直径4.16m手掘式盾构1965年开发直径5.8m网格挤压盾构1988年：研制直径5.64m土压平衡盾构手掘式敞胸盾构始发1965年：开发直径5.8m网格挤压盾构1988年研制直径5.64m土压平衡盾构创新期：自主突破阶段​02二、创新期：自主突破阶段​2001年盾构国产化列入国家"863"计划2004年“先行号”首台自主知识产权地铁盾构2008年首台直径6.4m复合盾构研制成功2004年盾构掘进模拟试验平台重要意义结束国外技术垄断局面2008年跨越期：技术引领阶段03三、跨越期：技术引领阶段“云岭号”在四川（德阳）下线铁建重工集团直径达12.19米的超大直径盾构机产业规模30余家企业从事盾构制造2020年出口印度直径12.19m超大盾构；自主研制直径9.83m敞开式TBM国际地位从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”产业格局形成​04四、产业格局形成​主要企业小结SUMMARY黎明期（1953-2002）：技术学习与积累创新期（2003-2008）：自主突破与成长跨越期（2009-至今）：技术引领与发展思考THINKING中国盾构技术发展的三个阶段各有什么显著特点？国家863计划对中国盾构技术发展起到了怎样的推动作用？中国盾构技术实现从“技术引进”到“产品出口”的跨越，有哪些值得总结的成功经验？《盾构施工技术》3.盾构法地下长龙的智慧​​目录CONTENTS01隧道施工的“武器库”​​02盾构法​​03盾构典型工法​​隧道施工的“武器库”​​01一、隧道施工的“武器库”​​隧道施工的主要方法隧道施工指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。一、隧道施工的“武器库”​​隧道施工的主要方法明挖法浅埋暗挖法一、隧道施工的“武器库”​​隧道施工的主要方法矿山法盾构法顶管法一、隧道施工的“武器库”​​隧道施工的主要方法沉管法岩石掘进机盾构法02二、盾构法定义用盾构修建隧道的方法，是地下暗挖隧道的一种施工方法，它使用盾构在地下掘进，在边防止软基开挖面土砂崩塌和保持开挖面稳定的同时，边在机内安全地进行隧道的开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。三大要素稳定开挖面盾构挖掘衬砌施工原理尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。二、盾构法（一）盾构法的主要技术特点对城市的正常功能及周围环境的影响很小盾构是根据隧道施工对象“度身定做”对施工精度的要求高盾构施工是不可后退的二、盾构法（二）盾构法的优缺点优点快速、优质、高效、安全、环保适宜于建造深埋隧道施工不影响航道，不受气候的影响自动化、信息化程度高二、盾构法（二）盾构法的优缺点缺点盾构机械造价昂贵工艺复杂、系统工程协调复杂地表沉降风险大特别在饱和含水松软的土层中，要采取严密的技术措施建造短隧道经济性差，小曲率半径隧道或隧道埋深过浅时施工存在困难施工中的质量缺陷问题尚未得到很好解决二、盾构法（三）盾构法的适用范围1.考虑地质条件及环境条件的适用性二、盾构法（三）盾构法的适用范围2.考虑盾构直径的适用性大直径盾构直径10m以上，多用于修建水底公路隧道和铁路隧道或暗埋地铁车站中直径盾构直径6.3m左右，适用于修建地下铁道的区间隧道。小直径盾构直径3m左右，较多用于引水、排水、电缆、通信及其他市政公用设施综合管道的建设。典型盾构工法介绍03三、典型盾构工法介绍（一）泥水盾构工法新鲜泥浆泥水仓稠泥浆泥水分离处理站泥浆池送泥泵泥土混合排泥泵排土渣三、典型盾构工法介绍（二）土压平衡盾构工法三、典型盾构工法介绍（三）特种盾构工法特种盾构工法，也称异形盾构工法，是指釆用特种盾构施工隧道的方法。所谓特种盾构是指单圆盾构以外的其他类盾构。目前，特种盾构工法主要有扩径盾构工法、球体盾构工法、多圆盾构工法、H&V盾构工法、变形断面盾构工法、偏心多轴盾构工法、ECL盾构工法等。小结SUMMARY隧道施工方法盾构法概念、技术特点、优缺点、适应范围典型盾构工法思考THINKING盾构法施工的“三大要素”是什么？它们是如何协同工作的？与明挖法相比，盾构法在城市中心区施工时有哪些核心优势？某工程需穿越一条宽江河流，河床下方为富含承压水的砂卵石层。请问应优先考虑哪种盾构工法？为什么？《盾构施工技术》4.盾构机的“家族图谱”​土压还是泥水？如何为地层选择对的“盾构君”目录CONTENTS01盾构机分类02土压平衡盾构03泥石平衡盾构04选型实战​​盾构的分类01一、盾构的分类一、按断面形状分类椭圆形矩形类矩形马蹄形半圆形双圆三圆单圆盾构异型盾构复圆盾构（多圆盾构）非圆盾构单圆盾构双圆盾构三圆盾构矩形盾构类矩形盾构马蹄形盾构一、盾构的分类二、按直径分类日本造船公司17.45m超大直径土压平衡盾构微型盾构：直径0.2~2m小型盾构：直径2~4.2m，较多用于饮水、排水、电缆、通信及其它市政公用设施综合管道项目。中型盾构：直径4.2~7m，广泛应用与地铁隧道工程中。大型盾构：直径7~12m，较多用于水底公路隧道及铁路隧道。超大型盾构：直径12m以上盾构技术发展方向：超大和微小型化一、盾构的分类三、按支护地层的分类一、盾构的分类三、按支护地层的分类核心问题：如何稳定开挖面？一、盾构的分类四、按开挖面与作业室之间隔板的构造分类已被淘汰土压平衡盾构机的工作原理02二、土压平衡盾构机的工作原理一、概念土压平衡（EarthPressureBalance）盾构，简称EPB盾构，是由刀盘开挖工作面的土壤，在土舱中以渣土为主要介质平衡隧道开挖面地层压力，通过螺旋输送机出渣的压力平衡式盾构。二、土压平衡盾构机的工作原理二、工作原理1.刀盘切削土体；2.土体进入土仓，与注入的泡沫混合；3.螺旋输送机旋转，控制出土量；4.土仓内压力传感器显示压力值稳定。二、土压平衡盾构机的工作原理三、适用范围及特点适用范围主要特点粘土、粉质黏土、淤泥等细粒（粒径 ≤ 1.5 mm）软土层；通过加水、膨润土、聚合物等改良后可适用于粒径 ≈ 1.5 mm 以上的细粒或部分砂土层适合城市地铁、地下综合管廊、城市排水隧道等对占地、设备成本要求较高的中小直径工程采用渣土（原状土）在土舱内形成“土塞”，利用土体自身压力平衡开挖面，控制地表沉降设备结构相对简单，施工现场占地小，造价低，掘进速度快采用螺旋输送机直接将渣土运至地面，排土方式较为间歇，施工空间占用大，刀盘扭矩大、刀具磨损相对较快对高水压或高渗透性地层适应性差，需进行土壤改良或加压泵提升土舱压力地表沉降控制精度一般，适用于对沉降要求不极高的项目泥水平衡盾构机的工作原理03三、泥水平衡盾构机的工作原理一、概念泥水盾构也称泥水加压平衡盾构（SlurryPressureBalanceShield），简称SPB盾构。泥水盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，装备刀盘及输送泥浆的送排泥管和推进盾构的推进油缸，在地面上还配有泥水处理设备。三、泥水平衡盾构机的工作原理二、工作原理新鲜泥浆泥水仓稠泥浆泥水分离处理站泥浆池送泥泵泥土混合排泥泵排土渣泥浆从进浆管泵入泥水舱；泥浆在开挖面形成“泥膜”；渣土与泥浆混合；混合液通过排浆管被抽到地面；泥水分离系统工作。三、泥水平衡盾构机的工作原理三、适用范围及特点适用范围主要特点软弱的淤泥质土层、松散砂土层、砂砾层、卵石层以及硬土‑软土互层粒径范围宽广（0.01 mm ~ 80 mm），尤其适用于含水量大、地下水压力 > 0.3 MPa的高水压地层，如水下隧道、河道穿越等适用于大直径（≥ 1 m）或长距离、转弯半径小的盾构工程通过向土舱注入配比泥浆形成“泥膜”，利用泥浆加压实现开挖面与外部水土压力平衡，压力控制精准，地表沉降极小泥浆循环系统使排土连续、效率高，泥浆在地面进行分离处理后再循环使用设备成本高、现场需建设泥浆处理场，占地大，施工噪声、振动及渣土运输对环境影响相对较大刀盘扭矩小、刀具磨损低，刀具寿命长，适合大直径、长距离掘进对高水压、含水量大的地层适应性强，几乎可覆盖所有土层（经改良后）三、泥水平衡盾构机的工作原理维度土压平衡盾构（EPB）泥水平衡盾构（泥水盾构）核心原理依靠原土体在密封土舱内产生的被动土压平衡开挖面通过高浓度泥浆形成泥膜，加压平衡开挖面适用地层细粒软土（黏土、粉质黏土、淤泥），改良后可处理细砂软弱粘土、砂土、砂砾、卵石及高水压层，粒径≤ 60‑80 mm出土形态块状/堆积渣土，间歇式排出连续流动泥浆，泵送至地面后分离循环场地要求占地小，仅需竖井、土舱、渣土堆放区占地大，需要泥浆处理站、管道系统、废渣场优势成本低、现场占地少、设备结构相对简单，适合城市中心工程对高水压、渗透性强的地层适应性强，沉降控制精度高，适合大直径、长距离或跨水体工程局限对高水压、渗透性强的层不友好，出土量控制精度一般设施投资大、现场占地大、泥浆处理对环境有更高要求土压平衡盾构与泥水平衡盾构对比选型实战如何选择？04四、选型实战如何选择？根据这个绘制流程图工程地质条件判断1：地下水丰富、压力极高？是SPB否判断2：地层以黏土/软土为主？是EPB否判断3：场地狭小、位于市区？是EPB否综合评估四、选型实战如何选择？​​小试牛刀：你会怎么选？​场景A上海地铁某号线，淤泥质黏土，水位较高，位于市区。场景B长江过江隧道，穿越富水砂卵石层，水压高。场景C广州地铁，穿越上部为砂层、下部为残积土的复合地层。小结SUMMARY盾构分类（形状、直径、支护方式、隔板构造）土压平衡盾构VS泥水平衡盾构型工作原理出土形态适用地层土压平衡（EPB）刀盘切削→土仓加压→螺旋输送机出土固态渣土黏土、粉质黏土、软土地层泥水平衡（SPB）泥浆支护→形成泥膜→排浆管排渣液态泥浆混合物高水压、砂卵石、富水地层思考THINKING土压平衡盾构（EPB）的“土压平衡”是如何实现的？其出土形态与泥水盾构有何本质区别？某工程需穿越长江口，主要为流塑性高的淤泥质黏土层，但地下水压力巨大。请问应优先选择土压平衡盾构还是泥水平衡盾构？请简述你的理由。是否存在一种能同时兼顾土压平衡盾构和泥水平衡盾构优点的盾构机？如果能，它可能需要什么样的设计《盾构施工技术》5.泥水平衡盾构核心原理揭秘“以柔克刚”的智慧​​目录CONTENTS01核心思路：从“对抗”到“隔离”​​02神秘盾牌：“泥膜”的形成奥秘​​03生命循环：泥浆系统的运作​​从“对抗”到“隔离”​​01一、从“对抗”到“隔离”​​​​EPB：直接对抗vsSlurry：柔性隔离​土压平衡盾构直接对抗泥水平衡盾构柔性隔离“泥膜”的形成奥秘​​02二、“泥膜”的形成奥秘​​一、核心部件：泥水舱视频展示2：18——2：24二、“泥膜”的形成奥秘​​二、关键环节：泥膜的形成——动态“挂毯”​视频展示2：28——3:14泥浆在压力作用下冲向开挖面；泥浆中的细小颗粒（黏土）在压力筛选作用下，在土层表面的孔隙上“挂毯”般形成一层致密的薄膜；这层薄膜最终密封了整个开挖面。二、“泥膜”的形成奥秘​​三、压力的平衡​​泥浆压力>地下水压力​​，泥膜形成并保持稳定。​​泥浆压力≈水土压力​​，泥膜将这个压力牢牢顶住开挖面，使其稳如泰山。生命循环：泥浆系统的运作​​03三、生命循环：泥浆系统的运作​​三大路径：​​进浆路径（红色）：​​地面泥水站

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进浆泵

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进浆管道

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泥水舱。​​​​排浆路径（蓝色）：​​泥水舱（含渣土）

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排浆管道

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排浆泵

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地面泥水分离站。​​处理回路（绿色）：

泥水分离站（分离渣土）

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调整泥浆性能

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回到进浆泵。视频展示2:16——4:05全流程动画演示小结SUMMARY特征土压平衡盾构(EPB)泥水平衡盾构(Slurry)​​平衡介质​​改良后的渣土（塑性体）泥浆​​核心机理​​​​直接支撑​​：用渣土直接顶住开挖面​​间接密封​​：通过泥膜传递压力​​关键结构​​土仓、螺旋输送机泥水舱、泥浆循环系统​​哲学思想​​​​“刚性对抗”​​​​“柔性隔离”​思考THINKING泥水平衡盾构中的“泥膜”是如何形成的？