盾構(gòu)施工及管片與盾構(gòu)的相互影響

1、盾構(gòu)機(jī)及管片與盾構(gòu)機(jī)的相互影響一、 盾構(gòu)的起源與發(fā)展、盾構(gòu)在國際上的發(fā)展盾構(gòu)是目前世界上最先進(jìn)的隧道施工技術(shù)。盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展基于盾構(gòu)機(jī)械的發(fā)展。在發(fā)達(dá)國家，使用盾構(gòu)施工已經(jīng)占隧道總量的以上。國外盾構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷的四個發(fā)展階段：一是手掘式盾構(gòu)；二是機(jī)械式、氣壓式盾構(gòu)；三是泥水加壓式、土壓平衡式盾構(gòu)；四是大直徑、大推力、大扭矩、高智能化、多樣化為特色的盾構(gòu)。.、盾構(gòu)的起源年，英國人馬克布魯諾爾利用蛀蟲鉆孔并用分泌物涂在四周的啟示下，最早提出了盾構(gòu)掘進(jìn)隧道的原理并注冊了專利。年布魯諾爾完善了盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)。年第一次在倫敦泰晤士河下修建隧道，隧道是斷面高.米，寬是.米的矩形，使用的盾構(gòu)機(jī)為網(wǎng)格式

2、。但是由于防水問題使隧道掘進(jìn)速度非常之緩慢，經(jīng)歷了幾次的大洪水，多次停工。一直到年才完成了這條全長米的隧道。. 、圓形盾構(gòu)的發(fā)展年，英國人詹姆斯亨利格瑞海德用圓形盾構(gòu)在泰晤士河下修建了一條直徑米、長米的隧道，并第一次采用了鑄鐵管片。年之前的盾構(gòu)均為手掘式盾構(gòu)。年格瑞海德開發(fā)了液體支撐隧道工作面的盾構(gòu)，通過液體流土料以泥漿的形式排出。年英國人約翰布倫敦和姬奧基布倫敦申請了第一個機(jī)械化盾構(gòu)的專利。這臺盾構(gòu)機(jī)的刀盤是半圓球行的旋轉(zhuǎn)刀盤。這是盾構(gòu)史上的一個巨大的進(jìn)步。年英國人普萊斯開發(fā)了一種輻條式刀盤機(jī)械化盾構(gòu)，并于年第一次將格瑞海德的圓形盾構(gòu)與旋轉(zhuǎn)刀盤結(jié)合在一起，成功的在倫敦的粘土底層中施工。年，英

3、國人模特亥、安德森、巴勒特申請了泥水加壓盾構(gòu)的盾構(gòu)。年，第一臺用刀盤切削土體和水力出渣的泥水盾構(gòu)在日本投入使用。這臺盾構(gòu)由日本三菱公司制造，直徑為.米。年，直徑.米泥水盾構(gòu)在日本成功的挖掘了一條米的隧道。年，日本的一個公司首先開發(fā)出了土壓平衡盾構(gòu)，年，土壓平衡盾構(gòu)在日本東京使用挖掘了一條外徑.米，長米的隧道，該盾構(gòu)機(jī)由日本石川島公司制造。根據(jù)開挖面穩(wěn)定以及掘進(jìn)、出土模式的不同，盾構(gòu)可分為敞開式、半敞開式、土壓平衡式、泥水平衡式等，他們都適合于相應(yīng)的土層結(jié)構(gòu)。當(dāng)某一隧道穿越不同的地層結(jié)構(gòu)時，以上任何一種盾構(gòu)都不能將隧道直接貫通，這樣復(fù)合盾構(gòu)就應(yīng)運(yùn)而生了。這種在不同地層經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可以以不同的工作模

4、式運(yùn)行的盾構(gòu)稱為復(fù)合盾構(gòu)或者混合盾構(gòu)。年德國的海瑞克公司和另一家公司聯(lián)合申請了雙模式復(fù)合盾構(gòu)的專利。年第一臺多模式的復(fù)合盾構(gòu)在巴黎挖掘了一條長米，外徑.米的穿越三種完全不同的地質(zhì)條件的隧道。是泥水式轉(zhuǎn)換到土壓或敞開式的盾構(gòu)模式。、盾構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展我國的盾構(gòu)開發(fā)與應(yīng)用開始于年，東北阜新煤礦用手掘式盾構(gòu)修建了直徑.米的疏水巷道。年月，上海城建局隧道工程公司研制了一臺直徑.米的手掘式敞胸盾構(gòu)，并且第一次采用了鋼筋混凝土管片作為隧道襯砌，環(huán)氧煤焦油作為接縫防水材料。隧道掘進(jìn)的長度為米，實(shí)驗(yàn)獲得了成功，并采集了大量的盾構(gòu)法隧道數(shù)據(jù)資料。年月，由上海隧道工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，江南造船廠制造的臺直徑.米的網(wǎng)格擠壓

5、盾構(gòu)于年完成了條平行的隧道，隧道長米。年月，同一個設(shè)計(jì)院和制造廠制造了一臺直徑.米的盾構(gòu)機(jī)，并且用于對長米的過黃浦江隧道的掘進(jìn)，該隧道于年底完成并通車。此次網(wǎng)格盾構(gòu)有所改進(jìn)，敞開式盾構(gòu)可以轉(zhuǎn)換為閉胸式盾構(gòu)，這是一臺復(fù)合盾構(gòu)。年，在上海又用網(wǎng)格盾構(gòu)修建了條隧道。年，上海市進(jìn)行了地鐵號線試驗(yàn)段的施工，研制了一臺直徑.米網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)，在淤泥黏土底層中掘進(jìn)隧道米。年，上海又修建了一條直徑.米，長米的越江隧道。盾構(gòu)機(jī)為上海隧道股份設(shè)計(jì)，江南造船廠制造。年，中鐵隧道集團(tuán)研制的半截面插刀盾構(gòu)成功的應(yīng)用于北京地鐵復(fù)興門折返線的隧道施工。該工法有效的控制了地面的沉降，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，施工速度較快，日均進(jìn)

6、尺米。年，上海地鐵號線全線開工，公里區(qū)間隧道引進(jìn)了臺由法國公司制造的直徑.米土壓平衡盾構(gòu)。年，上海延安東路隧道南線工程，總長米，采用從日本引進(jìn)的直徑.米的泥水加壓平衡盾構(gòu)施工。年，國家科技部將直徑.米土壓平衡盾構(gòu)的研究計(jì)劃列入國家“”計(jì)劃。兩批個項(xiàng)目分別由中隧和上隧兩個公司主承擔(dān)。年中鐵隧道集團(tuán)完成了直徑.米土壓平衡盾構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)的公關(guān)，并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，在上海地鐵號線進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)掘進(jìn)米，平均月掘進(jìn)米，最高月掘進(jìn)量米，達(dá)到了項(xiàng)目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。年月，中隧集團(tuán)與日本小松聯(lián)合制造了一臺直徑.米土壓平衡盾構(gòu)，用于廣州地鐵號線施工。同年月，上隧股份制造了一臺同樣規(guī)格型號的盾構(gòu)機(jī)（先行號）用于

7、上海地鐵號線西延伸隧道工程。年月，國家科技部將泥水盾構(gòu)列入“”計(jì)劃。仍由中隧集團(tuán)和上隧股份住承擔(dān)，并取得了重大的成果，申請了多項(xiàng)專利。、我國盾構(gòu)技術(shù)與國外的差距由于盾構(gòu)制造工藝復(fù)雜，技術(shù)附加值高，目前只有德國、美國、日本、法國、加拿大等少數(shù)幾個國家的企業(yè)具有能力生產(chǎn)，且造價(jià)高昂。在國內(nèi)的隧道建設(shè)中，盾構(gòu)主要依賴進(jìn)口，且德國和日本在中國的盾構(gòu)市場占有率高達(dá)以上，處于絕對壟斷地位。我國的盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造業(yè)的總體水平與歐美、日本等國家存在較大差距。主要為以下幾點(diǎn)：）、尚未形成適合國情的適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論；國產(chǎn)的整機(jī)系統(tǒng)功能落后、地質(zhì)適應(yīng)性差、關(guān)鍵部件壽命短。）、不具備盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的自主能力。我國對盾構(gòu)的研究

8、都是基于對國外技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收。總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成技術(shù)落后。沒有完全掌握盾構(gòu)的安裝調(diào)試技術(shù)，因此國產(chǎn)的的盾構(gòu)性能不穩(wěn)定。）、國內(nèi)盾構(gòu)配套設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)落后。許多關(guān)鍵部件需要進(jìn)口，影響了盾構(gòu)國產(chǎn)化進(jìn)程。比如：主軸承、刀具、土壓探測傳感裝置、液壓系統(tǒng)等。）、模型試驗(yàn)及系統(tǒng)仿真方面存在很大的差距。導(dǎo)致在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化方面很難展開研究）、在盾構(gòu)姿態(tài)控制方面存在存在差距很大。國外的盾構(gòu)對盾構(gòu)的推進(jìn)及導(dǎo)向的控制基本可以實(shí)現(xiàn)無人化的精確操作。國內(nèi)根據(jù)地表變形和運(yùn)動軌跡進(jìn)行實(shí)時反饋控制技術(shù)尚不完善。我國目前僅掌握了土壓平衡盾構(gòu)的自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)，在復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計(jì)研究制造方面剛剛起步；對泥水盾

9、構(gòu)及硬巖掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)尚處于消化吸收階段。核心技術(shù)的落后導(dǎo)致了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的增加。二、 盾構(gòu)市場前景、 城市地鐵前景中國目前正在運(yùn)作地鐵項(xiàng)目的城市，總體規(guī)劃沒有一個在公里以下?！笆晃濉逼陂g大部分地鐵城市已開工建設(shè)。已經(jīng)獲批的個城市的新建里程為公里，正在申報(bào)和正在編制軌道交通規(guī)劃的城市個，到年規(guī)劃建成軌道交通公里。相當(dāng)于目前世界已經(jīng)開通運(yùn)營軌道交通的總里程?！笆晃濉逼陂g，我國投入運(yùn)營的城市軌道交通里程超過公里，總投資億元。據(jù)預(yù)測，進(jìn)年，地鐵盾構(gòu)的需求量約在臺次以上。、 過江隧道前景泥水盾構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于過江跨海隧道工程。上海、南京、杭州、重慶等長江流域主要城市正在建設(shè)越江隧道。上海規(guī)劃的越

10、江隧道有條。規(guī)劃待建的過江隧道還有南京長江公路隧道，哈爾濱松花江隧道，上海崇明島越江隧道，灣口海底隧道，渤海海底隧道，長江水底隧道，杭州灣水底隧道，瓊州海峽隧道。近年，我國規(guī)劃新建越江隧道約條，總長超過公里，需要大直徑盾構(gòu)臺以上。、 鐵路隧道前景從年開始，新建鐵路隧道平均以每年公里的速度增長。十二五期間鐵路隧道大約為公里，其中部分隧道也將采用盾構(gòu)施工。、 引水隧道前景我國水資源分布不均，北方地區(qū)短缺嚴(yán)重，西南地區(qū)比較豐富，因此跨流域調(diào)水非常必要。也是我國十二五期間的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，水工隧道采用盾構(gòu)方式施工將占有一定比例。、 市政管道前景城市市政天然氣管道工程、排污管道工程、供暖或供冷管道工程、電

11、纜管道工程均可采用盾構(gòu)法施工。年內(nèi)用于市政管道施工直徑在.米米的盾構(gòu)機(jī)需求量超過臺次。三、 幾種盾構(gòu)機(jī)類型簡介按盾構(gòu)機(jī)形狀分類有：圓形盾構(gòu)和異形盾構(gòu)，異形盾構(gòu)有矩形盾構(gòu)、雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)和橢圓盾構(gòu)。按地層類型分為：巖石盾構(gòu)機(jī)、土層盾構(gòu)機(jī)、復(fù)合盾構(gòu)機(jī)。按盾構(gòu)機(jī)的功能分為：全閉胸式盾構(gòu)、網(wǎng)格式盾構(gòu)、泥水平衡式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)、敞開式盾構(gòu)、護(hù)盾式盾構(gòu)、復(fù)合式盾構(gòu)、可轉(zhuǎn)換式盾構(gòu)等等。近年來，土壓平衡盾構(gòu)、泥水加壓盾構(gòu)共同成為了盾構(gòu)的主流機(jī)種，這種機(jī)械切削挖掘的密閉型盾構(gòu)，一般不需要其他輔助措施，而且從開挖面的穩(wěn)定、土體的開挖一直到渣土的排出等作業(yè)都形成了一個機(jī)械化和自動化的系統(tǒng)，甚至可以通過遠(yuǎn)距

12、離遙控就能完成盾構(gòu)掘進(jìn)的方向控制和同步注漿等作業(yè)。從而提高了功效，節(jié)省了勞力。在我國這兩種盾構(gòu)形式所占比例超過。下面就簡單介紹一下圓形土壓平衡盾構(gòu)和泥水加壓盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理。、 圓形土壓平衡盾構(gòu). 、圓形土壓平衡盾構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)。其主要組成部分為：盾構(gòu)殼體、刀盤及驅(qū)動系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)、盾尾密封系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、加泥系統(tǒng)、皮帶輸送系統(tǒng)、人行閘、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及其他后配套車架輔助系統(tǒng)。土壓平衡盾構(gòu)開挖面裝有全斷面切削刀盤，在切口環(huán)與支撐環(huán)間設(shè)有密封隔板，使前面切口環(huán)部分形成密封隔艙，同時在盾構(gòu)下部或中心設(shè)有長筒形螺旋輸送機(jī)的進(jìn)土口，排土口設(shè)在密封艙外，而

13、在支撐環(huán)上安裝有推進(jìn)千斤頂，盾尾裝有管片拼裝機(jī)和密封系統(tǒng)。.、工作原理圓形土壓平衡式盾構(gòu)是利用全斷面切削刀盤上的刀具，在刀盤扭矩和千斤頂推力的作用下，對正面土體進(jìn)行切削。切削下來的土體經(jīng)刀盤開口進(jìn)入刀盤后面的密封隔艙，必要時通過配備的加泥（泡沫）系統(tǒng)對艙內(nèi)土地體進(jìn)行改良，使其具有良好的塑流性和較少的粘結(jié)力，再通過可控制轉(zhuǎn)速的螺旋輸送機(jī)和后續(xù)皮帶輸送機(jī)連續(xù)地進(jìn)行棄土。為了減少盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動，保證盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定，必須高度關(guān)注各施工參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，嚴(yán)格控制掘削量與出土量的平衡，其通用的控制方法有以3種：1）調(diào)整螺旋輸送機(jī)出土速度首先通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)修正，設(shè)定基本的平衡土壓力；再根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的技

14、術(shù)參數(shù)和地質(zhì)條件，設(shè)定正常的掘進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速，形成盾構(gòu)削量的基本參數(shù)；然后按螺旋輸送機(jī)的參數(shù)決定排土效率，以得到每一環(huán)襯砌的出土量及土速度；最后通過調(diào)節(jié)螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，使出土量與盾構(gòu)掘削量匹配，維持平衡土壓力，達(dá)到穩(wěn)定開挖面的目的。2）調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)速度根據(jù)理論設(shè)定的開挖面平衡土壓力和螺旋輸送機(jī)的技術(shù)參數(shù)，形成每一環(huán)襯砌出土量的初始施工參數(shù)；然后通過盾構(gòu)推進(jìn)速度參數(shù)的控制，使盾構(gòu)掘削量和出土量有機(jī)地匹配，保證土艙內(nèi)土體具有適當(dāng)壓力，并與開挖面水土壓力保持動態(tài)平衡，以減少盾構(gòu)掘進(jìn)對地層的擾動，從而達(dá)到控制地面隆沉的目的。3）同時調(diào)整螺旋機(jī)出土速度和盾構(gòu)掘進(jìn)速度根據(jù)理論計(jì)算，設(shè)定初始的螺旋機(jī)出土速度

15、和盾構(gòu)速度，在盾構(gòu)施工過程中，由盾構(gòu)司機(jī)同進(jìn)對上述2個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，滿足開挖面水壓力的平衡。但是，通過控制螺旋輸送機(jī)排土閘門的開口度和螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來控制土壓平衡比較簡便，也是最為實(shí)用的。2、泥水平衡式盾構(gòu)原理 泥水平衡式盾構(gòu)是通過在支承環(huán)前面裝置隔板的密封艙中，注入適當(dāng)壓力的泥水，使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，進(jìn)而與泥水混合后，形成高密度泥漿，由排水泥泵及管道輸送至地面。送至地面的泥水，根據(jù)土體顆粒直徑，通過一次分離和二次分離設(shè)備，將大顆粒土砂分離并排棄，分離后的泥水送到調(diào)整槽再次調(diào)整，使其形成優(yōu)質(zhì)泥水后再輸送到盾構(gòu)工作面。在泥水平衡的理論

16、中，泥膜的形成至關(guān)重要。當(dāng)泥水壓力大于地下水壓力時，形成與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，在“阻塞”和“架橋”效應(yīng)的作用下，被捕獲并積聚于土壤與泥水的接觸表面，從而形成泥膜。隨著時間的推移，泥膜的厚度不斷增加，滲透抵抗力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)泥膜抵抗力遠(yuǎn)大于正面土壓時，產(chǎn)生泥水平衡效果。泥水平衡式盾構(gòu)工主要由盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)、綜合管理系統(tǒng)、泥水分離處理系統(tǒng)和同步注漿等五大系統(tǒng)組成。帶氣囊加壓泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)還包括可調(diào)節(jié)壓力的氣囊，用來保證開挖面的泥水壓力。泥水平衡式盾構(gòu)操作規(guī)范、方便，信息反饋能力強(qiáng)，可自動實(shí)時采集盾構(gòu)掘進(jìn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析總結(jié)后可以及時指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。211盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)是進(jìn)行

17、掘進(jìn)和完成管片拼裝的主要設(shè)備。212綜合管理系統(tǒng)泥水平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)管理系統(tǒng)由自動測量子系統(tǒng)、管片輸送管理子系統(tǒng)、同步注漿管理子系統(tǒng)和泥水管理子系統(tǒng)等幾部分組成，各系統(tǒng)通過中央控制室進(jìn)行管理。其中，自動測量子系統(tǒng)主要用于控制盾構(gòu)姿態(tài)；同步注管理子系統(tǒng)主要用于管理盾構(gòu)掘進(jìn)時的同步注漿量和注漿壓力，及時填充由盾尾間隙等產(chǎn)生的建筑空隙，防止地面沉陷；泥水管理子系統(tǒng)主要用于測定及調(diào)節(jié)泥水輸送系統(tǒng)中的泥水指標(biāo)，以便于控制推進(jìn)過程中的開挖面穩(wěn)定。213泥水處理系統(tǒng)如果將泥水盾構(gòu)比喻成一個人的身體， 中央控制室則是人的大腦，泥水則如同人體內(nèi)的血液，而泥水處理系統(tǒng)的重要性就如同血液循環(huán)系統(tǒng)對人體的重要性。傳統(tǒng)的

18、泥水處理系統(tǒng)主要由泥水控制室、沉淀池、貯漿槽、新漿拌制槽、調(diào)整槽、剩余槽、清水槽和泥水分離除砂器及清潔器等組成，起著處理由盾構(gòu)開挖面排出的泥水和制造新鮮泥水的作用。最新的模塊化泥水處理設(shè)備已經(jīng)取消了占地龐大的沉淀池等，可以將整套泥水處理設(shè)備堆疊在一起，只占用很少的面積就可以完成泥水處理工作。盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的泥水，經(jīng)泥水處理系統(tǒng)分離成土砂和泥水，將大顆粒的土砂排棄而回收含有微小顆粒的泥水，后者進(jìn)入調(diào)整槽并按施工要求加入新漿進(jìn)行調(diào)整，再輸送至盾構(gòu)工作面，實(shí)現(xiàn)泥水循環(huán)。214泥水輸送系統(tǒng)泥水輸送系統(tǒng)通常是由送泥管路、排泥管路、泥水控制閥組等組成。經(jīng)泥水處理系統(tǒng)處理合格的泥水貯存在調(diào)整槽，通過設(shè)置在地面的泵送至井下。盾構(gòu)泥水壓力艙內(nèi)排出的高密度泥水，經(jīng)分別安裝在地面和隧道內(nèi)的接力泵回送至泥漿沉淀池再處理。在長隧道中影響工期的事件中，泥水輸送系統(tǒng)占43.9%，因此使泥水輸送系統(tǒng)正常工作是泥水盾構(gòu)