盾構(gòu)機(jī)在中國的發(fā)展

1、盾構(gòu)機(jī)在中國(zhn u)的發(fā)展共五十五頁共五十五頁盾構(gòu)機(jī)定義及組成盾構(gòu)機(jī)工作原理盾構(gòu)機(jī)的刀具及開挖面分析盾構(gòu)機(jī)在中國(zhn u)的發(fā)展內(nèi)容(nirng)概述共五十五頁盾構(gòu)機(jī)定義(dngy)盾構(gòu)機(jī)，全名叫盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測量等多門(du mn)學(xué)科技術(shù)，而且要按照不同的地質(zhì)進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計制造，可靠性要求極高。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。共五十五頁盾構(gòu)機(jī)主要(zh

2、yo)由8大組成盾體刀盤驅(qū)動雙室氣閘管片拼裝機(jī)排土機(jī)構(gòu)后配套裝置(zhungzh)電氣系統(tǒng)輔助設(shè)備共五十五頁盾構(gòu)機(jī)工作(gngzu)原理 盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(ln sh)支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。共五十五頁盾構(gòu)機(jī)具體(jt)工作原理盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)掘進(jìn)中控制排土量與排土速度管片(un pin)拼裝共五十五頁盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)(jujn) 液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸，將盾構(gòu)機(jī)向前

3、推進(jìn)，隨著推進(jìn)油缸的向前推進(jìn)，刀盤持續(xù)旋轉(zhuǎn)，被切削下來的碴土充滿泥土倉，此時開動螺旋輸送機(jī)將切削下來的渣土排送到皮帶輸送機(jī)上，后由皮帶輸送機(jī)運輸至渣土車的土箱中，再通過(tnggu)豎井運至地面。共五十五頁掘進(jìn)中控制(kngzh)排土量與排土速度當(dāng)泥土倉和螺旋輸送機(jī)中的碴土積累到一定(ydng)數(shù)量時，開挖面被切下的渣土經(jīng)刀槽進(jìn)入泥土倉的阻力增大，當(dāng)泥土倉的土壓與開挖面的土壓力和地下水的水壓力相平衡時，開挖面就能保持穩(wěn)定，開挖面對應(yīng)的地面部分也不致坍坍或隆起，這時只要保持從螺旋輸送機(jī)和泥土倉中輸送出去的渣土量與切削下來的流人泥土倉中的渣土量相平衡時，開挖工作就能順利進(jìn)行。共五十五頁拼裝(pn

4、zhun)管片盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)的距離后，拼裝機(jī)操作手操作拼裝機(jī)拼裝單層襯砌管片(un pin)，使隧道一次成型。共五十五頁盾構(gòu)刀具(doj)對于盾構(gòu)機(jī)來說,掘削系統(tǒng)即是掘削刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)。掘削系統(tǒng)對于盾構(gòu)機(jī)的施工效果有著決定性的影響,而且選擇的差異對盾構(gòu)機(jī)造價也有著很大的影響,刀盤選型可以影響到總造價的48,尤其掘削設(shè)備的裝備扭矩是盾構(gòu)機(jī)最基本的參數(shù)之一。盾構(gòu)機(jī)掘削刀盤即作轉(zhuǎn)動或搖動的盤狀掘削器，由掘削地層的刀具(doj)，穩(wěn)定掘削面的面板，出土槽口，轉(zhuǎn)動或搖動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸承機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。 綜述某刀盤實物照片 共五十五頁攪拌棒某刀盤主驅(qū)動主軸承刀盤驅(qū)動系統(tǒng)示意圖 刀盤攪拌結(jié)構(gòu)共五十五頁盾構(gòu)機(jī)刀

5、具(doj)可根據(jù)運動方式、布置位置和方式及形狀等進(jìn)行分類。按切削原理劃分，盾構(gòu)機(jī)的刀具(doj)一般分為切削刀和滾刀兩種，其余形式的刀具(doj)為輔助刀具(doj)。切削刀又分為齒刀、刮刀和先行刀等。 盾構(gòu)刀具(doj)的分類按運動方式分類按安裝方式分類共五十五頁滾刀(n do)的示意圖和實物照片b) 盤形滾刀(n do)圈 c) 盤形滾刀(n do)a) 盤形滾刀示意圖14共五十五頁Shijiazhuang railway institute 硬巖滾刀破巖幾個(j )主要階段： 1) 擠壓階段：滾刀在高推力作用下，切入巖石表面(切入深度110/15mm，取決于巖體強(qiáng)度)，同時巖面產(chǎn)生局部

6、變形及很高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下，刀刃(dorn)與巖石接觸部分的巖體產(chǎn)生粉碎區(qū)，即應(yīng)力核心區(qū)。此核心區(qū)深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。共五十五頁2) 起裂階段：沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時，便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先訣條件。在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū)，對巖體裂縫的產(chǎn)生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫，由于其方向與破巖方向一致，因此也不能顯著地提高破巖效率(xio l)，但能加大下個循環(huán)中壓入階段應(yīng)力范圍。共五十五頁3)破碎階段：當(dāng)相鄰滾刀的間距(jin j)使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時，表面部分巖體便被裂縫分割，形成

7、碎片并脫離開挖面。共五十五頁切削刀的實物(shw)照片h) 先行(xinxng)刀 i) 先行(xinxng)刀 j) 先行(xinxng)刀k) 牛角刀 l) 羊角刀 m）三棱刮刀 共五十五頁盾構(gòu)開挖(ki w)面分析a. 先期沉降，盾構(gòu)尚未到達(dá)該點時的變位，表現(xiàn)為地表下沉。對于砂質(zhì)土，其可能是由于地下水下降引起，對于極軟粘性土，則沉降可能是由于開挖(ki w)面過量取土引起的；盾構(gòu)通過時地基變形的分類 共五十五頁b. 開挖面前方地基變位，盾構(gòu)機(jī)前方(qinfng)刀盤即將到達(dá)之前發(fā)生的變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。其主要是由于盾構(gòu)機(jī)對開挖面土層施加的支護(hù)壓力過大或過小，致使開挖面失去平衡狀態(tài)

8、，從而發(fā)生地基變位；盾構(gòu)通過(tnggu)時地基變形的分類 共五十五頁c. 盾構(gòu)機(jī)通過時地基變位，指從盾構(gòu)開挖面到達(dá)該地表點的正下方開始，直至盾尾即將脫離該點為止(wizh)的發(fā)生的地基變位，表現(xiàn)為地表隆起或下沉。產(chǎn)生這部分地基變位的原因，主要是盾殼對土體的摩擦力，破壞了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外超挖及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的非水平也加劇了地基變位；盾構(gòu)通過(tnggu)時地基變形的分類 共五十五頁d. 盾構(gòu)機(jī)尾部脫離時變位，指盾尾空隙形成至注漿結(jié)束為止的那段時間內(nèi)的下沉或隆起(ln q)。管片從盾尾脫離之前，盾殼對土體有一約束力，方向指向土體，一旦盾尾脫離，盾構(gòu)機(jī)殼土體之間產(chǎn)生空隙，如果在盾尾脫離后未能及時注

9、漿或填充率不足，則空洞斷面就會向內(nèi)縮小，引起應(yīng)力釋放力，產(chǎn)生地表沉降，相反，如果注漿壓力過大，則會導(dǎo)致地表隆起(ln q)；盾構(gòu)通過(tnggu)時地基變形的分類 共五十五頁e. 后期沉降，指從注漿結(jié)束開始，直到(zhdo)下沉停止的那部分下沉，引起這部分沉降的原因，主要是蠕變變形與固結(jié)變形，在軟粘土地基表現(xiàn)尤為明顯。盾構(gòu)通過(tnggu)時地基變形的分類 共五十五頁 3.盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展階段盾構(gòu)作為一種安全、快速的隧道掘進(jìn)技術(shù)，歸納起來可以說經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：（1）以Brunel盾構(gòu)為代表的初期盾構(gòu)；（2）以機(jī)械式、氣壓(qy)式、TBM為代表的第二代盾構(gòu)；（3）以閉胸式盾構(gòu)為代表（泥水式、土

10、壓式）的第三代盾構(gòu)；（4）以安全、高速、大深度、多樣化為特色的第四代盾構(gòu)。共五十五頁Brunel盾構(gòu)易北河盾構(gòu) 共五十五頁輻條(ftio)式盾構(gòu)面板(min bn)式盾構(gòu)共五十五頁荷蘭(h ln)14.87泥水盾構(gòu)復(fù)合式盾構(gòu)共五十五頁中國(zhn u)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用1.1950年初(ninch)，在遼寧阜新煤礦使用手掘式盾構(gòu)修建疏水巷道工程2.1957年的北京市下水道工程中進(jìn)行過小口徑盾構(gòu)工法的嘗試。3.60年代，為了修建北京地鐵，也有過研究盾構(gòu)施工技術(shù)，并成功地進(jìn)行了試驗 .60年代北京地鐵用盾構(gòu)試驗共五十五頁4.60年代在北京進(jìn)行了1:500的盾構(gòu)擠壓混凝土襯砌的模擬(mn)試驗 盾

11、構(gòu)壓縮(y su)混凝土襯砌模擬試驗60年壓縮環(huán)與鋼模板共五十五頁6.1966年采用10.22m網(wǎng)格擠壓(j y)式盾構(gòu)修建打浦路過江隧道工程 打浦路直徑10.2m網(wǎng)格(wn )擠壓型盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)共五十五頁7.1988年建成的11.3m的延安東路過江隧道(sudo)等都是應(yīng)用盾構(gòu)技術(shù)在軟土地層施工成功 延安東路直徑11.3m網(wǎng)格(wn )型水力出土盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)共五十五頁8.2003年6月，當(dāng)時中國最大的盾構(gòu)法隧道翔殷路開工(ki gng)，采用直徑為11.58m的超大型泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn) 翔殷路盾構(gòu)9.上海上中路隧道(sudo)工程盾構(gòu)直徑達(dá)14.87m 共五十五頁10.中國(zhn u)國家863

12、計劃支持，上海研制出了有自主知識產(chǎn)權(quán)的”先行號”盾構(gòu)共五十五頁2004年9月，我國第一臺具有多項專利權(quán)的地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)“先行號”在上海隧道工程股份有限公司問世。，并于2006年批量推向市場并得到成功(chnggng)應(yīng)用。目前，國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)已累計銷售47臺，先后應(yīng)用于上海、南京、杭州、武漢、鄭州、廣州等地的軌道交通工程，受到了業(yè)主、承包商和設(shè)備租賃商的好評。共五十五頁2005年6月，“先行號”樣機(jī)在上海軌道交通二號線延伸段投入使用，創(chuàng)造了日推進(jìn)38.4米和月推進(jìn)566.4米的國內(nèi)盾構(gòu)施工最快紀(jì)錄，其主要綜合指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)(xinjn)水平。至今“先行號”盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)投入市場41臺，不僅有效

13、降低了國家基礎(chǔ)建設(shè)的投入，而且拉動了國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。共五十五頁2007年，隧道股份又研制了首臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的直徑11.22米大型泥水平衡盾構(gòu)，成功運用于世博配套工程打浦路復(fù)線隧道的施工，2008年4月，中鐵隧道設(shè)備制造有限公司成功制造出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)首臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，應(yīng)用于天津地鐵施工并于2009年6月份順利完成工業(yè)性試驗，當(dāng)年7月份通過“863”計劃科技成果專家組鑒定，整機(jī)性能達(dá)到國際(guj)先進(jìn)水平，多項關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國際(guj)領(lǐng)先水平。共五十五頁2008年12月底，上海隧道股份研制的直徑11.22米國產(chǎn)大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，在我國第一條大型公路

14、隧道打浦路復(fù)線工程向世博園區(qū)掘進(jìn)，并將穿越黃浦江，國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)化步伐又成功地邁出一步。 2008年中鐵隧道集團(tuán)自主制造了8臺地鐵盾構(gòu)機(jī)，并取得了良好的施工效果。2010年5月，隧道股份設(shè)計制造的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的直徑6.64米復(fù)合型鉸接式土壓平衡盾構(gòu)成功銷往新加坡，國產(chǎn)盾構(gòu)首次正式進(jìn)入海外(hiwi)市場。共五十五頁2010年11月16日，隧道股份國家863計劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域重點項目泥水平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)與樣機(jī)研制課題順利通過國家科技部驗收，中國大直徑盾構(gòu)國產(chǎn)化率首次達(dá)到68.33%，制備成本(chngbn)較進(jìn)口盾構(gòu)降低25%，中國國有地下裝備研發(fā)制造企業(yè)在大直徑盾構(gòu)領(lǐng)域再次突破進(jìn)口盾構(gòu)壟

15、斷局面。共五十五頁 初步預(yù)測2005-2010年間至少要建設(shè)500-600公里，需要投資3000多億元。目前(mqin)，已有30多個城市開展了城市軌道交通的前期工作。 初步估算：中國城市軌道交通土建工程總投資約為1000億元。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國地鐵建設(shè)中，共有(n yu)約60臺盾構(gòu)在使用中。共五十五頁上海地鐵(dti)建設(shè)用盾構(gòu) 在上個世紀(jì)90年代，修建上海地鐵一號線的時候，區(qū)間隧道都采用盾構(gòu)施工，共使用了7臺盾構(gòu)機(jī)，推進(jìn)長度約為18.6km。 以后在地鐵二號線、明珠線和M8線的施工中，所有區(qū)間隧道都采用了盾構(gòu)法施工，現(xiàn)在(xinzi)共有20余臺盾構(gòu)機(jī)在作業(yè)。 共五十五頁 廣州修建(xi

16、jin)地鐵一號線由日本青木公司采用了3臺盾構(gòu)機(jī)施工，造價昂貴，每延米約1萬美元。 目前施工的三號(sn ho)線，共有15臺盾構(gòu)機(jī)在作業(yè)，即將開工的地鐵四號線計劃新購8臺盾構(gòu)機(jī)。共五十五頁 北京修建地鐵五號線也采用了盾構(gòu)法施工，進(jìn)行(jnxng)了試驗段的施工，并順利完成。 現(xiàn)在后期3臺盾構(gòu)機(jī)已到場組裝。 北京地鐵4號線、10號線盾構(gòu)施工招標(biāo)已結(jié)束(jish)，計劃采用13臺盾構(gòu)機(jī)，大部分為新購。 共五十五頁12.中國用掘進(jìn)機(jī)修建(xijin)鐵路隧道TB880E修建的秦嶺18.4km鐵路(til)隧道TB880E掘進(jìn)機(jī)共五十五頁安康至南京磨溝嶺鐵路(til)隧道(掘進(jìn)機(jī))共五十五頁13.中

17、國(zhn u)的江（海）底隧道南水北調(diào)工程中線建造了穿越(chun yu)黃河河底的引水隧道(8.8m) 重慶主城越江排水隧道(6.7m泥水式盾構(gòu)) 城陵磯西氣東輸越江隧道(3.185m泥水盾構(gòu)) 三江口西氣東輸越江隧道(4.3m泥水盾構(gòu)) 武漢長江公路隧道（長江第一隧道） (11.2m泥水盾構(gòu)) 上海崇明越江隧道(15.1m泥水盾構(gòu)) 南京長江越江隧道(15.1m泥水盾構(gòu)) 上海上中路越江隧道(14.87m泥水盾構(gòu)) 共五十五頁武漢長江(chn jin)公路隧道（長江第一隧道）共五十五頁北京市政隧道(sudo)建設(shè)共五十五頁（四）盾構(gòu)工程市場列強(qiáng)分析 目前已經(jīng)(y jing)進(jìn)入地鐵盾構(gòu)施

18、工市場的單位近20家，其中上海4家、廣州3家、北京3家、天津1家、鐵道部7家。其中實力比較強(qiáng)的單位有：隧道局、上海隧道股份、上海機(jī)施、上?；A(chǔ)、廣州盾建、北京市政、北京城建等單位。（三）市場預(yù)測 據(jù)專家預(yù)測，僅2010年前的10年間就需購置39m巖石和盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)190余臺，若包括微型掘進(jìn)機(jī)在內(nèi)，將超過200臺。遠(yuǎn)期估計(gj)，隨著城市立體化、管線入地化趨勢的到來，盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)將超過千臺。 共五十五頁（五）盾構(gòu)工程市場的幾個特點（1）隨著工程總承包的推廣，盾構(gòu)施工手段是以后承攬地鐵工程的必要條件之一。（2）掌握盾構(gòu)施工技術(shù)的單位數(shù)量較多，市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)提高。（3）地下施工實力將取決于擁有盾構(gòu)機(jī)和

19、專業(yè)技術(shù)人員的數(shù)量和質(zhì)量。（4）工程造價日趨降低，且各地水平高低不一。（5）除地鐵外，市政、水利等亦采用盾構(gòu)施工，使用范圍擴(kuò)大。（6）市場前景看好(kn ho)，競爭更加激烈，正確對待購置風(fēng)險。共五十五頁1.中國地域廣大、地層條件復(fù)雜根據(jù)地質(zhì)條件特點，可以粗略將盾構(gòu)技術(shù)可以分為三大地區(qū)：（1）以上海地區(qū)為代表的軟弱土地區(qū)（2）以廣州地區(qū)為主的風(fēng)化巖及軟硬不均(b jn)地層（3）以北京為代表的砂層、砂卵石地層四、中國應(yīng)用(yngyng)盾構(gòu)技術(shù)的幾個特點2.所需盾構(gòu)種類多土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)軟土盾構(gòu)、復(fù)合盾構(gòu)、巖石盾構(gòu)閉胸式盾構(gòu)、開敞式盾構(gòu)共五十五頁4.盾構(gòu)機(jī)的來源 國外購置：日本、德國、法

20、國等 引進(jìn)配件組裝：上海、新鄉(xiāng)、大連等 國產(chǎn)化發(fā)展5.盾構(gòu)施工(sh gng)配套設(shè)置6.技術(shù)人員的培訓(xùn)3.盾構(gòu)機(jī)選型 應(yīng)根據(jù)各地水文、地質(zhì)條件(tiojin)選用合適的盾構(gòu)共五十五頁 （1）世界盾構(gòu)技術(shù)正朝著大斷面化、工程的大深度化、長距離化、高速化發(fā)展，施工技術(shù)也越來越成熟，越來越多樣化。 （2）在中國大量的城市隧道工程在大量工程實踐中積累了豐富的經(jīng)驗。在21世紀(jì)盾構(gòu)工法將會更加多種多樣，我們應(yīng)當(dāng)完善當(dāng)前已問世的新工法、新工藝的技術(shù)細(xì)節(jié)，使之提高成熟；加速盾構(gòu)工法的自動化進(jìn)程；推出嶄新概念的工法、工藝、材料。 （3）我們應(yīng)當(dāng)看到我國的盾構(gòu)技術(shù)還存在著許多不足之處(b z zh ch)，應(yīng)當(dāng)多注重原有技術(shù)