盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

廣州吉原交通技術(shù)工程有限公司泥水盾構(gòu)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)原理1、盾構(gòu)的發(fā)展2、TBM的發(fā)展3、泥水盾構(gòu)的發(fā)展4、泥水盾構(gòu)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)原理目錄一、盾構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)介盾構(gòu)的發(fā)展簡(jiǎn)介常用隧道施工方法明挖法礦山法掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoringMachine）常用隧道施工方法TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)盾構(gòu)盾構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)介*1818年，英國(guó)的布魯偌爾（法國(guó)人）從蛀蟲(chóng)鉆孔得得啟示，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)隧道的設(shè)想。*1825-1843年，布魯偌爾在倫敦泰晤士河下用盾構(gòu)法修建了458米長(zhǎng)的矩形隧道（11.4MX6.8M）。盾構(gòu)發(fā)展簡(jiǎn)介布魯諾爾注冊(cè)專利的盾構(gòu)，18181832年1月12日泰晤士河底隧道施工時(shí)涌入水盾構(gòu)歷史簡(jiǎn)介用壓縮空氣抵消外部水壓盾構(gòu)的發(fā)展史1874年德國(guó)工程師開(kāi)發(fā)了用流體支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)，1896年德國(guó)第一臺(tái)泥水式盾構(gòu)申請(qǐng)了專利。1959年用流體支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)成功地建造了一條直徑為3.35米的排污隧洞。1960年采用了膨潤(rùn)土懸浮液來(lái)支撐開(kāi)挖面。1967年開(kāi)發(fā)了首臺(tái)有切削刀盤(pán)并以水力出土的泥水加壓平衡盾構(gòu)。1974年日本開(kāi)發(fā)了首臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)。1994年日本制造出首臺(tái)3圓式泥水盾構(gòu)。TBM的發(fā)展史二、TBM發(fā)展簡(jiǎn)介T(mén)BM發(fā)展史

先驅(qū)者是一個(gè)是叫亨利-約瑟.

Maus的比利時(shí)工程師。他在1845

年得到撒丁國(guó)王的許可修建一條連接法國(guó)和意大利的鐵路。毛瑟的“片山機(jī)(mountain-slicer)

”

1846

年在都靈附近的一個(gè)軍工廠組裝成形。他龐大而復(fù)雜，體積超過(guò)一節(jié)火車頭。他有一百多個(gè)鉆頭。

TBM發(fā)展史到了1851

年，波士頓南部的理查德穆恩公司又建造了一臺(tái)重75噸的巨大機(jī)器，用于馬薩諸塞州西北Hoosac（胡塞克）隧道的開(kāi)挖。僅僅開(kāi)挖了10英尺（3米），機(jī)器就不動(dòng)了，成為一個(gè)丑聞。1856

年，美國(guó)最著名的工程師之一，赫爾曼.豪普特，宣布他將以另一臺(tái)隧道機(jī)拯救胡塞克項(xiàng)目。他對(duì)此充滿信心，甚至自掏腰包資助該計(jì)劃。然而，他的機(jī)器開(kāi)挖了不到1英尺（0.3米）就壽終正寢，豪普特在郁悶中破產(chǎn)。1881年-一臺(tái)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的TBM用于掘進(jìn)英吉利海峽探測(cè)隧道。TBM發(fā)展史Moie（鼴鼠），重：125T，直徑：7.9米，長(zhǎng)：27米，日進(jìn)尺：48.7米巖石掘進(jìn)機(jī)TBM發(fā)展史ROBBINS站在新開(kāi)挖的掌子面旁TBM發(fā)展史1846年：比利時(shí)工程師亨利-約瑟.

Maus制作了第一臺(tái)TBM，未成功。1851年：美國(guó)在馬薩諸塞州西北HOOSAC隧道使用TBM，未成功。1856年：同一個(gè)HOOSAC隧道又使用了一臺(tái)TBM,同樣未成功。1881年：一臺(tái)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的TBM用于掘進(jìn)英吉利海峽探測(cè)隧道。1953年：一臺(tái)ROBBINS開(kāi)發(fā)的TBM用于南達(dá)科他州皮爾引隧道。1956年：ROBBINS研制了硬巖TBM用于加拿大多倫多。1973年：一臺(tái)雙護(hù)盾TBM在意大利誕生。三、泥水平衡盾構(gòu)的發(fā)展泥水平衡盾構(gòu)的發(fā)展由于高透水性地層用壓縮空氣支撐隧洞開(kāi)挖面非常困難1874年：Greathead開(kāi)發(fā)了用流體支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)，開(kāi)挖出的土料以泥水流的方式排出。1896年：Haag在柏林為第一臺(tái)德國(guó)泥水式盾構(gòu)申請(qǐng)了專利，該盾構(gòu)以液體支撐開(kāi)挖面，其開(kāi)挖室是有壓和密封的。1959年：E.C.Gardner成功地將以液體支撐開(kāi)挖面應(yīng)用于一臺(tái)用于建造排污隧洞的直徑為3.35m的盾構(gòu)。1960年引進(jìn)了用膨潤(rùn)土懸浮液來(lái)支撐開(kāi)挖面，而H.Lorenz的專利提出用加壓的膨潤(rùn)土液來(lái)穩(wěn)固開(kāi)挖面。1967年：第一臺(tái)有切削刀盤(pán)并以水力出土、直徑為3.1m的泥水盾構(gòu)在日本開(kāi)始使用。在德國(guó)，第一臺(tái)以膨潤(rùn)土懸浮液支撐開(kāi)挖面的盾構(gòu)由Wayss&Freytag開(kāi)發(fā)并投入使用。泥水平衡盾構(gòu)的發(fā)展泥水式盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展有三種歷程，即日本歷程、英國(guó)歷程和德國(guó)歷程，到目前則只有日本和德國(guó)兩個(gè)主要的發(fā)展體系。日本的發(fā)展歷程導(dǎo)致當(dāng)今的泥水盾構(gòu),德國(guó)的發(fā)展歷程導(dǎo)致水力盾構(gòu)。以日本的泥水盾構(gòu)為基礎(chǔ)又發(fā)展了土壓平衡盾構(gòu)。而德國(guó)的水力盾構(gòu)導(dǎo)致很多不同的機(jī)型,如混合型盾構(gòu),懸臂刀頭泥水盾構(gòu)及水力噴射盾構(gòu)等。德國(guó)和日本體系的主要區(qū)別是，德國(guó)式的在泥水艙中設(shè)置了氣壓艙，便于人工正面控制泥水壓力，構(gòu)造簡(jiǎn)單；日本式的泥水密封艙中全是泥水，要有一套自動(dòng)控制泥水平衡的裝置。泥水平衡盾構(gòu)的發(fā)展1967年：三菱公司制造了第一臺(tái)為泥漿開(kāi)挖面支護(hù)的試驗(yàn)盾構(gòu)，直徑為3.10m的樣機(jī)取得經(jīng)驗(yàn)后。1970年：建造了第一臺(tái)大型泥水盾構(gòu),直徑為7.20m,用于建設(shè)海峽下的Keiyo鐵路線。自此以后,日本的很多制造商生產(chǎn)了此型盾構(gòu)。與歐洲相比,泥水盾構(gòu)在日本使用很多。在歐洲,英國(guó)的Markham,法國(guó)的NFM及FCB公司等采用日本許可證,也制造了泥水盾構(gòu)。泥水平衡盾構(gòu)的發(fā)展德國(guó)的發(fā)展歷程起始于1972年，德國(guó)承包商Wayss及Freytag公司開(kāi)發(fā)了水力盾構(gòu)系統(tǒng)。1974年：其樣機(jī)用于建設(shè)Hamburg港口下的總管道，盾構(gòu)外徑為4.48m。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有可靠的盾尾密封。這樣一來(lái)整條隧道被加壓。因?yàn)榇诵投軜?gòu)是首次使用，很多修改事先未預(yù)料到。為了繼續(xù)隧洞修建工程,采取了許多補(bǔ)救措施，解決了一些主要問(wèn)題。第二次掘進(jìn)著重解決了可靠的尾封，使得在最后的30m，采用了新的尾封后才達(dá)到隧洞內(nèi)無(wú)壓力的目的。當(dāng)今水力盾構(gòu)在歐洲市場(chǎng)占有很重要的位置。泥水平衡盾構(gòu)原理總結(jié)：日本泥水盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)

德國(guó)泥水盾構(gòu)混合型盾構(gòu)日本體系：泥水倉(cāng)全是泥水，直接控制型泥水盾構(gòu)，調(diào)節(jié)控制閥開(kāi)度來(lái)進(jìn)行泥漿壓力控制。德國(guó)體系：泥水倉(cāng)中設(shè)置了氣壓倉(cāng)，間接控制型泥水盾構(gòu)，氣壓復(fù)合模式，調(diào)節(jié)空氣壓力來(lái)進(jìn)行泥漿壓力控制，液位傳感器根據(jù)液位的高低來(lái)調(diào)整液位。盾構(gòu)歷史簡(jiǎn)介縱觀盾構(gòu)和TBM的發(fā)展史，總結(jié)盾構(gòu)的應(yīng)用歷程，可以說(shuō)它是隨著機(jī)械制造、液壓技術(shù)、電氣控制、密封技術(shù)及測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展壯大起來(lái)的，并逐步將TBM和盾構(gòu)的功能和特點(diǎn)合二為一，從而使其適應(yīng)于各種環(huán)境和不同地質(zhì)地層的綜合型盾構(gòu)機(jī)。使最初只適應(yīng)于軟巖的盾構(gòu)，現(xiàn)在也能成為掘進(jìn)硬巖（滾刀刀盤(pán)與盾殼的結(jié)合）的盾構(gòu)機(jī)。泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)原理三、泥水加壓平衡

盾構(gòu)機(jī)的工作原理泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)原理泥水式盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)穩(wěn)定開(kāi)挖面的機(jī)理為：以泥水壓力來(lái)抵抗開(kāi)挖面的土壓力和水壓力以保持開(kāi)挖面的穩(wěn)定，同時(shí)，控制開(kāi)挖面變形和地基沉降；在開(kāi)挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開(kāi)挖面。在開(kāi)挖面，隨著加壓后的泥水不斷滲入土體，泥水中的砂土顆粒填入土體孔隙中，可形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤(rùn)土懸浮液支撐時(shí)形成一濾餅層）。而且，由于泥膜形成后減小了開(kāi)挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開(kāi)挖面，從而可防止開(kāi)挖面的變形和崩塌，并確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定。因此，在泥水式盾構(gòu)機(jī)施工中，控制泥水壓力和控制泥水質(zhì)量是兩個(gè)重要的課題。土壓平衡加壓盾構(gòu)原理壓縮空氣泥漿壓力土體水壓土體對(duì)刀具反力進(jìn)漿管排漿管進(jìn)氣管泥水平衡盾構(gòu)原理1、開(kāi)挖面穩(wěn)定機(jī)理：刀盤(pán)結(jié)構(gòu)、泥膜、泥水壓力。2、泥膜形成機(jī)理：泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的黏性、泥水壓力：土壓力、水壓力、預(yù)留壓力）——盡快形成不透水的泥膜。掘進(jìn)速度與泥膜的關(guān)系：高質(zhì)量泥水成膜時(shí)間1-2秒。3、地質(zhì)適用范圍

1.沙性土層2.砂層3.礫石層4.貝殼層。泥水平衡盾構(gòu)原理泥漿比重：常采用泥漿比重計(jì)測(cè)定。泥漿比重計(jì)由由泥漿杯和秤桿等組成。測(cè)量時(shí)將泥漿杯裝滿泥漿，加蓋并擦凈從小口溢出的泥漿。然后置于支架上，移動(dòng)游碼，使杠桿呈水平狀態(tài)，讀出游碼左側(cè)所示刻度，即為泥漿的比重。該儀器測(cè)使用前要用清水對(duì)儀器進(jìn)行校正，如讀數(shù)不在1.0處，可通過(guò)增減杠桿右端的金屬顆粒來(lái)調(diào)節(jié)。

泥漿的粘度：施工現(xiàn)場(chǎng)常采用漏斗粘度計(jì)測(cè)定，測(cè)量時(shí)將用手指堵住漏斗下面的出口，從量杯分別將500ml+200ml泥漿倒入漏斗，然后打開(kāi)出口，讓泥漿從內(nèi)徑5mm，長(zhǎng)度100mm的管子中流出，用秒表測(cè)定流出500ml所需時(shí)間（s），即為泥漿粘度。該粘度計(jì)測(cè)得的是泥漿對(duì)水的相對(duì)粘度。因此，在使用前應(yīng)用水進(jìn)行校正。其方法是先往漏斗中注入700ml清水，而流出500ml的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間應(yīng)為15s，如有誤差則通過(guò)下式進(jìn)行修正：泥漿粘度=測(cè)得的泥漿粘度（s）×15s/測(cè)得的清水粘度數(shù)（s）

含砂量：通常采用含砂量?jī)x來(lái)測(cè)定。測(cè)定時(shí)將100ml泥漿裝入量杯中，用清水將泥漿稀釋，將其倒入過(guò)濾筒篩網(wǎng)上過(guò)濾，并用水沖洗，最后將篩余的砂粒倒入干凈的含砂量杯中，垂直靜置一分鐘，記錄沉淀物體積的毫升數(shù)，即為泥漿的含砂率

泥水平衡盾構(gòu)原理

無(wú)氣墊倉(cāng)泥水盾構(gòu)與有氣墊倉(cāng)泥水盾構(gòu)壓力波動(dòng)比較圖泥水平衡盾構(gòu)原理H泥水平衡盾構(gòu)原理泥水盾構(gòu)原理泥水盾構(gòu)原理日本東京灣隧道日本東京灣泥漿平衡盾構(gòu)機(jī)日本東京灣泥漿平衡盾構(gòu)機(jī)獅子洋廣深港高鐵泥水盾構(gòu)機(jī)

直徑：Φ11182mm最大推力推進(jìn)速度最大扭矩切口壓力進(jìn)漿比重排漿比重理論123850KN40mm/min13650KN.m實(shí)際40000-90000KN20-40mm/min3000-7000KN.m2.8-4.8bar1.05-1.251.15-1.35南京偉三路隧道泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)漿管參數(shù)推力速度扭矩轉(zhuǎn)速切口水壓進(jìn)漿比重排漿比重理論278400KN50mm/min36585KN.m0.1-1.84rpm排漿管刀盤(pán)氣墊倉(cāng)主軸承推進(jìn)缸盾尾刷拼裝機(jī)刀盤(pán)刀具配置圖NO.1(114t)No.4(112t)No.2(112t)No.3(110t)刀盤(pán)分割圖一刀盤(pán)分割圖二刀盤(pán)中心塊1、刀具的種類及配刀雙刃滾刀單刃滾刀切刀周邊刮刀超挖刀柱型超挖刀刮刀滾刀破巖機(jī)理

滾刀在巖石面上連續(xù)做同心圓運(yùn)動(dòng)，軸壓力（推力）使刀刃壓入巖石，產(chǎn)生類似于靜壓破巖；滾動(dòng)力（扭矩）使盤(pán)刀刀刃沿軌跡線連續(xù)滾壓巖石，并在滾刀通過(guò)處對(duì)巖體產(chǎn)生側(cè)向壓力，使盤(pán)刀運(yùn)動(dòng)軌跡線周邊的巖石不斷產(chǎn)生崩裂，從而達(dá)到連續(xù)破巖。滾刀破巖原理示意圖

靜壓破巖狀況切刀破巖機(jī)理

切刀（或刮刀）施力于巖土層上，靠刀具的刀刃從巖土體的外層分離巖土，并使之脫離母體達(dá)到破巖的一種機(jī)械破巖方式切刀破巖機(jī)理示意圖3、刀具的失效形式滾刀的失效形式正常磨損刀圈斷裂刀圈剝落刀圈卷刃刀圈移位漏油擋圈脫落偏磨（弦磨）多邊弦磨刀體磨損端蓋磨損完全損壞切刀的失效形式正常磨損斷齒掉齒刀體折斷刀具失效圖例

偏磨（弦磨）偏磨與斷裂滾刀被碴土粘住刀圈斷裂刀圈斷裂碎片正常磨損4、掘進(jìn)參數(shù)及地質(zhì)對(duì)刀具的影響硬巖掘進(jìn)時(shí)推力及速度過(guò)大會(huì)造成刀具崩刃斷裂粘土層掘進(jìn)時(shí)泡沫、水等添加不合適即碴土改良效果不好會(huì)產(chǎn)生泥餅或刀具被碴土裹住無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)軟弱圍巖掘進(jìn)時(shí)，推力過(guò)大或刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)造成局部刀具過(guò)載、密封失效等上軟下硬的地層會(huì)造成刀具崩刃斷裂、刀圈脫落及偏磨破碎地層和斷層巖層容易造成刀圈崩裂及脫落地質(zhì)對(duì)刀具的影響小盾構(gòu)機(jī)主軸承結(jié)構(gòu)主軸承外圈主軸承內(nèi)圈帶大齒圈后彈性密封主推力軸承經(jīng)向軸承前部推力軸承前彈性密封大盾構(gòu)主軸承結(jié)構(gòu)外圈外密封內(nèi)密封內(nèi)圈大齒圈（外）外殼旋轉(zhuǎn)體主驅(qū)動(dòng)減速器小齒輪膨脹套安全銷膨脹液動(dòng)力輸入軸外殼動(dòng)力輸出軸安全環(huán)槽泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾尾密封

盾尾密封同步注漿孔油脂管盾尾刷手抹油脂的作用：保護(hù)盾尾刷不受雜物的侵蝕泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾尾密封

泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)管片拼裝機(jī)：功能：舉升、回轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)。吸盤(pán)的橫、縱向微動(dòng)、水平微轉(zhuǎn)。泥水平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)機(jī)鉸接結(jié)構(gòu)形式：1、被動(dòng)鉸接式優(yōu)點(diǎn)：鉸接油缸數(shù)量少、體積也小，調(diào)向靈活。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)彎時(shí)，推力油缸與管片不垂直，2、主動(dòng)鉸接式

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)彎時(shí)，推力油缸與管片垂直，

缺點(diǎn)：鉸接油缸數(shù)量多、體積大。3、無(wú)鉸接式

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑要求高被動(dòng)式鉸接方式示意圖盾尾中前盾推進(jìn)油缸鉸接油缸主動(dòng)鉸接