盾構機基本原理及分類

盾構構造及應用緒論2023/4/151盾構構造及應用緒論1、盾構及其基本工作原理2、盾構法的優(yōu)缺點3、盾構施工開挖及支撐方式4、盾構機的分類5、盾構的發(fā)展簡史2023/4/154/15/20232盾構構造及應用第一節(jié)盾構及其基本工作原理一、盾構的定義

2008年3月31日發(fā)布的《盾構法隧道施工與驗收規(guī)范》定義：盾構是盾構掘進機的簡稱，是在鋼殼體保護下完成隧道掘進、拼裝作業(yè)，由主機和后配套組成的機電一體化設備

2023/4/154/15/20233盾構構造及應用第一節(jié)盾構及其基本工作原理

二、盾構法施工的基本原理

盾構機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邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時文撐的作用，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)在護盾的掩護下進行。

2023/4/154/15/20234盾構構造及應用2023/4/154/15/20235盾構構造及應用2023/4/154/15/20236盾構構造及應用2023/4/154/15/20237盾構構造及應用第二節(jié)盾構法的優(yōu)缺點一。盾構法的優(yōu)點(1)．對環(huán)境影響?、俪鐾亮可伲車貙映两敌?，對周圍構造物的影響??；②不影響地表交通及商店營業(yè)，無需切斷、搬遷地下管線等各種地下設施；③對周圍居民生活、出行影響?。虎軣o空氣、噪音、振動污染問題。2023/4/154/15/20238盾構構造及應用(2)．盾構掘進不受地形、地貌、江河水域等地表環(huán)境條件的限制。(3)．地表占地面積小，故征地費用少。(4)．適用于大深度、大地下水壓施工，相對而言施工成本低。(5)．施工不受天氣（風、雨、……）條件限制。(6)．挖土、出土量少、利于降低成本。(7)．盾構工發(fā)構筑的隧道的抗地震性好。(8)．適用地質(zhì)情況范圍寬，軟土、砂卵土、軟巖、直到巖層均可使用。2023/4/154/15/20239盾構構造及應用二。盾構施工法缺點（1）需要隧道襯砌管片預制、運輸、襯砌、襯砌結構防水及堵漏、施工測量、場地布置、機械安裝等施工技術的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調(diào)復雜；（2）施工過程變化斷面尺寸困難；只能前進，不能后退，當隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時，施工難度大，在飽和含水的松軟地層中施工，地表沉陷風險較大；（3）盾構機制造周期長，造價較昂貴，盾構的拼裝、轉移等較復雜，建造短于750m的隧道經(jīng)濟性差。2023/4/154/15/202310盾構構造及應用第三節(jié)盾構開挖與支撐方式一、盾構施工的開挖方式2023/4/154/15/202311盾構構造及應用2023/4/154/15/202312盾構構造及應用2023/4/154/15/202313盾構構造及應用2023/4/154/15/202314盾構構造及應用2023/4/154/15/202315盾構構造及應用

反鏟挖掘盾構2023/4/154/15/202316盾構構造及應用懸臂掘進盾構2023/4/154/15/202317盾構構造及應用3、機械式開挖機械式開挖又稱全斷面機械開挖。緊貼開挖面的旋轉刀盤進行全斷面開挖，即從掘削到出土作業(yè)均由機械完成。主要優(yōu)點：（1）開挖的隧道面精準，無超挖。（2）在掘進過程中，隧道斷面輪廓保持不變。（3）隧道工作面形式可根據(jù)其穩(wěn)定性進行優(yōu)化，特別是土層需要支撐的情況下。2023/4/154/15/202318盾構構造及應用2023/4/154/15/202319盾構構造及應用2023/4/154/15/202320盾構構造及應用二、盾構施工的支撐方式1、自然工作面支撐即隧道工作面的穩(wěn)定性是借助掘進暫時停頓期間它固有的穩(wěn)定性或借助桁架上的土層行程的斜坡而穩(wěn)定的。適用于地層：由于不適于抵御水壓，因此只適用于干的或排干的地層2023/4/154/15/202321盾構構造及應用2、機械工作面支撐（1）板條支撐手動掘削（2）活動工作面支撐機械部分斷面開挖（3）封閉切削輪支撐全斷面開挖以上支撐方式只適用于抵御土壓等低滲透性地層掘進2023/4/154/15/202322盾構構造及應用3、壓縮空氣支撐

原理：空氣壓力與地下水的靜壓力保持平衡，土壓由自然或機械的支撐承受。要保證壓力平衡

，否則頂部過剩的壓力“噴發(fā)”的危險

已被泥水盾構取代。適用于黏土，黏砂土，多水松軟地層2023/4/154/15/202323盾構構造及應用4、泥漿工作面支撐采用泥漿方法，隧道工作面借助有壓力的液體得以很好的支撐，用泥漿就地抵御土壓及水壓。5、土壓平衡支撐在黏土質(zhì)地層中，土料自身作為支撐介質(zhì)。在土料中添加介質(zhì)（水、泡沫、膨潤土或黏土），開挖料就轉化成土漿，它能夠起到穩(wěn)定隧道工作面的作用。2023/4/154/15/202324盾構構造及應用第四節(jié)盾構機的分類1、按地層種類分（1）硬巖盾構（TBM）（2）軟巖盾構（3）軟土盾構（4）硬軟巖土盾構（復合盾構）2023/4/154/15/202325盾構構造及應用2 、按盾構機橫截面大小分類（1）超小型盾構Φ＜1m（2）小型盾構1m≤Φ＜3.5m（3）中性盾構3.5m≤Φ＜6m（4）大型盾構6m≤Φ＜14m（5）超大型盾構14m≤Φ＜18m（6）特大型盾構18m≤Φ2023/4/154/15/202326盾構構造及應用3、按盾構機橫截面形狀分類（1）半圓形（2）圓形（3）橢圓形（4）馬蹄形（5）雙圓搭接形：豎雙圓形、橫雙圓形（6）三圓搭接形（7）四圓搭接形（8）矩形：矩形、凸字形、凹字形2023/4/154/15/202327盾構構造及應用2023/4/154/15/202328盾構構造及應用2023/4/154/15/202329盾構構造及應用2023/4/154/15/202330盾構構造及應用2023/4/154/15/202331盾構構造及應用4、2023/4/154/15/202332盾構構造及應用2023/4/154/15/202333盾構構造及應用2023/4/154/15/202334盾構構造及應用2023/4/154/15/202335盾構構造及應用2023/4/154/15/202336盾構構造及應用1、國外盾構法隧道的起源及發(fā)展史1806年，法國的布魯諾爾(M.I.Brune1)從蛀蟲鉆孔得到啟示，最早提出了用盾構法建設隧道的設想，并在英國取得了專利。2023/4/1537盾構構造及應用第五節(jié)盾構的發(fā)展簡史2023/4/154/15/202338盾構構造及應用

布魯諾爾構想的盾構機機械內(nèi)部結構由不同的單元格組成，每一個單元格可容納一個工人獨立工作并對工人起到保護作用。采用的方法是將所有的單元格牢靠地裝在盾殼上。2023/4/154/15/202339盾構構造及應用此后，布魯諾爾逐步完善了盾構結構的機械系統(tǒng)，設計成用全斷面螺旋式開挖的封閉式盾殼，襯徹緊隨其后的方式。2023/4/1540盾構構造及應用M.I.Brunel螺旋盾構，1818

2023/4/1541盾構構造及應用.1825年，他第一次在倫敦泰晤土河下開始用一個斷面高6.8m、寬11.4m，并由12個鄰接的框架組成的矩形盾構修建隧道。每一個框架分成3個艙，每一個艙里有一個工人，共有36個工人。2023/4/1542盾構構造及應用此系統(tǒng)按照以下模式工作：首先，借助螺桿將鞍型框架壓入前方的土中。從上部撤除隧道工作面上的木料并掘土6英寸，然后，隧道工作面重新用木料覆蓋并用螺桿支撐，緊接著盾構后部砌磚，把它作為整個機架的支座。2023/4/1543盾構構造及應用第一條隧道施工的盾構機2023/4/1544盾構構造及應用泰晤士河下的隧道工程施工期間遇到了許多困難，在經(jīng)歷了五次以上的特大洪水后，直到1843年，經(jīng)過18年施工，完成了全長458m的第一條盾構法隧道。2023/4/1545盾構構造及應用1828年1月12日泰晤土河水涌入盾構機

2023/4/1546盾構構造及應用1830年，英國的羅德發(fā)明“氣壓法”輔助解決隧道涌水。1866年，莫爾頓申請“盾構”專利。盾構最初稱為小筒（cell）或圓筒（cylinder），在莫爾頓專利中第一次使用了“盾構”（shield）這一術語。2023/4/1547盾構構造及應用1865年，英國的布朗首次采用圓形盾構和鑄鐵管片，1869年用圓形盾構在泰吾士河下修建外徑2.2m的隧道。在地下水方面沒遇到什么困難。

2023/4/1548盾構構造及應用1874年，工程師格瑞海德發(fā)現(xiàn)在強滲水性的地層中很難用壓縮空氣支撐隧道工作面，因此開發(fā)了用液體支撐隧道工作面的盾構，通過液體流，以泥漿的形式出土。1886年，格瑞海德在倫敦地下施工中將壓縮空氣方法與盾構掘進相組合使用，在壓縮空氣條件下施工，標志著在承壓水地層中掘進隧道的一個重大進步，20世紀初，大多數(shù)隧道都是采用格瑞海德盾構法修建的。2023/4/1549盾構構造及應用布魯諾爾發(fā)明盾構法之后的另一個技術進步是用機械開挖代替人工開挖。第一個機械化盾構專利是1876年英國人約翰·荻克英森·布倫敦和姬奧基·布倫敦申請的。這臺盾構有一個由幾塊板構成的半球形的旋轉刀盤，開挖的土料落入徑向裝在刀盤上的料斗中，料斗將渣料轉運至膠帶輸送機上，再將它轉運到后面從盾構中運出，這一構想后來被用于修建地鐵隧道工程。2023/4/1550盾構構造及應用1917年，日本引進盾構施工技術，是歐美國家以外第一個引進盾構法的國家。1963年，土壓平衡盾構首先由日本SatoKogyo公司開發(fā)出來。

2023/4/1551盾構構造及應用

1963年SatoKogyo公司土壓平衡盾構

2023/4/1552盾構構造及應用1974年第一臺土壓平衡盾構在東京被采用。該盾構由日本制造商IHI（石川島播磨）設計，其外徑3.72m，掘進了1900m的主管線。在以后的年代里，很多廠商以土壓盾構、壓力保持盾構、軟泥盾構、土壤壓力盾構、泥壓盾構等名稱生產(chǎn)了“土壓平衡盾構”。所有這些名稱的盾構都應有了同一種工法國際上稱為“土壓平衡系統(tǒng)”（EPBS）。2023/4/1553盾構構造及應用1989年，日本最引人注目的泥水盾構隧道工程開工。東京灣海底隧道長10km，是世界最長公路專用海底隧道，用八臺直徑14.14m泥水加壓式盾構施工。2023/4/1554盾構構造及應用日本東京灣海底隧道盾構機示意圖

2023/4/1555盾構構造及應用日本東京灣海底隧道泥水式盾構機2023/4/1556盾構構造及應用1992年，日本研制成世界上第一臺三圓泥水加壓式盾構，并成功地用于大阪市地鐵7號線“商務公園站”車站工程施工。2023/4/1557盾構構造及應用2、我國盾構機的發(fā)展歷程縱觀我國盾構法隧道的發(fā)展歷程，大體上可以分為三個階段：起步階段(20世紀60年代-80年代初)；平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀80年代中-2000年)；快速發(fā)展階段。2023/4/1558盾構構造及應用（1）起步階段(20世紀60年代-80年代初)：1962年2月，我國上海市城建局隧道處開始塘橋試驗隧道工程。采用直徑4.16m的一臺普通敞胸盾構在兩種有代表性的地層下進行掘進試驗，用降水或氣壓來穩(wěn)定粉砂層及軟粘土地層。選用由螺栓連接的單層鋼筋混疑土管片作為隧道襯砌，環(huán)氧煤焦油作為接縫防水材料。試驗獲得成功，采集了大量盾構法隧道數(shù)據(jù)資料。2023/4/1559盾構構造及應用（2）平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀80年代中-2000年)：這一時期，隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，地鐵建設也由服務于戰(zhàn)備轉為服務于經(jīng)濟發(fā)展。繼北京、天津修建地鐵外，上海、廣州也相繼修建了地鐵工程。地鐵施工技術突破了原有淺埋明挖法的限制，盾構法施工方法被引入地鐵施工中。

2023/4/1560盾構構造及應用1980年，上海開始進行盾構法隧道地鐵試驗工程，采用直徑6.412m網(wǎng)格式機械出土盾構機施工。掘進長度為565m，采用泥水加壓和局部氣壓施工。1980年11月開始地鐵試驗一期、二期盾構推進，1982年12月推進結束；1983年6月開始地鐵試驗三期盾構推進，1984年10月推進結束，隧道總長1130m。2023/4/1561盾構構造及應用1987年，上海市隧道工程公司承建市南站過江電纜隧道工程，成功設計了我國第一臺直徑4.35m加泥式土壓平衡盾構掘進機，由上海造船廠制造。2023/4/1562盾構構造及應用Ф4.35m土壓盾構研制2023/4/1563盾構構造及應用該盾構能控制正面土壓平衡和減少地面沉降，施工速度快，掘進長度達583m，該技術獲得1990年國家科技進步一等獎。工程于1988年1月開始盾構推進，9月推進結束。2023/4/1564盾構構造及應用1990年12月，上海市隧道工程公司承建的上海合流污水治理工程6.1標過江隧道推進施工。采用自己設計制造直徑5.17m加泥式土壓平衡盾構。盾構自重190t,總推力28800kN，總功率500kW。2023/4/1565盾構構造及應用直徑5.17m加泥式土壓平衡盾構

2023/4/1566盾構構造及應用1994年10月，上海隧道工程股份有限公司采用盾構法承建的南京第一條秦淮河治理工程夾江隧道推進。最具風險的是盾構推抵江中段，即鉆入全斷面粉砂層中，該粉砂層上方?jīng)]有其它土層與夾江水間隔。直徑6.34m土壓平衡盾構掘進機于1995年2月5日順利進入江心州接收井。2023/4/1567盾構構造及應用南京夾江隧道直徑6.34m盾構掘進機

2023/4/1568盾構構造及應用1992年6月，上海市承建上海地鐵1號線上?；疖囌尽珴h中路車站區(qū)間，采用盾構法隧道施工，1993年4月全線貫通。1993年8月，上海承建上海地鐵1號線黃陂路站～陜西路站區(qū)間隧道，1994年4月全線貫通。2023/4/1569盾構構造及應用與法國FCB公司合作設計制作的Φ6.34M土壓平衡盾構機

2023/4/1570盾構構造及應用1995年，我國開始研究矩形盾構隧道掘進技術，1996年上海隧道工程股份有限公司研制了一臺2.5m×2.5m可變網(wǎng)格矩形隧道掘進機，頂進矩形隧道60m，解決了推進軸線控制、糾偏技術、沉降控制、隧道結構等技術難題。2023/4/1571盾構構造及應用.2023/4/1572盾構構造及應用1999年5月，上海隧道工程股份有限公司研制成功國內(nèi)第一臺3.8m×3.8m矩形組合刀盤式土壓平衡掘進機，在浦東陸家嘴地鐵車站掘進120m，建成兩條過街人行地道。2023/4/1573盾構構造及應用1998年12月，中國第一條較長距離的水底觀光游覽隧道――上海外灘觀光隧道建成。采用國外二手直徑7.65m鉸接式土壓平衡盾構施工。2023/4/1574盾構構造及應用隧道施工不僅工期短，還要在極大的坡度和曲率的條件下，穿越地鐵2號線的兩條越江隧道，觀光隧a道與地鐵隧道間距離僅1.57m，形成越江隧道施工中罕見的“三隧疊交”，創(chuàng)造了中外越江隧道史上的奇跡，實現(xiàn)了中國軟土隧道施工史上的又一次飛躍。2023/4/1575盾構構造及應用.1999年6月，深圳開埠以來第一臺地鐵盾構開始掘進益田～香蜜湖區(qū)間隧道。此項目由