盾構(gòu)機(jī)基本原理及分類

盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用緒論2023/10/101盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用緒論1、盾構(gòu)及其基本工作原理2、盾構(gòu)法的優(yōu)缺陷3、盾構(gòu)施工開挖及支撐方式4、盾構(gòu)機(jī)的分類5、盾構(gòu)的發(fā)展簡史2023/10/102盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第一節(jié)盾構(gòu)及其基本工作原理一、盾構(gòu)的定義2023年3月31日公布的《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》定義：盾構(gòu)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的簡稱，是在鋼殼體保護(hù)下完畢隧道掘進(jìn)、拼裝作業(yè)，由主機(jī)和后配套構(gòu)成的機(jī)電一體化設(shè)備2023/10/103盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第一節(jié)盾構(gòu)及其基本工作原理二、盾構(gòu)法施工的基本原理盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一種圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推動邊對土壤進(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(shí)文撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)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。2023/10/104盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/105盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/106盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/107盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第二節(jié)盾構(gòu)法的優(yōu)缺陷一。盾構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)(1)．對環(huán)境影響?、俪鐾亮可?，周圍地層沉降小，對周圍構(gòu)造物的影響?。虎诓挥绊懙乇斫煌吧痰?duì)I業(yè)，無需切斷、搬遷地下管線等多種地下設(shè)施；③對周圍居民生活、出行影響??；④無空氣、噪音、振動污染問題。2023/10/108盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用(2)．盾構(gòu)掘進(jìn)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(fèi)用少。(4)．合用于大深度、大地下水壓施工，相對而言施工成本低。(5)．施工不受天氣（風(fēng)、雨、……）條件限制。(6)．挖土、出土量少、利于降低成本。(7)．盾構(gòu)工發(fā)構(gòu)筑的隧道的抗地震性好。(8)．合用地質(zhì)情況范圍寬，軟土、砂卵土、軟巖、直到巖層均可使用。2023/10/109盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用二。盾構(gòu)施工法缺陷（1）需要隧道襯砌管片預(yù)制、運(yùn)送、襯砌、襯砌構(gòu)造防水及堵漏、施工測量、場地布置、機(jī)械安裝等施工技術(shù)的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調(diào)復(fù)雜；（2）施工過程變化斷面尺寸困難；只能邁進(jìn)，不能后退，當(dāng)隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時(shí)，施工難度大，在飽和含水的松軟地層中施工，地表沉陷風(fēng)險(xiǎn)較大；（3）盾構(gòu)機(jī)制造周期長，造價(jià)較昂貴，盾構(gòu)的拼裝、轉(zhuǎn)移等較復(fù)雜，建造短于750m的隧道經(jīng)濟(jì)性差。2023/10/1010盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第三節(jié)盾構(gòu)開挖與支撐方式一、盾構(gòu)施工的開挖方式2023/10/1011盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1012盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1013盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1014盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1015盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用

反鏟挖掘盾構(gòu)2023/10/1016盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用懸臂掘進(jìn)盾構(gòu)2023/10/1017盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用3、機(jī)械式開挖機(jī)械式開挖又稱全斷面機(jī)械開挖。緊貼開挖面的旋轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行全斷面開挖，即從掘削到出土作業(yè)均由機(jī)械完畢。主要優(yōu)點(diǎn)：（1）開挖的隧道面精確，無超挖。（2）在掘進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，尤其是土層需要支撐的情況下。2023/10/1018盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1019盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1020盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用二、盾構(gòu)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(jìn)臨時(shí)停止期間它固有的穩(wěn)定性或借助桁架上的土層行程的斜坡而穩(wěn)定的。合用于地層：因?yàn)椴贿m于抵抗水壓，所以只合用于干的或排干的地層2023/10/1021盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2、機(jī)械工作面支撐（1）板條支撐手動掘削（2）活動工作面支撐機(jī)械部分?jǐn)嗝骈_挖（3）封閉切削輪支撐全斷面開挖以上支撐方式只合用于抵抗土壓等低滲透性地層掘進(jìn)2023/10/1022盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)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(jī)械的支撐承受。要確保壓力平衡，不然頂部過剩的壓力“噴發(fā)”的危險(xiǎn)已被泥水盾構(gòu)取代。合用于黏土，黏砂土，多水松軟地層2023/10/1023盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用4、泥漿工作面支撐采用泥漿措施，隧道工作面借助有壓力的液體得以很好的支撐，用泥漿就地抵抗土壓及水壓。5、土壓平衡支撐在黏土質(zhì)地層中，土料本身作為支撐介質(zhì)。在土料中添加介質(zhì)（水、泡沫、膨潤土或黏土），開挖料就轉(zhuǎn)化成土漿，它能夠起到穩(wěn)定隧道工作面的作用。2023/10/1024盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第四節(jié)盾構(gòu)機(jī)的分類1、按地層種類分（1）硬巖盾構(gòu)（TBM）（2）軟巖盾構(gòu)（3）軟土盾構(gòu)（4）硬軟巖土盾構(gòu)（復(fù)合盾構(gòu)）2023/10/1025盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2 、按盾構(gòu)機(jī)橫截面大小分類（1）超小型盾構(gòu)Φ＜1m（2）小型盾構(gòu)1m≤Φ＜3.5m（3）中性盾構(gòu)3.5m≤Φ＜6m（4）大型盾構(gòu)6m≤Φ＜14m（5）超大型盾構(gòu)14m≤Φ＜18m（6）特大型盾構(gòu)18m≤Φ2023/10/1026盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用3、按盾構(gòu)機(jī)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2023/10/1027盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1028盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1029盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1030盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1031盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用4、2023/10/1032盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1033盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1034盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1035盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2023/10/1036盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1、國外盾構(gòu)法隧道的起源及發(fā)展史1823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(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國取得了專利。2023/10/1037盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第五節(jié)盾構(gòu)的發(fā)展簡史2023/10/1038盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用布魯諾爾設(shè)想的盾構(gòu)機(jī)機(jī)械內(nèi)部構(gòu)造由不同的單元格構(gòu)成，每一種單元格可容納一種工人獨(dú)立工作并對工人起到保護(hù)作用。采用的措施是將全部的單元格牢固地裝在盾殼上。2023/10/1039盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用今后，布魯諾爾逐漸完善了盾構(gòu)構(gòu)造的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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。2023/10/1040盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用M.I.Brunel螺旋盾構(gòu)，1818

2023/10/1041盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用.1825年，他第一次在倫敦泰晤土河下開始用一種斷面高6.8m、寬11.4m，并由12個(gè)鄰接的框架構(gòu)成的矩形盾構(gòu)修建隧道。每一種框架提成3個(gè)艙，每一種艙里有一種工人，共有36個(gè)工人。2023/10/1042盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用此系統(tǒng)按照如下模式工作：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(gòu)后部砌磚，把它作為整個(gè)機(jī)架的支座。2023/10/1043盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用第一條隧道施工的盾構(gòu)機(jī)2023/10/1044盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)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23年施工，完畢了全長458m的第一條盾構(gòu)法隧道。2023/10/1045盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1828年1月12日泰晤土河水涌入盾構(gòu)機(jī)

2023/10/1046盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1830年，英國的羅德發(fā)明“氣壓法”輔助處理隧道涌水。1866年，莫爾頓申請“盾構(gòu)”專利。盾構(gòu)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(gòu)”（shield）這一術(shù)語。2023/10/1047盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1865年，英國的布朗首次采用圓形盾構(gòu)和鑄鐵管片，1869年用圓形盾構(gòu)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。

2023/10/1048盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1874年，工程師格瑞海德發(fā)目前強(qiáng)滲水性的地層中極難用壓縮空氣支撐隧道工作面，所以開發(fā)了用液體支撐隧道工作面的盾構(gòu)，經(jīng)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措施與盾構(gòu)掘進(jìn)相組合使用，在壓縮空氣條件下施工，標(biāo)志著在承壓水地層中掘進(jìn)隧道的一種重大進(jìn)步，20世紀(jì)初，大多數(shù)隧道都是采用格瑞海德盾構(gòu)法修建的。2023/10/1049盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用布魯諾爾發(fā)明盾構(gòu)法之后的另一種技術(shù)進(jìn)步是用機(jī)械開挖替代人工開挖。第一種機(jī)械化盾構(gòu)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(gòu)有一種由幾塊板構(gòu)成的半球形的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運(yùn)至膠帶輸送機(jī)上，再將它轉(zhuǎn)運(yùn)到背面從盾構(gòu)中運(yùn)出，這一設(shè)想后來被用于修建地鐵隧道工程。2023/10/1050盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1923年，日本引進(jìn)盾構(gòu)施工技術(shù)，是歐美國家以外第一種引進(jìn)盾構(gòu)法的國家。1963年，土壓平衡盾構(gòu)首先由日本SatoKogyo企業(yè)開發(fā)出來。2023/10/1051盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用

1963年SatoKogyo企業(yè)土壓平衡盾構(gòu)

2023/10/1052盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1974年第一臺土壓平衡盾構(gòu)在東京被采用。該盾構(gòu)由日本制造商IHI（石川島播磨）設(shè)計(jì)，其外徑3.72m，掘進(jìn)了1900m的主管線。在后來的年代里，諸多廠商以土壓盾構(gòu)、壓力保持盾構(gòu)、軟泥盾構(gòu)、土壤壓力盾構(gòu)、泥壓盾構(gòu)等名稱生產(chǎn)了“土壓平衡盾構(gòu)”。全部這些名稱的盾構(gòu)都應(yīng)有了同一種工法國際上稱為“土壓平衡系統(tǒng)”（EPBS）。2023/10/1053盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1989年，日本最引人注目的泥水盾構(gòu)隧道工程動工。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(gòu)施工。2023/10/1054盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用日本東京灣海底隧道盾構(gòu)機(jī)示意圖

2023/10/1055盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用日本東京灣海底隧道泥水式盾構(gòu)機(jī)2023/10/1056盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1992年，日本研制成世界上第一臺三圓泥水加壓式盾構(gòu)，并成功地用于大阪市地鐵7號線“商務(wù)公園站”車站工程施工。2023/10/1057盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用2、我國盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展歷程縱觀我國盾構(gòu)法隧道的發(fā)展歷程，大致上能夠分為三個(gè)階段：起步階段(20世紀(jì)60年代-80年代初)；平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀(jì)80年代中-2023年)；迅速發(fā)展階段。2023/10/1058盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用（1）起步階段(20世紀(jì)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(yàn)隧道工程。采用直徑4.16m的一臺一般敞胸盾構(gòu)在兩種有代表性的地層下進(jìn)行掘進(jìn)試驗(yàn)，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(yàn)取得成功，采集了大量盾構(gòu)法隧道數(shù)據(jù)資料。2023/10/1059盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用（2）平穩(wěn)發(fā)展階段(20世紀(jì)80年代中-2023年)：這一時(shí)期，伴隨改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地鐵建設(shè)也由服務(wù)于戰(zhàn)備轉(zhuǎn)為服務(wù)于經(jīng)濟(jì)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(shù)突破了原有淺埋明挖法的限制，盾構(gòu)法施工措施被引入地鐵施工中。2023/10/1060盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1980年，上海開始進(jìn)行盾構(gòu)法隧道地鐵試驗(yàn)工程，采用直徑6.412m網(wǎng)格式機(jī)械出土盾構(gòu)機(jī)施工。掘進(jìn)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(yàn)一期、二期盾構(gòu)推動，1982年12月推動結(jié)束；1983年6月開始地鐵試驗(yàn)三期盾構(gòu)推動，1984年10月推動結(jié)束，隧道總長1130m。2023/10/1061盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1987年，上海市隧道工程企業(yè)承建市南站過江電纜隧道工程，成功設(shè)計(jì)了我國第一臺直徑4.35m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，由上海造船廠制造。2023/10/1062盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用Ф4.35m土壓盾構(gòu)研制2023/10/1063盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用該盾構(gòu)能控制正面土壓平衡和降低地面沉降，施工速度快，掘進(jìn)長度達(dá)583m，該技術(shù)取得1990年國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。工程于1988年1月開始盾構(gòu)推動，9月推動結(jié)束。2023/10/1064盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1990年12月，上海市隧道工程企業(yè)承建的上海合流污水治理工程6.1標(biāo)過江隧道推動施工。采用自己設(shè)計(jì)制造直徑5.17m加泥式土壓平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)自重190t,總推力28800kN，總功率500kW。2023/10/1065盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用直徑5.17m加泥式土壓平衡盾構(gòu)

2023/10/1066盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1994年10月，上海隧道工程股份有限企業(yè)采用盾構(gòu)法承建的南京第一條秦淮河治理工程夾江隧道推動。最具風(fēng)險(xiǎn)的是盾構(gòu)推抵江中段，即鉆入全斷面粉砂層中，該粉砂層上方?jīng)]有其他土層與夾江水間隔。直徑6.34m土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)于1995年2月5日順利進(jìn)入江心州接受井。2023/10/1067盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用南京夾江隧道直徑6.34m盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)

2023/10/1068盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)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(gòu)法隧道施工，1993年4月全線貫穿。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月全線貫穿。2023/10/1069盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用與法國FCB企業(yè)合作設(shè)計(jì)制作的Φ6.34M土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

2023/10/1070盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1995年，我國開始研究矩形盾構(gòu)隧道掘進(jìn)技術(shù)，1996年上海隧道工程股份有限企業(yè)研制了一臺2.5m×2.5m可變網(wǎng)格矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，頂進(jìn)矩形隧道60m，處理了推動軸線控制、糾偏技術(shù)、沉降控制、隧道構(gòu)造等技術(shù)難題。2023/10/1071盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用.2023/10/1072盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用1999年5月，上海隧道工程股份有限企業(yè)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(jìn)機(jī)，在浦東陸家嘴地鐵車站掘進(jìn)120m，建成兩條過街人行地道。2023/10/1073盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)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(gòu)施工。2023/10/1074盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用隧道施工不但工期短，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”，發(fā)明了中外越江隧道史上的奇跡，實(shí)現(xiàn)了中國軟土隧道施工史上的又一次奔騰。2023/10/1075盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用.1999年6月，深圳開埠以來第一臺地鐵盾構(gòu)開始掘進(jìn)益田～香蜜湖區(qū)間隧道。此項(xiàng)目由深圳地鐵有限企業(yè)建設(shè)，由上海隧道工程股份有限企