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1、2023/1/10,第一讲,大型施工机械盾构机部分,盾构机的发展及应用,主讲：郭京波 教授,2023/1/10,目 录,一、全断面隧道掘进机二、盾构机的发展三、泥水加压平衡盾构及应用四、土压平衡盾构及应用,2023/1/10,一、全断面隧道掘进机,全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、电、液、光、气、水、信息于一体的隧道施工成套专用设备。具有自动化程度高、对交通和周围地层影响小、有利于环境保护的优点。隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。,1 掘进机分类,2023/1/10,2023/1/10,2023/1/10
2、,2023/1/10,2023/1/10,TBM硬岩掘进机：,双护盾,2023/1/10,2 盾构与TBM的区别,TBM是“Tunnel Boring Machine”的英文缩写，一般指全断面硬岩隧道掘进机，通常定义中的TBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面，也是盾构区别于TBM及比TBM复杂的主要方面。,2023/1/10,盾构，用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，
3、而使隧道一次成形的机械。,2023/1/10,2023/1/10,1 世界盾构机的发展,1818 年Marc Isambard Brunel 获得隧道盾构法施工的专利，在 1825 年到 1843 年间首次使用盾构在伦敦的泰晤士河下修建了一条河底隧道，初步证明盾构法隧道施工的价值。1830年由劳德考克让施（Lord Cochrance）发明了施加压缩空气防止涌水的“气压法”。1874 年格雷蒙特（James Henry Greathead）在伦敦地铁南线的隧道建设中采用了气压盾构法的施工工艺，并首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，并开发了用流体支撑开挖面的盾构，开挖出的弃土以泥
4、水流的方式排出。1896 年 Haag在柏林第一次申请了德国泥水式盾构的专利，形成了现代泥水式盾构的雏形，推动了盾构施工技术的发展。,二、盾构机发展,2023/1/10,20 世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国推广。1917 年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法。1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构（直径为3.1m）。1974 年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国 Wayss&Freytag 也研制成功颇具特点的膨润土
5、悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。,二、盾构机发展,2023/1/10,2我国盾构机的发展,1953 年东北阜新煤矿用手掘式盾构修建直径为 2.6m的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术一直没有受到足够的重视，盾构技术的发展非常缓慢，应用也相当有限。直到 1985 年以后，随着经济技术的突飞猛进，各种地下工程的需求与日俱增，我国开始引进和研制全断面闭胸式盾构，我国开始现代盾构技术开发和应用。进入 20 世纪 90 年代后，随着城市化进程的加快，城市地下空间的进一步利用，对环境保护
6、和施工质量要求相对较高的城市地铁隧道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国际先进的盾构施工技术和设备。,二、盾构机发展,2023/1/10,小 结盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表（泥水式、土压式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。,二、盾构机发展,2023/1/10,目前，应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。,手掘式盾构 半机械式盾构 网格式盾构,2023/1/10,2023/1/10
7、,三、泥水平衡盾构,泥水加压平衡盾构（slurry pressure balance shield），简称SPB盾构。是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。,2023/1/10,2023/1/10,1 结构原理,泥水盾构有两种体系。泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为:直接控制型间接控制型,2023/1/10,直接控制型
8、泥水盾构,日本一般采用直接控制型泥水盾构直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆输入盾构泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向调浆池，再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新输入盾构循环使用。泥水仓中的泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应，不便于控制泥浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。,2023/1/10,间接控制型泥水盾构,德国采用间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以
9、压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。,2023/1/10,2 泥水盾构的工程应用,东京湾海底公路隧道,日本于1998年建成通车的东京湾公路工程，全长15.1km，其中海底隧道长9.12km，由两条外径13.9m的单向公路隧道组成，采用了8台直径14.14m的泥水盾构施工.,在海底隧道段的中间处筑造了川崎人工岛，从人工岛的竖井向东西两个方向推出4台盾构，在隧道的东端，也筑造了木更津人工岛，从此岛的竖井中向西推出2台盾构，这2台
10、盾构与川崎人工岛竖井中向东推出的2台盾构在东侧海底地层中对接，川崎岛竖井向西推出的2台盾构与浮岛竖井中向东推出的2台盾构在西侧海底地层中对接。海底地形呈极平缓的船底形，中央最大海水深约28m。隧道段的土质，川崎侧以冲积粘性土、洪积粘性土为主体，木更津侧在冲积粘性土和洪积粘性土层中夹有洪积砂质土层；浮岛、木更津倾斜段为人造地基。,2023/1/10,2023/1/10,德国汉堡易北河第四隧道,易北河第四条隧道距原有隧道约3570m，全长3100.75m，其中2561m采用14.2m泥水盾构施工。易北河第四条隧道1995年开工，1997年11月27日开始使用盾构，2003年完工。隧道掘进从南岸始发
11、井开始，开始的500m段为填筑土（由砂、砾石和无级配回填物质结合各种垃圾组成）。中间的1000m为河下冰川物质层，由非常硬的粘土和砾石或砾岩混合而成。最后的1000m为易北河北部填筑层，土的状况与河中段相类似。,14.2m泥水盾构,2023/1/10,荷兰绿心隧道,长 7,176m的荷兰“绿心隧道”采用NFM公司制造的14.87m泥水盾构施工。穿越的地层为泥炭土、粘土和饱和砂层土。“绿心隧道”于 2001年11月2日始发推进，于2004年1月7日贯通。最高月进尺为616m。,2023/1/10,四、土压平衡盾构,土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土
12、，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。,推进,管片拼装,2023/1/10,1 结构原理,土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。,2023/1/10,刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地
13、下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。,2023/1/10,整体结构,盾体,2023/1/10,2023/1/10,刀盘介绍,2023/1/10,2023/1/10,刀盘及驱动系统,2023/1/10,2023/1/10,2023/1/10,驱 动 系 统,液压站,主驱动-马达,2023/1/10,主 轴 承,2023/1/10,2023/1/10,推进和拼装系统,推进油缸,2023/1/10,拼装机,2023/1/10,2023/1/10,桥 架(连接盾体和后配套系统),2023/1/10,桥 架(连接盾体和后配套系统),2023/1/10,2023/1/10,后配套系统,2023/1/10,遥控器,2023/1/10,润滑、密封及注浆,2023/1/10,盾 尾,2023/1/10,注浆系统,2023/1/10,水路系统,水路系统,2023/1/10,液压系统,液压站,2023/1/10,液压管路,2023/1/10,2023/1/10,2023/1/10,2023/1/10,2023/1/10,THE ENDTHANK YOU!,2023/1/10,石家庄铁道大学 机械工程学院郭京波 博士 电话：135 2200 8731，155 1133 6931,
