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1、国内异形盾构机分析,目录 异形盾构机,1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。18251843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.4m6.8m）。,用于泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾构,目前盾构法隧道设计大多为圆形，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。在拥有相等有效空间的情况下，矩形断面能节约35%以上的地下空间，且可以大大减小隧道的埋深。,矩形隧道和圆形隧道有效空间及覆土要求对比图,比圆形断面节约了45的地下空间比双圆隧道节约了35的地下空间,1995年率先研制了2.5m2.5m可变网格式矩形顶
2、管机。,1999年研制了3.8m3.8m组合大刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成9条隧道，总长322米。,2004年研制了6m4m偏心多轴双刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成20条隧道，总长759.1米。,2004年研制了20m6.2m矩形盾构掘进机，隧道衬砌采用现浇砼结构，2006年完成328m地下通道。,2006年完成了6m4m矩形拼装管片结构的设计与整环试验，管片钢模与双列式管片拼装机的设计。,国内矩形隧道发展情况,国内矩形隧道的发展主要是矩形顶管，20余年来先后有宁波、上海、南京、武汉、郑州等多个城市成功应用。,2008年研制了4.2m6.9m当时国内最大的多刀盘矩形顶管机，完成近30条隧道工
3、程，总里程超过1500m。,2012年研制了4.2m6.9m大刀盘+偏心多轴组合式矩形顶管机，完成7条通道，共119m。,2012年研制了4.2m6.9m大刀盘+行星轮组合式矩形顶管机，完成2条通道，共112m。,2013年研制7.5m10.4m大刀盘+偏心多轴组合式矩形顶管机，正施工郑州下穿中州大道行车通道工程，目前已同通车。,国内矩形隧道发展情况,国内矩形隧道发展情况,国内矩形隧道发展情况,日本矩形隧道发展情况,4.29m3.09m矩形盾构,2.67m3.17m矩形盾构,8m3m的矩形盾构,1.06m1.06m矩形掘进机,2.85m6.245mMMB工法矩形盾构,4.38m3.09mDPL
4、E矩形盾构,不同刀盘截面的矩形顶管机的运行模式,4.2m6.9m 大刀盘+行星轮驱动组合式矩形顶管机，是同时驱动1个大刀盘和4个行星轮刀盘同步运转，对矩形全断面进行切削。,7.510.4m 大刀盘+偏心多轴刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机，是同时驱动1 个大刀盘和四个偏心多轴刀盘作同步运转，对矩形全断面进行切削。,矩形盾构工作原理：采用土压平衡模式施工时，碴土通过刀盘开口进入土舱，土舱里充满了碴土、天然水和高浓度泥浆或泡沫等添加剂的混合物，该混合物具有良好的塑流性。在开挖过程中，通过调节螺旋输送机的转速以平衡进土（碴土+水+高浓度泥浆）与排土量，使土舱内的土体（混合物）保持在设定的土压力值上。土舱
5、里的土压值在开挖过程中始终受到控制并保持。在开挖过程中，螺旋输送机的转速随着土压力传感器的指示会作相应的调整。应用：目前主要应用于地铁过渡段、地铁车站。,刀盘系统,驱动系统,铰接系统,推进系统,拼装系统,螺旋机出土系统,矩形盾构工作原理及应用,矩形顶管工作原理及应用,矩形顶管工作原理：以土压平衡为工作原理，通过刀盘对正面土体进行切削，螺旋机转速及顶进速度控制出土量，使土仓内土压力值与正面土压力平衡，从而达到开挖切削面的土体稳定。预制管节作为顶进传力和开挖空间支护构成通道。管节与地层之间用润滑剂进行减摩，减小掘进阻力。应用：主要应用于城市下立交道路、大断面公路隧道主线及其匝道（净空5m9m左右）
6、、过街人行通道和地下管线共同沟（净空3m5m左右）、小区地下车库通道、地铁存车线、折返线、大跨度地下通道等项目。,矩形盾构与矩形顶管的适应性,矩形盾构和矩形顶管在软土地基中施工隧道基本适用，如有特殊地质和工况条件也可做针对性的机械设计。矩形盾构相对于矩形顶管应用范围更广、适应性更强，周边环境影响更小，而矩形顶管更适用于短距离、浅覆土、单坡直线段或直线段施工。,各种规格矩形顶管综合单价汇总,注：本报价包含顶管机头及附属设备进出场、管节制作运输、顶管顶进、管节件嵌缝、顶进施工监测、土方外运、100米内接水接电等费用。不包含始发井及接收井的施工、顶管进出洞及后靠的加固、施工期间道路和地下、地上公用管
7、线的迁改及第三方监测。,矩形盾构综合单价汇总,2.1 工程概况,商务西三街 始发井,纬四路接收井,中州大道,中州大道,商鼎路接收井,沈庄北路 始发井,中州大道是郑州市中心城区快速路系统的纵轴线，交通流量大，十字路口造成了拥堵问题。为此，郑州市决定建设下穿中州大道隧道工程。工程为两条内径6.1m9m的双车道和两条内径3.3m6m的人非通道。,2.1 工程概况,商务西三街纬四路矩形顶管段长110m。覆土深度5.1m5.4m。单坡向下掘进，坡度0.3%。主要穿越土层为层粉土、层粉土及层粉质粘土。地下水位埋深约为3.6-8.5m。,2.1 工程概况,沈庄北路商鼎路矩形顶管段长212m。覆土深度5.1m
8、9.33m。单坡向下掘进，坡度1.87%。主要穿越土层为层粉土、层粉土、层粉土、层粉质粘土及-1层粉质粘土。地下水位埋深约为5.3-6.5m。,2.1 工程概况,间距2m,间距1m,间距2m,间距3.5m,间距2.5m,施工围挡11m,绿化带,机动车道,绿化带,非机动车道,商务始发井,纬四接收井,军缆,围挡,施工围挡93m,雨水1000,雨水500,天然气200,围挡,商务西三街纬四路矩形顶管段,2.1 工程概况,商务西三街纬四路矩形顶管段,间距3.1m,间距4.2m,间距2.6m,间距0.8m,间距1.2m,间距1.6m,间距5.8m,间距6.1m,间距1.68m,沈庄始发井,商鼎接收井,施
9、工围挡30m,施工围挡188m,沈庄始发井,商鼎接收井,机动车道,绿化带,绿化带,小管节,0.7m,0.45m,0.6m,大管节,2.1 工程概况,矩形管节,管节示意图,2.2 工程地质水文,经过现场实测，地下水位稳定在7m左右。,2.3 技术难点,集成化设计系统控制,异形断面问题土体流动性问题,钢模设计大尺寸、大重量管节翻身吊运,顶力配备减摩问题,管节钢模及吊运,顶进措施,土体切削,顶管机,沉降控制,背土问题泥浆流失问题泥浆置换问题,顶管机：集控一体化设计；顶管施工：改良、减摩、密封一体化控制。,大盾构理念,工程采用两种尺寸矩形顶管机，均为土压平衡式的全断面切削设备。,2.4 顶管机,7.5
10、mX10.4m矩形顶管机,圆刀盘加偏心刀盘组合的超大断面土压平衡矩形顶管机。,2.4 顶管机,顶管机示意图,4.2mX6.9m矩形顶管机,行星式驱动小刀盘：自转+公转,2.4 顶管机,行星式驱动刀盘,4.2mX6.9m矩形顶管机,2.5 土体切削,顶管设备 刀盘：全断面切削。,扭矩：5620kNm转速：00.63rpm,扭矩：330kNm转速：02.2rpm,2.5 土体切削,顶管设备 土体改良系统：多层次、多模式、多种类。,注入点：大刀盘、胸板；注入设备：泡沫泵、泥浆泵、水泵控制方式：循环注浆,改良区域示意图,大刀盘改良部位,2.5 土体切削,水：显著提高土体塑流性；膨润土泥浆：提高塑流性、
11、提高防渗性；泡沫剂：提高塑流性、均匀性、降低内摩擦角。,加水效果,加膨润土泥浆效果,加泡沫效果,改良技术,原状土,2.5 土体切削,采用刀盘、土仓多部位组合式土体改良技术。,加水坍落度检测为2cm,改良剂坍落度检测为4cm,改良技术,2.6 顶进技术,每根油缸顶力为240t；油缸26根；总顶进力为6240t。,顶管设备-主顶系统,主顶系统照片,主顶系统设计,2.6 顶进技术,壳体设计为锥形，切削最大断面7.55m10.45m，单边超挖量达2.5cm。主机长度为6.73m，铰接位置至刀盘约为5m。,顶管设备-壳体,主机示意图,顶管设备-减摩泥浆注入系统,前壳体：15点（集控）后壳体：8点（集控）
12、5节管节：50点（集控）泥浆泵个数：2台控制方式：循环注浆,2.6 顶进技术,施工现场照片,管控界面,防背土措施,措施全断面切削锥形壳体新型减摩泥浆技术,2.7 沉降控制技术,背土原因切口挤压土体土体沉降与壳体粘结注浆浆液在背土固化,新型泥浆,锥形壳体,全断面切削,结构,压注孔,钢板刷,钢丝刷,袜套,动态油脂压注，起到洞圈保压功能。,新型洞圈止水装置,2.7 沉降控制技术,新型洞圈止水装置示意图及照片,2.8 隧道质量,隧道轴线：贯通轴线偏差控制在40-60mm以内。,mm,隧道轴线偏差曲线图,顶管吊装照片,贯通隧道照片,管节生产照片,隧道顶进照片,3.1 类矩形盾构机,拼装机 可沿矩形环状带
13、行走的拼装机，适应矩形特殊管片形式。,矩形盾构拼装机设计总示意图,矩形盾构拼装机局部示意图,3.1 类矩形管片,类矩形顶管结合拼装机，形成类矩形盾构。,螺旋机,大刀盘驱动,偏心刀盘驱动,偏心刀盘,大刀盘,盾尾,拼装机轨道,拼装机,后壳体,铰接,前壳体,矩形盾构设计总示意图,3.2 类矩形管片,高性能钢筋混凝土管片设计,受力分析,与圆隧道的结构受力相比,没有明显的拱效应,大断面矩形隧道跨度大、覆土浅,呈现弯矩大、轴力小的受力特点,矩形隧道结构通常厚度大、配筋量高,管片结构设计,分缝位置,接头形式,拼装方法,通用性,形成一套技术成果,转角处应力集中,高性能砼,3.2 类矩形管片,管片结构试验,管片
14、接头试验,管片整环试验,3.3 类矩形隧道示范工程,宁波3号线线路图,类矩形盾构段示范工程,类矩形盾构法隧道工程在宁波市轨道交通3号线一期出入段线实施。示范工程范围为3号线一期工程出入段线矩形盾构段、盾构段与高塘站接口、盾构接收井与明挖段接口设计。宁波3号线南起鄞州陈婆渡，北至镇海骆驼街道，线路全长约25.83km，陈婆渡站南侧设接车辆段的出入段线。,3.3 类矩形隧道示范工程,3.3 类矩形隧道示范工程,类矩形盾构隧道位置,3.3 类矩形隧道示范工程,高阳路,农田,外塘河,鄞州荣盛纸木包装厂,高塘桥粉末冶金厂,正宇电机厂,鄞州立佳塑料五金厂,宁姜公路,陈婆渡站场区农田,U型槽段场区农田,3.
15、3 类矩形隧道示范工程,衬砌管片设计与实验,砼管片厚度为450mm，外包尺寸为115006937mm；衬砌环全环共分为11块，外形为4段圆弧相切形成的类矩形；环间采用错缝拼装，通过采用A、B型衬砌环交错拼装形成错缝。,3.3 类矩形隧道示范工程,衬砌管片设计与实验,不同于圆形管片，类矩形管片无法采用中心对拉加载方式进行整环试验，为此加工了专用试验台，完成3组整环实验。,12mX8m异形管片整环试验台,3.3 类矩形隧道示范工程,11.83X7.27土压平衡类矩形盾构。,2X+I组合刀盘,壳体主动铰,环臂式自动轨迹控制拼装机,可重构分区推进系统,3.3 类矩形隧道示范工程,工程进展,2015年1
16、1月30日，中国首台类矩形盾构机“阳明号”顺利始发。,3.3 类矩形隧道示范工程,工程进展,2016年1月22日，中国首台类矩形盾构机“阳明号”顺利推进84米，完成70环管片拼装。隧道整体质量和沉降控制均取得良好效果。,矩形隧道技术可广泛应用于城市下立交道路、大断面公路隧道主线及其匝道（净空5m9m左右）、过街人行通道和地下管线共同沟（净空3m5m左右）、小区地下车库通道等项目，还可以适应地铁渡线段、存车段、车站和大跨度地下通道的需求。,地下空间联通,地下道路匝道,地铁渡线段、存车段,地铁渡线段,地铁渡线段采用明挖施工，可能面临管线和交通等问题。矩形顶管结合地面出入式盾构法隧道技术（GPST）
17、，可成为解决问题的一种方式。,地铁渡线照片,盾构法GPST照片,地铁渡线段,GPST难点主要为结构变形、防水、抗浮和姿态控制。矩形顶管管节刚度大，抗变形能力强，并可实施管节内抗浮措施。,某地铁渡线段线型,地铁渡线段,地铁出入段线工程地面出入盾构施工技术（GPST）结合矩形盾构技术；R400m；长355m；覆土1.6m8.8m。,出入段线平剖面示意图,车站,355m,195m,8.8m,1.6m,2,22.2,35,18,多为23层厂房 约120m,矩形盾构段,敞开段,地铁渡线段,出入段线平剖面示意图,车站,232m,171m,2,22.2,35,18,多为23层厂房 约120m,矩形顶管（盾构
18、）段,敞开段,143m,暗埋段,8.8m,5m,地铁出入段线工程地面出入盾构施工技术（GPST）结合矩形顶管（盾构）技术；直线；长232m；覆土5m8.8m。,地铁车站,某车站横跨交通要道道路无法翻交或断流,横跨道路车站示意图,地铁车站,过路段采用矩形隧道,矩形隧道段车站的平、剖面示意图,矩形隧道施工车站的效果图,地铁车站,地铁存车线、折返线,5.7m,13.8m,13.8m,2m,内部净空,内部净空,折返线平、剖面示意图,地铁车站需要设置存车线或折返线，但城市中心的部分区域环境复杂，明挖施工需要解决管线和交通等问题。矩形顶管结合矿山暗挖或可存在解决问题的一种方式。,地铁存车线、折返线,采用两台矩形顶管分别施工两条隧道；在成型隧道内部采用暗挖法联通两隧道；在开挖好的隧道内重新构筑二次内衬，形成大跨度通道结构。,折返线施工设想示意,折返线施工设想成型示意图,
