之二盾构设备介绍.docx

盾 构 设 备 介 绍第一章：盾构隧道技术1 .盾构工法的概述2. 盾构工法的发展历史3. 我国盾构技术概况第二章：盾构设备介绍1 .盾构机的基本构造2. 土压平衡和泥水平衡的比较3. 国外盾构机厂家介绍及盾构比较第三章：盾构选型1. 选型的依据2. 不同地质下盾构的选型3. 盾构的经济分析第四章：盾构施工1. 盾构施工应考虑的因素2. 盾构机的进发与到达3 .盾构壁后注浆4. 盾构隧道的防水5. 盾构衬砌6. 盾构的姿态调整7. 盾构机的安全8. 盾构正常施工应注意的问题第一章：盾构隧道技术一•盾构工法概述盾构(Shield) 一词来源于英语，其含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物这里把外形与隧道横截面相 同，但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削机的外壳该外壳及壳内各种作业机械、作业空 间的组合体称为盾构机(以下简称盾构)实际上盾构是一种既能支撑地层的压力、又能在地层中掘进的施工机 具以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法盾构法是利用盾构在地下建造隧道的一种施工方法，是隧道暗挖施工法的一种，具有以下优点：(1) .对环境影响小① 出土量少，周围地层沉降小，对周围构造物的影响小；② 不影响地表交通及商店营业，无需切断、搬迁地下管线等各种地下设施；③ 对周围居民生活、出行影响小；④ 无空气、噪音、振动污染问题。

2) .盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制3) .地表占地面积小，故征地费用少4) .适用于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低5) .施工不受天气(风、雨、……)条件限制6) .挖土、出土量少、利于降低成本7) .盾构工发构筑的隧道的抗地震性好8) .适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、软岩、直到岩层均可使用盾构法施工的概貌如图1所示，其主要施工内容或步骤为：(1) 在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井；(2) 盾构在始端工作井内安装就位；(3) 依靠盾构千斤顶推力(作用在已拼装好的临时衬砌环和工作井后壁上)将盾构从起始工作井的墙壁开孔处 推出；（4） 盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不断出土；（5） 盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体， 防止隧道及地面下沉；（6） 盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可穿越工作井再向前推进图1盾构法施工概貌图盾构是进行土方开挖、正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其他施工技术密切配合主要有： 地下水的降低，稳定地层，防止隧道及地面沉陷的土体加固措施，隧道衬砌结构的制造，地层的开挖，隧道内的 运输，衬砌与地层间的充填注浆，衬砌的防水与堵漏，地表对开挖土方的运输及处理方法，配合施工的测量、检 测技术，合理的施工布置等。

采用气压法施工时，还涉及到医学上的一些问题和防护措施等现代盾构能适用于从流动性很大的第四纪淤泥质土层到中风化和微风化岩层的各种复杂的工程地质和水文 地质条件既可用来修建地铁区间隧道、引水隧洞等小断面隧道，也可用来修建大断面的车站隧道，而且施工速 度快（5m/d〜40m/d），对控制地面沉降有较大把握特别在地面交通繁忙，地面建筑物和地下管线密布，对地面 沉降要求严格的城区，地下水发育、围岩稳定性差、隧道较长而又工期要求紧迫的情况下更显优越但应指出， 盾构法施工需要较多的时间和投资用于盾构与附属设备的设计和制造，以及建造端头工作井等设施同时，盾构 法施工技术方案和施工细节对围岩条件的依赖性，较之其他方法尤甚，这就要求事先对沿线的工程地质和水文地 质条件做细致的勘探工作，并要根据围岩的复杂程度做好各种应变的准备目前盾构工发已在城市隧道（如地铁隧道，污水排放隧道，饮水、供水隧道，江河湖海底隧道，电力、电讯、 供气及共同沟工等隧道）建造中确立了绝对的统治地位，故有人将其称为城市隧道工法二.盾构工法的发展历史世界上第一条盾构隧道是由Mare Brunel和他的儿子Isambart Brunel 一起在伦敦泰晤士河下修建的，该 隧道断面为宽11.7m、高7m的矩形，长366m，采用人工开挖盾构施工，施工中经历了很大困难，多次出现涌水， 历时20年左右。

1869年，James Greathead采用圆形敞开式盾构在泰晤士河下又建了一条外径为2.18m的人行 隧道，该隧道在不透水的黏土层中掘进，无地下水威胁，因此进展相当顺利1886年，Greathead在建造伦敦地 铁时首次使用了压缩空气盾构，解决了在含水地层中盾构隧道修建问题界上第一台机械化盾构的专利出现在1876年，由英国的John Dickinson和George Brunton合作申请第 一台机械化盾构的设想是由几块钢板构成的半球状刀盘旋转切削土体，然后靠径向转动的土斗将切削下来的土体 运到皮带输送机上，如图2所示图2第一台机械化盾构1896年，J.Price的专利（图3）带来了较大改进，刀盘由若干轮辐构成，电动驱动由长轴传递，其外形 也与现代盾构较为接近早期的盾构技术在英国发明并得到发展并不是偶然的事件，由于19世纪和20世纪初，英国是全球最强盛的工业 化国家，而对隧道掘进来讲，伦敦的黏土可说是地球上较为理想的盾构施工土层，因此由当时最发达的国家率先 在较理想的土层中发展盾构技术是合乎技术发展的逻辑的20世纪40年代起，前苏联采用直径为6.0m〜9.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等城市修建地下铁道区 间和车站隧道，将盾构施工水平推进到一个新高度。

图3轮幅式刀盘盾构20世纪60年代以来，盾构法施工在日本得到了迅速发展，在东京、大阪、名古屋、京都等城市地下铁道 施工中都广泛地被采用为了克服在含水地层中盾构施工引起的地面沉降，以及钢筋混凝土管片的制造精度和防 水问题，日本和德国等制成和研究了泥水（加压）盾构和土压平衡盾构等削土密封式压力平衡盾构等现代盾构， 发展了相应的施工工艺、配套设备，以及各种新型衬砌和防水技术日本能够在现代盾构技术的发展中独领风骚 也有其客观原因首先，日本从60年代中期开始步入现代化国家行列，其科学技术水平已逐步接近欧美强国， 这为日本发展现代盾构技术提供了强有力的技术支持；其次，日本是一个人口众多、土地贫乏的多岛国家，为了 扩大生存空间，不得不大力开发地下空间，而一些大城市的软弱地层条件又给日本隧道专家带来了很多困难，激 励着日本隧道专家寻找理想的隧道建造技术，构成了日本隧道盾构施工技术进步的动力进入20世纪80年代后，盾构技术发展的主流大致在以下两个方面:（1） 以日本为代表，注重开发不同几何形状的盾构技术，以适应地铁车站或其他特殊断面的隧道工程的需要， 发展了矩形盾构、双圆盾构、三圆盾构、竖井平行隧道一体化的可垂直转向的盾构、可变断面盾构等特殊形状盾 构；见照片4和照片5。

2） 以欧洲（特别是德国）为代表，为充分发挥盾构设备的能力、满足长隧道工程修建的需要，致力于研究 能适应不同地层的多功能盾构，已发展了混合式盾构、机械平衡盾构等图4球体盾构机（母机掘进位置） 图5球体盾构机（球体作90°转动后）3. 我国盾构技术概况我国盾构技术在解放前是个空白新中国成立后，在第一个五年计划期间，东北阜新煤矿用直径2.6m盾构 及小型混凝土预制块建造了输水巷道，1957年在北京下水道工程中也用过直径为2.0m及2.6m的盾构系统地 开发我国的盾构技术可认为是始于1963年上海隧道公司在浦东塘桥第四纪软弱含水地层中进行的直径4.2m的盾 构隧道试验该盾构为手掘式，钢筋混凝土管片衬砌，接缝防水材料采用沥青环氧树脂，试验中曾采用了降水法 和气压法两种疏干地层的辅助措施1966年上海在黄浦江上用可封闭式网格盾构建造了直径为10m的第一条越 江隧道1988年上海隧道公司又建成了 11.3m的延安东路过江隧道1989年在上海地铁一号线工程中正式采用 盾构法修建地铁区间隧道目前，我国在广州、深圳、南京、北京等城市地铁施工中，大量采用盾构技术修建区 间隧道，盾构技术在我国掀起了新的应用和发展高潮。

但是我国盾构技术的发展还存在不少不足之处除上海隧道股份公司试制了一台地铁施工用盾构，仅限于引 进使用国外盾构且盾构工法种类不多，各种特种异圆形断面及特种功能盾构工法应用少；地中盾构对接技术； 竖井隧道的一体化施工技术；盾构直接削竖井井壁的进、出洞技术等课题，目前均属空白第二章：盾构设备介绍一、盾构的基本构造1、盾构壳体盾壳是一个用厚钢板焊接，并用环形梁加固支承的圆柱形筒体，是盾构受力支撑的主体结构其主要作用： 一是承受地下水、土压力，盾构千斤顶的推力及各种施工荷载；二是支承和安装各类机电设备及管片；三是保护 操作人员的安全盾构机的外壳沿纵向从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口环、支承环、盾尾三部 分切口环包括刀盘、主驱动装置以及人闸支承环安装有推进油缸并支承管片拼装机盾尾后端安装有盾尾密 封，保证混凝土衬砌周边的密封性盾壳结构设计可以承受4〜10巴的流体静压力盾壳使用的材料、尺寸及其设备应与当地土质（地层中含水 和研磨材料等）中遇到的工作条件相符合除了盾尾必须焊接以外，盾构各个部件均为螺栓组装为了把盾构做得有点圆锥形，盾尾的直径要比支承环和切 口环的直径小一些更换刀具时，可以直接从人闸里进行刀盘降速操作。

图6欧洲泥水盾构的结构图⑴切口环该部位装有掘削机械和档土设备，故又称掘削档土部就全敞开式盾构而言，通常切口的形状有阶梯形、斜承形、垂直形三种切口的上半部较下半部突出，呈帽 檐状突出的长度因地层的不同而异，通常为300〜1000mm切口部的前端装有掘削刀盘，刀盘后方至隔板止的 空间称为土舱（或泥水舱）刀盘背后土舱间内设有搅拌装置土压平衡盾构土舱底部设有进入螺旋输送机的排 土口土舱上部留有添加材注入口；泥沙平衡盾构土舱底部设有进入泥浆泵的的排浆口，必要时需安装碎石机防 止大块碴石进入泥浆泵，土舱上部也留有添加材注入口用于改良碴土的流动性但是对部分敞开式（网格式）盾构而言，也有无突出帽檐的设计对自立性掘削较好的地层来说，切口的长 度可以设计得稍短一些对无自立性地层而言，切口得长度应设计得长一些掘削时把掘削面分成几段，设置几 层作业平台，依次支承档土、掘削有些情况下，把前檐做成靠油缸伸缩得活动前檐切口的顶部做成刃形对 砾石层而言，应做成T型盾构技术简介⑵支承环支承部即盾构的中央部分，是盾构的主体构造部因为要支承盾构的全部荷载，所以该部位的前方和后方均 设有环状梁和支柱，由梁和柱支承全部荷载对敞开式、半敞开式盾构而言，该部位装有推动盾构机体前进的盾构千斤顶，其推力经过外壳传到切口。

中 口径以上的盾构机的支承部还设有柱和平台，利用这些支柱可以组装出多种形式（H型、井型、 ）的作业平 台对封闭式盾构而言，支承部空间内装有刀盘驱动装置、盾构千斤顶、中折机构、举重臂支承机构等等诸多设 备⑶盾尾盾尾部即盾构的后部盾尾部为管片拼装 地下水及背后注入的填充浆液窜入该盾构内， 设置有密封装置盾尾封装形式如图13所示 的内径与管片的外径的差称为盾尾间隙，通常 小在20〜30mm之间2、刀盘⑴刀盘结构刀盘结构分面板式和辐条幅板式两种，面 为整体板状结构，上装刀具和开进碴口，辐条 式由辐条幅板所组成上面可根据地质情况安 刀、盘型滚刀或混装软硬岩刀具刮刀的形状 置利于岩土的切割和清渣刀盘的开口率也须 地质情况定，一般在20〜70%范围内，其取值 合考虑便于泥渣进入开挖室内、保持开挖面稳 保证刀盘足。