盾构法施工的特点及盾构机选型.pdf
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1、盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室盾构法施工的特点及盾构机选型盾构及掘进技术国家重点实验室2017年3月盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室四 盾构机工作原理简介汇报提纲汇报提纲三 盾构法施工工艺流程五 盾构机选型汇报提纲汇报提纲二 盾构法施工的特点一 盾构的起源及发展概述2盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室3一 盾构的起源及发展概述盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室1.盾构的起源和发展1.盾构的起源和发展1818年,法国的工程师布鲁诺尔(M.I.Brune1)受船蛆钻孔原理的启发,最早提出了用盾构法建设隧道
2、的设想,布鲁诺尔是盾构隧道的发明人,并于1825年在伦敦泰晤士河下构筑出世界首条矩形盾构工法隧道。在此后一百多年间里,因盾构机掘进速度快、质量优、对周围环境影响小、施工安全性相对较高等优点,相继在美、法、德、日和苏联等发达国家获得了广泛应用,盾构制造设计技术和盾构工法也随之日趋成熟。4盾构法隧道首创者布鲁诺尔(M.I.Brunel)盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1825年,马克布鲁诺尔第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8m,宽11.4m的矩形盾构修建第一条盾构法隧道。矩形盾构由多个邻接的框架组成,每一个框架分成若干个工作舱,每个舱可容纳一个工人独立工作并对工人起
3、到保护作用。每个工作舱都牢固地装在盾壳上,当掘进完一段隧道后,由螺杆将鞍型框架向前推进,紧接着后部砌砖。施工中遇到了坍方和水淹,1828年1月12日,第一次出现洪水停工,在经历了5次特大洪水后,历经18年直到1843年才完成了这条全长458m的隧道。(6人)5盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1869年,英国人詹尼斯亨利格瑞海德(Janes Heary Greathead)用圆形盾构再次在泰晤士河底修建了一条外径为2.18m,长402m的隧道,并第一次采用了铸铁管片。1874年,詹尼斯亨利格瑞海德(Janes Heary Greathead)开发了液体支撑隧道工作面的盾
4、构,通过液体流,土料以泥浆的形成排出。(泥水盾构的雏形)6泥水盾构的雏形圆形盾构泥水盾构的雏形圆形盾构盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 第一个机械化盾构的专利是1876年英国人约翰荻克英森布伦敦(John Dickinson Brunton)和姬奥基布伦敦(George Brunton)申请的专利。这台盾构采用了半球形旋转刀盘,开挖土碴落入径向装在刀盘上的料斗中,料斗将土碴转运到皮带输送机上。1896年,英国人普莱斯(Price)开发了一种幅条式刀盘机械化盾构,并于1897年起成功地应用在伦敦的粘土地层施工中。它第一次将格瑞海德圆形盾构与旋转刀盘结合在一起,在幅条式刀盘
5、上装有切削工具,刀盘通过一根长轴由电机驱动。7盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1896年,德国人哈姬(Haag)在柏林为第一台德国盾构申请了专利。这是一台用液体支撑隧道工作面并把开挖仓密封作为压力仓的盾构。1964年英国摩特亥(MottHay)和安德森(Anderson)及约翰巴勒特(JohnBartlett)申请了泥水加压平衡盾构的专利。1967年第一台用刀盘切削土体和水力出碴的泥水盾构在日本投入使用,这台盾构由三菱公司制造,其直径3.1m。8盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1974年第一台土压平衡盾构在日本东京使用,该盾构由日本IHI(石
6、川岛播磨)公司制造,其外径为3.72m。9盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室国外盾构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、高智能化为特色的第四代盾构。10盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室一、手掘式盾构11该盾构具有液压式伸缩工作搁架和用于机械支撑工作面的胸板,可由上而下进行开挖,并按顺序调换正面支撑千斤顶。开挖出来的土从下半部用皮带运输机装入出土车,其开挖土方量为全部隧道排土量。手掘式盾构形成的断面
7、,既可以是圆形,也可以是矩形或马蹄形日本三菱日本三菱10.92m手掘式盾构手掘式盾构盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室手掘式盾构特点(1)适用范围广,从砂性土到粘性土地层均能适用。(2)由于正面是敞开的,便于观察地层和清除障碍,易于纠偏,但若遇正面坍方,会危及人身及工程安全。(3)盾构造价低廉,发生故障也少,但掘进速度较低、效率低、劳动强度大、噪声大、劳务费用高。12目前,由于不依靠辅助施工的闭胸式盾构的广泛使用,除个别特殊场合(如采用机械化或半机械化盾构掘进不经济的短程隧道、开挖面有巨大砾石等障碍物)和部分发展中国家外,手掘式盾构已基本被淘汰。伦敦泰晤士河伦敦泰晤士河布
8、鲁诺尔布鲁诺尔盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室二、机械式、气压式盾构13与手掘式盾构相比,机械式盾构造价高,不宜用于短隧道。机械式盾构与手掘式盾构主要用于开挖面以自稳的洪积地层中;对开挖不易自稳的冲积地层也应结合压气施工、地下降水、注浆加固等辅助工法使用,目前也已基本被淘汰。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室三、闭胸式盾构14主要以泥水式、土压式盾构为代表的第三代盾构盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室四、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1517.52 m土压盾构土压盾构美国西雅图正在修建一条长2.8
9、Km的超大直径地下道路隧道,把原高架道路改为地下道路,为上下双层二来二去四车道隧道。盾构隧道直径为16.5 m,采用了日本日立造船公司制造的17.52 m土压盾构掘进施工,该盾构是世界最大土压平衡盾构。该盾构是世界最大土压平衡盾构。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构1617.6 m泥水平衡盾构泥水平衡盾构我国香港屯门赤蜡角长4.2km海底公路隧道工程(隧底水压达0.5MPa)再次打破盾构直径记录。这台混合盾构直径为17.6m,该盾构是目前世界最大泥水平衡盾构该盾构是目前世界最大泥水平衡盾构拟建的白令海峡海底隧道拟建
10、的白令海峡海底隧道长103Km,可以从俄罗斯的西伯利亚连接美国的阿拉斯加。海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道,海底隧道将由俄罗斯和美国、加拿大共同修建,拟采用拟采用19.2m盾构掘进机施工盾构掘进机施工。隧道建成后将形成从伦敦到纽约跨越四分之三个地球的终极铁路盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室2.我国盾构机的发展历程2.我国盾构机的发展历程我国盾构的开发与应用始于1953年,东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。17盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1965年3月,江南造船厂制造了2台直径5.8m的网格挤压盾构。
11、1966年5月,中国第一条水底公路隧道上海打浦路越江公路隧道工程由江南造船厂制造的直径10.22m网格挤压盾构施工。18盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1986年,中铁隧道集团开始研制半断面插刀盾构,并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。半断面插刀盾构在盾构壳体和尾板的保护下,进行地铁隧道上半断面的开挖。19盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 1987年,上海隧道股份研制了一台4.35m加泥式土压平衡盾构。1990年,上海地铁1号线工程全线开工,18km区间隧道采用7台由法国FCB公司制造的6.34m土压平衡盾构。20盾构及掘进技术国家重点实验室盾
12、构及掘进技术国家重点实验室 1996年,上海延安东路隧道南线工程,总长1300m,采用从日本引进的11.22m泥水加压平衡盾构施工。21盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 2001年,国家科技部将盾构国产化列入国家“863”计划。2004年7月15日,中铁隧道集团研制的刀盘及刀具、液压系统成功用于上海地铁2号线进行工业试验。2004年10月下旬,上海隧道工程股份有限公司制造了一台 6.3m土压平衡盾构(先行号)应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。22先行号土压盾构先行号土压盾构中铁隧道集团研制的上海地铁2号线刀盘中铁隧道集团研制的上海地铁2号线刀盘盾构及掘进技术国家重点实
13、验室盾构及掘进技术国家重点实验室 2005年12月,中铁隧道集团又研制出了适用于北京地铁砂砾复杂地层的土压平衡盾构刀盘,并成功应用于北京地铁4号线19标颐和园圆明园区间。23北京地铁刀盘北京地铁刀盘盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 中铁隧道集团有限公司承担了国家863课题“大直径泥水盾构消化吸收与设计”,完成了国外大直径泥水盾构技术的消化吸收,设计了9m的泥水盾构,完成了泥水盾构控制系统模拟试验台的设计和制造,模拟盾构直径为2.5m,是具有自主知识产权的国内唯一的实物模拟盾构试验平台。24盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 2008年4月,中铁隧道
14、集团完成863课题“复合盾构样机的研制”,成功研制了国内首台复合盾构。25盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室尤其值得一提的是,随着盾构制造技术的发展和隧道施工技术水平的提高我国在大直径的盾构建设中积累了丰富的经验:上海上中路隧采用了1台14.89m泥水盾构;上海长江隧道采用了2台15.43m泥水盾构;南京纬七路长江隧道采用2台14.9m泥水盾构;上海外滩道路隧道采用1台14.27m土压盾构;杭州钱江隧道采用1台15.43m泥水盾构;上海长江西路隧道采用1台15.43m泥水盾构;上海虹梅南路隧道采用1台14.9m泥水盾构;南京纬三路长江隧道采用2台14.9m泥水盾构;扬州瘦
15、西湖隧道采用1台14.9m泥水盾构;汕头苏埃通道工程采用2台 15.06m泥水盾构26盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室27盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室3.我国盾构产业化发展情况及面临问题3.我国盾构产业化发展情况及面临问题城市化进程的不断推进促进了我国盾构产业化的发展,截止2015年,全国39个城市正在建设地铁。保守估计截止至21世纪中叶,中国至少有20个城市将逐步建成多平面多层次的城市高速交通网络北京、上海、广州等城市在已经开通运营多条地铁线的基础上,仍以每年数百亿元的投资速度推进。以北京市为例,北京市城市轨道交通2020年线网由30条线组
16、成,总长度为1177公里;远景年线网由35条线路组成,总长度1524公里;20152021年将建设12个项目,总长度262.9公里,计划总投资为2122.8亿元。28盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室(1)盾构装备制造领域 在巨大的盾构市场需求拉动下,国内盾构制造企业迅速崛起。国内已有中铁工程装备集团有限公司(简称“中铁装备”)、中国铁建重工有限公司(简称“铁建重工”)、上海隧道工程股份有限公司机械制造分公司(简称“上海隧道”)、中交天和机械有限公司(简称“中交天和”)、北方重工、三一重工、大连重工-起重、二重、广重、北京华隧通、首钢、天地重工、杭州锅炉厂、上海沪东厂、上
17、海重型机器厂、资阳南车集团、江苏凯宫隧道、安徽凯盛重工、重庆大安重型钢结构公司等近30家企业涉足盾构制造业。其中最具竞争优势的是中铁装备、铁建重工、上海隧道、中交天和4家企业29盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 中铁装备:中铁装备:盾构年产100台套,先后被列入国家火炬计划高新技术产业,工信部品牌培育示范企业,以及河南省10家创新方法示范企业,50家重点培育的装备制造企业,盾构TBM市场占有率连续3年保持国内第一,建有“河南省盾构成套装备工程技术研究中心,”参与建设“盾构及掘进技术国家重点实验室”。30盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 铁建重工:
18、铁建重工:盾构年产100台套,在湖南长沙、株洲、四川隆昌、甘肃兰州、新疆乌鲁木齐等地建立了多个制造基地,在长沙、北京、兰州等地建立了11个研究院,先后多次承担和参与国家“863”计划、国家科技支撑计划项目、国家重点新产品计划及多个省市科技重大专项,率先在隧道装备行业中通过国家级企业技术中心认定,组建了“国家级企业技术中心”和湖南省地下掘进装备工程技术研究中心”。31盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 中交天和:中交天和:中国交通建设有限公司成员公司,2010年4月建址江苏常熟,具备年产盾构40台套的生产能力;江苏省高速技术企业,建有“江苏省盾构关键技术工程技术研究中心”。
19、北方重工:北方重工:盾构年产50台套,2007年并购法国NFM公司后,成为跨国经营企业,建有“全断面掘进机国家重点实验室”。32盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室(2)盾构施工领域 在国内盾构施工领域中,中铁隧道集团有限公司是国内盾构机保有数量和涉及制造商最多、种类最齐全的专业集团,使用的盾构主要有中铁装备、海瑞克、NFM、小松、罗威特、维尔特、铁建重工等品牌。中铁隧道集团有限公司盾构包括用于武汉长江公路隧道;北京铁路地下直径线隧道;广深港铁路客运专线狮子洋隧道使用的大直径泥水盾构;长株潭城际铁路湘江隧道使用的大直径土压平衡盾构;北京、广州、深圳、成都、重庆、长沙、武汉、
20、西安、郑州、杭州、天津、沈阳等城市地铁使用的土压平衡盾构或泥水盾构等。中铁隧道集团有限公司目前各品牌盾构保有共计70台(不含TBM)。33盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室(3)盾构行业发展面临问题3420世纪6080年代盾构工法逐渐发展完善,国际上产生了多种新型盾构工法,并以泥水式、土压式盾构工法为主。这期间国内盾构技术也获得了快速发展,部分技术指标接近或达到国际同类水平。虽然我国的隧道及地下工程建设取得了很大的成就,但在环境保护、地下空间资源开发的管理、施工管理信息化水平、盾构基础理论研究、关键零部件国产化研究和盾构前沿技术研究方面存在一些亟待解决的问题,具体表现在:
21、(1)地下空间资源开发管理问题突出,地下空间资源开发建设没有统一规划。(2)盾构相关基础理论知识薄弱,缺乏准确可靠的理论分析计算方法和模型。(3)缺乏系统的符合中国国情的设备适应性设计理论。(4)整体装备水平低,关键零部件及软件系统无法自主加工(或开发)。(5)信息化建设水平落后。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室35 按断面形状分类盾构根据其断面形状可分为:单圆盾构、复圆盾构(多圆盾构)、非圆盾构。其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构。非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”4.盾构机的分类4.盾构机的分类盾构及掘
22、进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室 中铁工程装备集团有限公司为蒙华铁路白城隧道制造的马蹄形盾构,盾构刀盘呈倒“U”形,远观形似马蹄而因此得名。该台马蹄形盾构刀盘高10.95 m、宽11.9 m。36盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类37盾构直径0.22m微型盾构24.2m小型盾构4.27m中型盾构712m大型盾构12m以上超大型盾构一般的城市地铁长株潭城际铁路佛莞城际铁隧道佛莞城际铁路新狮子洋隧道现在也有将14m的盾构机叫作大直径盾构机,将(1617)m级的叫作超大直径盾构机盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实
23、验室佛莞城际铁路项目泥水盾构,开挖直径13.6m38盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室日本东京湾海底隧道工程日本东京湾海底隧道工程世界上第一个直径大于14m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程。隧道长9.4 Km,采用8台14.14 m泥水盾构掘进施工,于1996年竣工39东京湾道路隧道东京湾道路隧道14.14m泥水盾构泥水盾构盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类 按支护地层的形式分类40盾构按支护地层的形式分类,主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式,土压平衡支护式五种类型。盾构及掘
24、进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类 按开挖面与作业室之间隔板构造分类41土压平衡式:适用于含水量和颗粒度组成比较适中,开挖面土砂可直接流入土仓及螺旋输送机内,形成压力梯度,维持开挖面稳定;加泥式土压平衡盾构:针对砂粒含量较多而不具有流动性的土层,需添加水、泡沫、膨润土等材料进行土体改良,改善渣土流塑性。盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类 按按施工环境分类按施工环境,可分为软土盾构和复合盾构两类。其中:1)软土盾构:)软土盾构:是指适用于未固结成岩的软土、某些半固结成岩及全风化和强风化围岩条件下的
25、一类盾构,其主要特点是刀盘仅安装切削软土用的切刀和刮刀,无需滚刀。2)复合盾构:)复合盾构:是指既适用于软土、又适用于硬岩的一类盾构,主要用于既有软土又有硬岩的复杂地层,其主要特点是刀盘既安装有用于软土切削的切刀和刮刀,又安装有破碎硬岩的滚刀,或安装有破碎砂卵石和漂石的撕裂刀42盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类目前,敞开式和半敞开式盾构已逐步被淘汰,应用最广的是泥水盾构和土压平衡盾构。43手掘式网格式机械式半机械式盾构及掘进技术国家重点实验室盾构及掘进技术国家重点实验室4.盾构机的分类4.盾构机的分类44土压平衡盾构机泥水平衡盾构机盾构及
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