盾构概述

利用盾构施加于开挖舱内渣土的压力平衡开挖面水土压力
土压平衡盾构原理
Earth pressure distribution diagram
Excavation chamber
100%
Low pressure gradient
95%
Screw conveyor Injection
90%
0%
50% 70% 80% Discharge Without injection
•1962年2月，中国上海隧道建设公司开始启动塘桥试验隧道工程。试验 获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。 • •1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司开发出来。土压平衡 盾构的开发比泥水盾构要晚得多，开发土压平衡盾构是因为在日本许多 大城市中对环境有严格的规定及法律。土压平衡盾构的出现，迅速在日 本大城市的地下铁道、上下水道、电力通讯设施的隧道工程中得到了大 量的应用。
盾构的历史
• 1985年，Wayss &.Freytag公司和Herrenknecht公司申请了一台称之为“混合盾构”的组合盾构专利。 该混合盾构隧道掘进系统的基本机器如图所示，它是Wayss＆ Freytag公司专利的液力盾构，采用了 独特的沉浸墙／压力舱壁布置。通过旋转喂料器可以转换到土压平衡模式或压缩空气模式。混合盾构 的专利至今主要用在泥浆模式下。
• 日本体系泥水盾构的泥浆 压力，在循环掘进时，通 过调整进浆泵的转速或者 调整进浆泵出口节流阀的 开口比值来实现压力控制 的。因此掘进速度、地层 变化、掘进深度及其掘进 长度对压力均有影响。调 节泵的压力是通过中心控 制室的自动调节完成。
• 德国体系的空气室的压力是 根据开挖面需要的支护泥浆 压力设定的，空气压力可通 过空气控制阀使压力保持恒 定。同时由于空气缓冲层的 弹性作用，即使液位波动或 出现突然的泄漏，对土仓压 力也无明显影响。
• 间接控制型泥水平衡盾构与直接控制型相比，控制 系统更为简化，对开挖面土层支护更为稳定，对地 表沉陷的控制更为方便。
区分
• 泥水盾构与土压盾构工作系统和结构上，有很 多相同之处，这里以德国体系的泥水盾构为例 ，介绍泥水盾构特有的系统，主要内容包括盾 构结构简单介绍、泥水平衡原理、泥水循环系 统、气体保压系统、泥水处理系统等。
• 泥水盾构分为英国体系、日本体系和德国体系。 目前使用比较广泛是日本体系和德国体系。日本 体系为直接控制模式，由泥浆液体直接支护开挖 面并提供维持平衡压力的盾构，德国体系是间接 控制式盾构，其通过支护液体的压力插入一个空 气缓冲层加以控制，即通过空气缓冲层的压力控 制，间接控制开挖面的压力。
两种泥水盾构的主要区别
盾构的历史
• 1987年，上海市南站过江电缆隧道工程，成功应用我国第一台直径 4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。 • 1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构 • 1995年，北京地铁复八线成功应 用一台北京地铁建设公司和铁道 部隧道局自行研制的半断面插刀 式盾构
盾构的历史
• 2000年2月，广州地铁2号线海珠广场至江南新村区间隧道采用上海隧道股份改 制的两台直径6.14m复合型土压平衡盾构，在珠江底风化岩地层中掘进。 • 2000年4月，北京地铁5号线工程进行区间隧道盾构掘进试验工程，引进一台德 国海瑞克公司的土压平衡盾构掘进机。南京地铁1号线区间隧道也选用三台土 压平衡盾构掘进机。 • 2001年5月，广州地铁2号线开始引进德国海瑞克公司的复合式土压平衡盾构机， 使用获得巨大成功。至此，盾构施工技术开始在全国范围内在地铁建设和其它 领域得到广泛的应用。
泥水循环系统
泥水循环系统的控制包括 • 泥浆循环模式的选择 • 泥浆循环参数选择 • 泥浆碎石处理 • 管路延伸以及止浆处理等。 泥浆循环模式介绍 • 泥浆循环的方式包括旁通模式、开挖模式、反 循环模式、隔离模式和长时间停机模式。
旁通模式
• 这个模式是待机模式，用于盾构不进行开挖时执行其它功能。这个模 式也用于当盾构从一种功能切换到另一种功能时。特别是，旁通功能 是用于安装管片衬砌环的情况。它使开挖室被隔离。在旁通模式，各 泥浆泵都根据泵的超载压力和所要求的排渣流量所控制的转速保持旋 转。
泥水平衡盾构机的工作原理
开挖泥水舱
气压调节舱 气压调节管 进泥管
排泥管
• 2、泥水盾构施工的特点：
–在易发生流沙的地层中能稳定开挖面，可在正常大气 压下施工作业； –泥水传递速度快而且均匀，开挖面平衡土压力 的控制 精度高，对开挖面周边土体的干扰少，地面沉降量控 制精度高； –盾构出土，减少了运输车辆，进度快；刀盘、刀具磨 损小，适合长距离施工； –刀盘所受扭矩小，更适合大直径隧道施工； –适用于软弱的淤泥质粘土层、松散的砂土层、沙砾层 、卵石层和硬土的互层等地层。特别适用于地层含水 量大、上方有水体的越江隧道和海底隧道。
– 一种是当一段隧道挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进； – 另一种方法是每一个单元格能单独地向前推进。
•
第一种施工法后来被采用，并得到推广应用，演变为成熟的盾构法，目前所有的封闭式 盾构都是基于第一种方法。此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成封
闭式盾壳用全断面螺旋式开挖，衬砌紧随其后的。它可以被认为是土压平衡盾构（EPB
刀
盘
土压平衡盾构结构
前
体
土压平衡盾构结构
前
体
土压平衡盾构结构
中
体
土压平衡盾构结构
盾
尾
土压平衡盾构结构
• 盾尾密封 • 同步注浆孔
盾尾密封
土压平衡盾构结构
人员舱
土压平衡盾构结构
螺旋输送机
土压平衡盾构结构
管片安装机
泥水平衡式盾构的基本原理和特点
• 1、泥水平衡式盾构工作原理 该型式盾构是在机械式盾构的刀盘的后侧，设置一道 封闭隔板，隔板与刀盘间的空间定名为泥水仓。把水、粘 土及其添加剂混合制成的泥水，经输送管道压入泥水仓， 待泥水充满整个泥水仓，并具有一定压力，形成泥水压力 室。通过泥水的加压作用和压力保持机构，能够维持开挖 工作面的稳定。盾构推进时，旋转刀盘切削下来的土砂经 搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地 面泥水分离系统，将碴土、水分离后重新送回泥水仓，这 就是泥水加压平衡式盾构法的主要特征。因为是泥水压力 使掘削面稳定平衡的，故得名泥水加压平衡盾构，简称泥 水盾构。
3 1
4 2
泥水盾构主机图
泥水平衡盾构机的主要结构
刀盘及切口环 支撑环前端 支撑环后端 盾尾
切削刀盘
刀盘驱动马达
排浆泵 操作控制台
环片拼装机 推进千斤顶 密封油脂装置
气锁室 密封隔舱板
压力夹舱
• 主机前体部分为两个仓室，分别是泥水仓（或称刀盘仓） 和气垫仓。其中泥水仓掘进时一般充满泥水，气垫仓在掘 进时一般底部为泥水，上部为压缩空气。泥水仓主要功能 为切削渣土的携带，气仓的主要功能为储存足够体积的压 缩空气，以保证压力稳定的需要。 • 碎石机结构：在气仓底部设置排浆口，在排浆口布置有专 用的碎石结构即碎石机，对大颗粒的岩石进行破碎，避免 大颗粒进入泥浆循环系统损坏相应部件。 • 泥浆门结构：泥浆门布置在泥水仓和气仓之间的隔板底部 ，主要作用是通过泥浆门的关闭，将气仓和泥水仓隔离， 使作业人员能在长压下进入气仓，在气仓里进行维修或检 查等作业。泥浆门的布置位置有所不同，海瑞克和NFM 有所不同。海瑞克的布置在气仓侧，NFM公司的布置在 泥水仓内。
国内盾构制造现状
• 上海隧道股份机械厂已经能够设计、生产日系盾构机，主要应用于上海、南京 一带的软土隧道施工。上海隧道股份机械厂还可以独立设计制造管片模具。 • 做为国家863计划重点扶持项目之一，中铁隧道集团、上海隧道股份有限公司 已开始国产盾构机的研制，中铁隧道集团已和日本小松、德国威尔特公司合做 生产了一台盾构机、一台全断面硬岩TBM。
• •
混合盾构专利（Wayss & Freytag） 异形盾构：1986年日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构，又称双头型泥水盾构或双连体泥水盾 构, 这台双圆泥水加压式盾构是由两个直径7.42m的盾构组合而成，盾构横向总宽度为12.19m，刀盘 呈半重叠状。1988年用于日本新建京叶线的京桥双线隧道施工，长度约620m。
12
C B-B C-C
16 11
X
8
5
13 14 15
18 12 10
6
17
1 刀盘
2 开挖舱 3 主驱动轴 4 减速器
6 螺旋输送机 7 螺旋输送机驱动 8 调向油缸 9 铰接密封
11 电机 12 主电控柜 13 ELS 激光靶 14 推进缸
16 螺旋输送机出料门 17 液压绞盘 18 碴车
5 驱动马达
• 德国海瑞克公司已在广州建立分厂，并和大连重工合作生产盾构机
• • 德国威尔特公司已和沈阳重工合作生产盾构机及TBM。 日本三菱、小松及石川岛已和上海造船厂、沪东造船厂等合作生产多台盾构机
二、不同类型的盾构工作 原理及基本构造
盾构机的分类
A类
盾构掘进机类型及功能
盾构掘进机类型及功能
土压平衡盾构原理
Hale Waihona Puke Baidu
• 由于此时开挖室没有泥浆的供给，因此理论上并不需要控制泥浆\气 垫界面液位。然而泥浆\气垫界面的液位可能由于水从界面上流失或 进入而发生变动。在这些情况下，可能需要补充泥浆（只要注入管道 压力许可的话）或排出泥浆以调整这个液位。
盾构概述
2009年6月
目
录
1、盾构简介 2、不同类型盾构的工作原理及基本构造 3、工程地质与盾构选型 4、盾构施工
一、盾构简介
常用隧道施工方法
常 用 隧 道 施 工 方 法
明挖法
矿山法 TBM硬岩掘 进机 盾构
掘进机
（Tunnel Boring Machine）
盾构的历史
• 1803年，法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）在伦敦从船蛀在船板上 蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。 • 布鲁诺尔构想的盾构机械内部结构由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人 独立工作并对工人起到保护作用。采用的方法是将所有的单元格都被牢靠地装在盾壳上。 当时设计了两种施工方法：
10 油箱
15 闸门
EPB盾构主机结构
刀盘 切口环 支撑环 盾尾 盾尾密封 盾尾密封
人员舱
主轴承
主驱动
推进缸
管片安装机
EPB主机结构图（二）
EPB总体结构图
土压平衡盾构主机结构
前体 中体 人员舱 堆进缸 铰接密封 盾尾 盾尾密封 管片
刀盘
主轴承
主驱动
螺旋输送机
管片安装机
皮带输送机
土压平衡盾构结构
Shield）的先行者。
盾构的历史
1825年～1843年
布鲁诺尔注册专利的盾构，1806
1882年1月12日泰晤士河底隧道施工时涌入水
盾构的历史
•1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构法的 国家。
•1957年，北京下水道工程曾经设想使用盾构法，采用直径2m或2.6m的盾 构进行施工，由于种种原因未能实施。 •1959年，用液体泥水支撑隧道工作面的想法由噶登纳成功地试用于一条 直径为3.35m的排污隧道。
85%
Earth Pressure 100% 80%
Plug area
With injection
50% 70% 0%
Tunnelling Equipment
土压平衡盾构渣土压力分布图
土压平衡盾构结构原理
A
1 8 9 12 7 3 2 4 6 5 10 17 11 15 16
B
C
X
18
A
1
B A-A
盾构现状
• 全世界有大约12个知名的盾构主机生产厂商，包括德国的三家；法国 一家；美国和加拿大各一家；日本六家；日本真正开始应用盾构也不
超过40年时间，但发展迅猛，迄今为止已经有超过5000台盾构投入
使用。当然，制造盾构的远远不只这些厂家。 • 最大直径15.2米，最小0.2米，目前有60%以上是土压平衡盾构 • 施工进度水平：根据不同类型的盾构，施工进度水平不同，最大进度 的统计可能要算是英国西思罗机场（swot）2.91米的直径的泄洪隧 道，最大施工日进度72米，平均日进度50米。
1、泥水盾构结构简单介绍
•
泥水盾构结构主要包括刀盘、前体、中体、盾 尾、主轴承、人仓、安装机轨道梁、管片安装 机和吊机、拖车结构以及在拖车上布置的设备 包括控制室、空压机、电器设备、水泵水箱、 泥浆管延伸装置等。不同的盾构厂家，其布置 不同。
泥水平衡盾构机的主要结构
• • • • 1.半隔板 2.工作舱 3.气垫层 4.隔板