盾构机背景知识

盾构刀具堆焊层设计与}r}能研究

1.1课题背景

我国中东部城市人口密集，交通状况口益紧张，公共交通系统迫待完善。目前世界上一些大城市，如伦敦、巴黎、东京等的居民公交出行比例都在}o%到80%左右，Ifu北京地区居民乘坐地铁和地面公交的比例刚到3 0%，地铁轨道交通

的医乏是一重要原因。2001年开始，北京地区开始进行大规模地铁隧道建设，据规划，北京地区将在未来几年内新建8条地铁线路，总长200余公里，建设任十分务艰巨。此外，我国20余个大中型城市也将在未来几年开始地铁隧道建设。

在人口密集的繁华闹市内进行地铁隧道挖掘，既不能用明挖法施工，又不能用矿山法施工，最好的选择就是后构法。)舀构是后构机的简称，是一种暗挖隧道

用的工程机械。)舀构施工是在一个能支撑地层压力}fu又能在地层中推进的圆形(或矩形和马蹄形等特殊形状)钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护后的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷[y。采用后构法施工，既可避免对地面大开挖，又可减少噪音;既能提高速度，又能降低造价;既可保证安

全质量，又不受气候影响。美国、德国、英国、法国、口本、等许多发达国家普遍采用这种施工法。

地铁五号线是首次将后构施工法应用十北京城市地铁隧道建设，地铁后构施工的关键设备是后构掘进机。北京地铁五号线施工用的土压平衡(Earth Pressure Balance EPB)舀构机是耗资4800万兀左右从德国引进的最新大型机械。经试

验段的地下隧道后构施工，积累了大量经验和实验数据，也显现出一些问题。)舀

构机的零部件还需要进口，Ifu作为消耗品的后构刀具更是成为影响施工工期和施

工成本的一个重要问题。围绕提高后构机刀具的使用寿命开展研究，进}fu实现后

构机刀具的国产化已成为急待解决的问题之一。本课题就后构机刀具的修复及国产化进行了研究，刀具刃口的修复方法选择堆焊，材料的选择方面，结合课题组的研究经验和后构机刀具的性能要求选择为药芯焊扮。目前，北京地区四号、五号和十号线二条线路中在役或曾经服役的后构机近20台。表1-1为截至到2004 年12月北京地铁四号、五号和十号线工程中在役的土压平衡后构机一览表。

2盾构技术简介

2.1盾构技术的历史、发展现状

1818年，法国工程师Marc Isambard Brunel}2]从食船虫在船底板上打洞这一现

象中受到启发，研究发明了后构施工技术，并中请了专利，这就是所谓的开放型手掘后构的原型。19世纪末到20世纪中叶后构工法相继传入美国、法国、德国、口本、苏联等国，并得以不同程度的发展。20世纪60-80年代后构工法继续发展完善，成绩显著。这一时期后构技术的发展主要是开发了多种新型后构工法，以泥水式、土压式后构工法为主，口本在这方面的研究逐渐走向了世界的前端f=}l

20世纪90年代至今，)舀构施工技术的进步极为迅速。归纳起来有以下几个特点:①)舀构隧道长距离化、大直径化;②)舀构多样化;③施工自动化。目前，)舀构技术的发展主要有以下特点:

(1)当前是泥水后构、土压后构技术的普及和推广时期，但有些技术细节

有待完善及改进。如舱内注入泥水、泥土成分配比，注入压力;出泥、出土的速度等参数的优化选取;排出泥水的分离处理;排出废泥的处理及再利用等。

(2)多种特种后构工法的相继问世，大大地扩展了后构工法的应用范围，

使后构工法的前景更加宽广。但由十这些特征工法问世的时间不长，存在的施工实例不够多，细节仍有待改进。

C3)近年交通工程、下水道工程、共同沟工程存在大直径后构隧道的构建

需求，所以大直径、长距离、高速施工等施工措施、施工设备的研发和成功应用也较为迫切。

后构工法今后的开发动向有以下二个方面}4_5}.

}1)完善近年推出的新工法、新工艺的技术细节，使之提高成熟。

}2)加速后构工法的自动化进程。

C3)为适应大深度、高地下水压、大口径化、长距离化、施工自动化、施

工高速化、断面多样化等需求，需开发崭新概念的工法、工艺、材料、管理系统。

1.2.2盾构技术在我国的应用

19s6年我国在申‘新海州露天煤矿用直径2.6m的手掘式后构及小混凝土预制

块修建疏水巷道[f}l，这是我国首条用后构掘进机施工的隧道。19s7年北京市下水

道工程采用直径2.0m和2.6m的后构进行施工。20世纪60年代到90年代，)舀构技术在我国的应用与研发主要集中在上海[7]。2000年以来，广州、北京在后构

技术的应用方面也迅速发展起来。目前北京市地铁施工使用的主要是土压平衡后构法，其工作原理见图1-10

土压平衡后构法是目前世界上最先进的后构施工技术，对城区地铁等隧道建

设有施工效率高、噪音小、安全可靠以及对地面影响小等的优点[fgl，尤其适合十

目前北京城区地铁隧道的暗挖施工。北京市五号线地铁后构施工所采用的刀招‘外

径为6.19米的土压平衡式后构机的相关参数见表1-2 0

1.2.3盾构机刀具在我国的研究现状

后构施工法在我国先后用十上海、广州等城市地铁隧道建设，目前，在北京、天津、深圳、南京、西安等城市地铁隧道建设中大规模应用。由十后构机的技术附加值高、制造工艺复杂，国际上只有德国、口本的几家企业能生产，每台售价高达400万到600万美兀。2004年，德国海瑞克公司和北京首钢联合在北京建立了后构机生产基地，2005年9月二台后构机下线。在后构机的选型和工程应用方面，我国积累了大量的经验和工程数据，在后构机的关键部件的研发方面，我国几乎还是空白。作为后构施工消耗品之一的后构机刀具，类型繁多，结构复杂，在不同的地层特征下有着不同的性能要求，我国专门针对后构机刀具的研究在2003年以前也鲜见报道。随着北京地区地铁后构施工的开展，针对北京地区独特的地质特征，2002年开始，以北京工业大学为首的课题组展开了对北京地