地铁盾构机械组成详解及安装调试(讲课)
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第1节 盾构法隧道的起源
• 1802年,英国采矿工程师 阿贝尔· 马蒂厄提出修建英 吉利海峡隧道的计划,设 计从英法两岸用一种有掩 体结构的挖掘机修筑隧道 (图1—2),每侧各挖掘 18.7km,最后在瓦恩· 班克 浅滩对接贯通。他建议在 海峡地下通道的中间设计 一个人工岛,隧道的照明 由油灯提供.而烟囱将提 供通风。
• 1803年法国工程师布鲁诺尔完善 了构思,注册了专利(图1—3) • 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牢靠地装 在盾壳上。当时设计了两种施工 方法,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 种施工方法被采用,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这 种方法。 • 此后,布鲁诺尔逐步完善了盾构 结构的机械系数,设计成用全断 面螺旋式开挖的封闭式盾壳,衬 砌紧随其后的方式(图1-4)。
• 截止到2010年3月1日,桥隧公司共承揽7个盾构施工项目, 合计工程量20943.75米,已完成17907.482米;未完成 3036.268米。 1)天津地铁二号线第十合同段项目: • 本标段盾构区间包括【红星路站~靖江路站】盾构区间、 【靖江路站~翠阜新村站】2个盾构区间,盾构区间设计 总长度为2879.81米。采用1台盾构机掘进,目前已全部完 成施工; 2)天津地铁二号线第九合同段项目: • 本标段盾构区间包括【红星路站~新开路站】盾构区间、 【新开路站~天津站】2个盾构区间,盾构区间设计总长 度为3286.241米。采用2台盾构机掘进。 • 目前已完成【红星路站~新开路站】区间1968.023米隧道 掘进;
②土压平衡式盾构施工工艺流程图
施工准备 生活设施完善
地面配套设备安装 盾构就位
盾构出洞
三通一平
后盾支撑布置
wk.baidu.com
盾构安装调试
盾构基座安置
洞门处理,土体加固
出洞(防水)装置安装就绪装置 始发井排水装置安装就绪 施工参数测量采集 轴线控制 盾构推进 注浆 盾尾油脂加注 出土 开启螺旋输送机和排土口 皮带输送机输送 管片拼装 盾构进洞 数据反馈
联接螺旋输送机
中盾
铰接油缸 推进油缸
前盾和中盾用 螺栓固定,并焊接 在一起。在中盾安 装有推进系统的32 个推进油缸,以及 起连接盾尾作用的 14个铰接油缸(这 种铰接连接可以使 盾构机易于转向)。
盾尾
盾尾的外型像一 个圆筒,它通过14个 铰接油缸与中盾连接 起来。在盾尾中集成 有注浆系统管路,给 管片环形间隙用浆液 注浆。
刀盘 前盾 中盾 盾尾
盾体是由刀盘、前盾、 中盾和盾尾通过螺栓 连接组成的。刀盘直 径6.39m,前盾,中盾, 盾尾的外径分别是 6.39m、6.38m、6.37m。
刀盘
刀盘是一个带有多个进料 槽的切削盘体,位于盾构机的 最前部,用于切削土体。刀盘 的开口率约为28%,刀盘直径 6.39m,也是盾构机上直径最 大的部分。刀盘驱动可以使刀 盘在顺时针和逆时针两个方向 上实现0~2.51转/分钟的无级 变速。
第二章 盾构机的分类
1、 按照平衡开挖面的方式 A、插板式 B、挤压网格式 C、土压平衡式 D、泥水加压式 E、加泥式/加水式
2、按照机械化程度 A、人工 B、机械化 C、全自动化 3、按照施工过程中的运输方式 A、皮带传送 B、泥浆泵 C、手工挖小车推 4、 按照掌子面敞开程度 A、全敞口 B、半敞口 C、全封闭( 面板式、幅条式) 5、 断面形式 A、单圆 B、双圆 C、三圆 D、矩形 E、球形
• • • • •
1966年,泥水加压盾构问世; 1974年,土压平衡盾构EPB; 1976年,铰接式盾构; 1986~1988年,双圆、多圆断面盾构MF; 1993年,球体盾构、扩径盾构;
第3节 国内盾构隧道的发展
• 1962年2月,中国上海市城建局隧道处开始 塘桥试验隧道工程:采用直径为4.16m的 一台普通敞胸盾构,在两种有代表性的地 层下进行掘进试验,用降水或气压来稳定 粉砂层及软粘土地层。在经过反复的论证 和地面试验之后,选用由螺栓连接的钢筋 混疑土管片作为隧道衬彻,环氧煤焦油作 为接缝防水材料试验获得成功,并采集了 大量盾构法隧道数据资。
第三章
盾构机介绍
目前国内常用的盾构机主要分为三种: • 1)土压平衡式盾构机 • 2)泥水加压式盾构机 • 3)土压平衡加泥式盾构机 按照盾构机制造厂家主要分为3个地区: • 1)日本(小松,川崎,日立等厂家) • 2)欧洲(德国海瑞克,维尔特等厂家) • 3)北美(罗宾斯) 按照国内管片尺寸,盾构机分为2种尺寸: • 外径6.2米管片,盾构机刀盘尺寸一般在6.35米-6.4米(主 要在上海及长三角地区使用,以及天津等) • 外径6米管片,盾构机刀盘尺寸一般在6.14-6.25米(主要 在北京,西安,郑州,武汉,广州,南昌,长沙,广东地 区等)
2)铁科公司:共计2台。 • 2008年7月,从日本小松公司采购 TM614PMX土压平衡式盾构机2台 ,用于 西安快速轨道交通2号线施工; 3)四公司:共计3台。 • 2009年10月从日本日立公司采购TS6150BI 土压平衡式盾构机3台 ,用于北京地铁6号 线施工;
第5节 桥隧公司已承揽的 盾构施工工程介绍
第4节 集团公司盾构机简介
• 集团公司共计有11台,其中 1)桥隧公司:共计6台。 • 分别于2005年2月和4月,从德国海瑞克公司采购 S-283和S-284土压平衡式盾构机2台 ,用于南京 地铁二号线04标和天津地铁二号线10标; • 2008年2月和4月,从德国海瑞克公司采购S-425 和S-426复合式土压平衡盾构机2台,用于南京地 铁一号线南延线TA05标; • 2008年8月和9月,从德国海瑞克公司采购S-477 和S-478泥水加压式盾构机2台,用于广佛地铁施 工4标;
第2节 国外盾构机的发展
• • • • • 1825年,盾构机首次使用; 1830年,使用气压的半机械式盾构; 1840年,能够壁后注浆的机械式盾构; 1865年,圆形挤压式盾构; 1866年,莫尔顿申清“盾构”专利 盾构最初称 为小筒(cell)或圆筒(cylinder),在莫尔顿专 利中第一次使用了“盾构”(shield)这一术语; • 1825~1911年,为世界早期盾构法隧道发展时期。 • 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。
盾构机主要以下系统组成,分别是推进及铰接系统、刀盘及驱动系统、管片拼 装系统、排土系统、同步注浆系统、泡沫及膨润土系统、集中润滑系统、盾尾密封 系统、水冷却系统、工业用气系统、土仓保压系统、电气及中央控制系统、数据采 集系统、SLS-T隧道激光导向系统,这些系统分别安装在盾构机的盾体和车架上。
下面分别介绍如下: 盾体:
1)土压平衡式盾构机的工作原理及工艺流程 ①工作原理
土压平衡式盾构机是利用安装在盾构 机最前面的全断面切削刀盘,在刀盘 扭矩力和推进油缸推力的作用下,将 盾构机向前推进。随着推进油缸的向 前推进,刀盘持续旋转,将正面的土 体切削下来通过刀盘上的开口,进入 到刀盘后面的土仓内,通过配备的泡 沫、膨润土系统对充满土仓的切削土 体进行改良,形成具有流动性的膏状 土体。并使仓内具有适当的压力与开挖面的土压力和水压压力平衡,以 减少盾构推进对地层土体的扰动,从而控制地表沉降。 与此同时,安装在土仓下面的螺旋输送机进行连续排土作业,螺旋输送 机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上,后由皮带输送机运输至渣土 车的土箱中,再通过竖井运至地面。 盾构机掘进一环的距离后,拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌 管片,使隧道一次成型。
地铁盾构机械组成详解 及安装调试
中铁三局集团有限公司 桥隧公司盾构科研所
第一章
盾构施工发展历史
前言 • 进入21世纪,世界经济的迅猛发展加速了城市化建设。随 着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加,地面可利用 空间越来越少,而地下又布满了各种用途的管线,所以, 如何更有效利用和创造地下空间已成为当今城市现代化建 没的重要课题,采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳 选择。 • 城市化建设带动了社会文明的发展,人文自然景观留在地 面。而发电厂、储存库、安全区、管道、隧道等地下都市 设施都建在地下,采用盾构施工技术掘进隧道的方法也得 到了不断的完善。 • 基础设施密集的大都市中心区利用率较高,大都市中心区 的基础设施和较高的利用率的地区,对创造地下空间提出 了更多更高的要求,大深度、长距离、狭空间隧道开挖技 术的开发和利用是决定现代都市可持续发展的重要因素。
• 1966年,上海打浦路隧道(手掘式盾构); • 1984年,上海地铁一号线(网格式盾构); • 1994年,上海延安东路南线隧道(土压平衡式盾 构); • 1995年,广州地铁采用适合软硬岩交互地层的混 (复合型盾构); • 1997 年,秦岭隧道中铁18局 TBM Wirth AG (TB850/1000E); • 1999年,黄河万家寨双护盾(Robbins 180型); • 2003年,上海地铁杨浦线(泥水平衡式盾构) • 2005年,上海隧道股份 863计划直径6.34m 国产 自主知识产权盾构 • 2005年,上海上中路隧道、沪崇苏隧道直径 14.80m、 15.43m泥水盾构。 • 2009年,中铁隧道股份863计划直径6.39m 国产 自主知识产权盾构。
前盾
联接人闸
前盾的外型像一个圆筒, 在其内部安装有用于支撑刀盘 主驱动装置和螺旋输送机的钢 结构。排土系统中的螺旋输送 机的安放位置是向上并与水平 轴线有一个角度,一直延伸到 盾尾,直到皮带运输机。 在前盾中还安装有土仓保 压系统的人行闸,它的作用是 当掘进过程中刀具磨损,工作 人员进入到土仓检察及更换刀 具时,要使用人行闸。
施工参数调整 浆液车送浆 地面浆液站拌浆
排土到出土渣车里 成环测量 出土渣车运输出土 基座安装 洞门处理,土体加固 贯通测量
管片运输
接收井排水装置安装就绪 隧道端头封墙
拆吊盾构,车架及其它设备 盾构区间完成
2)盾构机的组成
刀盘 前盾 中盾 盾尾 通风系统 车架1 车架2 车架3 车架4
车架5
连接桥
3)南京地铁二号线TA04标项目 • 本标段盾构区间为【中和村站~元通站】,盾构区间设计 总长度2885.301米,使用1台盾构机掘进,目前已完成掘 进; 4)南京地铁一号线南延线TA05标项目 • 本标段盾构区间为【岔路口站~南京南站】,盾构区间设 计总长度4104.608米,采用2台复合式盾构机掘进,目前 已完成掘进; 5)广佛线施工4标 • 本标段盾构区间包括【祖庙~普君北路站】、【普君北路 站~朝安站】、【朝安站~桂城站】3个盾构区间,盾构 区间设计总长度为4960.027米,使用2台泥水式盾构机掘 进,目前已完成掘进; 6)南京地铁一号线东延线TA01标项目 • 本标段盾构区间为【马群站~紫金山站】,盾构区间设计 总长1152.665米,使用1台盾构机掘进,目前已完成掘进; 7)苏州地铁一号线I-TS-09标项目 本标段盾构区间为【广济路站-养育巷站】,【养育巷站人民路站】盾构区间,设计总长1675.098米,使用1台盾 构机掘进,目前已开始掘进;
第1节 土压平衡式盾构机简介
刀盘 前盾 中盾 盾尾 通风系统 车架1 车架2 车架3 车架4
车架5
连接桥
德国海瑞克公司土压平衡式盾构机,型号为EPBφ6390,其最大直径为6.39m,总长77m, 总重量约406t,总配置功率1013kW,最大掘进扭矩5300kN· m,最大推进力为30000kN,最 大掘进速度可达8cm/分钟,最小水平转弯半径250 m。 本盾构机采用西门子公司的S7-400 PLC自动控制系统控制,配备了机电一体化的液压 驱动系统、同步注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、管片拼装设备、隧道激光导向设备等, 并可在地面监控室对盾构机的掘进进行实时监控。