盾构机基本原理及分类课件.ppt

1、2022年7月23日星期六13时51分16秒盾构构造及应用1盾构构造及应用绪论2022年7月23日星期六13时51分17秒2022-7-232绪论1、盾构及其基本工作原理2、盾构法的优缺点3、盾构施工开挖及支撑方式4、盾构机的分类5、盾构的发展简史2022年7月23日星期六13时51分17秒2022-7-233第一节 盾构及其基本工作原理 一、盾构的定义 2008年3月31日发布的盾构法隧道施工与验收规范定义：盾构是盾构掘进机的简称，是在钢壳体保护下完成隧道掘进、拼装作业，由主机和后配套组成的机电一体化设备 2022年7月23日星期六13时51分17秒2022-7-234第一节 盾构及其基本工

2、作原理 二、盾构法施工的基本原理 盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。2022年7月23日星期六13时51分17秒2022-7-2352022年7月23日星期六13时51分17秒2022-7-2362022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-2372022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-238第二节 盾构法的优缺点一。盾构法的优点(1)对环境影响

3、小出土量少，周围地层沉降小，对周围构造物的影响小；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；对周围居民生活、出行影响小；无空气、噪音、振动污染问题。2022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-239(2)2)盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等盾构掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制。地表环境条件的限制。(3)(3)地表占地面积小，故征地费用少。地表占地面积小，故征地费用少。(4)(4)适用于大深度、大地下水压施工，相对适用于大深度、大地下水压施工，相对而言施工成本低。而言施工成本低。(5)(5)施工不受天气（风、雨、施工不受天气（风、雨、）条件限

4、）条件限制。制。(6)(6)挖土、出土量少、利于降低成本。挖土、出土量少、利于降低成本。(7)(7)盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。盾构工发构筑的隧道的抗地震性好。(8)(8)适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、适用地质情况范围宽，软土、砂卵土、软岩、直到岩层均可使用。软岩、直到岩层均可使用。2022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-2310二。盾构施工法缺点二。盾构施工法缺点（1 1）需要隧道衬砌管片预制、运输、衬砌、衬砌结）需要隧道衬砌管片预制、运输、衬砌、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、机械安装构防水及堵漏、施工测量、场地布置、机械安装等施工技术的配合，系统工程协调

5、复杂；等施工技术的配合，系统工程协调复杂；（2 2）施工过程变化断面尺寸困难；只能前进，不能）施工过程变化断面尺寸困难；只能前进，不能后退，当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，后退，当隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大，在饱和含水的松软地层中施工，地施工难度大，在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险较大；表沉陷风险较大；（3 3）盾构机制造周期长，造价较昂贵，盾构的拼装、）盾构机制造周期长，造价较昂贵，盾构的拼装、转移等较复杂，建造短于转移等较复杂，建造短于750m750m的隧道经济性差。的隧道经济性差。2022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-2311第三节 盾构

6、开挖与支撑方式一、盾构施工的开挖方式2022年7月23日星期六13时51分18秒2022-7-23122022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23132022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23142022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23152022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-2316 反铲挖掘盾构2022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-2317 悬臂掘进盾构2022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23183 3、机械式开挖、机械式开挖 机械式开挖又称全断面机械开挖。紧贴开挖面的

7、机械式开挖又称全断面机械开挖。紧贴开挖面的旋转刀盘进行全断面开挖，即从掘削到出土作业旋转刀盘进行全断面开挖，即从掘削到出土作业均由机械完成。均由机械完成。主要优点：主要优点：（1 1）开挖的隧道面精准，无超挖。）开挖的隧道面精准，无超挖。（2 2）在掘进过程中，隧道断面轮廓保持不变。）在掘进过程中，隧道断面轮廓保持不变。（3 3）隧道工作面形式可根据其稳定性进行优化，特）隧道工作面形式可根据其稳定性进行优化，特别是土层需要支撑的情况下。别是土层需要支撑的情况下。2022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23192022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-23202

8、022年7月23日星期六13时51分19秒2022-7-2321二、盾构施工的支撑方式1 1、自然工作面支撑、自然工作面支撑 即隧道工作面的稳定性是借助掘进暂时停即隧道工作面的稳定性是借助掘进暂时停顿期间它固有的稳定性或借助桁架上的土顿期间它固有的稳定性或借助桁架上的土层行程的斜坡而稳定的。层行程的斜坡而稳定的。适用于地层：由于不适于抵御水压，因此只适用于地层：由于不适于抵御水压，因此只 适用于干的或排干的地层适用于干的或排干的地层2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23222 2、机械工作面支撑、机械工作面支撑 （1 1）板条支撑）板条支撑 手动掘削手动掘削 （2 2）

9、活动工作面支撑）活动工作面支撑 机械部分断面开机械部分断面开挖挖 （3 3）封闭切削轮支撑）封闭切削轮支撑 全断面开挖全断面开挖 以上支撑方式只适用于抵御土压等低渗透性地层以上支撑方式只适用于抵御土压等低渗透性地层掘进掘进2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23233 3、压缩空气支撑、压缩空气支撑 原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，原理：空气压力与地下水的静压力保持平衡，土压由自土压由自 然或机械的支撑承受。然或机械的支撑承受。要保证压力平衡要保证压力平衡 ，否则顶部过剩的压力，否则顶部过剩的压力“喷发喷发”的危险的危险 已被泥水盾构取代。已被泥水盾构取代。适用于

10、黏土，黏砂土，多水松软地层2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23244 4、泥浆工作面支撑、泥浆工作面支撑 采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的采用泥浆方法，隧道工作面借助有压力的液体得以很好的支撑，用泥浆就地抵御土液体得以很好的支撑，用泥浆就地抵御土压及水压。压及水压。5 5、土压平衡支撑、土压平衡支撑 在黏土质地层中，土料自身作为支撑介质。在黏土质地层中，土料自身作为支撑介质。在土料中添加介质（水、泡沫、膨润土或在土料中添加介质（水、泡沫、膨润土或黏土），开挖料就转化成土浆，它能够起黏土），开挖料就转化成土浆，它能够起到稳定隧道工作面的作用。到稳定隧道工作面的作用。

11、2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-2325第四节 盾构机的分类1、按地层种类分 （1）硬岩盾构（TBM）（2）软岩盾构 （3）软土盾构 （4）硬软岩土盾构（复合盾构）2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23262、按盾构机横截面大小分类（1）超小型盾构 1m（2）小型盾构 1m3.5m（3）中性盾构 3.5m6m（4）大型盾构 6m14m（5）超大型盾构 14m18m（6）特大型盾构 18m 2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23273、按盾构机横截面形状分类（1）半圆形（2）圆形（3）椭圆形（4）马蹄形（5）双圆搭接形：竖

12、双圆形、横双圆形（6）三圆搭接形（7）四圆搭接形（8）矩形：矩形、凸字形、凹字形2022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23282022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23292022年7月23日星期六13时51分20秒2022-7-23302022年7月23日星期六13时51分21秒2022-7-23312022年7月23日星期六13时51分21秒2022-7-23324、2022年7月23日星期六13时51分21秒2022-7-23332022年7月23日星期六13时51分21秒2022-7-23342022年7月23日星期六13时51分21秒2022-

13、7-23352022年7月23日星期六13时51分21秒2022-7-23362022年7月23日星期六13时51分21秒37 1、国外盾构法隧道的起源及发展史 1806年，法国的布鲁诺尔(M.I.Brune1)从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利2022年7月23日星期六13时51分22秒2022-7-2338第五节 盾构的发展简史2022年7月23日星期六13时51分22秒2022-7-2339 布鲁诺尔构想的盾构机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。2022

14、年7月23日星期六13时51分22秒40 此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬彻紧随其后的方式。2022年7月23日星期六13时51分22秒41M.I.Brunel 螺旋盾构，1818 2022年7月23日星期六13时51分22秒42.1825年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始用一个断面高6.8m、宽11.4m，并由12个邻接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人，共有36个工人。2022年7月23日星期六13时51分22秒43 此系统按照以下模式工作：首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方的土中。从上部撤除隧道工作面上

15、的木料并掘土6英寸，然后，隧道工作面重新用木料覆盖并用螺杆支撑，紧接着盾构后部砌砖，把它作为整个机架的支座。2022年7月23日星期六13时51分22秒44第一条隧道施工的盾构机2022年7月23日星期六13时51分23秒45泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了许多困难，在经历了五次以上的特大洪水后，直到1843年，经过18年施工，完成了全长458m的第一条盾构法隧道。2022年7月23日星期六13时51分23秒462022年7月23日星期六13时51分23秒47 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初称为小筒（cell）或圆筒（cyl

16、inder），在莫尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield）这一术语。2022年7月23日星期六13时51分23秒481865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。在地下水方面没遇到什么困难。2022年7月23日星期六13时51分23秒49 1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾构，通过液体流，以泥浆的形式出土。1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压缩空气条件下施工，标志着在承压水地层中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初

17、，大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建的。2022年7月23日星期六13时51分23秒50 布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机械化盾构专利是1876年英国人约翰荻克英森布伦敦和姬奥基布伦敦申请的。这台盾构有一个由几块板构成的半球形的旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送机上，再将它转运到后面从盾构中运出，这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。2022年7月23日星期六13时51分24秒51 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。1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司开发出

18、来。2022年7月23日星期六13时51分24秒521963年Sato Kogyo公司土压平衡盾构 2022年7月23日星期六13时51分24秒53 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨）设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管线。在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。所有这些名称的盾构都应有了同一种工法国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。2022年7月23日星期六13时51分24秒541989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km，是世界最

19、长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。2022年7月23日星期六13时51分24秒55日本东京湾海底隧道盾构机示意图2022年7月23日星期六13时51分24秒56日本东京湾海底隧道泥水式盾构机2022年7月23日星期六13时51分25秒571992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构，并成功地用于大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。2022年7月23日星期六13时51分25秒582、我国盾构机的发展历程我国盾构机的发展历程 纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上可以分为三个阶段：起步阶段(20世纪60年代-80年代初)；平稳发展阶段(20世纪80年代中-

20、2000年)；快速发展阶段。2022年7月23日星期六13时51分25秒59（1 1）起步阶段起步阶段(20世纪60年代-80年代初)：1962年2月，我国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程。采用直径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。选用由螺栓连接的单层钢筋混疑土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。试验获得成功，采集了大量盾构法隧道数据资料。2022年7月23日星期六13时51分25秒60（2）平稳发展阶段）平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)：这一时期，随着改革开放和经济发展，地铁建设也由服务于战备转

21、为服务于经济发展。继北京、天津修建地铁外，上海、广州也相继修建了地铁工程。地铁施工技术突破了原有浅埋明挖法的限制，盾构法施工方法被引入地铁施工中。2022年7月23日星期六13时51分25秒61 1980年，上海开始进行盾构法隧道地铁试验工程，采用直径6.412m网格式机械出土盾构机施工。掘进长度为565m，采用泥水加压和局部气压施工。1980年11月开始地铁试验一期、二期盾构推进，1982年12月推进结束；1983年6月开始地铁试验三期盾构推进，1984年10月推进结束，隧道总长1130m。2022年7月23日星期六13时51分25秒62 1987年，上海市隧道工程公司承建市南站过江电缆隧道

22、工程，成功设计了我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机，由上海造船厂制造。2022年7月23日星期六13时51分25秒634.35m土压盾构研制2022年7月23日星期六13时51分26秒64 该盾构能控制正面土压平衡和减少地面沉降，施工速度快，掘进长度达583m，该技术获得1990年国家科技进步一等奖。工程于1988年1月开始盾构推进，9月推进结束。2022年7月23日星期六13时51分26秒65 1990年12月，上海市隧道工程公司承建的上海合流污水治理工程6.1标过江隧道推进施工。采用自己设计制造直径5.17m加泥式土压平衡盾构。盾构自重190t,总推力28800kN，总功率5

23、00kW。2022年7月23日星期六13时51分26秒66直径直径5.17m加泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构2022年7月23日星期六13时51分26秒671994年10月，上海隧道工程股份有限公司采用盾构法承建的南京第一条秦淮河治理工程夹江隧道推进。最具风险的是盾构推抵江中段，即钻入全断面粉砂层中，该粉砂层上方没有其它土层与夹江水间隔。直径6.34m土压平衡盾构掘进机于1995年2月5日顺利进入江心州接收井。2022年7月23日星期六13时51分26秒68南京夹江隧道直径6.34m盾构掘进机2022年7月23日星期六13时51分26秒691992年6月，上海市承建上海地铁1号线上海火车站

24、汉中路车站区间，采用盾构法隧道施工，1993年4月全线贯通。1993年8月，上海承建上海地铁1号线黄陂路站陕西路站区间隧道，1994年4月全线贯通。2022年7月23日星期六13时51分26秒70与法国FCB公司合作设计制作的6.34M土压平衡盾构机2022年7月23日星期六13时51分26秒71 1995年，我国开始研究矩形盾构隧道掘进技术，1996年上海隧道工程股份有限公司研制了一台2.5m2.5m可变网格矩形隧道掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构等技术难题。2022年7月23日星期六13时51分26秒72.2022年7月23日星期六13时51分2

25、7秒731999年5月，上海隧道工程股份有限公司研制成功国内第一台3.8m3.8m矩形组合刀盘式土压平衡掘进机，在浦东陆家嘴地铁车站掘进120m，建成两条过街人行地道。2022年7月23日星期六13时51分27秒741998年12月，中国第一条较长距离的水底观光游览隧道上海外滩观光隧道建成。采用国外二手直径7.65m铰接式土压平衡盾构施工。2022年7月23日星期六13时51分27秒75 隧道施工不仅工期短，还要在极大的坡度和曲率的条件下，穿越地铁2号线的两条越江隧道，观光隧a道与地铁隧道间距离仅1.57m，形成越江隧道施工中罕见的“三隧叠交”，创造了中外越江隧道史上的奇迹，实现了中国软土隧道

26、施工史上的又一次飞跃。2022年7月23日星期六13时51分27秒76.1999年6月，深圳开埠以来第一台地铁盾构开始掘进益田香蜜湖区间隧道。此项目由深圳地铁有限公司建设，由上海隧道工程股份有限公司设计、施工总承包。2022年7月23日星期六13时51分27秒772022年7月23日星期六13时51分27秒78（3）快速发展阶段）快速发展阶段：进入21世纪，随着国家经济、技术的迅猛发展为地铁建设带来了重大机遇，同时也为盾构技术应用和发展提供了广阔的平台和空间。国家有关部门已经规定人口在300万以上、GDP值在1000亿以上、年财政收入在100亿以上的城市可以建地铁。2022年7月23日星期六1

27、3时51分27秒79 据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员分析报告称：目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。国内40多座百万人口以上的特大城市中，已经有30多座城市开展了城市快速轨道的建设或建设前期工作，约有15个大城市上报城市轨道交通网规划方案，拟规划建设55条线路，长约1500km，总投资5000亿元，其中“十一五”期间预计投资2000多亿元，计划在2010年前建成的地铁线路长度超过1200km。2022年7月23日星期六13时51分27秒80 目前已有成熟盾构施工经验的城市主要分布在长三角、珠三角和环渤海湾地区。如广州、深圳、上海、南京、北京、天津。近两年已开始盾构施工的有沈阳、成都、西安、杭州、武汉等。据有关信息宁波、无锡等都将修建城市地铁。并且在越江道路、输气和市政排水隧洞等工程中广泛采用盾构法施工。2022年7月23日星期六13时51分27秒812003年9月，上海隧道工程股份有限公司建设的中国首条双圆隧道在轨道交通8号线应用2022年7月23日星期六13时51分28秒盾构构造及应用82谢谢！