盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)原理

廣州吉原交通技術(shù)工程有限公司盾構(gòu)結(jié)構(gòu)原理及功能2012年３月南京１、TBM、盾構(gòu)簡介２、不同類型盾構(gòu)的工作原理及基本構(gòu)造3、盾構(gòu)工程常見施工難點目錄一、TBM、盾構(gòu)簡介常用隧道施工方法明挖法礦山法掘進機（TunnelBoringMachine）常用隧道施工方法TBM硬巖掘進機盾構(gòu)TBM歷史簡介巖石隧道掘進機法是利用巖石隧道掘進機在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。所謂巖石地層是指該地層有硬巖、軟巖、風化巖、破碎巖等類，在其中開挖的隧道稱為巖石隧道。施工時所使用機械通常稱為巖石隧道掘進機，英文名稱是TunnelBoringMachine．簡稱TBM。在中國，由于行業(yè)部門的習慣，也稱之為全斷面隧道掘進機或隧道掘進機或簡稱掘進機。按巖石的破碎方式，大致分為擠壓破碎式與切削破碎式。TBM歷史簡介

擠壓破碎

滾壓破巖狀況滾刀破巖原理示意圖TBM歷史簡介

切削破碎TBM歷史簡介1852年，一臺蒸汽機驅(qū)動的巖石隧道掘進機（RTM）或隧道掘進機(TBM)，在花崗巖中試用，未獲成功。羅賓斯掘進機制造廠最早于1947年研制和生產(chǎn)的原始型掘進機是在煤層中使用的，但后來也用在頁巖中開挖隧道。在這兩臺掘進機上，第一次使用了盤形刀具作為對巖體破碎工具并得到較好的效果。TBM歷史簡介1953年，制造了一臺直徑為7．85m全斷面隧道掘進機（fullfacetunnelboringmachine），是利用回轉(zhuǎn)刀盤開挖（同時破碎及掘進）隧道的整個斷面的專用機械總稱。這臺掘進機被認為是十九世紀未以來的第一臺巖石隧道掘進機（照片1）。中國巖石掘進機發(fā)展歷史年表（年）發(fā)展過程中概況1966中國第一臺掘進機，是上海水工機械廠設(shè)計制造的。它是為云南下關(guān)西洱河水電站引水隧道進行工業(yè)性試驗，直徑3.5m。該隧道埋設(shè)于地層巖性系花崗片麻巖、石灰?guī)r，抗壓強度100～180Mpa，最高月進尺48.5m。1969廣州市機電工業(yè)局研制的掘進機直徑為4m，為廣西桂林的隧道工程的施工而提供。隧道掘進長度245m。隧道通過地層巖性系花崗巖、石灰?guī)r，抗壓強度30～240Mpa，最高月進尺20m。1970第三臺掘進機在西安煤礦機械廠制造出廠，直徑3.5m，掘進長度669m。地質(zhì)系石灰?guī)r，抗壓強度56～160Mpa，最高月進尺179m。1977上海水工機械廠設(shè)計制造的SJ－58型機曾于同年的4月至1978年4月在云南西洱水電站水工隧道中進行工業(yè)性試驗，掘進長度247.63m，直徑為5.8m。通過地層巖性為花崗片麻巖、石灰?guī)r抗壓強度100～180Mpa，最高月尺31.7m。1980萍鄉(xiāng)礦務局研制了兩臺直徑3m的掘進機，應用于萍鄉(xiāng)煤礦河北遷西南觀洞，掘進長度分別為695和240m。通過地層巖性為石灰?guī)r，最高月進尺分別為301m和224m。1981對SJ－58型機進行了一次比較全面徹底的修改設(shè)計和加工制造的新掘進機，應用于河北新王莊引灤入津工程，直徑5.8m的掘進機長度1444.5m，1983年3月隧道貫通。通過地層為巖性白云質(zhì)矽質(zhì)灰?guī)r含燧石結(jié)核及條帶，抗壓強度80～160Mpa。最高月進尺202m，月平均進尺92m的成績。中國巖石掘進機發(fā)展歷史年表19833月～12月，廣州市機電工業(yè)局、鐵道兵、撫順礦務局、上海水工機械廠研制四臺直徑2.5~5.5m的掘進機1985中國從美國引進了羅賓斯公司大型掘進機，直徑為φ10.8m，用來開挖施工引水隧道總長度約10km，掘進機遇到巖石地層系石灰?guī)r，抗壓強度150MPa，施工時最高月進尺150m，這是我國第一條采用大斷面的巖石掘進機進行施工的隧道。1991甘肅省引大（大通河）入秦（秦王川）大型跨流域灌溉工程中30A隧道全長11.649km，由意大利CMC公司和中國華水水電工程公司組成聯(lián)合企業(yè)采用套筒式（鉸接盾構(gòu)型）巖石掘進機（TBM），掘進機直徑5.53m，隧道砼襯直徑φ4.8m1995陜西秦嶺隧道引進兩臺德國威爾特公司全斷面硬巖掘進機TB808E，直徑φ8.8m2002新疆引水工程引進德國海瑞克公司一臺全斷面硬巖掘進機2003遼寧大伙房水庫引進一臺威爾特公司TB803E全斷面掘進機，兩臺美國羅賓斯公司的全斷面掘進機，直徑φ8mTBM掘進機的施工特點利用掘進機開挖隧道與常規(guī)的鉆爆法相比，主要有以下特點：

1．掘進效率高。

2．掘進機開挖施工質(zhì)量好，且超挖量少。

3．對巖石的擾動小。掘進機開挖施工可以大大改善開挖面的施工條件，而且周圍巖層穩(wěn)定性較好，從而保證了施工人員的健康和安全。

4．掘進機對多變的地質(zhì)條件（斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等）的適應性較差。但近年來隨著技術(shù)進步，采用了盾構(gòu)外殼保護型的掘進機，施工既可以在軟弱和多變的地層中掘進又能在中硬巖層中開挖施工。

5．掘進機的經(jīng)濟性問題：由于掘進機結(jié)構(gòu)復雜，對材料的要求較高，零部件的耐久性要求高。因而制造的價格較高在施工之前就需要花大量資金購買部件和制造機器，因此對工程建設(shè)投資就高。盾構(gòu)的歷史1803年，法國工程師布魯諾爾（MareIsambardBrunel）在倫敦從船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到啟示，發(fā)現(xiàn)了盾構(gòu)法掘進隧道的原理。布魯諾爾構(gòu)想的盾構(gòu)機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)由不同的單元格組成，每一個單元格可容納一個工人獨立工作并對工人起到保護作用。采用的方法是將所有的單元格都被牢靠地裝在盾殼上。當時設(shè)計了兩種施工方法：一種是當一段隧道挖完后，整個盾殼由液壓千斤頂借助后靠向前推進；另一種方法是每一個單元格能單獨地向前推進。第一種施工法后來被采用，并得到推廣應用，演變?yōu)槌墒斓亩軜?gòu)法，目前所有的封閉式盾構(gòu)都是基于第一種方法。此后，布魯諾爾逐步完善了盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的機械系統(tǒng)，設(shè)計成封閉式盾殼用全斷面螺旋式開挖，襯砌緊隨其后。它可以被認為是土壓平衡盾構(gòu)（EPBShield）的先行者。1882年1月12日泰晤士河底隧道施工時涌入水布魯諾爾注冊專利的盾構(gòu)，18061825年～1843年盾構(gòu)的歷史1917年，日本引進盾構(gòu)施工技術(shù)，是歐美國家以外第一個引進盾構(gòu)法的國家。1957年，北京下水道工程曾經(jīng)設(shè)想使用盾構(gòu)法，采用直徑2m或2.6m的盾構(gòu)進行施工，由于種種原因未能實施。1959年，用液體泥水支撐隧道工作面的想法由噶登納成功地試用于一條直徑為3.35m的排污隧道。1962年2月，中國上海隧道建設(shè)公司開始啟動塘橋試驗隧道工程。試驗獲得成功，采集了大量盾構(gòu)法隧道數(shù)據(jù)資料。

1963年，土壓平衡盾構(gòu)首先由日本SatoKogyo公司開發(fā)出來。土壓平衡盾構(gòu)的開發(fā)比泥水盾構(gòu)要晚得多，開發(fā)土壓平衡盾構(gòu)是因為在日本許多大城市中對環(huán)境有嚴格的規(guī)定及法律。土壓平衡盾構(gòu)的出現(xiàn)，迅速在日本大城市的地下鐵道、上下水道、電力通訊設(shè)施的隧道工程中得到了大量的應用。盾構(gòu)的歷史1985年，Wayss&.Freytag公司和Herrenknecht公司申請了一臺稱之為“混合盾構(gòu)”的組合盾構(gòu)專利。該混合盾構(gòu)隧道掘進系統(tǒng)的基本機器如圖所示，它是Wayss＆Freytag公司專利的液力盾構(gòu)，采用了獨特的沉浸墻／壓力艙壁布置。通過旋轉(zhuǎn)喂料器可以轉(zhuǎn)換到土壓平衡模式或壓縮空氣模式?；旌隙軜?gòu)的專利至今主要用在泥漿模式下。

混合盾構(gòu)專利（Wayss&Freytag）異形盾構(gòu)：1986年日本研制世界上第一臺雙圓泥水加壓式盾構(gòu)，又稱雙頭型泥水盾構(gòu)或雙連體泥水盾構(gòu),這臺雙圓泥水加壓式盾構(gòu)是由兩個直徑7.42m的盾構(gòu)組合而成，盾構(gòu)橫向總寬度為12.19m，刀盤呈半重疊狀。1988年用于日本新建京葉線的京橋雙線隧道施工，長度約620m。盾構(gòu)的歷史1987年，上海市南站過江電纜隧道工程，成功應用我國第一臺直徑4.35m加泥式土壓平衡盾構(gòu)掘進機。1992年，日本研制成世界上第一臺三圓泥水加壓式盾構(gòu)1995年，北京地鐵復八線成功應用一臺北京地鐵建設(shè)公司和鐵道部隧道局自行研制的半斷面插刀式盾構(gòu)盾構(gòu)的歷史盾構(gòu)的歷史2000年2月，廣州地鐵2號線海珠廣場至江南新村區(qū)間隧道采用上海隧道股份改制的兩臺直徑6.14m復合型土壓平衡盾構(gòu)，在珠江底風化巖地層中掘進。2000年4月，北京地鐵5號線工程進行區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進試驗工程，引進一臺德國海瑞克公司的土壓平衡盾構(gòu)掘進機。南京地鐵1號線區(qū)間隧道也選用三臺土壓平衡盾構(gòu)掘進機。2001年5月，廣州地鐵2號線開始引進四臺德國海瑞克公司的復合式土壓平衡盾構(gòu)機，使用獲得巨大成功。至此，盾構(gòu)施工技術(shù)開始在全國范圍內(nèi)在地鐵建設(shè)和其它領(lǐng)域得到廣泛的應用。2006年4月，北京地下直徑線引進兩臺直徑11.7m的泥水盾構(gòu)全世界有大約12個知名的盾構(gòu)主機生產(chǎn)廠商，包括德國的三家；法國一家；美國和加拿大各一家；日本六家；日本真正開始應用盾構(gòu)也不超過40年時間，但發(fā)展迅猛，迄今為止已經(jīng)有超過5000臺盾構(gòu)投入使用。當然，制造盾構(gòu)的遠遠不只這些廠家。最大直徑15.2米，最小0.2米，目前有60%以上是土壓平衡盾構(gòu)施工進度水平：根據(jù)不同類型的盾構(gòu)，施工進度水平不同，最大進度的統(tǒng)計可能要算是英國西思羅機場（swot）2.91米的直徑的泄洪隧道，最大施工日進度72米，平均日進度50米。盾構(gòu)現(xiàn)狀上海隧道股份機械廠已經(jīng)能夠設(shè)計、生產(chǎn)日系盾構(gòu)機，主要應用于上海、南京一帶的軟土隧道施工。上海隧道股份機械廠還可以獨立設(shè)計制造管片模具。做為國家863計劃重點扶持項目之一，中鐵隧道集團、上海隧道股份有限公司已開始國產(chǎn)盾構(gòu)機的研制，中鐵隧道集團已和日本小松、德國威爾特公司合做生產(chǎn)了一臺盾構(gòu)機、一臺全斷面硬巖TBM。德國海瑞克公司先期在廣州和廣重合作生產(chǎn)盾構(gòu)機,后來已在廣州建立兩個盾構(gòu)分廠，并同時在北方和大連重工合作生產(chǎn)盾構(gòu)機德國威爾特公司已和沈陽重工合作生產(chǎn)盾構(gòu)機及TBM。日本三菱、小松及石川島已和上海造船廠、滬東造船廠等合作生產(chǎn)多臺盾構(gòu)機國內(nèi)盾構(gòu)制造現(xiàn)狀TBM簡介TBM、掘進機是利用回轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀對巖石進行擠壓破碎或切割巖面來進行隧道開挖的。全斷面敞開式硬巖掘進機主要由刀盤、護盾、主驅(qū)動、前后支撐、控制部分、激光導向系統(tǒng)、輔助設(shè)備及后配套系統(tǒng)組成，主機用于開挖破巖、裝碴、支護；后配套系統(tǒng)用于出碴、初期支護。ＴＢＭ高度集成了機械、電子、液壓及控制等多項先進技術(shù)，具備自動控制推力模式、自動控制扭矩模式和手動控制三種控制方式。主機配備有掘進系統(tǒng)、支護系統(tǒng)，后配套配備有噴漿系統(tǒng)、出碴皮帶機系統(tǒng)、空壓機、供水設(shè)備等，ＴＢＭ施工中多項工序可同步作業(yè)，可連續(xù)完成掘進，初期支護，仰拱塊安裝，風、水、電延伸和自行軌道鋪設(shè)等作業(yè)。施工全過程采用電腦PLC程序控制，實現(xiàn)了無爆破、無振動、無粉塵的工廠化快速掘進。TBM簡介單護盾TBM秦嶺TBM直徑8.8m德國Wirth公司遼寧大伙房水庫TBM直徑8.0m美國羅賓斯公司TBM簡介單護盾TBMTBM簡介單護盾TBMRobins單護盾TBM主機結(jié)構(gòu)示意圖TBM簡介單護盾TBMRobins單護盾TBM主機結(jié)構(gòu)俯視圖19inch(483mm)and20inch(508mm)15.5inch(394mm)17inch(432mm)(SameBearingas17”)TBM簡介刀具TBM簡介－掌子面TBM簡介－破碎巖石支護TBM簡介－雙護盾TBMTBM簡介－雙護盾TBMTBM簡介－雙護盾TBMTBM簡介－雙護盾TBM雙護盾TBM的特點及工作原理1.特點（1）開挖與襯砌同步，采用管片支護，支護速度快，隧道一次成型；（2）硬巖掘進的適應性同敞開式，軟弱圍巖能采用單護盾模式掘進，比敞開式有更好的適應性。與敞開式TBM相比，對地質(zhì)變化的適應能力更強。（3）設(shè)備與人員處于TBM殼體的保護下，安全性好。2工作原理（1）圍巖破碎，采用單護盾模式掘進（類似于盾構(gòu)）；（2）圍巖條件好，采用雙護盾模式掘進，開挖與襯砌同步。

雙護盾TBM工作原理圖TBM簡介－雙護盾TBMTBM簡介－雙護盾TBM盾構(gòu)機的分類A類盾構(gòu)掘進機分類總結(jié)盾構(gòu)的應用歷程，縱觀盾構(gòu)和TBM的發(fā)展史，可以說它是隨著機械制造、液壓技術(shù)、電氣控制和測量技術(shù)的進步而發(fā)展壯大起來的，并逐步將TBM和盾構(gòu)機的功能和特點合二為一，從而使其適應于各種環(huán)境和不同地質(zhì)地層的綜合性盾構(gòu)機。即最初適應于軟巖的盾構(gòu)機現(xiàn)在也能掘進硬巖（滾刀刀盤與盾殼的結(jié)合）。二、土壓平衡盾構(gòu)工作原理及基本構(gòu)造土壓平衡盾構(gòu)原理利用盾構(gòu)施加于開挖艙內(nèi)渣土的壓力平衡開挖面水土壓力土壓平衡盾構(gòu)原理土壓平衡盾構(gòu)渣土壓力分布圖EPB盾構(gòu)主要構(gòu)成。1刀盤2開挖艙3主驅(qū)動軸4減速器5驅(qū)動馬達11電機12主電控柜13ELS激光靶14推進缸15閘門16螺旋輸送機出料門17液壓絞盤18碴車6螺旋輸送機7螺旋輸送機驅(qū)動8調(diào)向油缸9鉸接密封10油箱AABBCCA-AXB-BC-CX11121212151816111212312745891014131617151811176110865EPB盾構(gòu)主機結(jié)構(gòu)刀盤切口環(huán)支撐環(huán)盾尾盾尾密封盾尾密封推進缸主軸承主驅(qū)動人員艙管片安裝機EPB主機結(jié)構(gòu)圖（二）。EPB總體結(jié)構(gòu)圖土壓平衡盾構(gòu)主機結(jié)構(gòu)刀盤主軸承螺旋輸送機管片安裝機鉸接密封盾尾盾尾密封管片前體中體主驅(qū)動皮帶輸送機人員艙堆進缸土壓平衡盾構(gòu)主機結(jié)構(gòu)鉸接油缸土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)刀盤

功能：切割巖土土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)前體

功能：支撐主軸承及刀盤、隔離土體土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)前體土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中體

功能：推進主體、支撐拼裝機梁土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾尾

功能：與巖土隔離（密封）、管片拼裝區(qū)

土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾尾密封

盾尾密封同步注漿孔土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)人員艙

功能：人員進入土倉的安全通道、帶壓作業(yè)土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)螺旋輸送機

功能：渣土輸送、控制土倉壓力

土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)管片安裝機

功能：管片安裝、拖車連接

土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)機鉸接結(jié)構(gòu)形式：1、被動鉸接式

優(yōu)點：鉸接油缸數(shù)量少、體積也小，調(diào)向靈活。

缺點：轉(zhuǎn)彎時，推力油缸與管片不垂直，2、主動鉸接式

優(yōu)點：轉(zhuǎn)彎時，推力油缸與管片垂直，

缺點：鉸接油缸數(shù)量多、體積大。3、無鉸接式

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單

缺點：對轉(zhuǎn)彎半徑要求高被動式鉸接方式示意圖盾尾中前盾推進油缸鉸接油缸主動鉸接三、盾構(gòu)施工常見難點六、盾構(gòu)施工常見難點（一）始發(fā)、到達（二）刀具磨損及更換（三）地面沉降控制（四）軟硬不均地層掘進（五）泥餅（六）噴涌（七）溶洞、孤石六、盾構(gòu)施常見難點（一）始發(fā)、到達

施工場地限制端頭加固的影響洞門破除洞門密封反力架和始發(fā)臺結(jié)構(gòu)強度及剛度反力架和始發(fā)臺安裝定位精確度推進參數(shù)的確定注漿的密封性六、盾構(gòu)施常見難點（二）刀具磨損及更換

刀具磨損不可避免軟弱地層中刀具檢查及更換困難帶壓進倉作業(yè)六、盾構(gòu)施常見難點

偏磨（弦磨）偏磨與斷裂滾刀被碴土粘住刀圈斷裂刀圈斷裂碎片正常磨損滾刀的失效形式正常磨損刀圈斷裂刀圈剝落刀圈卷刃刀圈移位漏油擋圈脫落偏磨（弦磨）多邊弦磨刀體磨損端蓋磨損完全損壞切刀的失效形式正常磨損斷齒掉齒刀體折斷六、盾構(gòu)施常見難點六、盾構(gòu)施常見難點（二）刀具磨損及更換

刀具檢查及更換帶壓進倉作業(yè)六、盾構(gòu)施常見難點（三）地面沉降控制地面沉降不可避免盾構(gòu)掘進地層變形控制控制掌子面平衡壓力，加強壓力管理加強渣土管理，防止出渣過量保證同步注漿量，及時二注漿平穩(wěn)掘進，減少對地層的擾動水土保持加強施工監(jiān)測，及時調(diào)整掘進參數(shù)重要建筑物提前加固0102030402010工作面盾尾沉降量距工作面距離（m）易損壞刀具，盾構(gòu)震動大，盾構(gòu)方向不易控制掘進措施一般采用低刀盤轉(zhuǎn)速、低推進速度掘進，防止推進速度過快造成刀盤卡死甚至刀圈崩落及時檢查刀盤刀具，及時更換損壞刀具對盾構(gòu)的掘進方向可以適當加上預調(diào)量六、盾構(gòu)施常見難點（四）軟硬不均地層六、盾構(gòu)施常見難點（五）泥餅

泥餅產(chǎn)生的原因

-刀盤設(shè)計不合理，渣土通道狹長-渣土改良不好防止泥餅產(chǎn)生措施合理選擇掘進參數(shù)確保碴土改良及時開倉檢查，及時清理六、盾構(gòu)施常見難點（五）泥餅盤刀與切刀在6號地層的工作狀況六、盾構(gòu)施常見難點（五）泥餅滾刀被碴土粘住圖六、盾構(gòu)施常見難點（五）泥餅刀盤上形成泥餅的狀況六、盾構(gòu)施常見難點（六）噴涌

噴涌發(fā)生的條件

-地質(zhì)原因-加水過量防止噴涌發(fā)生的措施碴土改良-保壓泵碴-多螺旋輸