1、盾構機及管片與盾構機的相互影響一、 盾構的起源與發展、盾構在國際上的發展盾構是目前世界上最先進的隧道施工技術。盾構施工技術的發展基于盾構機械的發展。在發達國家，使用盾構施工已經占隧道總量的以上。國外盾構的發展經歷的四個發展階段：一是手掘式盾構；二是機械式、氣壓式盾構；三是泥水加壓式、土壓平衡式盾構；四是大直徑、大推力、大扭矩、高智能化、多樣化為特色的盾構。.、盾構的起源年，英國人馬克布魯諾爾利用蛀蟲鉆孔并用分泌物涂在四周的啟示下，最早提出了盾構掘進隧道的原理并注冊了專利。年布魯諾爾完善了盾構結構的機械設計。年第一次在倫敦泰晤士河下修建隧道，隧道是斷面高.米，寬是.米的矩形，使用的盾構機為網格式

2、。但是由于防水問題使隧道掘進速度非常之緩慢，經歷了幾次的大洪水，多次停工。一直到年才完成了這條全長米的隧道。. 、圓形盾構的發展年，英國人詹姆斯亨利格瑞海德用圓形盾構在泰晤士河下修建了一條直徑米、長米的隧道，并第一次采用了鑄鐵管片。年之前的盾構均為手掘式盾構。年格瑞海德開發了液體支撐隧道工作面的盾構，通過液體流土料以泥漿的形式排出。年英國人約翰布倫敦和姬奧基布倫敦申請了第一個機械化盾構的專利。這臺盾構機的刀盤是半圓球行的旋轉刀盤。這是盾構史上的一個巨大的進步。年英國人普萊斯開發了一種輻條式刀盤機械化盾構，并于年第一次將格瑞海德的圓形盾構與旋轉刀盤結合在一起，成功的在倫敦的粘土底層中施工。年，英

3、國人模特亥、安德森、巴勒特申請了泥水加壓盾構的盾構。年，第一臺用刀盤切削土體和水力出渣的泥水盾構在日本投入使用。這臺盾構由日本三菱公司制造，直徑為.米。年，直徑.米泥水盾構在日本成功的挖掘了一條米的隧道。年，日本的一個公司首先開發出了土壓平衡盾構，年，土壓平衡盾構在日本東京使用挖掘了一條外徑.米，長米的隧道，該盾構機由日本石川島公司制造。根據開挖面穩定以及掘進、出土模式的不同，盾構可分為敞開式、半敞開式、土壓平衡式、泥水平衡式等，他們都適合于相應的土層結構。當某一隧道穿越不同的地層結構時，以上任何一種盾構都不能將隧道直接貫通，這樣復合盾構就應運而生了。這種在不同地層經過轉換后可以以不同的工作模

4、式運行的盾構稱為復合盾構或者混合盾構。年德國的海瑞克公司和另一家公司聯合申請了雙模式復合盾構的專利。年第一臺多模式的復合盾構在巴黎挖掘了一條長米，外徑.米的穿越三種完全不同的地質條件的隧道。是泥水式轉換到土壓或敞開式的盾構模式。、盾構在國內的發展我國的盾構開發與應用開始于年，東北阜新煤礦用手掘式盾構修建了直徑.米的疏水巷道。年月，上海城建局隧道工程公司研制了一臺直徑.米的手掘式敞胸盾構，并且第一次采用了鋼筋混凝土管片作為隧道襯砌，環氧煤焦油作為接縫防水材料。隧道掘進的長度為米，實驗獲得了成功，并采集了大量的盾構法隧道數據資料。年月，由上海隧道工程設計院設計，江南造船廠制造的臺直徑.米的網格擠壓

5、盾構于年完成了條平行的隧道，隧道長米。年月，同一個設計院和制造廠制造了一臺直徑.米的盾構機，并且用于對長米的過黃浦江隧道的掘進，該隧道于年底完成并通車。此次網格盾構有所改進，敞開式盾構可以轉換為閉胸式盾構，這是一臺復合盾構。年，在上海又用網格盾構修建了條隧道。年，上海市進行了地鐵號線試驗段的施工，研制了一臺直徑.米網格擠壓式盾構，在淤泥黏土底層中掘進隧道米。年，上海又修建了一條直徑.米，長米的越江隧道。盾構機為上海隧道股份設計，江南造船廠制造。年，中鐵隧道集團研制的半截面插刀盾構成功的應用于北京地鐵復興門折返線的隧道施工。該工法有效的控制了地面的沉降，減輕了工人的勞動強度，施工速度較快，日均進

6、尺米。年，上海地鐵號線全線開工，公里區間隧道引進了臺由法國公司制造的直徑.米土壓平衡盾構。年，上海延安東路隧道南線工程，總長米，采用從日本引進的直徑.米的泥水加壓平衡盾構施工。年，國家科技部將直徑.米土壓平衡盾構的研究計劃列入國家“”計劃。兩批個項目分別由中隧和上隧兩個公司主承擔。年中鐵隧道集團完成了直徑.米土壓平衡盾構的關鍵技術的公關，并且實現了產品化，在上海地鐵號線進行了試驗，實現了連續掘進米，平均月掘進米，最高月掘進量米，達到了項目要求的各項指標。年月，中隧集團與日本小松聯合制造了一臺直徑.米土壓平衡盾構，用于廣州地鐵號線施工。同年月，上隧股份制造了一臺同樣規格型號的盾構機（先行號）用于

7、上海地鐵號線西延伸隧道工程。年月，國家科技部將泥水盾構列入“”計劃。仍由中隧集團和上隧股份住承擔，并取得了重大的成果，申請了多項專利。、我國盾構技術與國外的差距由于盾構制造工藝復雜，技術附加值高，目前只有德國、美國、日本、法國、加拿大等少數幾個國家的企業具有能力生產，且造價高昂。在國內的隧道建設中，盾構主要依賴進口，且德國和日本在中國的盾構市場占有率高達以上，處于絕對壟斷地位。我國的盾構設計制造業的總體水平與歐美、日本等國家存在較大差距。主要為以下幾點：）、尚未形成適合國情的適應性設計理論；國產的整機系統功能落后、地質適應性差、關鍵部件壽命短。）、不具備盾構關鍵技術的自主能力。我國對盾構的研究

8、都是基于對國外技術的引進、消化、吸收。總體設計、系統集成技術落后。沒有完全掌握盾構的安裝調試技術，因此國產的的盾構性能不穩定。）、國內盾構配套設備生產技術落后。許多關鍵部件需要進口，影響了盾構國產化進程。比如：主軸承、刀具、土壓探測傳感裝置、液壓系統等。）、模型試驗及系統仿真方面存在很大的差距。導致在盾構結構與性能優化方面很難展開研究）、在盾構姿態控制方面存在存在差距很大。國外的盾構對盾構的推進及導向的控制基本可以實現無人化的精確操作。國內根據地表變形和運動軌跡進行實時反饋控制技術尚不完善。我國目前僅掌握了土壓平衡盾構的自主設計制造技術，在復合式土壓平衡盾構的設計研究制造方面剛剛起步；對泥水盾

9、構及硬巖掘進機的設計尚處于消化吸收階段。核心技術的落后導致了基礎設施建設成本的增加。二、 盾構市場前景、 城市地鐵前景中國目前正在運作地鐵項目的城市，總體規劃沒有一個在公里以下。“十一五”期間大部分地鐵城市已開工建設。已經獲批的個城市的新建里程為公里，正在申報和正在編制軌道交通規劃的城市個，到年規劃建成軌道交通公里。相當于目前世界已經開通運營軌道交通的總里程。“十一五”期間，我國投入運營的城市軌道交通里程超過公里，總投資億元。據預測，進年，地鐵盾構的需求量約在臺次以上。、 過江隧道前景泥水盾構已經廣泛應用于過江跨海隧道工程。上海、南京、杭州、重慶等長江流域主要城市正在建設越江隧道。上海規劃的越

10、江隧道有條。規劃待建的過江隧道還有南京長江公路隧道，哈爾濱松花江隧道，上海崇明島越江隧道，灣口海底隧道，渤海海底隧道，長江水底隧道，杭州灣水底隧道，瓊州海峽隧道。近年，我國規劃新建越江隧道約條，總長超過公里，需要大直徑盾構臺以上。、 鐵路隧道前景從年開始，新建鐵路隧道平均以每年公里的速度增長。十二五期間鐵路隧道大約為公里，其中部分隧道也將采用盾構施工。、 引水隧道前景我國水資源分布不均，北方地區短缺嚴重，西南地區比較豐富，因此跨流域調水非常必要。也是我國十二五期間的重點工程項目，水工隧道采用盾構方式施工將占有一定比例。、 市政管道前景城市市政天然氣管道工程、排污管道工程、供暖或供冷管道工程、電

11、纜管道工程均可采用盾構法施工。年內用于市政管道施工直徑在.米米的盾構機需求量超過臺次。三、 幾種盾構機類型簡介按盾構機形狀分類有：圓形盾構和異形盾構，異形盾構有矩形盾構、雙圓盾構、三圓盾構和橢圓盾構。按地層類型分為：巖石盾構機、土層盾構機、復合盾構機。按盾構機的功能分為：全閉胸式盾構、網格式盾構、泥水平衡式盾構、土壓平衡式盾構、敞開式盾構、護盾式盾構、復合式盾構、可轉換式盾構等等。近年來，土壓平衡盾構、泥水加壓盾構共同成為了盾構的主流機種，這種機械切削挖掘的密閉型盾構，一般不需要其他輔助措施，而且從開挖面的穩定、土體的開挖一直到渣土的排出等作業都形成了一個機械化和自動化的系統，甚至可以通過遠距

12、離遙控就能完成盾構掘進的方向控制和同步注漿等作業。從而提高了功效，節省了勞力。在我國這兩種盾構形式所占比例超過。下面就簡單介紹一下圓形土壓平衡盾構和泥水加壓盾構的結構及工作原理。、 圓形土壓平衡盾構. 、圓形土壓平衡盾構的主要結構。其主要組成部分為：盾構殼體、刀盤及驅動系統、螺旋輸送機、管片拼裝機、推進系統、集中潤滑系統、盾尾密封系統、同步注漿系統、加泥系統、皮帶輸送系統、人行閘、液壓系統、電氣系統及其他后配套車架輔助系統。土壓平衡盾構開挖面裝有全斷面切削刀盤，在切口環與支撐環間設有密封隔板，使前面切口環部分形成密封隔艙，同時在盾構下部或中心設有長筒形螺旋輸送機的進土口，排土口設在密封艙外，而

13、在支撐環上安裝有推進千斤頂，盾尾裝有管片拼裝機和密封系統。.、工作原理圓形土壓平衡式盾構是利用全斷面切削刀盤上的刀具，在刀盤扭矩和千斤頂推力的作用下，對正面土體進行切削。切削下來的土體經刀盤開口進入刀盤后面的密封隔艙，必要時通過配備的加泥（泡沫）系統對艙內土地體進行改良，使其具有良好的塑流性和較少的粘結力，再通過可控制轉速的螺旋輸送機和后續皮帶輸送機連續地進行棄土。為了減少盾構掘進對地層的擾動，保證盾構開挖面的穩定，必須高度關注各施工參數的關聯性，嚴格控制掘削量與出土量的平衡，其通用的控制方法有以3種：1）調整螺旋輸送機出土速度首先通過理論計算和經驗修正，設定基本的平衡土壓力；再根據盾構機的技

14、術參數和地質條件，設定正常的掘進速度和刀盤轉速，形成盾構削量的基本參數；然后按螺旋輸送機的參數決定排土效率，以得到每一環襯砌的出土量及土速度；最后通過調節螺旋機的轉速，使出土量與盾構掘削量匹配，維持平衡土壓力，達到穩定開挖面的目的。2）調整盾構掘進速度根據理論設定的開挖面平衡土壓力和螺旋輸送機的技術參數，形成每一環襯砌出土量的初始施工參數；然后通過盾構推進速度參數的控制，使盾構掘削量和出土量有機地匹配，保證土艙內土體具有適當壓力，并與開挖面水土壓力保持動態平衡，以減少盾構掘進對地層的擾動，從而達到控制地面隆沉的目的。3）同時調整螺旋機出土速度和盾構掘進速度根據理論計算，設定初始的螺旋機出土速度

15、和盾構速度，在盾構施工過程中，由盾構司機同進對上述2個參數進行調整，滿足開挖面水壓力的平衡。但是，通過控制螺旋輸送機排土閘門的開口度和螺旋輸送機的旋轉速度來控制土壓平衡比較簡便，也是最為實用的。2、泥水平衡式盾構原理 泥水平衡式盾構是通過在支承環前面裝置隔板的密封艙中，注入適當壓力的泥水，使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，進而與泥水混合后，形成高密度泥漿，由排水泥泵及管道輸送至地面。送至地面的泥水，根據土體顆粒直徑，通過一次分離和二次分離設備，將大顆粒土砂分離并排棄，分離后的泥水送到調整槽再次調整，使其形成優質泥水后再輸送到盾構工作面。在泥水平衡的理論

16、中，泥膜的形成至關重要。當泥水壓力大于地下水壓力時，形成與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，在“阻塞”和“架橋”效應的作用下，被捕獲并積聚于土壤與泥水的接觸表面，從而形成泥膜。隨著時間的推移，泥膜的厚度不斷增加，滲透抵抗力逐漸增強，當泥膜抵抗力遠大于正面土壓時，產生泥水平衡效果。泥水平衡式盾構工主要由盾構掘進系統、綜合管理系統、泥水分離處理系統和同步注漿等五大系統組成。帶氣囊加壓泥水平衡式盾構機還包括可調節壓力的氣囊，用來保證開挖面的泥水壓力。泥水平衡式盾構操作規范、方便，信息反饋能力強，可自動實時采集盾構掘進的各項數據，經分析總結后可以及時指導盾構掘進施工。211盾構掘進系統盾構掘進機系統是進行

17、掘進和完成管片拼裝的主要設備。212綜合管理系統泥水平衡式盾構掘進管理系統由自動測量子系統、管片輸送管理子系統、同步注漿管理子系統和泥水管理子系統等幾部分組成，各系統通過中央控制室進行管理。其中，自動測量子系統主要用于控制盾構姿態；同步注管理子系統主要用于管理盾構掘進時的同步注漿量和注漿壓力，及時填充由盾尾間隙等產生的建筑空隙，防止地面沉陷；泥水管理子系統主要用于測定及調節泥水輸送系統中的泥水指標，以便于控制推進過程中的開挖面穩定。213泥水處理系統如果將泥水盾構比喻成一個人的身體， 中央控制室則是人的大腦，泥水則如同人體內的血液，而泥水處理系統的重要性就如同血液循環系統對人體的重要性。傳統的

18、泥水處理系統主要由泥水控制室、沉淀池、貯漿槽、新漿拌制槽、調整槽、剩余槽、清水槽和泥水分離除砂器及清潔器等組成，起著處理由盾構開挖面排出的泥水和制造新鮮泥水的作用。最新的模塊化泥水處理設備已經取消了占地龐大的沉淀池等，可以將整套泥水處理設備堆疊在一起，只占用很少的面積就可以完成泥水處理工作。盾構掘進產生的泥水，經泥水處理系統分離成土砂和泥水，將大顆粒的土砂排棄而回收含有微小顆粒的泥水，后者進入調整槽并按施工要求加入新漿進行調整，再輸送至盾構工作面，實現泥水循環。214泥水輸送系統泥水輸送系統通常是由送泥管路、排泥管路、泥水控制閥組等組成。經泥水處理系統處理合格的泥水貯存在調整槽，通過設置在地面的泵送至井下。盾構泥水壓力艙內排出的高密度泥水，經分別安裝在地面和隧道內的接力泵回送至泥漿沉淀池再處理。在長隧道中影響工期的事件中，泥水輸送系統占43.9%，因此使泥水輸送系統正常工作是泥水盾構