廣州吉原交通技術工程有限公司泥水盾構系統(tǒng)和結構原理1、盾構的發(fā)展2、TBM的發(fā)展3、泥水盾構的發(fā)展4、泥水盾構系統(tǒng)和結構原理目錄一、盾構發(fā)展簡介盾構的發(fā)展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硬巖掘進機盾構盾構發(fā)展簡介*1818年，英國的布魯偌爾（法國人）從蛀蟲鉆孔得得啟示，提出了盾構掘進隧道的設想。*1825-1843年，布魯偌爾在倫敦泰晤士河下用盾構法修建了458米長的矩形隧道（11.4MX6.8M）。盾構發(fā)展簡介布魯諾爾注冊專利的盾構，18181832年1月12日泰晤士河底隧道施工時涌入水盾構歷史簡介用壓縮空氣抵消外部水壓盾構的發(fā)展史1874年德國工程師開發(fā)了用流體支撐開挖面的盾構，1896年德國第一臺泥水式盾構申請了專利。1959年用流體支撐開挖面的盾構成功地建造了一條直徑為3.35米的排污隧洞。1960年采用了膨潤土懸浮液來支撐開挖面。1967年開發(fā)了首臺有切削刀盤并以水力出土的泥水加壓平衡盾構。1974年日本開發(fā)了首臺土壓平衡盾構。1994年日本制造出首臺3圓式泥水盾構。TBM的發(fā)展史二、TBM發(fā)展簡介TBM發(fā)展史

先驅者是一個是叫亨利-約瑟.

Maus的比利時工程師。他在1845

年得到撒丁國王的許可修建一條連接法國和意大利的鐵路。毛瑟的“片山機(mountain-slicer)

”

1846

年在都靈附近的一個軍工廠組裝成形。他龐大而復雜，體積超過一節(jié)火車頭。他有一百多個鉆頭。

TBM發(fā)展史到了1851

年，波士頓南部的理查德穆恩公司又建造了一臺重75噸的巨大機器，用于馬薩諸塞州西北Hoosac（胡塞克）隧道的開挖。僅僅開挖了10英尺（3米），機器就不動了，成為一個丑聞。1856

年，美國最著名的工程師之一，赫爾曼.豪普特，宣布他將以另一臺隧道機拯救胡塞克項目。他對此充滿信心，甚至自掏腰包資助該計劃。然而，他的機器開挖了不到1英尺（0.3米）就壽終正寢，豪普特在郁悶中破產(chǎn)。1881年-一臺壓縮空氣驅動的TBM用于掘進英吉利海峽探測隧道。TBM發(fā)展史Moie（鼴鼠），重：125T，直徑：7.9米，長：27米，日進尺：48.7米巖石掘進機TBM發(fā)展史ROBBINS站在新開挖的掌子面旁TBM發(fā)展史1846年：比利時工程師亨利-約瑟.

Maus制作了第一臺TBM，未成功。1851年：美國在馬薩諸塞州西北HOOSAC隧道使用TBM，未成功。1856年：同一個HOOSAC隧道又使用了一臺TBM,同樣未成功。1881年：一臺壓縮空氣驅動的TBM用于掘進英吉利海峽探測隧道。1953年：一臺ROBBINS開發(fā)的TBM用于南達科他州皮爾引隧道。1956年：ROBBINS研制了硬巖TBM用于加拿大多倫多。1973年：一臺雙護盾TBM在意大利誕生。三、泥水平衡盾構的發(fā)展泥水平衡盾構的發(fā)展由于高透水性地層用壓縮空氣支撐隧洞開挖面非常困難1874年：Greathead開發(fā)了用流體支撐開挖面的盾構，開挖出的土料以泥水流的方式排出。1896年：Haag在柏林為第一臺德國泥水式盾構申請了專利，該盾構以液體支撐開挖面，其開挖室是有壓和密封的。1959年：E.C.Gardner成功地將以液體支撐開挖面應用于一臺用于建造排污隧洞的直徑為3.35m的盾構。1960年引進了用膨潤土懸浮液來支撐開挖面，而H.Lorenz的專利提出用加壓的膨潤土液來穩(wěn)固開挖面。1967年：第一臺有切削刀盤并以水力出土、直徑為3.1m的泥水盾構在日本開始使用。在德國，第一臺以膨潤土懸浮液支撐開挖面的盾構由Wayss&Freytag開發(fā)并投入使用。泥水平衡盾構的發(fā)展泥水式盾構機的發(fā)展有三種歷程，即日本歷程、英國歷程和德國歷程，到目前則只有日本和德國兩個主要的發(fā)展體系。日本的發(fā)展歷程導致當今的泥水盾構,德國的發(fā)展歷程導致水力盾構。以日本的泥水盾構為基礎又發(fā)展了土壓平衡盾構。而德國的水力盾構導致很多不同的機型,如混合型盾構,懸臂刀頭泥水盾構及水力噴射盾構等。德國和日本體系的主要區(qū)別是，德國式的在泥水艙中設置了氣壓艙，便于人工正面控制泥水壓力，構造簡單；日本式的泥水密封艙中全是泥水，要有一套自動控制泥水平衡的裝置。泥水平衡盾構的發(fā)展1967年：三菱公司制造了第一臺為泥漿開挖面支護的試驗盾構，直徑為3.10m的樣機取得經(jīng)驗后。1970年：建造了第一臺大型泥水盾構,直徑為7.20m,用于建設海峽下的Keiyo鐵路線。自此以后,日本的很多制造商生產(chǎn)了此型盾構。與歐洲相比,泥水盾構在日本使用很多。在歐洲,英國的Markham,法國的NFM及FCB公司等采用日本許可證,也制造了泥水盾構。泥水平衡盾構的發(fā)展德國的發(fā)展歷程起始于1972年，德國承包商Wayss及Freytag公司開發(fā)了水力盾構系統(tǒng)。1974年：其樣機用于建設Hamburg港口下的總管道，盾構外徑為4.48m。當時還沒有可靠的盾尾密封。這樣一來整條隧道被加壓。因為此型盾構是首次使用，很多修改事先未預料到。為了繼續(xù)隧洞修建工程,采取了許多補救措施，解決了一些主要問題。第二次掘進著重解決了可靠的尾封，使得在最后的30m，采用了新的尾封后才達到隧洞內(nèi)無壓力的目的。當今水力盾構在歐洲市場占有很重要的位置。泥水平衡盾構原理總結：日本泥水盾構土壓平衡盾構

德國泥水盾構混合型盾構日本體系：泥水倉全是泥水，直接控制型泥水盾構，調節(jié)控制閥開度來進行泥漿壓力控制。德國體系：泥水倉中設置了氣壓倉，間接控制型泥水盾構，氣壓復合模式，調節(jié)空氣壓力來進行泥漿壓力控制，液位傳感器根據(jù)液位的高低來調整液位。盾構歷史簡介縱觀盾構和TBM的發(fā)展史，總結盾構的應用歷程，可以說它是隨著機械制造、液壓技術、電氣控制、密封技術及測量技術的進步而發(fā)展壯大起來的，并逐步將TBM和盾構的功能和特點合二為一，從而使其適應于各種環(huán)境和不同地質地層的綜合型盾構機。使最初只適應于軟巖的盾構，現(xiàn)在也能成為掘進硬巖（滾刀刀盤與盾殼的結合）的盾構機。泥水加壓平衡盾構機原理三、泥水加壓平衡

盾構機的工作原理泥水加壓平衡盾構機原理泥水式盾構機施工時穩(wěn)定開挖面的機理為：以泥水壓力來抵抗開挖面的土壓力和水壓力以保持開挖面的穩(wěn)定，同時，控制開挖面變形和地基沉降；在開挖面形成弱透水性泥膜，保持泥水壓力有效作用于開挖面。在開挖面，隨著加壓后的泥水不斷滲入土體，泥水中的砂土顆粒填入土體孔隙中，可形成滲透系數(shù)非常小的泥膜（膨潤土懸浮液支撐時形成一濾餅層）。而且，由于泥膜形成后減小了開挖面的壓力損失，泥水壓力可有效地作用于開挖面，從而可防止開挖面的變形和崩塌，并確保開挖面的穩(wěn)定。因此，在泥水式盾構機施工中，控制泥水壓力和控制泥水質量是兩個重要的課題。土壓平衡加壓盾構原理壓縮空氣泥漿壓力土體水壓土體對刀具反力進漿管排漿管進氣管泥水平衡盾構原理1、開挖面穩(wěn)定機理：刀盤結構、泥膜、泥水壓力。2、泥膜形成機理：泥膜形成的基本要素（泥水的密度、含砂率、泥水的黏性、泥水壓力：土壓力、水壓力、預留壓力）——盡快形成不透水的泥膜。掘進速度與泥膜的關系：高質量泥水成膜時間1-2秒。3、地質適用范圍

1.沙性土層2.砂層3.礫石層4.貝殼層。泥水平衡盾構原理泥漿比重：常采用泥漿比重計測定。泥漿比重計由由泥漿杯和秤桿等組成。測量時將泥漿杯裝滿泥漿，加蓋并擦凈從小口溢出的泥漿。然后置于支架上，移動游碼，使杠桿呈水平狀態(tài)，讀出游碼左側所示刻度，即為泥漿的比重。該儀器測使用前要用清水對儀器進行校正，如讀數(shù)不在1.0處，可通過增減杠桿右端的金屬顆粒來調節(jié)。

泥漿的粘度：施工現(xiàn)場常采用漏斗粘度計測定，測量時將用手指堵住漏斗下面的出口，從量杯分別將500ml+200ml泥漿倒入漏斗，然后打開出口，讓泥漿從內(nèi)徑5mm，長度100mm的管子中流出，用秒表測定流出500ml所需時間（s），即為泥漿粘度。該粘度計測得的是泥漿對水的相對粘度。因此，在使用前應用水進行校正。其方法是先往漏斗中注入700ml清水，而流出500ml的標準時間應為15s，如有誤差則通過下式進行修正：泥漿粘度=測得的泥漿粘度（s）×15s/測得的清水粘度數(shù)（s）

含砂量：通常采用含砂量儀來測定。測定時將100ml泥漿裝入量杯中，用清水將泥漿稀釋，將其倒入過濾筒篩網(wǎng)上過濾，并用水沖洗，最后將篩余的砂粒倒入干凈的含砂量杯中，垂直靜置一分鐘，記錄沉淀物體積的毫升數(shù)，即為泥漿的含砂率

泥水平衡盾構原理

無氣墊倉泥水盾構與有氣墊倉泥水盾構壓力波動比較圖泥水平衡盾構原理H泥水平衡盾構原理泥水盾構原理泥水盾構原理日本東京灣隧道日本東京灣泥漿平衡盾構機日本東京灣泥漿平衡盾構機獅子洋廣深港高鐵泥水盾構機

直徑：Φ11182mm最大推力推進速度最大扭矩切口壓力進漿比重排漿比重理論123850KN40mm/min13650KN.m實際40000-90000KN20-40mm/min3000-7000KN.m2.8-4.8bar1.05-1.251.15-1.35南京偉三路隧道泥水盾構機進漿管參數(shù)推力速度扭矩轉速切口水壓進漿比重排漿比重理論278400KN50mm/min36585KN.m0.1-1.84rpm排漿管刀盤氣墊倉主軸承推進缸盾尾刷拼裝機刀盤刀具配置圖NO.1(114t)No.4(112t)No.2(112t)No.3(110t)刀盤分割圖一刀盤分割圖二刀盤中心塊1、刀具的種類及配刀雙刃滾刀單刃滾刀切刀周邊刮刀超挖刀柱型超挖刀刮刀滾刀破巖機理

滾刀在巖石面上連續(xù)做同心圓運動，軸壓力（推力）使刀刃壓入巖石，產(chǎn)生類似于靜壓破巖；滾動力（扭矩）使盤刀刀刃沿軌跡線連續(xù)滾壓巖石，并在滾刀通過處對巖體產(chǎn)生側向壓力，使盤刀運動軌跡線周邊的巖石不斷產(chǎn)生崩裂，從而達到連續(xù)破巖。滾刀破巖原理示意圖

靜壓破巖狀況切刀破巖機理

切刀（或刮刀）施力于巖土層上，靠刀具的刀刃從巖土體的外層分離巖土，并使之脫離母體達到破巖的一種機械破巖方式切刀破巖機理示意圖3、刀具的失效形式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刀具失效圖例

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4、掘進參數(shù)及地質對刀具的影響硬巖掘進時推力及速度過大會造成刀具崩刃斷裂粘土層掘進時泡沫、水等添加不合適即碴土改良效果不好會產(chǎn)生泥餅或刀具被碴土裹住無法轉動軟弱圍巖掘進時，推力過大或刀盤轉速過快會造成局部刀具過載、密封失效等上軟下硬的地層會造成刀具崩刃斷裂、刀圈脫落及偏磨破碎地層和斷層巖層容易造成刀圈崩裂及脫落地質對刀具的影響小盾構機主軸承結構主軸承外圈主軸承內(nèi)圈帶大齒圈后彈性密封主推力軸承經(jīng)向軸承前部推力軸承前彈性密封大盾構主軸承結構外圈外密封內(nèi)密封內(nèi)圈大齒圈（外）外殼旋轉體主驅動減速器小齒輪膨脹套安全銷膨脹液動力輸入軸外殼動力輸出軸安全環(huán)槽泥水平衡盾構結構盾尾密封

盾尾密封同步注漿孔油脂管盾尾刷手抹油脂的作用：保護盾尾刷不受雜物的侵蝕泥水平衡盾構結構盾尾密封

泥水平衡盾構結構管片拼裝機：功能：舉升、回轉、水平移動。吸盤的橫、縱向微動、水平微轉。泥水平衡盾構結構盾構機鉸接結構形式：1、被動鉸接式優(yōu)點：鉸接油缸數(shù)量少、體積也小，調向靈活。

缺點：轉彎時，推力油缸與管片不垂直，2、主動鉸接式

優(yōu)點：轉彎時，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：結構簡單

缺點：對轉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