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盾构机构造及工作原理简介(一)

伴随着2012年我司在新行业拓展上的力度不断加大,轨道交通这个名词也越来越多的出现在公司会议及公告中。而盾构机作为我司进入轨道交通行业的切入点,在我司的发展战略中占据着重要地位。那么盾构机究竟是一种什么样的设备呢?盾构机是如何工作的呢?而我们港迪电气的产品在盾构机这样一个大型设备中又起到了什么作用呢?
下面,本文会通过盾构机的起源及发展史、盾构机在中国的发展历程、盾构机概述、盾构机的构造及工作原理、盾构机上的电力系统,中国盾构机的现状及发展前景六个方面来介绍盾构机的产生与发展,并逐渐解答上述问题。
一、盾构机的起源和发展史
盾构发明于19世纪初期,首先应用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。1818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,并在英国取得专利。下图为布鲁诺尔注册专利的盾构。
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。当时布鲁诺尔设计了两种方法,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。(第一种方法后来被采用,并得到了推广应用,演变为成熟的盾构法)。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。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。如下图,第一台用于隧道施工的盾构机,其每一个框架分成3个舱,每一个舱里有一个工人,共有36个工人。
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,才完成了全长458m的第一条盾构法隧道。
1830年,英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。
1865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。
1866年,莫尔顿申请“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。
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。
1876年英国人约翰·荻克英森·布伦敦和姬奥基·布伦敦申请第一个机械化盾构专利。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。
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,大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建的。
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的国家。
1963年,土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司(佐藤工业)开发出来。下图为当时设计的土压平衡盾构示意图。
 
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)。
1989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。 
1992年,日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构(由3个直径7.8m的刀头构成,总长17.3m),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。
二、我国盾构机的发展历程
纵观我国盾构法隧道的发展历程,大体上可以分为以下三个阶段:
(1) 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。
(2) 平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年):
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。
(3) 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100亿以上的城市均可以建地铁。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。同时,盾构机在越江道路、输气和市政排水隧洞等工程中也得到了广泛应用。
三、盾构机概述
盾构机是掘进机的一种类型,其全称为盾构隧道掘进机,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。其名称是由“盾构”和“隧道掘进机”组合而成。其中“隧道掘进机”说明该设备是一种隧道掘进的专用工程机械,而“盾构”二字则来源于盾构法施工。盾构法施工是利用盾构进行隧道开挖,衬砌等作业的施工方法,其中盾构指的是一种带有护罩的专用设备,利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进,用刀盘切割土体,同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块。
为适应各种不同的土质,所以盾构的种类繁多。按其构造特点和开挖方法,可归纳为以下四类:敞口式盾构、普通闭胸式盾构、普通挤压式盾构、TBM硬岩盾构。其中敞口式盾构或称普通盾构、普通闭胸式盾构或称普通挤压式盾构(半机械化盾构)以及TBM硬岩盾构在本司的产品中尚未涉及,因此不作详述,下面主要了解一下机械式闭胸盾构。
在盾构的切口环和支承环间设密封隔墙,使形成密封舱,在密封舱内通入压缩空气,用气压稳定开挖面土体,这种盾构机称之为局部气压盾构。局部气压盾构的优点是操作人员可在常压下工作。但由于出土装置、盾尾密封装置和衬砌接缝间的漏气等技术上的难题不易解决,故使用不多。
而正面密封舱中设泥浆或泥浆加气压平衡装置的称泥水平衡盾构、泥水加压式平衡盾构。泥水加压式盾构是在局部气压盾构基础上发展而成。在局部气压盾构的密封舱内通入泥水以代替压缩空气,利用泥水压力来稳定开挖面土体,同时避免盾尾和衬砌接缝等处产生漏气。盾构掘进时,转动开挖面大刀盘以切削土层,切削下来的土可利用泥水通过管道送往地面处理,从而解决了密封舱内的连续出土问题。由于泥水盾构既能抵抗地下水压,又无压缩空气的泄漏和喷发问题,故对隧道埋深的适应性较大;弃土可采用管道输送,安全可靠,效率较高。缺点是配套设备较多,施工费用和设备投资较高。泥水加压式盾构适用于冲积形成砂砾、砂、粉砂、粘土层、弱固结的互层地基以及含水率高开挖面不稳定的地层;洪积形成的砂砾、砂、粉砂、粘土层以及含水很高固结松散易于发生涌水破坏的地层,是一种适用于多种土质条件的盾构型式。但是对于难以维持开挖面稳定性的高透水性地基、砾石地基,有时也要考虑采用辅助施工方法。


泥水平衡式盾构机

 
  在正面密封舱中设土压或土压加泥水式平衡装置的,称土压平衡盾构或加泥式土压平衡盾构。盾构机的切口环和支承环间装有密封隔板,使盾构开挖面构成一密封舱,其前端是一个全断面切削的大刀盘,用以开挖地层。密封隔板的中间装有一台长筒形螺旋运输机,进土口设在密封舱内的中心或下部,出土口在密封舱外。土压平衡的作用,是用刀盘切削下来的土充填整个密封舱,并保持一定的压力去平衡开挖面土压力。螺旋运输机的出土量要密切配合刀盘切削速度,使密封舱内始终充满泥土而不致挤得过密或过松;同时配合千斤顶顶进速度,以达到平衡开挖面地层侧压力的效果。土压平衡式盾构,既避免了局部气压盾构的缺点,又省略了泥水加压盾构的泥水输送和处理设备,是一种很有发展前途的新型盾构。土压平衡盾构适用于含水量和粒度组成比较适中的粉土、粘土、砂质粉土、砂质粘土、夹砂粉粘土等土砂可以直接从掘削面流入土舱及螺旋排土器的土质。但对含砂粒量过多的不具备流动性的土质,则不宜选用。
 
土压平衡式盾构机
盾构掘进机的主要选型依据按其重要性排列如下:
土质条件、岩性(抗压、抗拉、粒径等参数,开挖面稳定性,隧道埋深、地下水位,设计隧道的断面,环境条件、沿线场地(附近管线和建筑物及其结构特性)等。
而地层渗透系数是土质条件的一种表现形式,也是盾构机的选型是一个很重要的因素。当地层的透水系数小于10-7m/s时,可以选用土压平衡盾构;当地层的渗水系数在10-7m/s和10-4m/s之间时,既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构;当地层的透水系数大于10-4m/s时,宜选用泥水盾构。如今还有土压与泥水结合的双模式盾构,这种新型盾构能够适应更大范围的地质条件。
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