文献综述-土压平衡式盾构机液压系统设计与分析

1.文献综述

盾构掘进机是一种隧道工程专用的大型高科技综合施工设备。它集电气、液压、测量导向、控制、材料等多学科技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。采用盾构掘进机，施工速度快，自动化程度高，一次成型，有利于环境保护和降低劳动强度。而且盾构掘进机适用范围广，从软土、淤泥到硬岩都可应用，施工质量高，可控制地面沉降，开挖时不影响面上建筑和交通，与传统的隧道工程相比，具有明显的优势。

我国幅员辽阔，不同地区的地质情况复杂多变，有必要形成适合我国国情的适应性理论指导。搭建盾构模拟实验平台，可为我国盾构掘进机的设计、制造提供实验数据和理论支持，具有重要的意义。推进液压系统作为模拟盾构掘进机的一个关键部分，它的协调动作可以使其保持合适的姿态，是模拟盾构掘进机能够沿着设计路线方向准确向前推进的关键所在。本文主要讨论模拟盾构推进液压系统的设计和控制研究。

盾构根据其断面形状可分为单圆盾构，复圆盾构（多园盾构）、非圆盾构，其中复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构，非圆盾构可分为椭圆形盾构、矩形盾构、马蹄形盾构、半圆形盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。盾构按支护底层的形式分类，主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式，土压平衡支护式5种类型。盾构按开挖面与作业式之间隔板构造可分为全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。国外用盾构施工已经有180多年历史，1866年，莫尔顿在申请专利中第一次使用了“盾构”这一术语。当今世界上最具有实力的全断面隧道掘进机制造公司，有美国的罗宾斯公司、佳伐公司、德国维尔特公司、海伦公司，日本川崎、三菱公司，法国FCB公司、法马通公司，英国豪顿公司等。我国全断面隧道掘进机的研制是从20世纪60年代开始的，但与国外掘进机相比差距很大。本文介绍了国内外盾构技术的发展历程和应用现状，阐述了盾构施工法新技术的特点，并在此基础上对盾构技术的发展趋势进行了展望。

1.1 国外盾构技术的发展现状：

1818年英国布鲁诺最早提出了用盾构施工法建设隧道的方法，1825年他第一次在伦敦泰晤士河下用一个断面高6.8米、宽11.4米的矩形盾构修建了一条隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道施工两次被淹，后来在东伦敦地下铁道公司的合作下，经过对盾构施工的改进，用气压辅助施工，才于1843年完成了全长458m的第一条盾构施工法隧道。1865年，巴尔劳首次用圆形盾构，并用铸铁管片作为隧道的衬砌。在盾构穿越饱和含水地层时，施加压缩空气以防止涌水的“气压法“最先是在1830年由劳德考切兰斯发明的。1874年，在英国伦敦地铁隧道的施工中，格雷塞德综合了以往盾构施工和气压法的技术特点，首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法，为盾构施工法的发展起到重大推动作用。1880-1890年间，在美国和加拿大间的圣克莱河下用盾构施工法建成一条直径6.4米，长1800米的水底铁路隧道。20世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广，30-40年代在这些国家已成功的使用盾构建成内径 3.0-9.5m多条地铁及过河公路隧道，仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底通道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用管道等。1939年，日本正式应用盾构施工法施工国铁关门隧道的海底部分，该盾构的外径为7.182m，隧道总长为7258m，该工程奠定了日本盾构技术的基础。从20世纪60年代起，盾构施工法在日本得到迅速发展，70年代日本及德国针对城市建设区的松软含水地层中因盾构施工引起的地表沉降，解决了预制高精度钢筋混凝土管片和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。近30年来，由于土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发及接收等一系列技术难题的解决，盾构技术有了较快发展，至今已累计生产10000多台，主要的生产厂家有日本三菱重工，川崎重工，德国海瑞克公司等。各厂家可以根据不同的地质条件和工程要求，设计不同类型的盾构机已满足不同工程的需要。随着地下空间的开发，盾构技术已广泛的应用于软土层的地铁、隧道、市政管道等工程领域。为了适应不同工程的需要，达到降低开挖成本和施工断面最优化的目的，异形盾构应运而生，盾构施工法进入了多元化的时代。许多重要、新颖的施工法诸如矩形、球形、椭圆摇摆式、铰接式、纵横式以及DPLEX，

H&V,MF,MSD等逐渐进入到世界各地的地下工程建设中。传统的盾构多以圆形断面为主，但是其断面空间利用率低，尤其在人行地道和车行隧道工程中，矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。目前，盾构的形势越来越多，已生产了断面为圆型、矩形、球形、双圆形、三圆形、多心形、复连形、多边形盾构、子母盾构等，直径从200mm到18m。

日本在80年代开发应用了矩形隧道，在90年代开发应用了任意截面盾构和多元盾构，并完成了多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等，使异形盾构技术日益成熟，异形断面隧道工程日益增多。日本于1986年制造了马蹄形机械挖掘盾构，1991年制造了马蹄形的ECL盾构，1993年制造了迄今最大的双圆机构，1995年制造了三圆盾构，1996年制造了7950mmX5420mm的矩形盾构，同年又完成了球形刀盘盾构，1997年制造了MMST盾构，1999年生产了子母盾构，2001年制造了MSD盾构。

1.2 国内盾构技术的发展现状:

我国盾构的开发与应用始于1953年，东北新煤矿用手掘式盾构修建了直径2.6m的疏水巷道。1962年2月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土地层对盾构进行了系统的实验研究，研制了1台直径4.16m的手掘式普通敞胸盾构，隧道掘金长度68m，试验获得了成功，并采集了大量的盾构施工法隧道数据资料。1965年3月，由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台直径5.8m的网格挤压盾构，于1966年完成了2条平行的隧道，隧道长660m，地面最大沉降达l0 cm。1966年5月，中国第一条水底公路隧道——上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的直径10．22m 网格挤压盾构施工，辅以气压稳定开挖面，在水深为16m的黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1322m。1973年，采用1台直径3.6m的水力机械化出土网格盾构和2台直径4.3m的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了1条污水排放隧道和2条引水隧道。1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了1台直径6.412m 网格挤压盾构，采用泥水加压和局部气压施工，在淤泥质粘土地层中掘进隧道1130m。1982年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海隧道股份有限公司设计、江南造船厂制造的直径

11．3m网格挤压水力出土盾构施工。1986年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构，并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。1987年，上海隧道股份有限公司研制成功了我国第一台4.35m加泥式土压平衡盾构，并于1988年1—9月用于上海市南站过江电缆隧道工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度583m。1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18km区间隧道采用7台由法国FCB公司、上海隧道股份有限公司、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的6.34m土压平衡盾构。每台盾构月掘进200m以上，地表沉降控制达+1～一3cm。1995年，上海地铁2号线24.12km区问隧道开始掘进施工，再次使用原7台土压盾构，又从法国FMT公司引进2台土压平衡盾构，上海隧道公司自行设计制造1台盾构，2号线共使用了10台土压平衡盾构。2001年，国家科技部将盾构国产化列入国家“863”计划。在科技部的引导下，中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司在盾构开发上取得了巨大成就。适应于软土地层的6.3m土压平衡盾构的设计和制造有了明显突破，完成了样机的制造，初步形成盾构制造、安装、调试的成套工艺技术，已具备规模化制造加工的能力；盾构隧道掘进关键技术已基本掌握；研制出了世界上最大的盾构模拟试验平台；成功组建了股份制的盾构设计试验研究中心。2001年2月，中铁隧道集团成立了盾构开发机构，2002年8月在河南新乡投资3500多万元建立了盾构产业化基地，成立了以盾构研究开发中心、盾构组装调试中心、盾构制造维修中心为主要发展方向的中铁隧道股份制造公司。上海隧道工程股份有限公司也在上海建立了盾构产业化基地。2001年，科技部将6.3m土压平衡盾构的研究设计列入国家“863”计划。通过公开招标，第一批3项设计课题分别由国内盾构设计、制造与施工的两家优势企业——中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。2002年，同样通过公开招标，第二批4项课题(包括试验研究、关键技术攻关、样机研制和标准规范编制等)分别由中铁隧道集团公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。两家国内盾构设计、制造与施工的优势企业成立了联合攻关组，组织了由浙江大学、同济大学、华中科技大学、东南大学、煤炭科学研究院、北京城建、中信重工机械有限责任公司、洛阳九久技术开发有限公司等单位参加的产、学、研结合的课题组。在国家“863” 计划的引导下，中铁隧道集团已经完成了6．3m土压平衡盾构的结构设计、盾构控制原理流程图设计、盾构液压系统、电气系统、流体输送系统以及元器件的选型；完成了盾构系统刀具的研究设计、开发与制造，

完成了盾构泡沫添加剂、盾尾密封油脂的开发应用研究，并实现了产品化。2004年7月15日，中铁隧道集团研制的刀盘及刀具、液压系统成功地用于上海地铁2号线，进行了工业试验，实现连续掘进2650m，平均月掘进331m，最高月掘进470m，达到了项目要求的各项指标。2005月3月26日，上海地铁2号线西延伸工程盾构区间隧道成功贯通，标志着中铁隧道集团承担的国家“863” 计划土压平衡盾构关键技术研究取得阶段性胜利。2004年5月，中铁隧道集团有限公司成功组装了6.3m土压平衡盾构1台，并应用于广州地铁四号线小新区间。2004年10月下旬，由上海隧道工程股份有限公司牵头负责，成功制造了1台6.3m土压平衡盾构(先行号)应用于上海地铁二号线西延伸隧道工程。同时，在盾构管片研制、新型泡沫剂研制及碴土改良技术、同步注浆技术方面也取得了一定进展，推动了盾构产业化进程。2004年7月28日，上海隧道工程股份有限公司、中铁隧道集团有限公司、上海科技投资公司、浙江大学、同济大学、华中科技大学等共投资2000万元，在上海组建了股份制的盾构设计试验研究中心。研制出了我国第一台拥有自主知识产权的先进的大型多功能盾构试验平台，模拟盾构的直径为1.8m，是世界最大的实物模拟盾构试验平台，具有土压平衡和泥水平衡互换及刀盘开口率可调功能。上海隧道股份公司于1995年开始研究矩形隧道技术，1996年研制1台2.5m×2.5m可变网格矩形顶管机，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。1999年5月，上海地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道采用1台3.8m×3.8m组合刀盘矩形顶管机施工，掘进距离124m。近年来，上海隧道股份公司开展了对双圆隧道和多圆隧道掘进工程的可行性研究，2003年9月，上海隧道股份有限公司引进日本双圆盾构掘进轨道交通8号线。施工中摸索和积累了丰富的经验，为我国异形隧道的发展做了技术储备工作

1.3 盾构施工法新技术

为了满足在城市繁华地区及一些特殊工程的施工，大量的盾构施工法施工新技术应运而生。这些新型盾构技术不仅解决了一些常规技术难以解决的施工问题，而且使得盾构技术的效率、精度和安全性都大大提高。