盾构掘进机设计论文

第 1 章绪论1.1 引言近年来,我国开展大规模的城市市政工程建设,尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。

在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以普遍适用。

在这种情况下,对城市正常机能影响很小的隧道施工方法--盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。

盾构法施工技术已被广泛应用于铁路隧道、过江隧道、公路隧道和城市地下工程。

全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程施工装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件。

1.2盾构机掘进机概况盾构掘进机作为典型的复杂机电产品的代表，是机电液一体化高度集成的大型设备，也是多单元集成的大型水利、国防、地铁、交通等领域的基础关键设备。

“十一五”期间，国家在先进制造领域重点扶持盾构掘进机系列化设计和制造关键技术的研究与开发，以制造样机和进行工程试用为目标，争取2015年实现系列化和产业化。

近年来，由于我国基础设施建设的需要，盾构法施工技术的应用在国内得到快速发展。

据不完全统计，国际建筑市场的全断面隧道掘进机年需求量上千台，年营业额超过100 亿美元；到2020 年我国对各类大型全断面隧道掘进机可以预见的需求将超过1000 台。

由于重大技术装备制造水平的发展跟不上我国经济快速发展的要求，一些大型重要工程为保证工期和质量，倾向依赖于进口装备，造成我国机械产品贸易逆差逐年加大，核心技术对外依赖性不断增强，蕴涵着较高的国际经济及政治风险。

与传统的隧道掘进技术相比，盾构掘进机施工隧道断面一次成型，支护和衬砌及时，具有安全可靠、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而埋深较大时，只能依赖全断面盾构掘进机。

根据国外全断面掘进机的发展经验和趋势，结合我国国情，目前，国内盾构生产、施工过程中遇到的主要问题及难点主要集中在以下几个方面：（1）液压推进系统实时、智能化精确控制技术；（2）刀具和刀盘设计技术；（3）结构参数的优化和系统集成技术；（4）精确控制地表沉降技术；（5）提高姿态控制精度的激光导向技术；（6）隧道管片拼装的全自动化技术等。

盾构管片拼装系统是盾构掘进机成套装备系统的关键子系统，是一种典型的复杂机电液产品，一般由管片输送系统、管片夹持系统、管片举重定位系统、管片螺栓安装系统、管片正圆装置、检测/控制系统、驱动系统等组成。

一般要求实现管片在空间 6 个自由度的无干涉运动，其工作效率应与盾构掘进机的掘进速度一致。

由于结构复杂、工作效率高、定位/检测精度高、动静态特性复杂、工作负载大等原因，盾构管片拼装机至今没有全部实现国产化。

管片拼装作业是盾构施工的关键作业之一。

一方面管片环承担着盾构前进的推进反力，另一方面管片环的拼装速度又直接决定着盾构的掘进速度。

目前，盾构的开挖、掘进作业已实现了自动化，甚至智能化，但管片拼装作业的自动化进程却相对滞后，作业方式主要存在着以下两个问题，即：（1）管片拼装定位精度低，管片环易出现裂缝和缺口；（2）管片安装效率较低，影响隧道开挖的掘进速度；基于以上问题，本文结合全自动盾构管片拼装系统的研发，运用相关理论开展盾构管片拼装机的设计及研究工作。

盾构机是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械。

盾构作为一种安全、快速的隧道掘进机械，经历了四个发展阶段：一是以Brunel盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式、网格式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表(泥水式、土压式 )的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。

目前，最常见的是第三代盾构--土压平衡盾构和泥水加压式盾构。

土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘的旋转作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的土碴加压，使土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。

土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。

士压平衡盾构无泥水处理设备，施工速度较高，比泥水盾构价格低，能获得较小的沉降量，也可实现自动控制和远距离遥控操作，由于开挖面得到安全的支护，因此现在的泥浆盾构和土压平衡盾构，甚至可以在困难的水文、地质条件下广泛应用。

其工作原理如图1-1所示。

图1-1 土压平衡盾构的开挖原理泥水加压式盾构(slurry pressure balance shield )，简称SPB盾构，是在机械式盾构的前部设置隔板，与刀盘之间形成泥水仓,开挖面的稳定是将泥浆送入泥水仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。

开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。

图1-2 泥水加压式盾构的开挖原理早在1950 年代初期,我国东北阜新煤矿就有使用手掘式隧道修建疏水巷道,1957 年在北京市下水道工程中使用小断面盾构施工的记载。

随着我国国民经济和城市现代化的快速发展，从九十年代起盾构技术在我国开始广泛使用，从目前各地盾构技术的使用情况来看，我国盾构技术已经全面进入了使用的阶段，尤其是土压平衡式盾构的使用已经非常广泛。

经过一些工程实践，我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累,但仍然存在大量的技术问题。

除盾构机械制造和施工控制管理等综合技术问题以外,在岩土工程的领域内也存在许多尚待解决的理论和技术问题。

比如,盾构隧道管片设计理论的统一、系统化问题；隧道开挖面稳定机理和控制问题；相邻或叠交隧道相互影响的评价问题等等,都还需要我们进行不懈的研究和积累。

虽然我国已有很多成功的施工经验,但距离盾构技术的产业化、系统化尚有一定的距离。

因此,还需要进行不懈的开发、研究和积累,以图形成我国独立的机械制造、隧道设计、施工管理技术。

盾构掘进机的技术发展较为显著，归纳起来主要有以下五个特点：（1）盾构掘进机地层适应性广，可用于沙砾层、卵石层、沙层和软土等各种地层；掘进断面尺寸变化范围大，具有向超大、微小两个方向发展的趋势（直径18m的大型盾构机与直径0.2m的微型盾构）。

（2）盾构掘进机的类型向多样化方向发展。

从断面形状方面出现了矩形，马蹄形、椭圆形、MF 形（双圆搭接、三圆搭接）等多种异圆断面盾构；从功能讲出现了球体盾构、母子盾构、扩径盾构、变径盾构、分岔盾构、途中更换刀具（无需竖井）盾构、障碍物直接切除盾构等特种盾构；从掘削方式上出现了摇动、摆动掘削方式的盾构。

图1.3 三圆搭接型盾构机图 1.4 偏心多轴式盾构机图 1.5 母子盾构机图 1.6 球体盾构机（3）盾构机的技术科技含量越来越高。

液力驱动和电液比例控制技术、遥控技术、现场总线控制技术、摄象及视觉信号处理技术等现代高新技术成果不断得到应用。

（4）土压平衡盾构（图 1.1）、泥水盾构（图 1.2）是当前时期盾构机的主流产品，基本实现掘进、衬砌、排土施工工艺的全机械化和全自动化。

（5）在未来的发展方向上，盾构掘进机将不断采用类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，盾构的机器人化发展趋势不可阻挡。

随着我国国民经济和城市现代化的不断发展,高度商业化、效率化和功能密集化的现代城市对于工程施工的要求越来越高。

另一方面,由于城市用地、城市交通立体化的要求,向地下发展的地下工程会越来越多。

作为一种适用于现代城市地下工程的施工方法- 盾构隧道施工法必将受到人们的重视。

目前，我国的许多大城市都开始了地下铁路的工程、城市上下水隧道工程，如：北京、上海、天津、南京等。

在2006～2020年的15年间，我国将有20余座城市建设地铁，至少将建3000km。

此外,国家的重点建设项目如南水北调及西气东输工程都涉及到穿越江河的问题,其中一些区段都可能需要采用盾构法进行隧道施工。

因此，盾构隧道施工法在我国的发展前景非常广阔。

所以开展盾构机零部件的研究和开发，实现盾构的国产化将会促进我国建设的快速发展。

1.3 盾构技术盾构隧道施工法是指使用盾构机,一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。

盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。

所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。

由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工程施工中,与岩石围岩不同,土体不具有自立稳定性,所以保持开挖面稳定的系统(盾) 就非常重要。

盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。

为了达到这一目的,除了刀盘和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外,使用压力舱内泥土或泥水压力平衡开挖面上的作用土压力和水压力；使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙,主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。

盾构隧道施工技术的特点可以归纳为以下几点:(1)对城市的正常功能及周围环境的影响很小。

除盾构竖井处需要一定的施工场地以外,隧道沿线不需要施工场地,无需进行拆迁而对城市的商业、交通、住居影响很小。

可以在深部穿越地上建筑物、河流；在地下穿过各种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。

施工一般不需要采取地下水降水等措施,也无噪声、振动等施工污染。

(2)盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。

盾构机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制造或改造,所以是适合于某一区间的专用设备。

当将盾构机转用于其它区段或其它隧道时,必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否相同,有差异时要进行改造。

(3)对施工精度的要求高。

区别于一般的土木工程,盾构施工对精度的要求非常之高。

管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。

由于断面不能随意调整,对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。

(4)盾构施工是不可后退的。

盾构施工一旦开始,盾构机就无法后退。

由于管片外径小于盾构外径,如要后退必须拆除已拼装的管片,这是非常危险的。

另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。

所以,盾构施工的前期工作是非常重要的,一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后,打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。

1.4 盾构管片拼装系统研究概况管片拼装作业的重要性主要体现在两个方面：一方面管片环承担着盾构前进的推进反力，另一方面管片环的拼装速度又直接决定着盾构的掘进速度。