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具有高度自動化特點的掘進專用機械工具,目前廣泛應用於各種隧道工程中。

1 盾構機 -盾構機

全名叫盾構隧道掘進機,是一種隧道掘進的專用工程機械,現代盾構掘進機集光、機、電、液、感測、信息技術於一體,具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能,涉及地質、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制、測量等多門學科技術,而且要按照不同的地質進行「量體裁衣」式的設計製造,可靠性要求極高。盾構掘進機已廣泛用於地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。

2 盾構機 -優點


用盾構機進行隧洞施工具有自動化程度高、節省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建築物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點,在隧洞洞線較長、埋深較大的情況下,用盾構機施工更為經濟合理。

3 盾構機 -工作原理


盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾,它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時文撐的作用,承受周圍土層的壓力,有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業在護盾的掩護下進行。

據了解,採用盾構法施工的掘進量占京城地鐵施工總量的45%,目前共有17台盾構機為地鐵建設效力。雖然盾構機成本高昂,但可將地鐵暗挖功效提高8到10倍,而且在施工過程中,地面上不用大面積拆遷,不阻斷交通,施工無噪音,地面不沉降,不影響居民的正常生活。不過,大型盾構機技術附加值高、製造工藝複雜,國際上只有歐美和日本的幾家企業能夠研製生產。

盾構機根據工作原理一般分為手掘式盾構,擠壓式盾構,半機械式盾構(局部氣壓、全局氣壓),機械式盾構(開胸式切削盾構,氣壓式盾構,泥水加壓盾構,土壓平衡盾構,混合型盾構,異型盾構)。

泥水式盾構機是通過加壓泥水或泥漿(通常為膨潤土懸浮液)來穩定開挖面,其刀盤後面有一個密封隔板,與開挖面之間形成泥水室,裡面充滿了泥漿,開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠,經分離后泥漿重複使用。土壓平衡式盾構機是把土料(必要時添加泡沫等對土壤進行改良)作為穩定開挖面的介質,刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室,刀盤旋轉開挖使泥土料增加,再由螺旋輸料器旋轉將土料運出,泥土室內土壓可由刀盤旋轉開挖速度和螺旋輸出料器出土量(旋轉速度)進行調節。

根據盾構機不同的分類,盾構開挖方法可分為:敞開式、機械切削式、網格式和擠壓式等。為了減少盾構施工對地層的擾動,可先藉助千斤頂驅動盾構使其切口貫入土層,然後在切口內進行土體開挖與運輸。

a.敞開式開挖

手掘式及半機械式盾構均為半敞開式開挖,這種方法適於地地質條件較好,開挖面在掘進中能維持穩定或在有輔助措施是能維持穩定的情況,其開挖一般是從頂部開始逐層向下挖掘。若土層較差,還可借用千斤頂加撐板對開挖面進行臨時支撐。採用敞開式開挖,處理孤立障礙物、糾偏、超挖均為其它方式容易。為盡量減少對地層的擾動,要適當控制超挖量與暴露時間。

b.機械切削式開挖

指與盾構直徑相仿的全斷面旋轉切削刀盤開挖方式。根據地質條件的好壞,大刀盤可分為刀架間無封板及有封板兩種。刀架間無封板適用於土質較好的條件。大刀盤開挖方式,在彎道施工或糾偏是不如敞開式開挖便於超挖。此外,清除障礙物也不如敞開式開挖。使用大刀盤的盾構,機械構造複雜,消耗動力較大。目前國內外較先進的泥水加壓盾構、土壓平衡盾構,均採用這種開挖方式。

c.網格式開挖

採用網格式開挖,開挖面由網格梁與格板分成許多格子。開挖面的支撐作用是由土的粘聚力和網格厚度範圍內的阻力而產生的。當盾構推進是,土體就從格子里擠出來。根據土的性質,調節網格的開孔面積。採用網格式開挖時,在所有千斤頂縮回后,會產生較大的盾構後退現象,導致地表沉降,因此,在施工務必採取有效措施,防止盾構後退。

d.擠壓式開挖

全擠壓式和局部擠壓式開挖,由於不出土或只部分出土,對地層有較大的擾動,在施工軸線時,應盡量避開地面建築物。局部擠壓時施工時,要精心控制出土量,以減少和控制地表變形。全擠壓式施工時,盾構把四周一定範圍內的土體擠密實。

盾構機問世至今已有近180年的歷史,其始於英國,發展於日本、德國。近30年來,通過對土壓平衡式、泥水式盾構機中的關鍵技術,如盾構機的有效密封,確保開挖面的穩定、控制地表隆起及塌陷在規定範圍之內,刀具的使用壽命以及在密封條件下的刀具更換,對一些惡劣地質如高水壓條件的處理技術等方面的探索和研究解決,使盾構機有了很快的發展。盾構機尤其是土壓平衡式和泥水式盾構機在日本由於經濟的快速發展及實際工程的需要發展很快。德國的盾構機技術也有獨到之處,尤其是在地下施工過程中,保證密封的前提以及高達0.3MPa氣壓的情況下更換刀盤上的刀具,從而提高盾構機的一次掘進長度。德國還開發了在密封條件下,從大直徑刀盤內側常壓空間內更換被磨損的刀具。

盾構機的選型原則是因地制宜,盡量提高機械化程度,減少對環境的影響。

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