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我國盾構技術的發展歷史和現狀
來源: | 作者:pmof08f86 | 發布時間: 2019-10-30 | 2456 次瀏覽 | 分享到:

  盾構實際上是盾構機的簡稱,它是一個橫斷面外形與隧道橫斷面外形相同、尺寸稍大,內藏挖土、排土機具,自身設有保護外殼的暗挖隧道的機械。


  以盾構為核心的一整套完整的隧道施工方法稱為盾構工法,盾構工法的設想在19世紀初產生于英國,至今已有200年的歷史。盾構工法問世以前隧道施工主要靠開挖法,但就城市隧道施工而言,開挖法存在受地形、地貌、環境條件的限制,開挖法給城市交通帶來極大不便。開挖產生的地層沉降較大,施工機械的噪聲和振動,施工對環境構成的污染等諸多不利因素。為了提高施工水平,人們不僅開發了軟土盾構工法,而且還開發了適于卵石地層等多種其它地層的盾構工法。此外,還在提高安全性、提高工程質量、縮短工期及降低成本等方面作了精心的研究和開發,并取得了較大的成功。目前盾構工法在城市隧道施工技術中已確立了穩固的統治地位,且已成為一種必不可少的通用隧道施工技術。



我國盾構技術的發展歷史

我國早期的隧道掘進機
  20世紀50年代初,東北阜新煤礦用直徑2.6m的手掘式盾構及小混凝土預制塊修建疏水巷道,這是我國首條用盾構掘進機施工的隧道。1957年、北京市下水道工程采用直徑2.0m和2.6m的盾構進行施工。


  1963年,上海隧道股份結合上海軟土地層對盾構掘進機、預制鋼混凝土襯砌、隧道掘進施工參數,隧道接縫防水進行了系統的試驗研究。研制了1臺直徑4.2m的手掘式盾構進行淺埋和深埋隧道掘進試驗,隧道掘進長度68m。

20世紀60、70年代掘進技術的發展與應用
  1965年,由上海隧道工程設計院設計
、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網格擠壓型盾構掘進機,掘進了2條地鐵區間隧道,掘進總長度1200m。1966年,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設計院設計、江南造船廠制造的我國第一臺直徑10.2m超大型網格擠壓盾構掘進機施工,輔以氣壓穩定開挖面,在黃浦江底順利掘進隧道,掘進總長1322m。70年代,采用1臺直徑3.6m和2臺4.3m的網格擠壓型盾構,在上海金山石化總廠建設1條污水排放隧道和2條引水隧道,掘進了3926m海底隧道,并首創了垂直頂升法建筑取排水口的新技術。

80年代我國隧道掘進技術的進步和發展

  1980年,上海市進行了地鐵1號線試驗段施工,研制了一臺直徑6.41m的刀盤式盾構掘進機,后改為網格擠壓型盾構掘進機,在淤泥質粘土地層中掘進隧道1230m。1985年,上海延安東路越江隧道工程1476m圓形主隧道采用上海隧道股份設計、江南造船廠制造的直徑11.3m網格型水力機械出土盾構掘進機。

  1985年,上海芙蓉江路排水隧道工程引進一臺日本川崎重工制造的直徑4.33m小刀盤土壓盾構,掘進1500m,該盾構具有機械化切削和螺旋機出土功能,施工效率高,對地面影響小的特點。1987年上海隧道股份研制成功了我國第一臺φ4.35m加泥式土壓平衡盾構掘進機,用于市南站過江電纜隧道工程,穿越黃浦江底粉砂層、掘進長度583m,技術成果達到80年
代國際先進水平,并獲得1990年國家科技進步一等獎。

90年代我國隧道掘進技術的發展
  1990年,上海地鐵1號線工程全線開工,18km區間隧道采用7臺由法國FCB公司、上海隧道股份、上海隧道工程設計院、上海船廠聯合制造的φ6.34m土壓平衡盾構掘進機。每臺盾構月掘進200m以上,地表沉降控制達+1~-3cm。1996年,上海地鐵2號線再次使用原7臺土壓盾構,并又從法國FMT公司引進2臺土壓平衡盾構,掘進24km區間隧道,上海地鐵2號線的10號盾構為上海隧道股份自行設計制造。
90年代,上海隧道工程股份有限公司自行設計制造了6臺φ3.8~6.34m土壓平衡盾構,用于地鐵隧道、取排水隧道、電纜隧道等,掘進總長度約10km。在90年代中,直徑1.5~3.0m的頂管工程也采用了小刀盤和大刀盤的土壓平衡頂管機,在上海地區使用了10余臺,掘進管道約20km。1998年,上海黃浦江觀光隧道工程購買國外二手φ7.65m中折式土壓平衡盾構,經修復后掘進機性能良好,順利掘進隧道644m。
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我國盾構技術的發展現狀

摘選自王夢恕《中國盾構和掘進機隧道技術現狀、存在的問題及發展思路》

  盾構法施工已是一門比較成熟的地下工程施工技術。我國盾構施工技術己取得了長足的進步,但與國外先進盾構技術相比,仍然存在一定差距,主要表現在關鍵部件的材質和耐久性方面。因此,需要進行不懈的開發、創新和積累,以形成我國獨立的機械制造、隧道設計和施工管理技術。在國家自然科學基金、973計劃、863計劃、企業及地方等重大項目的支持下,通過10余年的努力,我國盾構行業先后經歷了初步引進、消化吸收、技術攻關和創新跨越等階段,并在關鍵核心技術、實驗平臺研制和盾構產業發展等方面取得了重大突破。


  當今中國己是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家。隨著各大城市地鐵建設力度的不斷加大,跨江越海隧道工程不斷增加,國家的重點建設項目,如長距離供水、水下交通、西氣東輸等工程都將涉及到穿越江河的問題。鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等隧道工程的建設。這些都會使隧道(隧洞)的數量大幅度增多。而一些區段將很可能需要采用盾構、TBM法進行隧道施工。盾構、TBM隧道施工法作為一種適用于現代隧道及地下工程建設的重要施工方法之一,將發揮重要作用。

水下盾構隧道技術現狀

  近百年來,國外己建越江跨海的中等規模以上的水下交通隧道己逾百座,水下建隧的技術和方法己日益成熟。目前我國己建成的水下隧道有50多條,采用的施工方法有盾構法、硬巖掘進機法、鉆爆法、沉埋管段法及淺埋暗挖法等多種。其中,水下盾構、TBM隧道主要集中在長江三角地區、珠三角地區、環渤海地區、長江流域等,如武漢長江公路隧道(長江第一隧)、南京長江公路隧道、杭州慶春路市政公路隧道(錢江第一隧)、廣深港高鐵獅子洋隧道、重慶排水長江隧道。

  武漢長江公路隧道和杭州慶春路市政公路隧道均為雙向4車道,盾構直徑11 m多,3.5~4.0 km長,總投資約20億元;而南京長江公路隧道為雙向6車道,盾構直徑近15 m,長約3 km,總投資達44億元;獅子洋隧道盾構直徑10. 8 m,長10. 8 km,總投資33億元;重慶排水長江隧道盾構外徑為6. 32 m,長約1 km,總投資僅1億元。可見,盾構直徑,12 m相對經濟、安全,且施工風險??;盾構直徑過大,其成本和安全風險會成倍增加。因此,規劃中的瓊州海峽海底隧道將采用12臺直徑為10 m左右的盾構施工,渤海灣海峽海底隧道將采用15臺直徑為10 m左右的TBM+鉆爆法施工。


城市地鐵盾構、TBM隧道技術現狀

  截至2013年9月,我國獲得國家批準建設軌道交通的城市己達到37個,高居世界第一,未來3年,至少還有10個以上城市將獲得批準。有關專家表示,地鐵建設將會在較長的時間內成為中國基礎建設投資的重點之一。不同形式的盾構所適應的地層范圍不同,盾構選型總的原則是安全性、適應性第一,以確保盾構法施工的安全、可靠、經濟、快速。上海、廣州及北京地區是我國盾構應用較多且較早的地區,這3個地區分別代表了我國3大區域的地層(3大典型地層)特征—砂卵石地、軟土地層和復合地層。

  砂卵石地層適合采用土壓盾構和開敞式盾構施工,如北京地鐵、成都地鐵、沈陽地鐵等;軟土地層適合采用土壓盾構施工,如上海地鐵、南京地鐵、蘇州地鐵等;復合地層適合采用復合盾構施工,如廣州地鐵和深圳地鐵等。另外,黃土地層和膨脹土地層因最怕水加速地層變壞而適合采用無水土壓盾構和開敞式無刀盤盾構施工,如西安地鐵、合肥地鐵;硬巖地層適合采用TBM掘進機施工,如重慶地鐵、青島地鐵、廈門地鐵、大連地鐵等。單洞單線地鐵隧道宜選用直徑為6~7m的盾構施工,應采用單層管片+混凝土復合式襯砌;單洞雙線地鐵隧道宜選用直徑為10 ~12 m的盾構施工,采用復合式襯砌。

山嶺隧道TBM技術現狀
  TBM掘進機是>20 km特長鐵路、水工
、山嶺隧道高度機械化的開挖設備,與鉆爆法配合進行快速安全施工是最好的組合方法。掘進機法雖然投資多,但具有施工快速、優質、安全、環保等優點。大伙房引水隧道、中天山特長隧道、西秦嶺隧道等工程全部采用開敞式TBM+鉆爆法施工,直徑在10m以內,采用復合式襯砌結構,而不允許也不可能采用管片襯砌。

  除了以上三種盾構技術領域的發展,根據我國的國情,我國盾構技術正朝著工程的超大斷面化、異形斷面化、超大深度化、超長距離化方向發展。盾構技術更加追求施工快速化,操作的高度自動化。21世紀我國城市地下空間開發利用市場廣闊,大城市發展地鐵交通已成大趨勢。國內建設各種隧道工程的數量會越來越多。這一切都為我國盾構、掘進機及淺埋暗挖法等掘進技術的發展提供了良好的機遇。鉆爆法、淺埋暗挖法、盾構、掘進機法在我國將會有廣闊的發展前景和市場。當今中國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家。盾構、TBM隧道施工法作為一種適用于現代隧道及地下工程建設的重要施工方法之一,將發揮重要作用。

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