1、国内异形盾构机分析国内异形盾构机分析目录目录 异形盾构机异形盾构机郑州中州大道矩形顶管技术2矩形隧道应用设想4矩形盾构技术3 33 1矩形隧道技术背景3 1矩形隧道技术背景3 1矩形隧道技术背景 1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。 18251843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建 4 5 8 m 长 的 矩 形 隧 道 （11.4m6.8m）。用于泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾构3 1矩形隧道技术背景 目前盾构法隧道设计大多为圆形，但圆形盾构隧道存在断面空间利用率低的弱点。在拥有相等有效空间的情况下，矩形断面能节约35%
2、以上的地下空间，且可以大大减小隧道的埋深。矩形隧道和圆形隧道有效空间及覆土要求对比图比圆形断面节约了45的地下空间比双圆隧道节约了35的地下空间 3 1矩形隧道技术背景l1995年率先研制了2.5m2.5m可变网格式矩形顶管机。l1999年研制了3.8m3.8m组合大刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成9条隧道，总长322米。l2004年研制了6m4m偏心多轴双刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成20条隧道，总长759.1米。l2004年研制了20m6.2m矩形盾构掘进机，隧道衬砌采用现浇砼结构，2006年完成328m地下通道。l2006年完成了6m4m矩形拼装管片结构的设计与整环试验，管片钢模与双列式管
3、片拼装机的设计。v国内矩形隧道发展情况 国内矩形隧道的发展主要是矩形顶管，20余年来先后有宁波、上海、南京、武汉、郑州等多个城市成功应用。3 1矩形隧道技术背景l2008年研制了4.2m6.9m当时国内最大的多刀盘矩形顶管机，完成近30条隧道工程，总里程超过1500m。l2012年研制了4.2m6.9m大刀盘+偏心多轴组合式矩形顶管机，完成7条通道，共119m。l2012年研制了4.2m6.9m大刀盘+行星轮组合式矩形顶管机，完成2条通道，共112m。l2013年研制7.5m10.4m大刀盘+偏心多轴组合式矩形顶管机，正施工郑州下穿中州大道行车通道工程，目前已同通车。v国内矩形隧道发展情况3
4、1矩形隧道技术背景隧道内径3m3m（3.8m3.8m）3m5m（4m6m）3.3m6m(4.2m6.9m)工程案例轨交4号线塘桥站通道宁波开明街药行街轨交10号线伊犁路3#口设备起始年份 1999年 2003年2010年v国内矩形隧道发展情况3 1矩形隧道技术背景隧道内径3.3m6m（4.2m6.9m行星号）6.1m9m（7.5m10.4m）工程案例郑州轨交1号线民航路站通道郑州下穿中州大道隧道设备起始年份2013年2013年v国内矩形隧道发展情况3 1矩形隧道技术背景v日本矩形隧道发展情况4.29m3.09m矩形盾构2.67m3.17m矩形盾构8m3m的矩形盾构1.06m1.06m矩形掘进机
5、2.85m6.245mMMB工法矩形盾构4.38m3.09mDPLE矩形盾构v不同刀盘截面的矩形顶管机的运行模式不同刀盘截面的矩形顶管机的运行模式 4.2m6.9m 大刀盘+行星轮驱动组合式矩形顶管机，是同时驱动1个大刀盘和4个行星轮刀盘同步运转，对矩形全断面进行切削。 7.510.4m 大刀盘+偏心多轴刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机，是同时驱动1 个大刀盘和四个偏心多轴刀盘作同步运转，对矩形全断面进行切削。3 1矩形隧道技术背景矩形盾构工作原理： 采用土压平衡模式施工时，碴土通过刀盘开口进入土舱，土舱里充满了碴土、天然水和高浓度泥浆或泡沫等添加剂的混合物，该混合物具有良好的塑流性。在开挖过程中
6、，通过调节螺旋输送机的转速以平衡进土（碴土+水+高浓度泥浆）与排土量，使土舱内的土体（混合物）保持在设定的土压力值上。土舱里的土压值在开挖过程中始终受到控制并保持。在开挖过程中，螺旋输送机的转速随着土压力传感器的指示会作相应的调整。应用：目前主要应用于地铁过渡段、地铁车站。刀盘系统驱动系统铰接系统推进系统拼装系统螺旋机出土系统v矩形盾构工作原理及应用3 1矩形隧道技术背景v矩形顶管工作原理及应用吊车集土坑土方外运矩形顶管工作原理：以土压平衡为工作原理，通过刀盘对正面土体进行切削，螺旋机转速及顶进速度控制出土量，使土仓内土压力值与正面土压力平衡，从而达到开挖切削面的土体稳定。预制管节作为顶进传力
7、和开挖空间支护构成通道。管节与地层之间用润滑剂进行减摩，减小掘进阻力。应用：主要应用于城市下立交道路、大断面公路隧道主线及其匝道（净空5m9m左右）、过街人行通道和地下管线共同沟（净空3m5m左右）、小区地下车库通道、地铁存车线、折返线、大跨度地下通道等项目。3 1矩形隧道技术背景v矩形盾构与矩形顶管的适应性矩形盾构和矩形顶管在软土地基中施工隧道基本适用，如有特殊地质和工况条件也可做针对性的机械设计。矩形盾构相对于矩形顶管应用范围更广、适应性更强，周边环境影响更小，而矩形顶管更适用于短距离、浅覆土、单坡直线段或直线段施工。 各种规格矩形顶管综合单价汇总序号矩形顶管机外径尺寸管片内径每延米报价（
8、万元）14m4.8m3.2m4m1124m6m3m5m1334.2m6.9m3.3m6m1444.3m7.5m3.3m6.5m1559.5m4.88m8.44m3.78m2469.9m8.7m8.85m7.65m38710.4m7.5m9m6.1m37 注：本报价包含顶管机头及附属设备进出场、管节制作运输、顶管顶进、管节件嵌缝、顶进施工监测、土方外运、100米内接水接电等费用。不包含始发井及接收井的施工、顶管进出洞及后靠的加固、施工期间道路和地下、地上公用管线的迁改及第三方监测。 矩形盾构综合单价汇总序号矩形盾构机外径尺寸管片外径每延米报价（万元）111.83m7.27m11.5m6.937m
9、1822郑州中州大道矩形顶管技术22.1 工程概况郑州中州大道矩形顶管技术2商务西三街 始发井 纬四路接收井中州大道中州大道商鼎路接收井 沈庄北路 始发井 中州大道是郑州市中心城区快速路系统的纵轴线，交通流量大，十字路口造成了拥堵问题。为此，郑州市决定建设下穿中州大道隧道工程。 工程为两条内径6.1m9m的双车道和两条内径3.3m6m的人非通道。郑州中州大道矩形顶管技术22.1 工程概况v 商务西三街纬四路矩形顶管段长110m。v覆土深度5.1m5.4m。v单坡向下掘进，坡度0.3%。v主要穿越土层为层粉土、层粉土及层粉质粘土。v 地下水位埋深约为3.6-8.5m。110m商务西三街纬四路商务
10、始发井纬四接收井坡度0.3%郑州中州大道矩形顶管技术22.1 工程概况v 沈庄北路商鼎路矩形顶管段长212m。v覆土深度5.1m9.33m。v单坡向下掘进，坡度1.87%。v主要穿越土层为层粉土、层粉土、层粉土、层粉质粘土及-1层粉质粘土。v 地下水位埋深约为5.3-6.5m。212m商鼎路商鼎路沈庄北路沈庄北路沈庄始发井 商鼎接收井 坡度坡度-1.87 -1-1郑州中州大道矩形顶管技术22.1 工程概况间距2m间距1m间距2m间距3.5m间距2.5m施工围挡11m绿化带机动车道绿化带非机动车道商务始发井纬四接收井军缆围挡名称距顶管垂直净距（m）距始发井水平净距（m）军缆22雨水DN10001
11、18雨水500247天然气3.595施工围挡93m雨水1000雨水500天然气200围挡v 商务西三街纬四路矩形顶管段郑州中州大道矩形顶管技术22.1 工程概况v 商务西三街纬四路矩形顶管段间距3.1m间距4.2m间距2.6m间距0.8m间距1.2m间距1.6m间距5.8m间距6.1m间距1.68m沈庄始发井商鼎接收井施工围挡30m施工围挡188m沈庄始发井商鼎接收井机动车道绿化带绿化带名称距顶管垂直净距（m）距始发井水平净距（m）地道1.68170雨水DN5006.1135给水4005.8120雨水DN6004.284雨水DN8001.622雨水DN10001.22污水DN5000.82天然
12、气DN4262.61天然气DN2003.11郑州中州大道矩形顶管技术2型号尺寸（长高宽）米重量（吨）混凝土强度抗渗等级数量（节）大管节1.57.510.473C50P10432小管节1.54.26.942C50P10432小管节0.7m0.45m0.6m大管节2.1 工程概况v 矩形管节管节示意图 郑州中州大道矩形顶管技术22.2 工程地质水文层号土层名称含水量W（%）质量密度(g/cm3)孔隙比e0液限WL（%）塑性指数Ip 液性指数IlCq（KPa）q（度）（2）粉土22.21.940.66823.70.587.212.527.4（3）粉土22.62.010.65425.00.747.91
13、427.6（4）粉土25.41.990.70429.90.6111.624.320.5（5）粉质粘土23.92.00.66524.50.97.514.428.3 层号岩性土层描述（2）粉土褐黄、黄褐色，稍湿，松散-稍密，土质较均匀,见少量的黑色氧化物,夹有少量的小钙质结核，局部砂感较强，干强度低，摇振反应中等，无光泽反应，韧性低。（3）粉土褐黄、灰黄色，稍湿-湿,稍密-中密，含有铁锰质氧化物、少量云母碎片、蜗壳碎片，偶见钙质结核，局部夹有粉质黏土薄层，局部有腥臭味，干强度低，摇振反应迅速，无光泽反应，韧性低。（4）粉土灰黄、褐灰色，中密，局部稍密，含有铁锰质氧化物，土质不均匀，含有粉黏条带，局
14、部砂感较强，见有少量的黑色氧化物,具有腥臭味，局部夹薄层粉质黏土，干强度低，摇振反应中等，无光泽反应，韧性低。（5）粉质粘土灰黑、褐灰色，软塑-可塑，土质较均匀,含有黑色铁锰质氧化物，夹有少量的有机质、蜗壳碎片，偶见钙核，稍具臭味，局部夹薄层粉土，刀切面稍有光泽，韧性低，干强度低。经过现场实测，地下水位稳定在7m左右。2.3 技术难点l集成化设计l系统控制l异形断面问题l土体流动性问题l钢模设计l大尺寸、大重量管节翻身吊运l顶力配备l减摩问题l背土问题l泥浆流失问题l泥浆置换问题v顶管机：集控一体化设计；v顶管施工：改良、减摩、密封一体化控制。郑州中州大道矩形顶管技术2工程采用两种尺寸矩形顶管
15、机，均为土压平衡式的全断面切削设备。序号内容10.4mX7.5m矩形顶管机参数6.9mX4.2m矩形顶管机参数1适应土层粘土、砂土、粉质粘土粘土、砂土、粉质粘土2顶进机及外形7530mm10430mm6732mm4228mm6928mm4650mm3刀盘形式1个大刀盘+4个偏心刀盘；全断面切削1个大刀盘+4个型星刀盘；全断面切削4总推力额定：60000KN；最大：65000KN额定：30000KN；最大：32000KN5大刀盘扭矩额定：5620KNm；最大：6743KNm额定：1600KNm；最大：2000KNm6小刀盘扭矩330KNm4180KNm47螺旋机出土量260立方米/小时242立方
16、米/小时28顶进速度04cm/min05cm/min2.4 顶管机郑州中州大道矩形顶管技术2v 7.5mX10.4m矩形顶管机l圆刀盘加偏心刀盘组合的超大断面土压平衡矩形顶管机。2.4 顶管机郑州中州大道矩形顶管技术2顶管机示意图 v 4.2mX6.9m矩形顶管机l行星式驱动小刀盘：自转+公转2.4 顶管机郑州中州大道矩形顶管技术2行星式驱动刀盘 4.2mX6.9m矩形顶管机2.5 土体切削郑州中州大道矩形顶管技术2v 顶管设备 刀盘：全断面切削。大刀盘扭矩：5620kNm转速：00.63rpm偏心多轴小刀盘扭矩：330kNm转速：02.2rpm2.5 土体切削郑州中州大道矩形顶管技术2v顶管
17、设备 土体改良系统：多层次、多模式、多种类。l注入点：大刀盘、胸板；l注入设备：泡沫泵、泥浆泵、水泵l控制方式：循环注浆 改良区域示意图 大刀盘改良部位2.5 土体切削郑州中州大道矩形顶管技术2l水：显著提高土体塑流性；l膨润土泥浆：提高塑流性、提高防渗性；l泡沫剂：提高塑流性、均匀性、降低内摩擦角。 项目掺量（体积比）初始流动度4h后流动度水5%12cm12cm膨润土泥浆5%11cm11cm泡沫剂40%13cm12cm加水效果 加膨润土泥浆效果 加泡沫效果v改良技术 原状土 2.5 土体切削郑州中州大道矩形顶管技术2l采用刀盘、土仓多部位组合式土体改良技术。加水坍落度检测为2cm改良剂坍落度
18、检测为4cmv改良技术 2.6 顶进技术郑州中州大道矩形顶管技术2l每根油缸顶力为240t；l油缸26根；l总顶进力为6240t。v 顶管设备-主顶系统主顶系统照片主顶系统设计2.6 顶进技术郑州中州大道矩形顶管技术2 壳体设计为锥形，切削最大断面7.55m10.45m，单边超挖量达2.5cm。主机长度为6.73m，铰接位置至刀盘约为5m。v 顶管设备-壳体主机示意图v 顶管设备-减摩泥浆注入系统l前壳体：15点（集控）l后壳体：8点（集控）l5节管节：50点（集控）l泥浆泵个数：2台l控制方式：循环注浆2.6 顶进技术郑州中州大道矩形顶管技术2施工现场照片管控界面v 防背土措施l措施u全断面
19、切削u锥形壳体u新型减摩泥浆技术2.7 沉降控制技术郑州中州大道矩形顶管技术2l背土原因u切口挤压土体u土体沉降与壳体粘结u注浆浆液在背土固化新型泥浆 锥形壳体 全断面切削 结构压注孔钢板刷钢丝刷袜套 动态油脂压注，起到洞圈保压功能。v 新型洞圈止水装置2.7 沉降控制技术郑州中州大道矩形顶管技术2新型洞圈止水装置示意图及照片 2.8 隧道质量郑州中州大道矩形顶管技术2v 隧道轴线：贯通轴线偏差控制在40-60mm以内。mm隧道轴线偏差曲线图 郑州中州大道矩形顶管技术2顶管吊装照片 贯通隧道照片 管节生产照片 隧道顶进照片 类矩形盾构技术3 3类矩形盾构技术3 33.1 类矩形盾构机v拼装机
20、可沿矩形环状带行走的拼装机，适应矩形特殊管片形式。矩形盾构拼装机设计总示意图 矩形盾构拼装机局部示意图 类矩形盾构技术3 33.1 类矩形管片v类矩形顶管结合拼装机，形成类矩形盾构。螺旋机大刀盘驱动偏心刀盘驱动偏心刀盘大刀盘盾尾拼装机轨道拼装机后壳体铰接前壳体矩形盾构设计总示意图 类矩形盾构技术3 33.2 类矩形管片v高性能钢筋混凝土管片设计受力分析与圆隧道的结构受力相比没有明显的拱效应大断面矩形隧道跨度大、覆土浅呈现弯矩大、轴力小的受力特点矩形隧道结构通常厚度大、配筋量高管片结构设计分缝位置接头形式拼装方法通用性形成一套技术成果转角处应力集中高性能砼类矩形盾构技术3 33.2 类矩形管片v
21、管片结构试验l 管片接头试验l 管片整环试验类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程宁波3号线线路图类矩形盾构段示范工程 类矩形盾构法隧道工程在宁波市轨道交通3号线一期出入段线实施。 示范工程范围为3号线一期工程出入段线矩形盾构段、盾构段与高塘站接口、盾构接收井与明挖段接口设计。 宁波3号线南起鄞州陈婆渡，北至镇海骆驼街道，线路全长约25.83km，陈婆渡站南侧设接车辆段的出入段线。类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程l 示范工程：高塘站部分车站、矩形盾构段、盾构接收井、U型槽段。l 陈婆渡站：地下两层岛式车站，车站宽度19.226.476m，长78.5m。l 矩形盾构段：长3
22、90.2m，顶埋深3.4m10.46m，最大纵坡35，最小平面半径400m。l 盾构接收井：长17m，宽15m，采用明挖法施工。l U型槽段：长约367m，采用明挖法施工。陈婆渡部分车站（陈婆渡部分车站（78.5m78.5m）盾构接收井（盾构接收井（17m17m）矩形盾构段（矩形盾构段（390.2390.2m m）U U型槽段（型槽段（367m367m）R R400400m m类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程l 矩形盾构段： 3层淤泥、1层黏土、2a层淤泥、2b层淤泥质粉质黏土、3层淤泥质粉质黏土、2层粉质黏土、1层淤泥质粉质黏土。l 盾构接收井及U型槽段：1层杂填土、2层黏土、
23、3层淤泥、1层黏土、2a层淤泥、2b层淤泥质粉质黏土、3层淤泥质粉质黏土、2层粉质黏土。l 地下水可分为三类：1）地表水：外塘河，河宽15m30m；2）孔隙潜水；3）承压水：第I-1层孔隙承压水赋存于5a层粉砂或6层砾砂；第I-2层孔隙承压水赋存于层砂土。1层淤泥质粉质黏土2层黏土2层粉质黏土3层淤泥粉质黏土2b淤泥质黏土2a淤泥3淤泥2黏土类矩形盾构隧道位置类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程高阳路农田外塘河鄞州荣盛纸木包装厂高塘桥粉末冶金厂正宇电机厂鄞州立佳塑料五金厂宁姜公路陈婆渡站场区农田U型槽段场区农田高阳路宁姜公路宁姜公路外塘河外塘河高阳路陈婆渡站盾构推进方向盾构井N NU
24、型槽段待拆迁厂房图例：工程内车站段矩形盾构段U型槽段盾构井周边房屋工程外车站段待拆迁类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程p 衬砌管片设计与实验l 砼管片厚度为450mm，外包尺寸为115006937mm ；l 衬砌环全环共分为11块，外形为4段圆弧相切形成的类矩形；l 环间采用错缝拼装，通过采用A、B型衬砌环交错拼装形成错缝。类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程p 衬砌管片设计与实验l 不同于圆形管片，类矩形管片无法采用中心对拉加载方式进行整环试验，为此加工了专用试验台，完成3组整环实验。12mX8m异形管片整环试验台类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程p 11.
25、83X7.27土压平衡类矩形盾构。2X+I组合刀盘壳体主动铰环臂式自动轨迹控制拼装机可重构分区推进系统类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程p 工程进展 2015年11月30日，中国首台类矩形盾构机“阳明号”顺利始发。类矩形盾构技术3 33.3 类矩形隧道示范工程p 工程进展 2016年1月22日，中国首台类矩形盾构机“阳明号”顺利推进84米，完成70环管片拼装。隧道整体质量和沉降控制均取得良好效果。矩形隧道应用设想4矩形隧道应用设想4 矩形隧道技术可广泛应用于城市下立交道路、大断面公路隧道主线及其匝道（净空5m9m左右）、过街人行通道和地下管线共同沟（净空3m5m左右）、小区地下车库
26、通道等项目，还可以适应地铁渡线段、存车段、车站和大跨度地下通道的需求。地下空间联通地下道路匝道地铁渡线段、存车段v 地铁渡线段 矩形隧道应用设想4 地铁渡线段采用明挖施工，可能面临管线和交通等问题。 矩形顶管结合地面出入式盾构法隧道技术（GPST），可成为解决问题的一种方式。地铁渡线照片盾构法GPST照片v 地铁渡线段 矩形隧道应用设想4l GPST难点主要为结构变形、防水、抗浮和姿态控制。l 矩形顶管管节刚度大，抗变形能力强，并可实施管节内抗浮措施。某地铁渡线段线型v 地铁渡线段 矩形隧道应用设想4l地铁出入段线工程u地面出入盾构施工技术（GPST）结合矩形盾构技术；uR400m；u长355
27、m；u覆土1.6m8.8m。出入段线平剖面示意图车站缓和段 113米圆弧段 437米半径400m敞开段195米矩形盾构355米车站355m195m8.8m1.6m222.23518多为23层厂房 约120m矩形盾构段敞开段v 地铁渡线段 矩形隧道应用设想4出入段线平剖面示意图车站232m171m222.23518多为23层厂房 约120m矩形顶管（盾构）段敞开段暗埋段143米车站直线段 约232米缓和段40米圆弧段275米半径250m矩形顶管232米敞开段171米143m暗埋段8.8m5ml地铁出入段线工程u地面出入盾构施工技术（GPST）结合矩形顶管（盾构）技术；u直线；u长232m；u覆土
28、5m8.8m。v 地铁车站 矩形隧道应用设想4l某车站横跨交通要道l道路无法翻交或断流横跨道路车站示意图v 地铁车站 矩形隧道应用设想4l过路段采用矩形隧道矩形隧道段车站的平、剖面示意图 矩形隧道施工车站的效果图v 地铁车站 矩形隧道应用设想4矩形顶管应用设想4v 地铁存车线、折返线 5.7m13.8m13.8m2m内部净空内部净空折返线平、剖面示意图 地铁车站需要设置存车线或折返线，但城市中心的部分区域环境复杂，明挖施工需要解决管线和交通等问题。 矩形顶管结合矿山暗挖或可存在解决问题的一种方式。矩形顶管应用设想4v 地铁存车线、折返线 l 采用两台矩形顶管分别施工两条隧道；l 在成型隧道内部采用暗挖法联通两隧道；l 在开挖好的隧道内重新构筑二次内衬，形成大跨度通道结构。折返线施工设想示意折返线施工设想成型示意图
