为盾构机的初级形态
发布时间:2019-07-02 07:50

  地铁作为日常出行交通工具之一,越来越普及,那么各位金粉知道地铁隧道是怎么挖出来的么?现在挖地铁隧道可不是像以前一样一铲一铲的人力挖了,其中盾构机功不可没,它是地铁工程建设中重要的机械设备,一般用来掘进两个站点之间的区间。

  盾构机主要分为主机和车架两大部分。主机重约220吨,在最前面部分是机头,上面是一个蓝色的圆形刀盘,直径6.5米左右,刀盘上装有四五种刀片,可以应付不同的土层地质情况。后面紧跟着的是一段密封舱机身大约有8米长,尾随着6节车厢,用于装载盾构机的动力系统、液压系统、土体改良系统、密封系统、PLC控制系统、辅助系统等,总体结构达到70多米长。

  18世纪末,英国人计划在伦敦地下修建一个横贯泰晤士河的隧道。然而,在当时的施工技术条件下,修建如此规模的河底隧道简直比登天还难!

  1798年,泰晤士河隧道工程进入操作阶段。但由于多种难以克服的困难而使工程被迫中断。法国工程师布鲁诺尔是一个有心人,因此一直惦记着泰晤士河隧道工程问题。

  一个偶然的机会,布鲁诺尔发现了一种船蛆的钻洞行为很有意思。那么,什么是船蛆呢?原来,船蛆为一种软体动物,因其穴居木制船舶而危害船舶,因此被称为船蛆,又被称为凿船贝。

  这条巨型船蛆生活在一个硬壳内,以木材为食,用一个阀门状的器官(V)进食,并且有两个虹吸管(S)吸水和排水。

  船蛆在世界各地的海洋中都有分布,对海洋中的船舶等木质设备都具有严重的破坏性。1503年6月,哥伦布第四次航海到南美洲的牙买加。肆虐的船蛆毁掉了哥伦布船队的一半船只,航海队员不得不停靠在牙买加的一个小岛上。

  就是这种让哥伦布头痛的船蛆,却为布鲁诺尔带来了灵感。布鲁诺尔仔细地观察了船蛆在船通体中的钻洞行为,并发现它还会从体内分泌一种液体涂在孔壁上形成保护壳,以抵抗木板潮湿后发生的膨胀

  布鲁诺尔从这个现象中获得了灵感,连呼——“我有办法了!” 自然,布鲁诺尔还是要感谢这个船蛆的。于是,布鲁诺尔提出了盾构掘进隧道的原理,并取得了英国的专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。

  1818年,布鲁诺尔完善了盾构结构的机械系统,设计采用了全断面螺旋式开挖的封闭式盾壳。布鲁诺尔的盾构机为一种金属圆柱体,内有复杂的机械和辅助设备。由千斤顶推动金属筒框向前水平前进,并有金属筒框支撑土(岩)体防止塌方,同时还在金属筒框后进行衬砌结构的施工。

  作为一个训练有素的工程师,布鲁诺尔对自已的盾构施工法信心满满。随后,布鲁诺尔被任命为该隧道工程的工程师。1823年,布鲁诺尔拟定了伦敦泰晤士河两岸的另一条道路隧道的计划,并制成了世界上第一台盾构机。

  1825年,他发明的矩形盾构机首次应用于伦敦泰晤士河隧道施工。该矩形盾构断面高6.8米,宽11.4米。泰晤士河隧道作为世界上第一条水底隧道,刚开始还是顺利的。

  然而,在修建过程中却遇到很大的困难,曾发生过河水进入隧道,以及沼气进入隧道被照明灯点燃,从而造成了人员伤亡等事故。但布鲁诺尔并没有灰心丧气,他一面总结失败的教训,一面对盾构机进行改进。

  漫长的7年改进,矩形盾构机早已是今非昔比了。1835年,经过改良的盾构施工法再次投入使用,又是数年的精心施工,终于于1843年建成泰晤士河水底隧道。

  布鲁诺尔发明的盾构机,其构架分成36个小单元,每个单元内有一名矿工把他面前的粘土挖开。当许多名矿工挖去同一数量的粘土时,构架就可以向前移动了,挖空的地方被铺上砖块。

  布鲁诺尔发明的盾构机是人类历史上隧道施工的一大技术突破,其技术原理为现代盾构机设计奠定了基础。需要说明的是,在发明过程中,布鲁诺尔的儿子也是有贡献的。

  泰晤士河隧道是世界上第一条采用盾构技术挖掘的隧道,因此是隧道工程史上一个具有重大意义的里程碑。为表彰布鲁诺尔对泰晤士河隧道的伟大贡献,英国维多利亚女王授予其爵士爵位。

  泰晤士河隧道长约合396米,高约合23米。如今,泰晤士河隧道已成为伦敦地铁系统的一部分,每天有数以千计的伦敦人匆忙地穿过这条绚丽的隧道。同时,泰晤士河隧道还成为了一个举世瞩目的公共景点。

  盾构机的全称为盾构隧道掘进机(Tunnel Boring Machine),有时候也可以简称为盾构。盾构机作为一种隧道掘进的专用工程机械,可广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

  布鲁诺尔发明的盾构机是手掘式盾构机,为盾构机的初级形态。尽管该发明的意义非凡,但仍没有摆脱手掘的束缚。我们通常把布鲁诺尔发明的盾构机称为第一代盾构机。

  机械化盾构机的研发是盾构机演化史上的一个重要的里程碑。第一个机械化盾构的专利是英国的布伦敦等人于1876年申请的,其进步的标志是采用了压缩空气,从而用机械开挖代替了人工开挖。通常把机械式和气压式盾构机称为第二代盾构机。

  第三代盾构机以闭胸式盾构机为代表,主要包括泥水式盾构机和土压式盾构机。泥水平衡式盾构机是通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面,弃土以泥水方式排出的盾构机。土压平衡式盾构机是通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面,弃土可以从出泥舱排出的盾构机。

  第四代盾构机以大直径、大推力、大扭矩以及高智能化合多样化为主要特色,正在隧道建设中发挥着重要作用。研制具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的盾构机及其控制系统,是未来盾构机的发展方向。

  盾构机素有“钢铁蚯蚓”之称,是目前隧道施工的主要装备之一。盾构机一般可分为盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四个部分。

  其中的盾构壳体是指盾构机外部的圆柱体壳体,作为支护可以防止地层的坍塌。盾构机的前部主机有点像一个巨大的电动刮须刀,只不过它刮的是泥土而不是胡子。为了让原本坚硬密实的土壤变得蓬松一些,可以在切削土体前先向土体喷上一些专门制作的泡沫剂。

  盾构机在工作的时候,是利用其回旋刀具进行开挖的。盾构机前端的刀盘每转一圈,就会切削下不少泥土呢!这样一来,盾构机就能整体前进一段距离,并把挖出的渣土“吐”出去。

  原来,盾构机内部装备有专门的出土系统。原来,在盾构机的刀盘后方有一个收集渣土的土仓,用来盛装盾构机切削下来的泥土。在土仓的后面装有螺旋输送机和传输皮带,可以不断地把土仓中的泥土运送到盾构机后部的拖车中去。

  盾构机的动力来源为电力,功率在几千千瓦到一万多千瓦不等,需要专线进行供电。盾构机的推进系统由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构千斤顶需要克服盾构机重以及周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力。

  至于拼装系统,则是由工人操作拼装机拼出一环厚厚的钢筋混凝土盾壳(管片),从而支撑起掘出的隧洞不发生坍塌。千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上,每拼装一环管片就向前推进一个衬砌环间宽度。

  在漆黑的地下工作,“钢铁蚯蚓”如何确保前进的方向呢?原来,现代盾构机都安装有高精度的测量和导航系统,因此能够动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差,从而确保盾构机沿着正确的方向掘进。

  中国盾构机开发和应用起步于1953年,东北阜新煤矿首次用手掘式盾构修建疏水巷道,从而揭开了中国盾构机从无到有的历史。

  2008年4月25日,我国第一台具有自主知识产权的复合式盾构机在河南新乡下线,并成功应用于天津地铁建设,从此拉开了中国盾构机产业化发展的序幕。

  短短65年的时间,我国盾构机不仅实现了从无到有的突破,而且在引进推广的同时坚持自主创新,从而掌握了各种不同规格和类型的盾构机的生产技术。如今,盾构机已成为我国地铁等隧道工程建设的常规装备,在许多领域都发挥了重要作用。

  超大直径泥水平衡盾构机的核心技术,一直被少数几个发达国家所垄断。为了改变这种受制于人的局面,我国科学家通过技术攻关突破了多项核心技术,从而填补了我国超大直径泥水平衡盾构机研制的空白。

  2017年10月26日,直径达15.03米的泥水平衡盾构机在中铁工程装备盾构总装车间正式下线。这是迄今为止我国自主设计制造的最大直径的泥水平衡盾构机。标志着中国盾构机的设计制造水平正在向高端化迈进,并正在全面抢占世界掘进机技术的制高点。

  2018年3月13日,由我国自主研发的超大直径盾构机成功下线,并将出口孟加拉国用于卡纳普里河底隧道工程建设。这台直径12.12米的超大直径盾构机的出口,将终结欧美国家对海外市场的垄断。