第六章 盾构机.doc

第六章 隧道机械第三节 暗挖施工法机械盾 构1、概述盾构是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业一体化的大型暗挖隧道施工自动化机械。盾构法施工是在一个能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形（或矩形和马蹄形等特殊形状）钢筒结构的掩护下，完成挖掘、出土、隧道支护等工作，它的最大的特点就是整个隧道掘进过程都是在这个被称做护盾的钢结构的掩护下完成的，可以最大限度地避免坍塌和地面塌陷。现代盾构机集光、机、电、液、控等技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，而且要根据不同的地质条件进行“量体裁衣”式的设计与制造，可靠性要求极高。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、施工速度快、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在地下水位较高、隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理，因而盾构广泛用于地铁隧道、越江隧道、铁路隧道、水电隧道、市政公路隧道等工程的建设。1.1、盾构定义和用途1.1.1、定义盾构（Shield Machine）是盾构掘进机的简称，是在钢壳体保护下完成隧道掘进、管片拼装作业，有主机和后配套组成的机电一体化设备。适用于软弱性围岩地质的隧道施工。在隧道掘进设备中，与盾构对应的另外一种设备就是TBM(Tunnel Boring Machine)，国内一般称全断面硬岩掘进机，适用于硬岩地质山岭隧道施工。 1.1.2、用途盾构机是一种非常先进的地下隧道施工设备，它可在不影响地面状况的条件下作业，从而大大提高了施工可行性、降低了成本，并能够保护地面的名胜古迹等建筑物，因而在城市地下轨道交通、公路铁路隧道、过江跨海隧道和水电工程隧道等施工中有着广泛用途。1.2、国外发展情况和趋势1.2.1、国外发展情况1818年布鲁诺尔(Bmrel)观察了蛆虫腐蛀船底成洞的经过得到启发，提出了盾构工法并取得专利，即所谓的敞口式手掘盾构的原型问世。Brunel于1823年拟定了横贯伦敦泰晤士河的另一条道路隧道的计划。1825年英国国会通过后动工，中途因地层下沉致使工程终止。Bramel总结了失败的教训，制作了一个改进型的方形铸铁框盾构，于1834年再次动工，经过7年的精心施工，在1841年终于贯通了横断泰晤士河的隧道。1869年Burlow和Great负责建造横贯泰晤士河的第二隧道。Great采用新开发的圆形盾构，扇形铸铁管片，工程进展顺利。直到竣工未出任何事故。随后Great在1887年南伦敦铁道隧道施工中使用了盾构和压气组合工法获得成功，为现在的盾构工法奠定了基础。二十世纪初，盾构施工法已在美、英、德、苏、法等国开始推广。3040年代在这些国家已成功地使用盾构建成内径自3.09.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道，盾构施工的范围很广泛，有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用设施管道等。苏联40年代初开始使用直径为6.09.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等市修建地下铁道的区间隧道及车站。 1993年建成的、连接英法两国的英吉利海峡隧道，全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m。这条隧道全部采用盾构法技术施工，英国和法国共用12台盾构完成隧道施工。由于海底段最大深度达100m，因此无论盾构机械还是预制钢筋混凝土管片衬砌结构均要承受10个大气压的水压力，又由于单向推进21.2km ，盾构推进速度必须达到月进1000m的速度才能在3年左右的时间内完成，因此盾构的构造及其后续设备均须采用高质量的耐磨耗及腐蚀的材料。所以该隧道的修建标志着盾构施工技术的最新水平。日本是欧美国家以外第一个引进盾构施工技术的国家。从20世纪60年代起，盾构法在日本得到迅速发展，除了大量在东京、大阪、名古屋等城市的地下铁道建设中外，更多地是用在下水道等市政公用设施管道建设中。1939年的关门隧道是日本首次采用盾构施工技术的隧道工程。由于战争及战后困难时期的缘故，此项技术一直没有得到发展。直到1957年东京地铁的丸之内线采用盾构施工技术修建了一段区间隧道，1961年名古屋地铁采用此法修建了觉王山区间隧道取得圆满成果之后，盾构施工技术在日本有了飞速的发展。在短短的20余年之内共制造了2000余台盾构，在世界上处于领先地位。70年代，日本及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层中由于盾构施工所引起的地表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等技术问题，研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。近年来，日本把机械式盾构作了改进，研制出了用加压泥浆稳定开挖面的泥水加压盾构和利用开挖出的土体作平衡开挖面的土压平衡盾构。1.2.2、国外盾构发展趋势随着国外经济、科技的发展，大量地下工程投入建设，促使盾构技术取得了长足的发展。盾构法施工已是一门很成熟的地下工程施工技术，已成为大多数地下隧道工程施工首选的常规技术。现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的三个要素（地层稳定和地面沉降控制；机械化、自动化掘进和掘进速度；衬砌和隧道质量）。现代利用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题，如土压平衡盾构、泥水平衡盾构机的出现。气泡法和其它土质改性材料的开发使得土压平衡盾构的土质适用范围进一步拓宽，施工精度提高、成本降低。现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等多种功能，是目前世界上最先进的隧道掘进设备，适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖。盾构的自动化使施工安全和劳动环境、劳动强度大大改善。 现代盾构掘进机已经基本不需要围岩稳定处理和隧道的二次衬砌，在许多情况下盾构施工的综合施工成本比人工开挖施工低得多，而掘进速度高得多。国外盾构厂商为适合城市隧道需要的多样化，现已开发出超大断面盾构、多圆盾构、异形断面盾构、球体盾构等多种形式。常用的盾构隧道掘进机为圆形，主要是圆形结构受力合理，圆形掘进机施工摩阻力小，即使机头旋转也影响小。但是圆形隧道往往断面空间利用率低，尤其在人行地道和车行隧道工程中，矩形、椭圆形、马蹄形、双圆形和多圆形断面更为合理。日本在80年代开发应用了矩形隧道，在90年代开发应用了任意截面盾构和多圆盾构，并完成了多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、排水隧道、市政共同沟隧道等，使异形盾构技术日益成熟，异形断面隧道工程日益增多。1.3 国内发展情况和趋势1.3.1我国盾构技术的发展现状 我国盾构掘进技术的应用可以追溯到1953年东北阜新煤矿用手掘式盾构修建直径为2.6m的疏水巷道，但是由于受这一时期我国经济技术的限制，盾构技术一直没有受到足够的重视，发展非常缓慢，应用也相当有限。直到进入20世纪90年代后，随着我国经济进入了良性发展的快车道，公路、铁路、水利建设和城市化进程等达到了前所未有的发展速度，盾构的巨大市场需求大大超过了国内的盾构研制水平。20世纪90年代进行的几项重大工程所采用的盾构设备和施工技术基本都依赖进口，如：上海地铁1号线采用7台法国制造的土压平衡盾构； 上海2号线除了使用1号线的7台盾构外，又新进口了两台盾构；延安东路复线隧道采用从日本引进的泥水式平衡盾构；广州地铁1号线也采用日本制造的土压平衡盾构。我国盾构技术研究开发始于50年代中期，迅速发展于90年代。从事此项研究的主要有上海隧道集团公司、中国中铁隧道集团公司、北方重工等单位。他们在与国际盾构先进生产商合作生产盾构机基础上，逐步自主研究和开发了适用的盾构掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的盾构。上海隧道股份于1995年开始研究矩形隧道技术，1996年研制1台2.5m2.5m可变网格矩形顶管掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构等技术难题。1999年5月，上海地铁2号线陆家嘴车站过街人行地道采用1台3.8m3.8m组合刀盘矩形顶管掘进机施工，掘进距离124m。近年来，上海隧道股份研究所开展了对双圆隧道和多圆隧道掘进工程的可行性研究，进行了双圆隧道结构的模拟试验，为我国异形隧道的发展做了技术储备工作。 2004年底，上海隧道工程有限公司研制成功我国首台具有自主知识产权的国产地铁盾构“先行号”，投入到上海地铁工程的建设中。2007年7月，北方重工以绝对控股方式，成功并购了德国维尔特控股公司/法国NFM公司，使北方重工拥有了世界先进的全系列隧道掘进设备的新技术和知名品牌，为北方重工成为世界级的全断面掘进机研制基地奠定了坚实的基础。2008年4月，中国中铁隧道集团自主研发制造首台复合式盾构机。投入到天津地铁工程的建设中。这台盾构机由于实现了从关键技术向整机制造的跨越，填补了国内相关领域的空白，有望打破国外企业长期以来在盾构机制造方面的技术垄断。2 、盾构分类、特点和适用范围目前盾构机的种类极其繁多。就分类而言目前国内外尚无一个统一的分类方法，本文按照常见几种方法作简单分类。2.1、按盾构横断面大小分类，见表6-3-1，其中的为等效直径。按照盾构横断面大小分类盾构类型等效直径（米）超小型盾构1小型盾构3.51中型盾构63.5大型盾构146超大型盾构1814特大型盾构18表6-3-1半圆形断面的盾构， 。为圆的半径。圆形断面盾构，=2R。R为圆的半径。椭圆形断面盾构，=2。为椭圆长半径。马蹄形断面盾构，=2R。R为外圆半径。双圆搭接形断面盾构， 。R为单圆半径。三圆搭接形断面盾构， 。尺为单圆半径。矩形断面盾构， ，a为矩形长边边长，6为矩形短边边长。2.2、按照盾构切削断面形状可分为圆形和非圆形。2.2.1、圆形盾构又可分为单圆形、双圆形、三圆形、多园形盾构等，见图6-3-1。图6-3-1圆形盾构2.2.2、非圆形又分为马蹄形、矩形（长方形、正方形、凹、凸矩形）、椭圆盾构等。图6-3-1为矩形盾构。图6-3-2为矩形盾构23、按照盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同分类按照盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同分类，主要按照盾构结构特点和开挖方法主要可分为三大类，如表6-3-2： 表6-3-2按照盾构结构特点和开挖方法分类2.3.1人工式盾构 人工式盾构，是最早期、最基本的盾构工艺，即在盾构的前部，使用铲、镐、风镐、破碎机等对天然土体进行掘削，掘削后进行防塌施工。此盾构工艺原则上面能够自立。对于有若干不稳定的开挖面，要求首先采取防塌处理，如注入化学液体，降低地下水等。此盾构工艺特点是使用防塌装置，使用防塌装置的目的是防止开挖面塌方及松散，常用的防塌装置有开挖面千斤顶，活动罩、弓形千斤顶等。人工式盾构结构见图6-3-3。人工式盾构的主要优点：（1）、正面是敞开的，施工人员随时可以观测地层变化情况，及时采用应付措施；（2）、当在地层中遇到桩、大石块等地下障碍物时，比较容易处理；（3）、可向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于曲线施工；（4）、造价低，结构设备简单，易制造，加工周期短。图6-3-3 人工式盾构示意图人工式盾构缺点是安全性差，辅助费用高、工期长等，该盾构目前已几乎不被采用。2.3.2半机械式盾构 半机械式盾构是在人工式盾构正面装上机械来代替人工开挖。该工艺原则上与人工式一样，要求开挖面能够自立，掘削后需要防塌支撑，但是掘削过程中的防塌支撑是非常困难，根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机，土体较硬可安装软岩掘进机。半机械式盾构见图6-3-4图6-3-4 半机械式盾构示意图半机械式盾构的优点除可减轻工人劳动强度，掘进速度快。适用地质条件均与人工式相似。2.3.3机械式盾构机械式盾构是指在盾构机前部安装与盾体直径相同（或稍大）的旋转式切削刀盘，进行连续掘削，刀盘开口部的大小根据土质而定，切削下的泥土，沿着圆周面的集土翼片收集，由皮带机排出。该盾构工艺防塌效果不完全，要求土体能够自立。由于采用连续掘削，其效率比人工式和半机械式大大提高。机械式盾构见图6-3-5.图6-3-5 机械式盾构示意图2.3.4挤压式盾构 挤压式盾构，是指在开挖面的稍后位置安装隔板，在隔板上开孔，利用推进器的推力将泥土挤出。由于开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险。挤压式盾构见图6-3-6.图6-3-6 挤压式盾构示意图由于挤压式盾构是利用开口部将泥土挤压后取出，挤压盾构适用于流塑性高 N10、无自立性的软粘土层和粉砂层。总结以往的施工经验知道，挤压盾构工法适用的土质范围如图 3-7 所示。当土体含砂率在 20%以下、液化指数在 0.8 以上、内聚力小于 50kPa 时，土砂排放口的开度一般为（20.8）%。挤压盾构不适于含砂率高的地层和硬地层。另外，对液化指数特高的地层或者流动性过大的地层而言，掘削面的稳定性较差。挤压式盾构推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。网格式盾构是挤压盾构的一种型式，图6-3-6为网格盾构实物图。这种盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，称为网格。当盾构向前掘进时土体被网格切成条状，进入盾构后运走；当盾构停止推进时，网格起到支护土体的作用，从而有效地防止了开挖面的坍塌。网格盾构对土体挤压作用比挤压式盾构小，因此引起地面变形的量也小一些。 网格盾构也仅适用于松软可塑的粘土层，当土层含水量大时，尚需辅以降水、气压等措施。图6-3-6网格式盾构2.3.5土压平衡式盾构1974年日本首先研制成功土压平衡盾构。土压平衡盾构机在机械式盾构刀盘后设立封闭的土仓，其基本工作过程是通过旋转的刀盘切削前方的土体，油缸推进刀盘实现掘进，同时使土体从刀盘开口处进入并充满土仓，在推进油缸的推力下和利用螺旋输送机调节排出渣土速度，使仓内土体保持一定的压力用来平衡前方的土压力，保持开挖面的稳定。这一系统由于排土处理简单，可靠性较高，得到了广泛的应用。土压平衡盾构见图6-3-7。图6-3-7 土压平衡盾构示意图目前先进的土压平衡式盾构机多为复合式盾构机，具有敞开式掘模式、半敞开式掘模式和土压平衡掘进模式。2.3.5.1、敞开式掘模式。盾构切削下来的渣土进入土仓后即被螺旋输送机排出，土仓基本处于清空状态，掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭矩较小，土仓不能支撑开挖面地层和防止地下水渗入，该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。见图6-3-8。图6-3-8 敞开模式掘进模式2.3.5.2、半敞开模式。半敞开模式又称为局部气压模式。掘进中土仓内的渣土末充满土仓，通过盾构保压系统向土仓内输入压缩空气与渣土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。该模式适用于具有一定自稳能力和地下水压力不太高的地层，其防止地下水渗入的效果主要取决于压缩空气的压力。见图6-3-9。图6-3-9 半敞开掘进模式2.3.5.3、土压平衡模式。掘进中切削下来的渣土充满土仓，通过控制盾构推进速度和螺旋输送机的排土量产生与掌子面土压力和水压力相平衡的土仓压力来稳定掌子面地层和防止地下水的渗入。通过测量土仓内的土压力来随时调整盾构推进速度和螺旋输送机的转速，控制出渣量。该模式适用于不能自稳的软土和富水地层。见图6-3-10。图6-3-10 土压平衡掘进模式2.3.6泥水平衡式盾构泥水平衡盾构是70年代英国最早开发和应用的，1975年在日本得到广泛的应用。泥水盾构的工作原理是盾构机把按一定要求配制的膨润土或粘土浆液，通过泥浆泵、输浆管以一定的压力从隧道外送到开挖工作面，泥浆压力稍高于开挖面土压和水压，泥浆在开挖面上形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于工作面的土压力和水压力，使工作面稳定；与此同时，刀盘从工作面切削下来的渣土与泥浆混为一体，通过吸泥管送往地面的泥渣分离场，经分离的废渣运出工地，分离后的工作泥浆重复循环使用，必要时补充新泥浆。示意图见图6-3-11。图6-3-11泥水平衡盾构示意图泥水平衡式盾构较好适用于无粘聚力的含水砂层及软流塑、流动性等特别松软的地层，特别是上软（以砂层为主）下硬地层均进。较土压平衡盾构易建立开挖面平衡，防止上层砂层流失，防止地表沉降加大甚至地表出现沉陷，建筑物沉降。泥水平衡盾构的缺点是辅助配套设备多，首先要有一套自动控制和泥水输送系统，其次还要有一套泥水处理系统，随着土砂百分比的增加，出现泥水分离难度和费用增大，所以泥水盾构存在设备投入费用大，泥水分离处理场地占地面积大，设备运行费用高等缺点。图6-3-12为泥水盾构及泥浆回路示意图。图6-3-12 泥水盾构及泥浆回路示意图3、盾构主要结构及工作原理近年来，单圆土压平衡式盾构机以其结构简单，适用的范围较广，在我国城市地铁建设中得到较为广泛的应用，本文以单圆土压平衡盾构为例介绍一下盾构机主要结构和工作原理。3.1土压平衡盾构机工作原理盾构掘进时，土体由旋转刀盘上的刀具切割下来，然后通过刀盘开口挤入土舱，与土舱内已有的粘性土浆混合。推进油缸的压力通过舱壁传给土舱内土体，从而保证开挖面的稳定。当土舱内的土体不能再被土压力和水压力压紧时，就达到了土压平衡，这时开挖面的土压约等于土舱中土体的压力。当土舱中土体的压力增加至超过平衡时的土压时，土舱中土体就会压紧开挖面的土体，这会导致盾构前方的地面隆起。当土舱中的土体压力小于平衡土压时，通常会引起地面下沉。土舱中的土体在压力的作用下通过螺旋输送机被输送出去。图6-3-13为土压平衡原理示意图。图6-3-13 土压平衡原理示意图土体的压力主要受影响因素：掘进速度，开挖土量，土体改性所用添加剂的量。在一定速度下进行掘进时通常可以通过 改 变 螺 旋 输 送 机 的 速 度 来 控 制土压。当螺旋输送机转速较快时泥土就会 迅 速 被 运 出 去 ， 这 时 土 压 就 会 降低，相反土压就升高。通常也可以通过改变掘进速度来控制土压，减小掘进速度土舱中的土压会降低，相反会升高。为了保证掘进过程中土压的稳定，土舱 的 压 力 应 和 刀 盘 前 的 土 压 保 持 一致 ， 以 防 止 刀 盘 前 的 土 体 下沉 (+10mm/-20mm) 和土体的泄漏。安装在土舱中不同位置上的土压传感器，可以将土舱中的土压力和支撑压力传给控制室并显示出来。在掘进过程中刀盘的旋转速度也是可以改变的，这样有助于土体的混合以及减小盾体的转动。3.2 土压平衡盾构机总体结构盾构机一般由以下系统组成：刀盘及驱动系统、推进及铰接系统、同步注浆系统、泡沫及膨润土系统、土仓保压系统、排土系统、管片吊运、拼装系统、集中润滑系统、盾尾密封系统、水冷却系统、工业用气系统、电气及中央控制系统、数据采集系统、激光导向系统，这些系统分别安装在盾构机的盾体主机和车架上。 图6-3-14为盾构总体图。3.2.1盾构主机（见图6-3-15）盾构主机是盾构掘进主体部分，主机由圆筒形盾体、刀盘、刀盘驱动、螺旋输送机、推进油缸、铰接油缸、管片拼装机、人闸等组成。3.2.1.1盾体 盾体的主要作用是提供掘进保护和提供安装附属设备结构框架。盾体由前盾体（简称前盾）、中盾体（简称中盾）和后盾体（简称盾尾）构成，盾体是用钢板焊接而成的园型筒体，在内部焊有筋板、环板等一些加强板，具有耐土压、水压的强度。图6-3-15 土压平衡盾构主机图6-3-14土压平衡盾构总体图盾构机壳体和盾尾壳体是由管片的外形尺寸、盾构机壳体在施工时所受的载荷以及对应于隧道最小曲率半径而决定的。在前盾切口环部分装有切削刀盘驱动装置，在土仓壁下部装有螺旋输送机、中部装有人闸。中盾、后盾体由铰接油缸联接，上下左右可弯曲，在铰接部分设有防水密封（铰接密封）。在中盾内周安装有推进油缸、铰接油缸、管片拼装机。在后盾部分安装有悬臂工作操作台、盾尾密封等。在盾构机内还设有检查维修时用的台面、液压、电气仪器、计量仪器、注入管等附属装置。3.2.1.2、刀盘及驱动系统(1)、刀盘刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，位于盾构机的最前部。刀盘上安装切削刀具，用于切削土体。盾构的刀盘结构形式和安装刀具类型与工程地质情况有着密切的关系，理论上不同的地层应采用不同的刀盘结构形式和刀具，刀盘按结构形式可分为面板式刀盘、辐条式刀盘、辐条+面板式刀盘，图6-3-16为几种刀盘实物。图6-3-16 刀盘结构形式面板式刀盘为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件。切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀布置面板是刀座。刀盘开口率较小，在30%左右，属闭胸式。目前，中国使用的盾构大部分为面板式刀盘结构。辐条式刀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀。刀盘开口率很大，约在60%95%之间，属开敞式。日本盾构中辐条式刀盘应用较多。辐条+面板式刀盘有面板式和辐条式刀盘的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部，开口率约在35%50%之间。刀盘的主要参数有刀盘直径、开口率、安装刀具的种类和布置形式。现在已经出现在刀盘安装可口率调节装置，调节装置可根据所施工中的地质条件调节开口率，在保证施工质量和安全的情况下提高工作效率。（2）、刀具刀具的种类和刀具在刀盘上布置形式非常多和复杂，体现了盾构设计的不同理念。刀具安装方式有焊接和螺栓背装式，由于底层地质复杂多变的特性，盾构掘进过程中可能需要更换刀具，目前大多刀具都采用螺栓背装式固定，便于掘进途中更换维修刀具，缺点是造价相对较高。1） 切刀切刀是刀盘切削软土的主要刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，通过刀刃和刀头部分插入到地层内部，象犁子犁地一样切削地层。图6-3-17为切刀几种形式。图6-3-17 切刀2）先行刀先行刀是刀盘开挖主要刀具。先行刀比其它刀具高于面板，其主要作用是先于切刀、刮刀切削开挖面，图6-3-18先行刀将开挖面松弛，降低开挖面土体的强度，然后切削刀、刮刀再切削开挖面，这样可以大大减轻切削刀、刮刀的磨损，提高其掘进距离。图6-3-18为先行刀几种形式。4）周边刮刀周边刮刀安装在刀盘的外圈用于清除边缘部分的开挖碴土防止渣土沉积、确保刀盘的开挖直径以及防止刀盘外缘的间接磨损。图6-3-19为周边刮刀实物图6-3-19 周边刮刀5）滚刀当隧道断面岩层单轴抗压强度超过5MPa时，考虑采用滚刀破岩，滚刀破岩的机理是刀盘的转动带动盘型滚刀的滚动，在岩面上压入一定的深度，被挤压处岩石的应力大于其破坏强度，成粉碎状脱落，并且形成裂纹在岩体上扩展，相邻区域被另一把滚刀碾压时，岩石成片状石渣掉落。常见的滚刀有单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀等。图6-3-20为常见的单刃和双刃滚刀。单刃滚刀破岩能力强，适应抗压强度高于80MPa的岩石，滚刀起动转矩大，适应于硬岩地层的破岩；双刃滚刀破岩能力较低，适应抗压强度小于80MPa的岩石，滚刀起动转矩小，适应于软岩地层，双刃盘形滚刀常位于刀盘中心及刀盘空间狭小的情况；三刃盘形滚刀可用于中心刀及刀盘周边超挖刀。图6-3-20 滚刀6）中心刀布置在幅条上同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零。因此，密封舱内切削土体的运动长度也是由外至内逐渐变小，相应土体流动状态也是越来越差。为改善中心部位的切削和搅拌效果，在刀盘中心部位设计一把尺寸较大的刀具，称为中心刀，见图6-3-21。图6-3-21 中心刀6)仿形刀仿形刀也称超挖刀，分为土层仿形和岩石地层滚刀型仿形刀。辐条式刀盘一般配置2把仿形刀，布置在同一辐条的两端。施工时，可以根据超挖量和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到切削的目的。设计仿形刀的目的是盾构在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削创造所需空间，盾构机可在超挖少、对周边土体干扰小的条件下实现曲线推进，顺利转弯及纠偏。见图6-3-22仿形示意图，图6-3-23为仿形刀实物图。图 6 图6-3-22仿形示意图图6-3-23 仿形刀7）保护刀具 为了增强对刀盘或盾构上的保护，在刀盘或刀盘上还装有各种保护刀具，如泡沫/膨润土注射口保护刀，刀盘轮缘保护刀，盾构体上外置同步注浆管路保护刀等，形式和种类非常多。（3）刀盘驱动刀盘驱动是盾构机的最关键部件，特别是刀盘密封、大轴承的可靠性、安全性、寿命是至关重要的。刀盘驱动形式主要有电机离合器驱动、变频电机驱动和液压马达驱动三种形式。电机离合器驱动由于离合器离、合动作，所以冲击大而且转速不能实现无级可调，现已很少应用。目前常用变频电机驱动和液压马达驱动，两种驱动方式各有优缺点：液压驱动刀盘转动平稳，转速无级可调，低速性能好，安装尺寸小，缺点是机械效率低、发热量大、噪音大，多在中小型盾构上应用；变频电机驱动的优点是启动力矩大，机械效率高、发热量低、噪音小，缺点是安装尺寸角度，低速性能差，多在中大型盾构上应用。刀盘驱动部分包括驱动马达（电机）、减速器、大轴承、轴承密封和轴承润滑系统等。见示意图6-3-24.盾构地下工作环境非常恶劣，为了保证防止压力水、土沙等进入主轴承，盾构主轴承密封设计非常关键。现在盾构轴承密封不仅设计有多重密封，而且有不间断注入密封油脂系统，保证密封效果，有的盾构还在密封处安装温度传感器，实时检测密封温度。图6-3-25为主轴承密封一种设计形式。主轴承油润滑系统安装在盾体内部，齿轮油室设置在驱动系统内部，系统包括油泵、过滤器、压力表等设备。油泵连续泵送齿轮油，对轴承和齿轮用油浴强制润滑。 图6-3-24 刀盘驱动 图6-3-25 主轴承密封3.2.1.3 、推进及铰接系统（1）、推进系统盾构主机的向前推进由推进系统来实现的，盾构机的方向控制也是由推进系统来实现的。推进系统主要由推进油缸、液压泵站及控制装置组成。推进油缸安装在中盾体内侧，推进油缸靠作用在前一环的混凝土管片上，实现对盾构的推进。图6-3-26 推进油缸分组和油缸与管片关系示意图推进油缸的布置按照管片布置来设计，推进油缸一般分为四组，每组推进油缸的推进可通过操纵控制台手工调整，在管片拼装模式下，推进油缸也可单独或分组控制。图6-3-26为推进油缸分组和油缸与管片关系示意图。推进油缸上安装有行程传感器用以测量机器的开挖进尺及推进速度，推进速度通过控制面板可以连续地调整。图6-3-27 推进系统液压回路图（2）、铰接系统在盾构盾壳中间加铰接主要作用是提高盾构机的灵敏度，减小盾构机转弯半径和更好适应隧道垂直面曲线掘进；易于保证盾尾与管片环的同轴度，防止盾构主体挤压管片，致使管片碎裂损环，同时可保护盾尾刷免受偏心载荷损坏。 铰接示意图见图6-3-28。铰接系统由数个铰接油缸和铰接密封及其液压回路和控制系统组成。图6-3-28 铰接示意图1)、铰接油缸铰接油缸可以分别设计在两个位置，日系盾构铰接主要设计在前盾和中盾之间即所谓的前置铰接，德系的铰接主要设计在中盾与盾尾之间，即后置铰接（如图6-3-29）。图6-3-29 前置铰接和后置铰接结构对比两者之间各有优点和缺点（对比表见表6-3-3）、前置铰接处与刀盘距离较短，盾构机在小转弯半径区段掘进时，由铰接油缸主动施加不平衡推力迫使前盾和刀盘与铰接后盾壳成一定角度而达到整个主机转弯的目的，在此种情况下，铰接油缸可部分的或全部替代仿形刀的功能，在相同转弯半径下减少两侧推进油缸的压力差，并可减小盾壳直径，但在此种情况下铰接油缸承受较大的推力和扭矩，需要增大铰接油缸的直径，并在前盾和中盾之间容易出现扭转。、后置铰接大约在盾壳中部，盾构机在小转弯半径区段掘进时，通过两侧推进油缸不平衡推力的迫使前盾和中盾推进后与拼好的管片隧道成一定角度而达到转弯的目的，盾尾角度介于中盾与拼好的管片隧道之间。这种情况下，铰接油缸不需要承受较大的推力和扭矩，只承受盾尾向前拖动所需要的拉力即可，但需要较大的盾壳直径。表6-3-3 前置铰接和后置铰接的比较前置铰接后置铰接转弯灵活性灵活较灵活转弯时两侧推进缸的压力差小大铰接油缸受力推力拉力铰接油缸承力大小铰接部分承受扭矩大小转弯时铰接油缸的状态控制随动、不控制手动或自动控制相同管片外径下盾壳直径小大铰接部分机械结构复杂性复杂简单图6-3-30 铰接系统液压回路图2)、铰接密封由于盾体设置了铰接，为了防止盾构盾体外的压力泥浆、水等进入盾体内，在盾体铰接处设置铰接密封（见图6-3-31），针对不同的水压铰接密封设计形式有多种，有的铰接密封处还设紧急密封，等特殊情况下，铰接密封失效时，启用紧急密封，防止盾构外部泥水进入盾体内。有的在铰接密封处设计有油脂注入口，可以定期注入密封油脂，保持密封处清洁和润滑。通常在铰接油缸上装有油缸行程传感器，测量铰接油缸的伸出程度，检测盾构铰接姿态。图6-3-31 铰接密封示意图3.2.1.4盾尾密封系统为了防止盾体外的泥浆、水等从盾尾与管片交接处进入盾体，在盾尾设立盾尾密封系统，盾尾密封系统一般由焊接在盾尾内侧的盾尾刷和盾尾油脂注射系统组成。盾尾密封设在盾构机壳体最尾部，能防止土砂、水及同步注浆材的侵入。一般安装有3道钢丝刷型盾尾密封。三排线刷形成了两个环形空间，中间一直充满防漏油脂。（见示意图6-3-32）图6-3-32盾尾密封示意图盾尾油脂注射系统由安装在后配套台车上流量可调的油脂泵（见图6-3-33）和管路、控制阀、压力传感器等组成。盾尾油脂是为了提高盾尾密封的止水效果，这种油脂能止水、防止注浆材流入的作用，由于钢丝刷和油脂的柔软性，对管片安装产生的不平、曲线部变压等也有止水效果。另外，也有防止盾尾钢丝刷摩耗的作用。注脂是自动连续的，也可手动控制，一般在每个油脂注入口安装压力传感器来检测注脂压力。图6-3-33盾尾油脂泵 3.2.1.5拼装机及管片吊运机构管片从隧道外由管片运输车运输到盾构拼装机前方，由管片调运机构调运到管片拼装机附近，由管片拼装机拼装管片。管片吊运机构一般由起吊装置如电动葫芦和行走机构及控制系统组成。拼装机主要用来拼装隧道管片（见示意图6-3-33），管片安装器将管片抓取起来，旋转到预定角度，然后沿径向推顶到位。管片安装大多设计成六自由度，可以更精确控制拼装角度。图6-3-33 管片拼装机示意图管片安装机的纵向行程设计成在不使用任何特殊辅助工具的前提下拆卸第n-1环管片，这使得某些情况下很方便，如更换盾尾钢丝刷时，配置的纵向行程能方便地更换前两道密封刷。管片拼装机管片抓取装置有机械式和真空吸附式两种（见实物图6-3-34），国内多采用机械式抓取装置。图6-3-34 管片拼装机拼装头图6-3-35管片拼装机液压回路图3.2.1.6螺旋输送机和皮带输送机螺旋输送机主要功能是把刀盘切削下来汇集到土仓的渣土运输到皮带输送机上，皮带输送机在运输到渣土运输车，最后由渣土运输车运出隧道外。螺旋机的转速是可变的、在螺旋机排土口安装出土闸门，通过调节螺旋机排土量来实现土塞效应，可以形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。螺旋输送机中心螺旋一般有轴式和无轴式两种形式（见图6-3-36），适用不同的地质条件，无轴式螺旋机可以运输更大的渣土粒径，适合用于地质中含粒径较大的地层。缺点是形成土塞效果差，在含水量丰富的地层中，防涌喷效果差。有轴式螺旋机能够形成较好的土塞效应，但输送渣土粒径较小。图6-3-36 螺旋输送机有的螺旋输送机中心轴设计成可以收缩式，在遇到特殊情况可以从土仓缩回。螺旋输送机由中心螺旋轴、外管、驱动装置、土压传感器、注附属装置组成。皮带机安装在盾构台车上方，功能是运输从螺旋输送机排出的渣土到渣土运输车。主要由皮带、皮带托辊、皮带驱动电机及渣土清扫装置组成。3.2.1.7人闸及气压调节系统在盾构掘进过程中，特殊情况下需要作业人员进入土仓检修设备，而此时地质条件较差，开挖面无法自立，有土体坍塌危险。现在盾构设计有向土仓注入一定压力的空气，利用具有一定压力的空气保持开挖面的自立。人闸就是提供在土仓内和隧道存在压力差情况下，人员进入土仓进行作业的容器通道。人闸一般设计为两个相连能够独立密封的的舱室，舱室之间有人员通过的闸门，闸门关闭时能够保证舱室密闭（见图6-3-37）。带气进仓作业前，首先向土仓注入压缩空气，使土仓空气压力达到设定数值并能保持恒定，作业人员进入人行闸内缓慢加压，直到人闸内气压与土仓内压力相等时，作业人员打开闸门进入土仓；同样，人员离开高压环境时也必须在人闸内经过减压过程。图6-3-37 人闸结构图气压调节系统主要功能是向土仓和人闸供应压力空气并能自动调整压力，保持人闸、土仓压力恒定。人闸及气压调节系统组成：空气压缩机、空气净化装置、气压调节装置、人闸及人闸内满足作用人员使用的照明装置、通讯装置、空气压力表以及管路等附属装置。（见图6-3-38）为了保证带气作业人员安全，设置一套气压调节备用系统。图6-3-38 气压调节系统示意图3.2.2盾构附属系统盾构附属系统有同步注浆系统、泡沫膨润土系统、数据采集系统、控制系统、激光导向系统、二次通风系统、后配套台车等组成。3.2.2.1同步注浆系统盾构机掘进的同时，通过同步注浆系统将浆液同步注入管片和开挖洞身之间的环形间隙之中，以提高隧道的防水性，防止施工区域地表沉降。另一方面，由于充填及时，对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强，减小了管片移动的可能性，从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。同步注浆系统一般有单液（砂浆）注浆系统和双液同步注浆系统两种形式。图6-3-39为双液同步注浆系统。图6-3-39为双液同步注浆系统单液（砂浆）注浆系统由浆液箱、注浆泵、注浆管路及控制系统组成。有的盾构同步注浆系统还设计由高压水清洗管路。双液同步注浆系统除了以上砂浆系统外还配置水玻璃（统称B液）注入系统，包括注入泵，管路。双液浆系统浆液管路一般是独立布置，工作时同时通过各自的管路向盾壳上的同一注浆点泵送，在盾壳靠近出口处混合然后进入管片壁后。A液和B液的流量的控制或配比的控制通过控制两台泵的转速来实现。砂浆在地面搅拌站制备好，由砂浆斗运进隧道内，通过砂浆转送泵泵送到台车上的砂浆箱中储存。浆液箱内有搅拌叶可以对浆液进行搅拌及给活塞泵喂料，浆液箱容量设计一般依据满足一环管片用浆量来考虑。双作用活塞注浆泵（图6-3-40）通过异形连接管和砂浆罐相连，连接段还有清洗接口。泵直接装在砂浆罐的下方用于提高泵的效率。安装有清洁水箱，泵的活塞部分浸在水箱内便于活塞杆的清洗。 图6-3-40 施维英KSP12双作用活塞注浆泵水玻璃注浆泵通常选择连续流量泵，如:蠕动泵(图6-3-41)和螺杆泵（图6-3-42）图6-3-41 蠕动泵图6-3-42 螺杆泵注浆是通过内置于盾尾内壁或直接加工在盾体内的注浆管道来实现的，见示意图6-3-43。 注浆管路内置的优点是盾体为圆形，能够适应任何地质，另外进出洞密封性能好，不易发生漏浆，缺点是盾体直径一般较注浆管路大，开挖半径和同步注浆量较大，工程经济性不好。另外像示意图2内置式注浆管路加工制造困难。外置注浆管路的优点是制造加工容易，盾构开挖直径和同步注浆量较小，工程经济。缺点是由于管路外置盾体外，只能用于软土地层，地址适应性差。图6-3-43 同步注浆管路在盾体上布置形式为了很好控制地面沉降，控制同步注浆量和注浆压力非常关键，在每条管线靠近盾尾注入点处都安装有一个压力传感器，注浆泵的注浆压力和注浆量可以在控制盘显示屏上得到显示。3.2.2.2 泡沫及膨润土系统土压平衡盾构尤其适合在含有大量粘土、壤土或粉土、低渗水性和含大量细颗粒的粘性土壤中使用。对于在不同种类且高渗水性的土壤中（砂层、砾石等）中开挖时，需要进行土体工作改良来保证土压平衡操作模式能够顺利进行（易于形成结块从而保持螺旋输送机内的水压）。在不同种类的地质状况下，有选择使用泡沫、膨润土或聚合添加剂等作为土体改良的介质从而增加使用土压平衡盾构的可能性。使用添加剂进行土体改良改善土壤性质、保证土压平衡开挖模式顺利进行。目前在土压平衡盾构机上，标准的配置是同时配置泡沫和膨润土注入系统以及聚合添加剂注入口，在盾构实际施工过程中，有选择的使用泡沫或膨润土来改良渣土。（1）泡沫的主要作用1）提高切削土的流动性 砂砾土层的场合，通过气泡的轴承效果可以提高切削泥土的流动性，避免土仓内发生堵塞，并且减轻刀盘和螺旋机的扭矩，从而提高了盾构机推进效率。2）减小切削土与盾构机的粘附 硬质粘土土层的场合，可以防止切削泥土粘附在刀盘面板和土仓仓壁上，从而保证了掘进能更加顺畅地进行。3）提高切削土的止水性 细微的气泡充填于土颗粒间隙之间中，起到提高切削土止水性的作用。同时，对防止地下水在螺旋机排土口处的喷发也有相当的效果。4）减轻盾构机设备的损耗 气泡具有润滑作用，可有效降低盾构设备的磨损，特别是刀盘和刀具的磨损，延长设备的使用寿命。5）刀盘土压力稳定性提高 由于气泡具有压缩性。可以减少刀盘土压力的变动，从而实现刀盘稳定状态下的顺利掘进。适用地质：在粘性较高的土层或含水量大的地层中掘进时，推荐使用泡沫注入系统。（2）膨润土作用1）膨润土泥浆补充砂砾土中相对缺乏的微细粒含量，提高和易性、级配性，从而可以提高其止水2）膨润土与泡沫一样具有润滑作用，可有效降低盾构设备的磨损，特别是刀盘和刀具的磨损，延长设备的使用寿命。适用地质：膨润土泥浆适用于细料含量少的中粗砂土、砂砾土、卵石漂石地层及高透水性的土体等等。（3）、泡沫和膨润土系统的组成图6-3-44 泡沫/膨润土系统图泡沫系统由泡沫泵和水泵、泡沫发生器、混合液控制装置压缩空气控制装置、测量装置及其控制、布置在刀盘、土舱压力板、螺旋输送机上的泡沫注入点等组成（见图6-3-44）泡沫发生原理是基于气液两态的机械混合。水和发泡剂的混合是在后配套区间完成的。发泡剂通过泡沫泵供给，水由水泵供给，二者混合后再通过流量控制装置供给到泡沫发生器，在泡沫发生器内用空气对液体进行搅拌混合而获得的。空气和液体的剂量是通过流量计来计量的。生成的泡沫通过管路从布置在刀盘、土舱压力板、螺旋输送机上的泡沫注入点注入到渣土中。膨润土系统由膨润土储存罐、膨润土注射泵、膨润土注入管路及控制系统组成。地面膨润土运输到隧道内，泵入膨润土储存罐，储存罐内由搅拌叶片，防止膨润土沉淀离析。膨润土通过膨润土注射泵被泵送到布置在刀盘、土舱压力板、螺旋输送机上的膨润土注入点，加入的渣土中，膨润土注入点与泡沫注入点共用。3.2.2.3 数据采集系统盾构机发展到今天，已经发展成机、电、液、一体化，自动化程度非常高的施工设备。在盾构施工过程中，系统可以通过PLC采集盾构机上的传感器数据，包括刀盘、盾体、注浆、碴土运输、温度、后配套操作、测量值综述和错误信息等，然后将数据传送给操作室的操作触摸屏，在上进行数据的记录、储存、显示和分析，同时，操作触摸屏也可以对这些采集内容设定初始值，传送到PLC上；并且具有盾构机故障自我诊断功能。盾构运转的各种数据的采集、传递、分析评估、显示、储存由PLC或电脑自动进行。（见图6-3-45）安装在盾构机上的主要传感器：土压传感器（土仓胸板）、刀盘转速传感器、主轴承温度传感器、螺旋输送机转速传感器、集中润滑压力传感器、推进油缸位置传感器、铰接油缸位置传感器、同步注浆压力、流量传感器、泡沫/膨润土压力/流量传感器、盾尾油脂压力传感器、盾尾间隙传感器、液压油压传感器等等。图6-3-45 数据采集系统示意图收集的数据按照一定格式记录在电脑硬盘内。用户可以随时导出分析、备份。有的盾构数据管理软件可以按照一个工作循环（掘进管片拼装）自动生成掘进报告。3.2.2.4 控制系统盾构控制分控制室控制面板和现场控制盘，盾构控制室一般布置在第一节台车上，控制室控制盘设盾构掘进时各种控制旋钮，现在盾构所有控制都是以PLC控制为核心。可以实现自锁和互锁以及故障诊断与报警功能。现场控制的主要操作管片运输、管片拼装、有的盾构机把同步注浆控制盘也放在注浆泵附近，易于观察和操作。3.2.2.5导向系统导向系统是盾构机的眼睛，今天盾构机如果没有配置导向系统会是难以想象的。导向系统能够实时显示盾构机掘进方向和盾构自身姿态，通过形象化界面显示，使盾构操作手可以实时观察和调整盾构机掘进姿态。使盾构机沿设计隧道轴线掘进。应用在盾构上的全自动导向系统有陀螺仪系统和激光导向系统，盾构机上使用最广泛的是激光导向系统。下面以VMT 公司的 SLS-T 导向系统为例介绍激光导向系统的组成和工作原理。（1）、VMT 公司的 SLS-T全自动激光导向系统具有一下功能特点：1）、能够计算盾构机的位置并以图形和数字的形式显示出来；2)、管环拼装完毕后，计算并显示已拼管环及其封顶块的位置；3）、能够计算并显示盾构前进倾向；4）、能够计算并显示管片的倾向；5)、切向返回设计轴线（理论轴线）；6）、通过新计算出来的纠偏曲线，预算后续管环的类型； 7）、全面纪录数据，比如掘进纪录，日志等；8）、沿计算好的纠偏曲线掘进所需要的油缸的行程；9）、对所有的组件进行自动操作；10）、自动测量盾尾间隙；11）、自动检测激光方向（方向控制）；12）、在拼装管片的过程中,通过程序的引导实现激光站的前移；13）、地面办公室或世界上任何一个地方通过电话线显示隧道