盾构机

盾构机，简称盾构机或盾构(  hielding   machine)一种采用盾构法的隧道掘进机，具有挖掘和切割土壤的功能、输送土渣、拼装隧道衬砌、导向纠偏等功能。盾构机可以根据不同的分类方法进行分类：根据开挖面是否封闭，可分为封闭式、半敞开式、敞开式三类；明挖盾构机按开挖方式可分为手挖式、半机械开挖和机械开挖；根据平衡开挖土压力和水压力的原理，封闭式盾构机可分为泥水式和土压式。盾构机由壳体、掘削刀盘、刀具、推进机构、挡土机构、搅拌机构、排土机构、管片拼装机构等，在隧道施工期间不受气候影响、自动化程度高、经济性好等特点，在地铁中得到了广泛应用、公路等隧道工程。 

切削土体

土壤被旋转刀盘的刀具切割，然后通过刀盘的开口被挤压到土壤室中，并与土壤仓中现有的粘性土壤浆液混合。推进气缸的压力通过室壁传递给土室中的土壤，从而确保开挖面的稳定性。当土室内的土体不再受到土压和水压的挤压时，就达到了土压平衡。此时，开挖面上的土压力约等于土室内的土压力。当土室内的土压力增加超过平衡土压力时，土室内的土将压缩开挖面上的土，并导致盾构机前方的地面隆起；当土室内的土压力小于平衡土压力时，通常会导致地面下沉。

输送土渣

盾构机在切割泥土并向前行驶时，需要及时将挖掘出的泥土运输出去。在EPB盾构机中，螺旋输送机从承压隔板的开口延伸到土室中以排出泥土压力控制系统协调盾构机的掘进速度和螺旋输送机单位时间的排土量，使土室始终充满土，土压与开挖面土压平衡。在泥水盾构机中，挖出的土料在土室中与支撑液混合形成泥浆，支撑和保护开挖面，同时也作为输送渣土的介质泥浆被泵送到地面后，被处理设备分离成土壤物质和泥浆水经过质量调整后，分离出的泥水可以再次输送到土室，同时排出土料。

拼装隧道衬砌

隧道施工期间安装的管片由管片运输机车运送，并放置在管片运输车上。随着盾构机向前推进，已安装的第一环管片外表面与围岩之间形成间隙，因此应同步注入砂浆进行填充，以防止地面沉降。在隧道掘进循环完成后，盾构机推进缸的一部分缩回，为第一个管片留出足够的空间；其余的推进缸仍与已安装的管片接触，以防止盾构机因土压而后退。

导向纠偏

因为下面的土壤不平整、盾构机内机械设备工作时阻力不一致、由于盾构机施工等因素的动态变化，盾构机在地层推进过程中会出现偏位。盾构机的纠偏作业主要是使盾构机的运动轨迹始终在设计轴线的允许偏差范围内，从而确保隧道衬砌拼装在理想位置。您可以调整插孔分组、调整开挖面的阻力，即人为改变阻力合力点的位置等，形成一个校正力偶并控制盾构机的轴线。

壳体

切口环

缺口环部分位于盾构机的前端，其前端设有切削刃。在施工过程中，缺口环切入地层并屏蔽开挖作业，其切削刃可减少土壤切削阻力对地层的扰动。缺口环的长度主要取决于支撑形式、开挖方法、大多数手挖盾构机的缺口环的顶部比底部长，就像帽檐一样，以增加盾构的长度。在机械盾构机的刀圈里，有各种挖掘设备。在泥水盾构机和土压盾构机中，由于缺口环的压力高于正常压力，因此需要用封闭隔板将缺口环与支撑环隔开。

支承环

支撑环位于盾构机中部紧接缺口环之后，为环形结构，刚性好。支撑环是基本的承重结构，所有地层土压力、千斤顶的顶力、切口、盾尾、支撑环承受内衬组件的施工荷载。支撑环的外缘应配有盾构推进千斤顶。大型盾构机全液压、动力设备、操纵控制系统、衬砌拼装机具均设置在支撑环位置。中、小盾可以将一些装备移动到盾后面的框架上。当前分压罩内压力高于常压时，应在支撑环内设置人工加压减压室。

盾尾

通常，盾尾由盾壳钢板的延伸部分组成，主要用于覆盖隧道衬砌的安装。防护罩末端设有密封装置，防止止水、土壤和灌浆材料从盾构尾部和衬砌之间进入盾构。当盾尾密封装置损坏时，必须在盾尾部分更换。因此，盾尾长度应满足上述工作。考虑到结构，应尽可能减小盾尾的厚度然而，盾尾除了承受地层中的土压力外，在遇到隧道纠偏和弯道施工时也有一些难以估计的施工荷载，受力情况复杂，因此其厚度应结合各种因素确定。

掘削刀盘

面板式刀盘

面板刀头一般是焊接的箱形结构，由辐条组成、刀具、槽口及面板组成。通过面板刀盘直接支撑开挖面，可以防止开挖面过度坍塌，有利于开挖面的稳定，并且可以通过控制槽口的开度来调整弃土弃沙和开挖进度。其缺点是开口比小，挖掘粘土层时，粘土容易粘在面板表面，阻碍刀盘转动，进而影响挖掘质量，刀盘负荷大，磨损大。

辐条式刀盘

辐条刀头由辐条和安装在辐条上的刀具组成。其优点是设备成本低，扭矩阻力小，开孔率大，提高了排土量和粒径，并有效地将土室内的土压力传递到开挖面，适用于淤泥层、砂层和小粒径砂卵石地层。其缺点是地下水压力高、对于容易塌陷的土壤，很容易喷水、喷泥，不能限制大粒径卵石进入土室，对开挖面支护效果差。

辐板式刀盘

辐条刀头由宽辐条和小辐条组成，刀具和滚刀分别安装在宽辐条的两侧和内侧。辐条刀盘兼具面板刀盘和辐条刀盘的特点，其辐条结构可以保证开挖时对前方土壤有良好的支撑能力，同时保证有足够的开口供渣土流入，兼顾了安全和效率。

刀具

切削类刀具

刀具的部件主要包括刀体和刀盘。切削工具主要用于岩石和土壤的开挖面在刀盘的推力下，产生沿刀盘轴向的切削力当刀具随刀盘旋转时，产生沿刀盘切线方向的切削力，在岩土上形成梨形沟槽。如果切割的岩土硬度不大，在刀具的作用下，岩土会变成渣土并脱落；当岩土的硬度较高时，工具会使岩土产生裂缝在反复切割下，裂缝会像岩石切割一样穿透脱落。

滚动类刀具

滚切刀由刀圈组成、刀体、刀轴、浮动密封和端盖。当开挖地层为坚硬岩石时，使用碾压工具。安装在盾构机刀盘上的滚动刀具在刀盘的推力下挤压岩石，同时刀具围绕自身轴线自行组装并随刀盘旋转，因此岩石被压碎并脱落，并在火岩石中形成裂缝当相邻刀具产生的裂缝贯穿时，大块岩石将脱落。

推进机构

盾构推进机构安装在支撑环内，主要由沿支撑环内圆周方向按一定方式排列的液压千斤顶组成液压千斤顶的前端与盾壳铰接，后活塞杆端装有支撑靴。推进过程中，千斤顶的活塞杆伸出，支撑靴顶在后面的拼装管片上，形成盾构向前推进的力。同时，推进系统在盾构曲线施工中也发挥着重要作用由于推进千斤顶可以独立控制，因此可以只设置一些千斤顶进行推进，从而实现盾构在多个方向上的偏转。

挡土机构

挡土机构的作用主要是防止开挖过程中开挖面地层的坍塌和变形，保证开挖面的稳定。对于全开式盾构机，主要的挡土机构是挡土千斤顶；对于半开放式格栅盾构机，其挡土机构为格栅面板；对于泥水盾构机来说，挡土机构是泥浆仓内的加压泥浆和刀盘面板；对于土压盾构机来说，挡土机构是土仓和刀盘面板内加压土的开挖。

搅拌机构

搅拌机构是一种专用机构，主要用于泥水盾构和土压盾构。在土压盾构机中，搅拌机构的作用是在添加剂注入后搅拌舱内挖出的土砂，改善其流动性，防止堆积和粘附，提高排土效果。对于泥水盾构机来说，搅拌机构的作用是使挖出的土砂均匀地混合在泥浆中，以便于泥浆泵排出混有挖出土砂的泥浆。

排土机构

根据盾构机类型的不同，倾倒机构也存在差异。在全开放式或半开放式机械盾构机中，排土系统一般由铲斗组成、滑动导槽、漏土斗、带式输送机等。在泥水盾构机中，排土机构由泥水循环系统实现。

盾构机

在泥浆泵的作用下，新鲜泥水通过进泥管进入泥浆舱，与刀盘挖掘出的渣土充分混合，然后通过排泥管排入地面的泥水处理系统经过多级渣土分离和泥水处理后，挖掘出的渣土中富含的泥水开始新的循环。

在土压盾构机中，排土机构由螺旋输送机组成、除盾构机以外的排土控制器和运土设备。螺旋输送机的作用是将土仓内挖掘出的泥土通过排土控制器输送到盾构机外的运土设备。

螺旋输送机分为带式输送机和轴式输送机：对于高水压和砂土，一般选择竖井式，保压效果更好；皮带多用于砾石层，可以方便地排出大块砾石，并且由于中心开口较大，保压效果不好，因此出口处往往安装有滑动闸门等止水装置。

管片拼装机构

管片拼装机构设置在盾构机尾部，由管片拼装机械手和真圆支架组成。管片拼装机械手将管片按照确定的形状固定在盾尾、一种快速组装成环的装置，包括用于运输和提升分段的夹紧系统、旋转、拼装系统。当盾构机前进时，管片拼装环将从盾尾脱出。由于管片接缝的间隙、由于重力和土压力的作用，管片环将横向变形，使横截面呈椭圆形，这将使前面组装的管片环和现在组装的管片环在连接时不均匀（错台）很难安装纵向螺栓，因此为了避免分段环不平整，需要一个真正的圆形护圈。

优点

地下工程施工在盾构机的支撑下进行，不受地面交通影响、河道、航运、气候条件和其他因素的影响可以经济合理地确保隧道的安全施工。

盾构机的掘进、出土、内衬组装可实现自动化、智能化和信息化施工远程控制，掘进速度更快，施工劳动强度更低。

盾构机适用于广泛的地层，从软土、砂卵石、软岩可用于岩层。

盾构机在地面上覆盖一小块区域，挖土、较小的开挖量有利于降低成本。

缺点

盾构机价格昂贵，隧道衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺复杂，施工时需要设备制造、施工测量、现场布置等施工技术的配合比较复杂。

盾构机对施工条件要求较高。隧道曲线半径过小或隧道埋深过小，施工困难；当隧道被浅覆土层覆盖时，难以稳定开挖面并确保盾构机施工安全。

地铁隧道施工

福州2号线后亭站至橘园洲站段全长2.827公里，站间距离是2号线中最长的，其中穿越河流的长度约为1700米隧道穿越的乌龙江是一个高渗透性地层，含有大粒径卵石，难以穿越淤泥质土壤、针对致密卵石层的地质条件，研制了直径为6480mm的泥水压力平衡式盾构机，该盾构机采用了大开口率的刀盘设计和先进的刀具布置、泥水控制系统（气泡仓控制技术、可逆洗涤的泥水循环技术、泥水分流器设计技术)破碎机设计、三通球阀喷嘴设计等技术。该段盾构机施工时刀盘上没有泥饼、出现盾构下沉、结泥饼、喷涌、塌方、频繁换刀、挖掘困难等，实现了2660米连续掘进无换刀记录。

道路隧道施工

日本的东京湾公路是15.1公里，其离岸部分9.1公里海底盾构隧道、4.4公里海上大桥、引道由三部分组成。由于海底公路隧道断面巨大，且修建在海平面下60米的东京湾海底地层中，施工条件极其恶劣。东京湾海底隧道的建设由八条直径为14.14m超大型泥水平衡盾构机穿越海底地层。东京湾道隧道盾构掘进的最大特点是直径大、由于水压较高，盾构机需要在海底软土地基中进行长距离开挖，并自动组装管片。