盾构机分类与构造概述

任 洁 高丙欢 刘国威

（济南重工股份有限公司，济南 250109）

盾构机，全称盾构隧道掘进机。在隧道工程建设中较常用，与传统施工方式相比，盾构法具有施工安全、环保、操作方便、工程质量高、占地资源少、劳动强度低等特点。盾构机自发明至今已有180多年的历史，第一台盾构机由英国发明，后经日本、德国不断发展壮大。伴随着盾构机在使用过程中遇到的各种问题，并对应得到解决，盾构机在发展过程中技术不断改进与完善，并一步步走向成熟。

我国盾构机的研制是从20世纪60年代开始的，早在1950年，东北阜新煤矿通过手掘式盾构修建了国内首条盾构机挖掘隧道。目前，盾构机在国内广泛应用于铁路、地铁、公路等工程。盾构机采用先进的科学技术，涉及岩土、力学、机械、电气、液压、控制、测量等多门科学，集机、电、液压、传感器、信息等于一体，实现盾构机整体的运行[1]。

1 盾构机分类

传统盾构机多以圆形断面为主，但圆形断面利用率较低，尤其在人行地道和车型隧道工程中，矩形、椭圆形等断面更为合理。

目前，盾构形式越来越多（见图1），根据盾构机断面形式可分为圆形盾构、复圆盾构、非圆盾构等多种盾构机形式。其中，复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”。根据施工环境不同盾构机主要分为软土盾构和复合盾构两种，软土盾构适应于未固结成岩的软土、某些半结成岩及风化和强风化围岩地质条件；复合盾构既能适应于软土又能使用于硬岩一类分地质条件。按盾构支护地层形式分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式和土压平衡式。空气压缩盾构适应于黏土、黏砂土，多水松软底层；目前最常用的是土压平衡盾构和泥水盾构两种，泥水盾构可调整泥浆物性，并将其输送到开挖面，保持开挖面稳定，比较适合河底、江底、海底等高水压条件下的隧道施工工程，因此，在隧道、地铁、公路等工程施工中土压平衡盾构机应用最为广泛。

2 盾构机构成

盾构机结构复杂，主要由刀盘、盾体、螺旋输送机、管片拼装机等多部分组成。刀盘在盾构机起切削土层和支撑切削面的作用，是盾构的重要组成部分；盾体是一个钢结构圆柱体部件，盾构机盾体又分三部分，分别是前盾、中盾和尾盾。

图1 盾构机分类

2.1 盾体

应用于隧道、地铁等工程的盾构机一般尺寸较大，盾体壳体直径大小根据实际工程需求确定；盾壳的长度主要取决于地质条件、隧道的平面形状、开挖方式、运转操作、衬砌形式及封顶快的插入方式，计算公式如下：L=ξD。

式中，ξ为盾构灵敏度；D为盾构外径。

盾构灵敏度由设计经验所得，一般现在盾构直径确定后，灵敏度ξ参考值如下：

小型盾构（D≤3.5m）：ξ=1.2～1.5

小型盾构（3.5m＜D ≤ 9m）：ξ =0.8～1.2

小型盾构（D＞9m）：ξ=0.7～0.8。

盾体壳体不仅对作业空间起保护作用，还承受周围土层以及地下水的压力，并将地下水挡在外面，因此，具有较高的刚度和强度。前盾安装在刀盘后面，前盾焊接的隔板将前与刀盘分隔开，同时将泥仓与后面工作仓分隔开，推理油缸的压力通过隔板作用在开挖面上，起到稳定和支撑开挖面的作用。前盾搅拌棒与刀盘搅拌棒结合对切削下的土体进行搅拌，前盾的各管道向切削下的土体注入水、泡沫、膨润土及其他添加剂，改善土质，充分搅拌过的泥土通过螺旋机及皮带、渣土车等被输送到地面。

中盾通过法兰与前盾连接，中盾内侧均布推力油缸，油缸推在后面已安装好的管片上，通过控制油缸向后伸出提供盾构机前行的掘进力。中盾后面连接尾盾，尾盾通过被动跟随的铰接油缸与中盾连接，这种铰接连接的方式使盾构机易于转向。

2.2 切削刀盘

切削刀盘具有开挖功能、稳定功能、搅拌功能。刀盘按结构形式可分为面板式和辐条式，具体应用根据施工条件和土质条件等因素来选择[2]。其中，辐条式切削刀盘是较常见、应用较多的一种刀盘。辐条式刀盘将刀具沿刀盘径向布置在4～6根辐条上，根据布置的辐条数量又有四辐条式、六辐条式等刀盘。根据施工需求以及施工现场土质情况选择合适的刀盘形式；对于施工土层为黏土层的情况，宜选用辐条式刀盘，对于胸板式刀盘，泥土容易粘在刀盘上，这也是辐条式刀盘应用广泛的一个原因。

目前，刀具分两种，一类是切削类刀具，一类是滚动类刀具。

切削类刀具是指随着刀盘转动而没有自转的破岩刀具，分为切刀、边刮刀、先行刀和仿行刀等（见图2、图3、图4、图5）。切刀安装在刀盘开口槽的两侧，切削未固结的土壤；边刮刀安装在刀盘的外侧，用于清除边缘部分的开挖渣土；先行刀一般安装在辐条中间的刀箱中，它是先切削土体的刀具；仿形刀安装在刀盘的边缘上，通过一个液压缸控制仿形刀的伸出量，控制超挖范围。

图2 切刀

图3 边刮刀

图4 先行刀

图5 仿形刀

滚动类刀具是指不仅随着刀盘转动，同时还作自转运动的破岩刀具，分为齿形滚刀、盘形滚刀等。

2.3 螺旋输送机

螺旋输送机是土压平衡盾构的重要组成部分，其主要构造由驱动装置、圆筒状壳体和中心螺旋轴组成，工作时螺旋轴旋转，渣土沿螺旋轴平移输送。通常螺旋机安装角度在21°～23°，如图6所示。

螺旋输送机从盾构土压仓内将刀盘切削下来的泥土排出盾构，泥土通过螺旋杆输送压缩形成密封土塞，阻止泥土中的水流出，保持泥土密封舱土压稳定。可通过改变螺旋输送机转速，调节排土量，即调节土压仓的土压，使其与开挖面水、土压保持平衡。可通过安装在螺旋机壳体上的阀口注入渣土改良剂-泡沫或膨润土，用以改善渣土的流动性及止水性。

图6 螺旋输送机

根据螺旋输送机螺旋轴构造的不同，分为带式螺旋输送机（见图7）和轴式螺旋输送机（见图8）。轴式螺旋输送机适用于一般性土砂运输；带式输送机可用于较大颗粒砂砾和块石运输，将渣土从螺旋机出料口传送到运渣车中，它的排放能力要大于螺旋机的出土能力，当土质透水性好时不宜采用。

图7 带式螺旋输送机

图8 轴式螺旋输送机

2.4 后配套系统

后配套系统通过各种管道将各系统的动力部分和执行部分连接起来。它是由管片运输设备、测量系统、同步系统、液压系统、控制系统、压缩空气系统、泡沫系统、膨润土系统、循环水系统、强弱电控制输配系统以及洞内通风系统组成[3]。

（1）管片拼装机。管片拼装系统是盾构的一个重要组成部分，用来拼装衬砌管片，是将管片拼装成环的机械。从使用动力来看，管片拼装机有液压驱动、电气驱动、人力驱动及其的组合等方式。目前，最常用的管片拼装机的动力形式为液压驱动。从结构形式来看，管片拼装机有安装在盾构内的环式、中空式、齿轮齿条式和与盾构分离安装等多种形式。现在最常用的管片拼装机的结构形式为环式结构。

管片拼装系统具有锁紧、升降、平移、回转、仰俯、横摇和偏转七种动作，各种动作进行专门的调节以使管片能精确就位，完成隧道管片的安装工作。

（2）添加剂注入。添加剂注入装置由泵、注入孔、控制机构和管路等组成[4]。添加剂注入形式有同步注浆、实时注浆等形式。盾构机推进过程同时注浆称为同步注浆；盾构机推进后迅速注浆称为实时注浆。

注浆孔的位置及数量等根据施工程的地质条件确定。一般在盾构机正前方或外周部分向土体内注入添加剂；有时在螺旋输送机上也要布置1～2处，添加剂注浆孔提高螺旋输送机对压力水的密封性。添加剂的注入能够改善土体的流动性，减小土体对刀具的摩擦以及减小对刀盘的扭矩，提高刀盘的使用寿命，降低刀具更换频率，提高工作效率。

3 结语

盾构机作为一种大型掘进机械，种类较多，但工作原理及功能相似。在城市地铁修建方面，解决城市交通拥堵问题，方便市民出行；在隧道修建方面，公路与铁路通过隧道穿山而过，缩短修建长度，降低劳动强度；同时，在市政方面，为地下水电管道的铺设提供便捷的途径。本文对盾构机的概述为复杂地层盾构机的类型选择和设计提供启发，为盾构机技术的完善提供参考。