盾構機分類與構造概述

任 潔 高丙歡 劉國威

（濟南重工股份有限公司，濟南 250109）

盾構機，全稱盾構隧道掘進機。在隧道工程建設中較常用，與傳統施工方式相比，盾構法具有施工安全、環保、操作方便、工程質量高、占地資源少、勞動強度低等特點。盾構機自發明至今已有180多年的歷史，第一臺盾構機由英國發明，后經日本、德國不斷發展壯大。伴隨著盾構機在使用過程中遇到的各種問題，并對應得到解決，盾構機在發展過程中技術不斷改進與完善，并一步步走向成熟。

我國盾構機的研制是從20世紀60年代開始的，早在1950年，東北阜新煤礦通過手掘式盾構修建了國內首條盾構機挖掘隧道。目前，盾構機在國內廣泛應用于鐵路、地鐵、公路等工程。盾構機采用先進的科學技術，涉及巖土、力學、機械、電氣、液壓、控制、測量等多門科學，集機、電、液壓、傳感器、信息等于一體，實現盾構機整體的運行[1]。

1 盾構機分類

傳統盾構機多以圓形斷面為主，但圓形斷面利用率較低，尤其在人行地道和車型隧道工程中，矩形、橢圓形等斷面更為合理。

目前，盾構形式越來越多（見圖1），根據盾構機斷面形式可分為圓形盾構、復圓盾構、非圓盾構等多種盾構機形式。其中，復圓盾構和非圓盾構統稱為“異形盾構”。根據施工環境不同盾構機主要分為軟土盾構和復合盾構兩種，軟土盾構適應于未固結成巖的軟土、某些半結成巖及風化和強風化圍巖地質條件；復合盾構既能適應于軟土又能使用于硬巖一類分地質條件。按盾構支護地層形式分為自然支護式、機械支護式、壓縮空氣支護式、泥漿支護式和土壓平衡式。空氣壓縮盾構適應于黏土、黏砂土，多水松軟底層；目前最常用的是土壓平衡盾構和泥水盾構兩種，泥水盾構可調整泥漿物性，并將其輸送到開挖面，保持開挖面穩定，比較適合河底、江底、海底等高水壓條件下的隧道施工工程，因此，在隧道、地鐵、公路等工程施工中土壓平衡盾構機應用最為廣泛。

2 盾構機構成

盾構機結構復雜，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片拼裝機等多部分組成。刀盤在盾構機起切削土層和支撐切削面的作用，是盾構的重要組成部分；盾體是一個鋼結構圓柱體部件，盾構機盾體又分三部分，分別是前盾、中盾和尾盾。

圖1 盾構機分類

2.1 盾體

應用于隧道、地鐵等工程的盾構機一般尺寸較大，盾體殼體直徑大小根據實際工程需求確定；盾殼的長度主要取決于地質條件、隧道的平面形狀、開挖方式、運轉操作、襯砌形式及封頂快的插入方式，計算公式如下：L=ξD。

式中，ξ為盾構靈敏度；D為盾構外徑。

盾構靈敏度由設計經驗所得，一般現在盾構直徑確定后，靈敏度ξ參考值如下：

小型盾構（D≤3.5m）：ξ=1.2～1.5

小型盾構（3.5m＜D ≤ 9m）：ξ =0.8～1.2

小型盾構（D＞9m）：ξ=0.7～0.8。

盾體殼體不僅對作業空間起保護作用，還承受周圍土層以及地下水的壓力，并將地下水擋在外面，因此，具有較高的剛度和強度。前盾安裝在刀盤后面，前盾焊接的隔板將前與刀盤分隔開，同時將泥倉與后面工作倉分隔開，推理油缸的壓力通過隔板作用在開挖面上，起到穩定和支撐開挖面的作用。前盾攪拌棒與刀盤攪拌棒結合對切削下的土體進行攪拌，前盾的各管道向切削下的土體注入水、泡沫、膨潤土及其他添加劑，改善土質，充分攪拌過的泥土通過螺旋機及皮帶、渣土車等被輸送到地面。

中盾通過法蘭與前盾連接，中盾內側均布推力油缸，油缸推在后面已安裝好的管片上，通過控制油缸向后伸出提供盾構機前行的掘進力。中盾后面連接尾盾，尾盾通過被動跟隨的鉸接油缸與中盾連接，這種鉸接連接的方式使盾構機易于轉向。

2.2 切削刀盤

切削刀盤具有開挖功能、穩定功能、攪拌功能。刀盤按結構形式可分為面板式和輻條式，具體應用根據施工條件和土質條件等因素來選擇[2]。其中，輻條式切削刀盤是較常見、應用較多的一種刀盤。輻條式刀盤將刀具沿刀盤徑向布置在4～6根輻條上，根據布置的輻條數量又有四輻條式、六輻條式等刀盤。根據施工需求以及施工現場土質情況選擇合適的刀盤形式；對于施工土層為黏土層的情況，宜選用輻條式刀盤，對于胸板式刀盤，泥土容易粘在刀盤上，這也是輻條式刀盤應用廣泛的一個原因。

目前，刀具分兩種，一類是切削類刀具，一類是滾動類刀具。

切削類刀具是指隨著刀盤轉動而沒有自轉的破巖刀具，分為切刀、邊刮刀、先行刀和仿行刀等（見圖2、圖3、圖4、圖5）。切刀安裝在刀盤開口槽的兩側，切削未固結的土壤；邊刮刀安裝在刀盤的外側，用于清除邊緣部分的開挖渣土；先行刀一般安裝在輻條中間的刀箱中，它是先切削土體的刀具；仿形刀安裝在刀盤的邊緣上，通過一個液壓缸控制仿形刀的伸出量，控制超挖范圍。

圖2 切刀

圖3 邊刮刀

圖4 先行刀

圖5 仿形刀

滾動類刀具是指不僅隨著刀盤轉動，同時還作自轉運動的破巖刀具，分為齒形滾刀、盤形滾刀等。

2.3 螺旋輸送機

螺旋輸送機是土壓平衡盾構的重要組成部分，其主要構造由驅動裝置、圓筒狀殼體和中心螺旋軸組成，工作時螺旋軸旋轉，渣土沿螺旋軸平移輸送。通常螺旋機安裝角度在21°～23°，如圖6所示。

螺旋輸送機從盾構土壓倉內將刀盤切削下來的泥土排出盾構，泥土通過螺旋桿輸送壓縮形成密封土塞，阻止泥土中的水流出，保持泥土密封艙土壓穩定。可通過改變螺旋輸送機轉速，調節排土量，即調節土壓倉的土壓，使其與開挖面水、土壓保持平衡。可通過安裝在螺旋機殼體上的閥口注入渣土改良劑-泡沫或膨潤土，用以改善渣土的流動性及止水性。

圖6 螺旋輸送機

根據螺旋輸送機螺旋軸構造的不同，分為帶式螺旋輸送機（見圖7）和軸式螺旋輸送機（見圖8）。軸式螺旋輸送機適用于一般性土砂運輸；帶式輸送機可用于較大顆粒砂礫和塊石運輸，將渣土從螺旋機出料口傳送到運渣車中，它的排放能力要大于螺旋機的出土能力，當土質透水性好時不宜采用。

圖7 帶式螺旋輸送機

圖8 軸式螺旋輸送機

2.4 后配套系統

后配套系統通過各種管道將各系統的動力部分和執行部分連接起來。它是由管片運輸設備、測量系統、同步系統、液壓系統、控制系統、壓縮空氣系統、泡沫系統、膨潤土系統、循環水系統、強弱電控制輸配系統以及洞內通風系統組成[3]。

（1）管片拼裝機。管片拼裝系統是盾構的一個重要組成部分，用來拼裝襯砌管片，是將管片拼裝成環的機械。從使用動力來看，管片拼裝機有液壓驅動、電氣驅動、人力驅動及其的組合等方式。目前，最常用的管片拼裝機的動力形式為液壓驅動。從結構形式來看，管片拼裝機有安裝在盾構內的環式、中空式、齒輪齒條式和與盾構分離安裝等多種形式。現在最常用的管片拼裝機的結構形式為環式結構。

管片拼裝系統具有鎖緊、升降、平移、回轉、仰俯、橫搖和偏轉七種動作，各種動作進行專門的調節以使管片能精確就位，完成隧道管片的安裝工作。

（2）添加劑注入。添加劑注入裝置由泵、注入孔、控制機構和管路等組成[4]。添加劑注入形式有同步注漿、實時注漿等形式。盾構機推進過程同時注漿稱為同步注漿；盾構機推進后迅速注漿稱為實時注漿。

注漿孔的位置及數量等根據施工程的地質條件確定。一般在盾構機正前方或外周部分向土體內注入添加劑；有時在螺旋輸送機上也要布置1～2處，添加劑注漿孔提高螺旋輸送機對壓力水的密封性。添加劑的注入能夠改善土體的流動性，減小土體對刀具的摩擦以及減小對刀盤的扭矩，提高刀盤的使用壽命，降低刀具更換頻率，提高工作效率。

3 結語

盾構機作為一種大型掘進機械，種類較多，但工作原理及功能相似。在城市地鐵修建方面，解決城市交通擁堵問題，方便市民出行；在隧道修建方面，公路與鐵路通過隧道穿山而過，縮短修建長度，降低勞動強度；同時，在市政方面，為地下水電管道的鋪設提供便捷的途徑。本文對盾構機的概述為復雜地層盾構機的類型選擇和設計提供啟發，為盾構機技術的完善提供參考。