盾構(gòu)機(jī)分類與構(gòu)造概述

任 潔 高丙歡 劉國威

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)，全稱盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)。在隧道工程建設(shè)中較常用，與傳統(tǒng)施工方式相比，盾構(gòu)法具有施工安全、環(huán)保、操作方便、工程質(zhì)量高、占地資源少、勞動強(qiáng)度低等特點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)自發(fā)明至今已有180多年的歷史，第一臺盾構(gòu)機(jī)由英國發(fā)明，后經(jīng)日本、德國不斷發(fā)展壯大。伴隨著盾構(gòu)機(jī)在使用過程中遇到的各種問題，并對應(yīng)得到解決，盾構(gòu)機(jī)在發(fā)展過程中技術(shù)不斷改進(jìn)與完善，并一步步走向成熟。

我國盾構(gòu)機(jī)的研制是從20世紀(jì)60年代開始的，早在1950年，東北阜新煤礦通過手掘式盾構(gòu)修建了國內(nèi)首條盾構(gòu)機(jī)挖掘隧道。目前，盾構(gòu)機(jī)在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于鐵路、地鐵、公路等工程。盾構(gòu)機(jī)采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，涉及巖土、力學(xué)、機(jī)械、電氣、液壓、控制、測量等多門科學(xué)，集機(jī)、電、液壓、傳感器、信息等于一體，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)整體的運(yùn)行[1]。

1 盾構(gòu)機(jī)分類

傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)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(gòu)形式越來越多（見圖1），根據(jù)盾構(gòu)機(jī)斷面形式可分為圓形盾構(gòu)、復(fù)圓盾構(gòu)、非圓盾構(gòu)等多種盾構(gòu)機(jī)形式。其中，復(fù)圓盾構(gòu)和非圓盾構(gòu)統(tǒng)稱為“異形盾構(gòu)”。根據(jù)施工環(huán)境不同盾構(gòu)機(jī)主要分為軟土盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)兩種，軟土盾構(gòu)適應(yīng)于未固結(jié)成巖的軟土、某些半結(jié)成巖及風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化圍巖地質(zhì)條件；復(fù)合盾構(gòu)既能適應(yīng)于軟土又能使用于硬巖一類分地質(zhì)條件。按盾構(gòu)支護(hù)地層形式分為自然支護(hù)式、機(jī)械支護(hù)式、壓縮空氣支護(hù)式、泥漿支護(hù)式和土壓平衡式。空氣壓縮盾構(gòu)適應(yīng)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(gòu)和泥水盾構(gòu)兩種，泥水盾構(gòu)可調(diào)整泥漿物性，并將其輸送到開挖面，保持開挖面穩(wěn)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(gòu)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。

2 盾構(gòu)機(jī)構(gòu)成

盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)等多部分組成。刀盤在盾構(gòu)機(jī)起切削土層和支撐切削面的作用，是盾構(gòu)的重要組成部分；盾體是一個鋼結(jié)構(gòu)圓柱體部件，盾構(gòu)機(jī)盾體又分三部分，分別是前盾、中盾和尾盾。

圖1 盾構(gòu)機(jī)分類

2.1 盾體

應(yīng)用于隧道、地鐵等工程的盾構(gòu)機(jī)一般尺寸較大，盾體殼體直徑大小根據(jù)實(shí)際工程需求確定；盾殼的長度主要取決于地質(zhì)條件、隧道的平面形狀、開挖方式、運(yùn)轉(zhuǎn)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(gòu)靈敏度；D為盾構(gòu)外徑。

盾構(gòu)靈敏度由設(shè)計經(jīng)驗(yàn)所得，一般現(xiàn)在盾構(gòu)直徑確定后，靈敏度ξ參考值如下：

小型盾構(gòu)（D≤3.5m）：ξ=1.2～1.5

小型盾構(gòu)（3.5m＜D ≤ 9m）：ξ =0.8～1.2

小型盾構(gòu)（D＞9m）：ξ=0.7～0.8。

盾體殼體不僅對作業(yè)空間起保護(hù)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(qiáng)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(wěn)定和支撐開挖面的作用。前盾攪拌棒與刀盤攪拌棒結(jié)合對切削下的土體進(jìn)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(zhì)，充分?jǐn)嚢柽^的泥土通過螺旋機(jī)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(nèi)側(cè)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(gòu)機(jī)前行的掘進(jìn)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(gòu)機(jī)易于轉(zhuǎn)向。

2.2 切削刀盤

切削刀盤具有開挖功能、穩(wěn)定功能、攪拌功能。刀盤按結(jié)構(gòu)形式可分為面板式和輻條式，具體應(yīng)用根據(jù)施工條件和土質(zhì)條件等因素來選擇[2]。其中，輻條式切削刀盤是較常見、應(yīng)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(jù)布置的輻條數(shù)量又有四輻條式、六輻條式等刀盤。根據(jù)施工需求以及施工現(xiàn)場土質(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)動而沒有自轉(zhuǎn)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(cè)，切削未固結(jié)的土壤；邊刮刀安裝在刀盤的外側(cè)，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(zhuǎn)動，同時還作自轉(zhuǎn)運(yùn)動的破巖刀具，分為齒形滾刀、盤形滾刀等。

2.3 螺旋輸送機(jī)

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

螺旋輸送機(jī)從盾構(gòu)土壓倉內(nèi)將刀盤切削下來的泥土排出盾構(gòu)，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(wěn)定。可通過改變螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)排土量，即調(diào)節(jié)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(jī)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(jī)

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

圖7 帶式螺旋輸送機(jī)

圖8 軸式螺旋輸送機(jī)

2.4 后配套系統(tǒng)

后配套系統(tǒng)通過各種管道將各系統(tǒng)的動力部分和執(zhí)行部分連接起來。它是由管片運(yùn)輸設(shè)備、測量系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、強(qiáng)弱電控制輸配系統(tǒng)以及洞內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)組成[3]。

（1）管片拼裝機(jī)。管片拼裝系統(tǒng)是盾構(gòu)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(huán)的機(jī)械。從使用動力來看，管片拼裝機(jī)有液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動、人力驅(qū)動及其的組合等方式。目前，最常用的管片拼裝機(jī)的動力形式為液壓驅(qū)動。從結(jié)構(gòu)形式來看，管片拼裝機(jī)有安裝在盾構(gòu)內(nèi)的環(huán)式、中空式、齒輪齒條式和與盾構(gòu)分離安裝等多種形式。現(xiàn)在最常用的管片拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為環(huán)式結(jié)構(gòu)。

管片拼裝系統(tǒng)具有鎖緊、升降、平移、回轉(zhuǎn)、仰俯、橫搖和偏轉(zhuǎn)七種動作，各種動作進(jìn)行專門的調(diào)節(jié)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(jī)構(gòu)和管路等組成[4]。添加劑注入形式有同步注漿、實(shí)時注漿等形式。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程同時注漿稱為同步注漿；盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)后迅速注漿稱為實(shí)時注漿。

注漿孔的位置及數(shù)量等根據(jù)施工程的地質(zhì)條件確定。一般在盾構(gòu)機(jī)正前方或外周部分向土體內(nèi)注入添加劑；有時在螺旋輸送機(jī)上也要布置1～2處，添加劑注漿孔提高螺旋輸送機(jī)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(jié)語

盾構(gòu)機(jī)作為一種大型掘進(jìn)機(jī)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(qiáng)度；同時，在市政方面，為地下水電管道的鋪設(shè)提供便捷的途徑。本文對盾構(gòu)機(jī)的概述為復(fù)雜地層盾構(gòu)機(jī)的類型選擇和設(shè)計提供啟發(fā)，為盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的完善提供參考。