盾构发展史及构成和分类

盾构法施工的起源发展及原理1、盾构法隧道的起源及发展史1818年，法国的布鲁诺尔从观察船蛆在船的木头中钻洞，并从体内排出一种粘液加固洞穴的现象得到启示，提出盾构掘进隧道设想。布鲁诺尔注册专利的盾构

M.I.Brunel螺旋盾构，1818

1825～1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧道（11.3m×6.7m）。1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修建外径2.2m的隧道。1963年SatoKogyo（佐藤）公司土压平衡盾构

1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美国家以外第一个引进盾构法的国家。1963年，土压平衡盾构首先由日本SatoKogyo公司开发出来。1966年5月，上海隧道工程公司用盾构法建造中国第一条水底公路隧道—打浦路隧道。Ф4.35M土压盾构研制及工程应用1987年，上海市隧道工程公司承建市南站过江电缆隧道工程，成功设计了我国第一台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机。日本东京湾海底隧道1989年，日本最引人注目的泥水盾构隧道工程开工。东京湾海底隧道长10km，是世界最长公路专用海底隧道，用八台直径14.14m泥水加压式盾构施工。1996年，上海隧道工程股份有限公司施工总承包延安东路隧道南线工程。长1300m圆形主隧道采用从日本引进的直径11.22m泥水加压平衡盾构掘进机施工。延安东路隧道南线Φ11.22M泥水平衡盾构2001年11月，荷兰全球最大的TBM隧道（一个满足生态平衡的工程项目）“绿心隧道”（GroeneHart）开始掘进。法国Ø14.87m盾构进洞目前世界上最大直径Ø15.43m泥水平衡盾构，用于上海长江隧道2、中国地下工程与盾构市场分析改革开放30年来，我国高速发展，经济实力已经傲视全球，城市化的发展进程，使得地下空间的开发利用、隧道及地下工程建设无论在规模和数量上都已经取得极大成就。但是目前基础设施建设远远不能满足经济飞速发展、人民生活需要。预计在未来20年间，中国地下工程建设将有10万亿元以上规模市场。这些隧道很大部分都将采用盾构施工。正在修建中的地铁城市有近30个，还有一些正在做一些前期工作，20年后，开通地铁的城市最少将在60个以上。目前城市地铁区间隧道施工工法选取原则是能盾则盾，特别是穿越江河等特殊区间隧道。城市铁路地下隧道。公路交通地下通道：上海、北京、广州、南京、杭州、深圳、天津等。城市市政建设：电力、燃气、排水、公共通道等隧道水利工程：南水北调中线、西线工程，海水西送，城市调水，国际河流引水等。海底隧道：汕尾，台山，渤海湾、台湾海峡的隧道等。盾构技术在国内的应用现状2000年我国盾构机（含TBM）数量大约20多台；2008年约300台；目前已发展到近600台左右，由原来的集中在几个大城市，现已向全国多个主要城市分散。除地铁、公路、铁路隧道外，应用盾构机（TBM）施工的工程还有：上海、北京、新疆、甘肃、青海、辽宁大伙房、西安、云南、穿黄、四川锦屏电站等引水水利工程，重庆、北京污水工程，磁悬浮隧道，西气东输一期、二期工程。我国最大直径15米左右的盾构机有7台，上海隧道股份3台，中国铁建2台。中交集团2台。小直径的顶管机，盾构机也在各种工程广泛应用。6米以上盾构国内使用情况

序号管片规格mm盾构类型开挖直径mm应用情况1Φ6000—5400土压、泥水Φ6280地

铁2Φ6200—5500土压、泥水Φ64403Φ6700—6000土压、泥水Φ6980东莞～深圳快速地铁4土压Φ8280秦山核电站5Φ8500—7700土压Φ8830惠深莞城际6Φ8700—7900泥水Φ9030穿黄、台山核电站7Φ9000—8100土压Φ9330长株潭城际8Φ9600—8700泥水Φ9960广深港高铁9Φ10000—9000土压Φ10260北京地铁10Φ10800—9800泥水Φ11182广深港高铁11Φ11000—10000泥水Φ11380武汉长江过江隧道12Φ11200—10200泥水Φ11640南京双线地铁13Φ12800—11700泥水Φ13230广深港高铁14土压Φ14270上海外滩隧道15Φ14500—13300泥水Φ14960南京长江过江公路隧道16Φ15000—13700泥水Φ15510上海长江过江公路隧道3、盾构分类与选型原则盾构（TBM)分类按动力分类按密闭分类按平衡方式分类按挖掘方式分类按护盾方式分类手掘式

半机械式

密闭式气压平衡式

护盾式

土压平衡式刀盘式护盾式

泥水平衡式

护盾式机械式

开敞式

正、反铲开敞式

铣削式

刀盘式护盾式全断面掘进机软土掘进机盾构机敞开式人工挖掘模式盾构机机械挖掘模式盾构机密闭式土压平衡式盾构机泥水平衡式盾构机混合模式式盾构机硬岩掘进机敞开式单护盾硬岩掘进机双护盾硬岩掘进机掘进机开敞式硬岩掘进机混合模式硬岩掘进机土压平衡盾构土压平衡盾构掘进机与工法

土压平衡盾构工法示意图泥水平衡盾构泥水盾构掘进机与工法地面泥水处理装置地层情况与盾构选型的关系

不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，土压平衡式盾构较适应于粉细颗粒地层，使切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性。而泥水平衡式盾构机较适应于较粗颗粒地层及水压较高的地层，通过泥浆在砂土地层形成泥膜，以保持开挖面的稳定。两种盾构机的适应范围见地层颗粒粒径分布与盾构机选型关系图。地层渗透性、水压与盾构机选型的关系

地层渗透系数是盾构机选型另一个重要的因素。根据国外的施工经验，两种盾构机对于地层渗水性能适应范围见下图。其中渗透系数1×10－7m/s是个分界点，大于此系数宜选用泥水平衡式盾构机，小于此系数宜选用土压平衡式盾构机。粉细砂卵石层粗砂砾层中细砂砾层粉细砾层粗砂泥砂粘土地层渗水性与盾构选型-10泥水盾构土压平衡盾构透水系数(m/s)-1-10-1-10-2-10-3-10-4-10-5-10-6-10-7-10-8-10-9-10-10-10-11

地层渗透系数与盾构选型关系示意图项目土压平衡盾构泥水平衡盾构优选断面开挖面的稳定可以通过控制塑流土体的压力来保持工作面的稳定，依靠泥土的不透水性在螺旋机内形成土塞效应抵抗水土压力。可以通过控制泥水压力来迅速保持工作面的稳定，依靠泥水在开挖面形成的泥膜抵抗水土压力，更能适应高水压地层。泥水平衡盾构对地面沉降量的控制依靠保持土仓压力、控制推进速度、维持切削量与出土量相平衡，对压力波动敏感程度较差，压力传递较慢，压力控制精度不如泥水平衡盾构。依靠控制泥浆质量、压力及推进速度、保持送排泥量的动态平衡，对压力波动敏感、压力传递迅速、便于压力控制、控制精度高，对地面沉降量控制精度高。泥水平衡盾构泥水和土压盾构特点对比隧道埋深隧道埋深可相对较浅，对于埋深大的地层，可以通过控制加泥压力来施工。对于埋深大的地层，可以通过控制泥水压力来施工；对浅覆土，泥水压力控制难度相对较大，有冒浆的危险。土压平衡盾构渣土出土及推进效率在隧道内用机车牵引渣车进行运输，或用皮带机运输到井下集土坑，由门吊提升出渣，效率低；输送随着掘进距离的增加，其施工效率也降低，辅助工作多使用泥浆泵泵送流体形式出渣土，直接泵送到地面泥水处理池，效率高。掘削下来的渣土转换成泥水通过管道输送，辅助工作少。泥水平衡盾构所需地面设备、场地无需对弃土进行处理即可运送，无需大规模场地，不会对周围环境造成污染，能以最少的设备进行施工，经济性良好。需要大规模的泥水处理设备和大规模场地，对于精细土体粒子难以分离，处理弃土费用昂贵，若直接排放，则造成环境污染。土压平衡盾构对土体性能改良的影响土体改良、土体搅拌力较大，特别是大直径盾构中的土体很难搅拌均匀，不利于土体塑流性能的改良和改善。在泥水中搅拌力较小。泥水平衡盾构刀盘及刀具寿命刀盘转矩刀盘与开挖面的摩擦力大，土仓中土渣与添加材料搅拌阻力也大，故其刀具、刀盘的寿命比泥水平衡盾构要短，刀盘驱动转矩比泥水平衡盾构大。切削面及土仓中充满泥水，对刀具、刀盘起到润滑冷却作用，摩擦阻力与土压平衡盾构相比要小，泥浆搅拌阻力小，相对土压平衡盾构而言，其刀具、刀盘的寿命要长，刀盘驱动转矩小泥水平衡盾构c.异型盾构d.双圆盾构e.TBM硬岩盾构直径4.35mTBM用于阿根廷隧道工程TBM盾构圆盘滚刀破碎后的岩石块正被排出直径4.05mTBM盾构4、盾构的主要部件和组成

土压平衡盾构主要由刀盘及刀盘驱动、盾壳、螺旋输送机、皮带输送机、管片安装机、推进油缸、同步注浆系统等组成。刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。刀盘在盾构的最前端装有刀具，能旋转切削土体的钢结构组合体刀盘形式a)刀盘形式应按能适合地质情况、切实发挥其功能的原则选定。b)刀盘结构形式分为：辐条形、面板形，具体形式应根据施工条件、土质条件等决定。面板式辐条式刀具先行刀

盘形滚刀

刮刀

周边刮刀刀盘驱动装置

驱动刀盘旋转的装置。有液压驱动、变频电机驱动、定速电机驱动三种形式。该装置包括液压马达、电动机或变频电机、减速器、小齿轮、大轴承等。刀盘驱动系统

主驱动系统大轴承搅拌装置搅拌装置应在刀盘的开挖部位、取土部位能有效地使土砂进行相对运动，防止发生共转、附着、沉淀等现象。a)刀盘上的刀具、轮辐、中间梁在开挖过程中也起到搅拌的作用。b)刀盘背面的搅拌翼c)设置在土仓壁上的固定翼d)独立驱动搅拌翼e)设置在螺旋输送机芯轴上的搅拌翼管片拼装机

拼装管片的机械装置，能夹持或吸附管片作圆弧运动、径向运动和纵向运动等管片拼装机种类管片拼装机的形式有盘式和中心筒体式等形式盘式拼装机一般以挡轮、托轮定位中心筒体式一般以大轴承来定位管片拼装机管片拼装机的性能应满足：ａ）提升力应是最大提升总重量的1.5～2倍；ｂ）平移力应是克服平移阻力的2～5倍；ｃ）回转速度有低速和高速两种，在0～1.5r/min之间可调整，回转速度也可以是无级调速，可在0～3r/min间变化；ｄ）平移距离应根据管片的宽度、封顶块插入的形式、纠偏等因素综合考虑；ｅ）回转驱动装置应带有液压或其他形式的制动器；f）正负旋转角度不小于±210°管片拼装机夹持装置拼装机夹具有机械连接式、真空吸盘式螺旋输送机（土压平衡盾构）

输送土仓中土体的机械装置，包括螺旋部分、驱动和闸门等装置。驱动螺杆筒体螺旋机驱动结构图闸门装置轴承油马达测速齿轮螺旋输送机结构根据螺旋的形状，可分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机以出土部位分，可分为轴向出土和径向出土紧急关闸装置为了防止在失电情况下泥水倒灌入盾构内，应设有紧急关闸装置，可用蓄能器作为紧急关闭闸门的动力源多节螺旋机泥水输送系统（泥水平衡盾构）旁路模式：设备待命

泥水输送系统的控制模式泥水输送系统的控制模式

推进模式：盾构推进井底旁路模式：管路延伸

泥水输送系统的控制模式逆洗模式：清理管路

泥水输送系统的控制模式长时间停机模式：比如周末停机

泥水输送系统的控制模式盾构壳体

保护掘进设备和人员安全的钢结构外壳，包括切口环、支承环、盾尾（后壳体）三部分切口环的长度与平衡开挖面土体的效果和出土状态有关，一般取0.8倍～1.2倍的管片宽度支承环的长度应满足设备安装空间的需要，结构应有足够的强度和刚度来支撑切口环和盾尾盾尾的长度应根据衬砌环在盾构内的组装长度和盾尾密封的形状及其段数决定盾尾密封a)盾尾密封的设计高度主要由衬砌环与盾尾之间产生的环状空隙确定。b)盾尾密封的设计应满足下列条件：应能够承受由土压和水压产生的压力，以及注浆压力。c)为了提高止水性，需安装三段或三段以上的盾尾密封。对于安装的段数，应根据盾构的外径、地质条件、施工过程中是否须更换盾尾密封等条件决定。d)盾尾密封的形式通常有钢丝刷、钢板束等，在需要时增设紧急膨胀密封。推进系统用来推动盾构前进的液压缸提供掘进所需推力，能克服盾构推进时所遭遇的各种阻力特点：1、油缸分组推进结构，结构紧凑2、油缸直径小，管片对中心较好一区二区三区四区3、油缸分区控制，无级调速，提高施工效率4、油缸行程仪采用内制式，可靠性高5、采用机械同步装置，改善管片受力状况双联油缸推进系统推进液压缸的选型和配置推进液压缸的选型和配置应根据盾构的操作性、管片组装施工方便性等确定。根据盾构各管片分布方位和受力点布置各油缸的最佳位置。推进液压缸选型、配置时，应注意下列事项：a)推进液压缸应选用重量轻、耐久性好、结构紧凑的推进液压缸，一般选用高压油缸；b)推进系统不仅要考虑满足盾构设备在掘进中推力的需要，同时还要根据管片拼装的要求进行布置；c)推进液压缸一般情况下等间距或不等间距配置在盾构壳板内侧附近，位置的确定要兼顾管片的强度；d)推进液压缸配置时，应使推进液压缸轴线平行于盾构轴线。e)推进液压缸的推力和数量应根据盾构外径、总推力、管片结构和隧道路线等因素确定。推进液压缸行程推进液压缸的行程应根据管片宽度、封顶块插入方法加上所需富裕量来决定，行程富裕量是在盾尾内组装管片时所用的，并且对于盾构的曲线施工也应有足够的富裕量长度，一般需100～150mm的富裕量，对于封顶块，需根据管片插入方法来决定推进液压缸的行程。铰接装置铰接装置应根据隧道轴线、地质条件、盾构的灵敏度等选型。铰接装置处应装有密封装置，并通过集中润滑系统注入润滑油脂，使其保持一定的密封压力，抵御盾构外部土砂和泥水的侵入。

铰接装置的结构形式a)铰接机构设计在中盾和尾盾之间（被动式铰接）b)铰接机构设计在前盾和中盾之间（主动式铰接）被动式铰接主动式铰接主动铰接和被动铰接的比较主动铰接被动铰接转弯灵活性灵活一般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手动或自动控制随动、不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皮带输送机（土压平衡盾构选用）应以既满足盾构最大推进速度（即盾构最大出土量），同时又适合输送渣土的特性为原则，选用标准的带式输送机液压系统液压设备的选择盾构所用的液压设备压力高、流量大、使用环境极为恶劣，应选择耐久性高、效率高、低噪音的机械。在长期运转、隧道内温度高等工况条件下，液压设备应加强冷却。推进液压缸多承受偏心载荷，可靠性要求高，对整机工作影响大，在设计时应注意密封结构的强度以及活塞杆可能出现的失稳。液压元件a)动力机构，如液压泵；b)执行机构，如液压马达和液压缸；c)控制机构，如压力阀、流量阀、方向阀等；d)辅助机构，如油箱、过滤器、管路、管接头等

液压系统清洁度为了液压系统正常工作及工作可靠性和寿命，应保证液压系统包括元件、管路及油液的清洁，清洁度一般采用NAS1638标准刀盘驱动液压系统螺旋机液压系统拼装机液压系统同步注浆系统注浆液的分类

单液型

双液型注浆量的确定注浆量的确定是以盾尾空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的饱满系数，以保证达到充填密实的目的。

注浆方式的分类a)通过衬砌管片上的注浆孔注浆（壁后注浆）b)通过盾构上的注浆管注浆（同步注浆）分注浆管外置式注浆和注浆管内置式注浆两种方式

集中润滑系统集中润滑系统不仅有润滑作用，还有建立压力抵御外部泥砂入侵的作用集中润滑方法：稀油润滑、干油集中润滑集中润滑的主要设备：油脂泵、分配阀、油泵、管道、接头、

传感器等集中润滑的部位a)刀盘驱动的轴向土砂密封和径向土砂密封b)盾构铰接处的土砂密封c)螺旋输送机驱动的轴承、密封d)刀盘驱动轴承、传动齿轮e)中心回转接头冷却系统盾构中的冷却系统是用于消除一些设备和动力装置在盾构掘进中产生的大量热量，以保证盾构正常运转可选择冷却部位a)液压系统的冷却b)刀盘驱动装置中的土砂密封的冷却c)刀盘驱动马达和减速器的冷却，d)大功率的空气压缩机的冷却和变频器的冷却添加剂注入系统（土压平衡盾构）

土压平衡盾构在砂土、砂砾等砂质土层中推进时，土体塑流性明显变差，土仓内的土体因固结而被压密，进入螺旋输送机内的泥土也因大量失水压密，导致难于排出。因此，需向土仓和螺旋输送机内注入水、膨润土泥浆或泡沫等添加材料，通过搅拌改性土体，达到渣土塑流性、止水性和易被排出的目的。添加剂注入：由设在后方台车的搅拌系统、螺杆泵、泡沫发生器、管路、控制系统及盾构主机上切削刀盘、密封土仓、螺旋输送机等上的外加剂注入口构成在土压平衡盾构推进施工过程中，加泥加水和加泡沫需根据土体情况及时调整使用，所以，添加剂注入装置的控制系统应要有切换装置，使盾构操作者能根据实际状况来选择加泥加水或是加泡沫，注入管路可使用各自的专用管路，也可采用共管的形式。管片吊运机构管片吊运机构是将管片从管片运输小车上吊运至管片拼装机下的设备

按起吊梁的形式来划分可分为:单梁式、双梁式按行走小车的行走方式来划分可分为:齿轮齿条式、链轮链条式和摩擦滚轮式管片吊运机构的性能参数：起吊力、适应坡度、升降速度、最小起吊高度、行走小车行走速度、行走小车最大行走距离电动葫芦的种类：钢丝绳式电动葫芦、环链式电动葫芦和板链式电动葫芦，在盾构的起吊机构中一般采用环链式电动葫芦后方台车后方台车能够具备放置装备盾构掘进用的机械设备、液压泵站、供配电系统、操控系统、辅助系统等设备以及放置施工材料和机用材料以及进行各种作业的场所的功能根据行走方式可以分为：专用导轨台车、无轨轮式台车和滑履式台车专用导轨台车无轨轮式台车滑履式台车5、盾构的主要结构术语盾构外径盾构的外径即指盾壳的最大外径（或刀盘切削的最大直径）盾构总长盾构总长是指盾构最前点至后方台车最后点长度的最大值盾构主机长度盾构主机长度是指盾构的最前点到螺旋输送机最末点的长度盾构主机重量盾构主机重量是指盾构主机部分的总重量，不包括后方台车及配套设备的重量盾构总重盾构总重指盾构总长范围内所有设备及结构件的总重量开口率刀盘开口率是面板开口部分的面积（刀头投影面积忽略不计）与刀盘面积的比值盾构推进速度盾构推进速度是指盾构工作时的掘进速度盾构装备推力盾构的装备推力盾构推进机构所能提供的最大推力盾构灵敏度盾构灵敏度即盾构壳体长度与盾构外径的比值盾尾间隙盾尾间隙是指衬砌环外径与盾构壳体内径之间的间隙公司首台“铁盾一号”盾构机A.施工地质条件隧道通过主要土质：⑴中粗砂⑵细沙⑶粉细沙⑷富水B.隧道初砌1、型式：错缝拼装，纵向1/3插入（封顶块）2、外径：Φ6000mm3、内径：Φ5400mm4、宽度：1200mm5、分块：6块，拱底块84°

封顶块16°，其余65°

单块最大重量：约4T.铁盾一号主要技术参数表序号名称参数单位1盾构外径（D）6180mm2盾构主机长（L）8785mm3灵敏度（L/D）1.434盾尾间隙30mm5盾尾密封刷数量3道6盾构总推力（F）38500kN7额定推进速度（V）80mm/min8管片拼装机提升力（F）150kN推力210kN转速（V）0.3

1.5r/min回转角度

210度盾构机技术参数介绍9螺旋输送机形式轴式、内径800mm驱动方式液压马达驱动转速1～21r/min输送量300m3/h额定驱动扭矩77.5kN·m10刀盘系统支持方式中间支持方式驱动方式变频电机驱动额定驱动功率750Kw装备扭矩高扭矩模式7402kN·m0～0.98rpm高转速模式5483kN·m0.98～1.51rpm11作用面单位面积推力1296kN/㎡12仿形刀最大超挖行程100mm中国首台出口盾构总体Ø14.87m泥水平衡盾构●盾构直径14.87m，长11.65m，总长120m；●盾构主机重量：19000kN，后配套装置：14200kN，总重量：33200kN；●推进油缸：19组双联油缸，总推力：184300kN，推进速度0～40mm/min；●刀盘额定扭矩：36000kNm，最大扭矩：43200kNm，刀盘转速0～1.4转/分，功率3500kW（250kW×14台）●拼装机转速0～1.5转/分，旋转角度±220º，六自由度，真空吸盘式；●泥水输送系统：♦送泥回路管径：20”（500mm），掘进流量：2020m3/h,♦排泥回路管径：20”（500mm），最大流量：2450m3/h,●气平衡装置容量：210m3，最大进气流量（1bar）：14805m3/h，最大排气流量（1bar）：12322m3/h。主要参数盾构的吊运、安装定位销准确定位，结合面紧密贴合变频电机驱动的刀盘驱动装置刀盘的回转是由14台250kW变频电机驱动变速范围：0～1.4rpm最大额定扭矩：36000kN.m（0.7rpm）最大扭矩：43200kN.m，驱动总功率：3500KW，主轴承寿命：10000小时；14台变频器变频范围：5-96Hz，变频系统的配置为主/从结构。只有1#和8#变频器可以作为主变频器，2#～7#、9#～14#变频器只能作为从变频器，在一般情况下，1#变频器作为主变频器，其他均为从变频器，在1#变频器发生故障时，8#变频器自动转化成主变频器。真空吸盘式六自由度管片拼装机管片运输机泥水气平衡装置及控制泥水输送系统Slurrytreatment

plantP