第一节 盾构机的起源与分类
一、盾构机的定义、起源与发展
盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和 研究 解决，使盾构机有了很快的发展。盾构机尤其是土压平衡式和泥水式盾构机在日本由于经济的快速发展及实际工程的需要发展很快。德国的盾构机技术也有独到之处，尤其是在地下施工过程中，保证密封的前提以及高达0.3MPa气压的情况下更换刀盘上的刀具，从而提高盾构机的一次掘进长度。德国还开发了在密封条件下，从大直径刀盘内侧常压空间内更换被磨损的刀具。目前我国盾构机的生产水平以达到国际水平。
二、盾构机的分类
盾构机根据工作原理一般分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构（局部气压、全局气压），机械式盾构（开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构）。
泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。
三、盾构的原理及其优缺点
1、盾构的原理
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
2、优点
1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；
2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低；
3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径速度，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。
3、缺点
1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险极大；
2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难；
3）建造短于750m的隧道没有经济性；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大。
第二节 盾构机的构造
一、盾构的外形和材料
1、盾构的外形
盾构的外形就是指盾构的断面形状，有圆形、双圆、三圆、矩形、马蹄形、半圆形或与隧道断面相似的特殊形状等。
2、制造盾构的材料
盾构主要用钢板（单层厚板或多层薄板）制成，钢板一般用A3钢。钢板间连接可采用焊接和铆接两种方法，大型盾构考虑到水平运输和垂直吊装的困难，可制成分体式，到现场进行就位拼装，部件的连接一般采用定位销定位，高强度螺栓联接，最后焊接成型。
二、盾构的基本构造
1、盾壳
盾构的壳体由切口环、支撑环和盾尾三部分构成，外壳采用钢板焊接成整体。
1）切口环部分
它位于盾构的最前端，用于开挖和挡土，施工时切入地层并掩护开挖作业。切口环前端设有刃口，以减少切土时对地层的扰动。切口环的长度主要取决于支撑、开挖方法以及挖土机具和操作人员的工作回旋余地。
2）支撑环部分
它是盾构的主体，内部装有千斤顶、举重臂、真圆保护器等各种设备，它紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆环结构。地层土压力、所以千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支撑环承担。
3）盾尾部分
盾尾一般由盾构外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进入盾构内。盾尾钢壳厚度从结构上考虑尽可能减薄，但它除承受土压力外，遇到纠偏及弯道施工时，还有难以估计的施工荷载，受力复杂，所以其厚度应综合考虑上述因素。
2、推进系统
盾构的推进系统由液压设备和盾构千斤顶组成。千斤顶数量由设计总推力和千斤顶类型确定，其直径宜小不宜大，故采用高压液压系统提供动力，其位置应均匀地安装在盾壳支撑环的内周，方向与隧道轴线平行。
3、正面支撑系统
开挖面支撑系统类型有千斤顶类、刀盘面板类和网格类。此外，采用气压法施工时由压缩空气提供的压力也可使开挖面保持稳定。开挖面支撑上常设有土压计，以监测开挖面土体的稳定性。
4、衬砌拼装系统
衬砌拼装系统的主要设备为衬砌拼装器（俗称举重臂）和真圆保持器。衬砌拼装器是一种专用的机械手，用于钳住管片并使其平转、升举和旋转，使管片能按预定的位置就位，并安全、迅速地拼装成环。一般设置在盾尾或支撑环内，也可安装在车架上。真圆保持器是使隧道管片保持真圆的装置，当某环管片拼装成环后。
5、液压系统
液压系统由高压油泵、油马达、油箱、液压阀及管路等组成，为千斤顶、举重臂和大刀盘等提供动力。一般油泵和油箱设在盾构后面的车架上。
6、操作系统
操作系统控制盾构掘进机的工作状态。
盾构机构造图
第三节 盾构机的拆卸及配件管理
一、盾构机的拆卸
1、第一步
1）盾构机到达隧道扩大段(为方便拆卸盾机而专门施作)后，继续沿预先安装好的盾构机接收基座前进，直到安装完最后一环管片。此时，盾构机主机已完全推到接收基座上，但盾尾密封段还未脱离开管片。为使盾尾段拆卸方便，盾构机还需向前推进1．5m以上，使盾尾完全脱离管片。继续安装管片最下面的一片，同时借助预先制作的两根钢结构件，只用推进油缸的下半部分第3、4、5组油缸推进2m，使盾尾完全脱离开管片，停止推进。
2）检查拖车间的进、排伸缩管状态，使其处于完全缩回位置。
3）切断高压电源。
4）拆除盾构机第一节(刀盘和切口环)与第二节(支撑环前段)之间的所有连接(包括管线和调向油缸)，使盾构机第一、二节完全断开。
5）分别在盾构机第一、二节上两侧沿径向对称焊接钢支座，用两根100t油缸将盾构机第一、二节分开。
6）在接收基座上安装活动油缸支座，继续将盾构第一节向前推进，使其完全进入接收井中央位置。
7）将盾构机第一节吊到地面。
2、第二步
1）拆除盾构机第二节与第三节(支撑环后段)的所有连接(包括连接螺栓和管线)，使盾构机第二、三节完全断开。
2）分别在盾构机第二、三节两侧沿径向对称焊接钢支座，用两根l00t油缸将盾构机第二、三节分开。
3）接收基座上安装活动油缸支座，继续将盾构第二节向前推进，使其完全进人接收井中央位置。
4）将盾构机第二节吊到地面。
3、第三步
1）拆除第三节与盾尾之间的所有连接(包括盾尾铰接油缸和管线)以及盾构机第三节和l#拖车之间的所有管线连接，并确认左右两根拉杆处于断开状态。
2）利用千斤顶和支架将盾构机第三节与拖车之间的连接桥分离，并牢固支撑到拖车下部。
3）分别在盾构机第三节和盾尾两侧沿径向对称焊接钢支座，用两根100t油缸将盾构机第三节和盾尾分开。
4）在接收基座上安装活动油缸支座，继续将盾构第三节向前推进，使其完全进入接收井中央位置。
5）将盾构机第三节吊到地面。
4、第四步
1）在接收基座上安装活动油缸支座，将盾尾向前推进，使其完全进人接收井中央位置。
2）将盾尾吊到地面。
5、第五步
1）拆除拖车的所有连接(包括管线和销连接)。
2）将拖车同时前移，直到拖车完全进入接收井内。
3）将拖车吊到地面。
二、盾构机的配件管理
1、配件管理的重要意义
盾构机配件管理是要把盾构机配件的养、用、管、修提高到管理的高度上，有统筹、有计划、有反馈、有 分析 和总结，建立一个良性的、闭式循环的管理系统。加强盾构机配件管理在以下几方面有着十分重要的意义：
1）有计划性的实施配件的检查和更换，能及时了解、掌握和 分析 配件的使用状况，对有效地利用配件以及对刀盘进行有效的保护有重要意义；
2）建立准确、详尽的配件台帐和完善配件维护、修理工艺，能最大限度地减少在配件方面的投入，对降低配件的使用成本有重要意义；
3）掌握并熟练运用配件检查、更换的方法，加强对刀盘的监控，能避免配件非正常原因的大面积损坏，对保证施工顺畅，降低施工风险有重要意义。
正是基于上述三方面的重要意义，我们需要总结出合理的、操作性强的配件管理方法，并把它规范化、制度化，用来指导我们的工作。
2、配件管理的主要内容
盾构机配件管理分为大小两个闭式循环管理系统。大循环指从配件选用——具体操作——比较、 分析 ——反馈——配件选用的过程；小循环指从测试——使用——检查、更换——修理——试验（测试）的过程。其中，大循环是小循环的基础，小循环是大循环的具体体现。控制好大循环，就等于把好了第一关，为小循环顺利的运行建立了良好的基础；控制好小循环，做好具体工作，又能给大循环提供更多、更好、更及时的反馈，使大循环能做及时、有效的调整，使一切按着计划来运行，避免了多余的投入，保证了成本的最小化。
3、配件管理流程
与任何一项工作一样，盾构机配件管理有特定的流程。
盾构机配件管理的每一个环节环环相扣，要将配件管好、用好，需认真做好每一个环节的具体工作。
1）测试
盾构机配件主要分为齿刀与盘型滚刀两大类，前者主要用于软弱地层及强度在20MPa以下地层的开挖，后者适用于强度较高的地层。对齿刀而言，主要侧重于检查齿刀刀体结构，齿刀刀头的牢固性（齿刀刀头与齿刀刀体相连的方式主要有三种：焊接式，螺栓连接式与嵌入式），以及刀头上硬质合金的质量，多为目测。
盘形滚刀除去目测刀圈有无裂纹，配件有无漏油现象外，还需利用专用工具与配件跑合装置来测试配件的启动扭矩和配件的气密性。若配件启动扭矩过大，在较软、粘性较大地层掘进时，地层不能提供足够的扭矩使配件转动易导致配件弦磨；若启动扭矩过小，配件轴承必然会很松动，不利于配件受力。因此检验配件启动扭矩值是否符合厂家提供的设计要求至关重要。同时，配件的气密性是检验配件密封效果的指标。气密性不好，会导致配件润滑油泄漏，最终导致配件轴承损坏。由于配件在装配时轴承密封可能存在安装不到位，或者有杂物进入，会导致配件的气密性差，在静止时不宜发觉，只有在配件运行时才能根据润滑油是否泄漏来判断。
2）配件使用
掘进时采用的掘进方法决定了配件的使用状况，合理的掘进模式与掘进参数的选择，能最大程度地延长配件的使用寿命。盾构掘进主要有两种控制方式：扭矩控制方式和推力控制方式，前者用于软弱地层，后者用于硬岩段。不同的控制方式、掘进模式与掘进参数的选取不同，做好对掘进参数的监控、 分析 与比较，摸索、总结配件使用的经验，并将结果反馈，用于指导掘进，对防止配件因非正常的原因损坏有很大的帮助。
3）配件检查、更换
工程开始之前，应加强对施工区段地质情况的了解，对地质资料中反映的施工重点和难点需特别留心，应充分估计特殊区段对配件的破坏程度，在预计配件可能遭到严重磨耗的地段之前，选择合适的位置停机，根据地质条件，辅以地层加固或压气工法等辅助施工工法检查、更换配件。
由于配件检查与更换是一项艰苦而又相当重要的工作，机具、材料、配件三大项的准备缺一不可，同时为快速、安全、保质保量的完成换刀任务，平时需做好换刀工人的技术培训，培训内容主要包括：熟练使用各种换刀的工具，并具备一定的修理能力；全面了解配件的安装过程，并有熟练的操作能力；对刀盘的配件布置有全面的了解，并具有对配件使用状态做出合理判断的能力；能判断一把待安装配件是否满足安装条件。
4）配件修理
配件修理是节约配件使用成本的直接手段。建立配件台帐，详细记录和统计配件在养、用、管、修各个环节中具体的，以及配件目前所处的状态，能够更好的掌握配件现有的状况，能更清楚地知道每一把配件在维修过程中消耗了多少配件，在使用过程中创造了多少产值（掘进了多长的距离）。通过统计和 分析 ，也能较准确地掌握在不同的地层，配件及配件配件的消耗量，为工程单价 分析 建立数字化的依据。
第四节 地铁盾构机的运输
以深圳地铁300吨盾构机吊装运输为例：
1、运输机具参数
牵引拖头为1台ＴＲ88Ｍ8ＣＫＤ90型ＮＩＣＯＬＡＳ拖头,在爬坡段增加1台ＢＥＮＺ拖头在后部顶推。单台拖头的额定拖载能力为6000ｋＮ,功率为559ｋＷ。1台12×3轴线400ｔ工况液压全挂车,规格为19370ｍｍ×5420ｍｍ×(1070±210)ｍｍ。
液压全挂车轮子轴数可以按照构件大小进行组合以减小轮压,本次共采用12×12=144个轮子,不同轴的轮子由液压系统控制转向,保证了整个挂车的灵活性。
2、有关计算
1）盾构机主体有关数据
盾构机主机参数
盾构机外径6260ｍｍ,盾尾内径6060ｍｍ,盾构机身长8170ｍｍ(包括刀具为8520ｍｍ)。
2）液压提升机构的负荷率
液压提升机构为200ｔ,4台,各穿16条钢索,实际吊装能力为4672ｔ,负荷率1.2×3004672×100%=771%(1.2为不均匀系数),安全。
3）吊装架强度校核
因吊装架是日本ＭＨＩＬＴＤ为珠海工程2×660ＭＷ机组发电机定子吊装而设计,起吊能力为4000ｋＮ,故可认为安全。
4）吊装钢丝绳计算
吊装钢丝绳选用6×37+1-Φ65ｍｍ(185ｋｇｍｍ2),30ｍ长一对,吊装时采用4点8个头进行挂绳,即将环状绳挂2台液压提升机构,钢丝绳的极限承载力为2900ｋＮ。钢丝绳的安全系数为:082×8×2900/3000=6.34,安全。
5）移动系统计算
移动总重:140ｔ(吊装架)+300ｔ(盾构机)+80ｔ(吊装附加梁)=520ｔ。
用2台30ｔ液压提升机构进行拖移,小坦克的滚动摩擦系数为0.01,牵引力为52ｋＮ,考虑起动系数2.5,牵引力最大为130ｋＮ,满足要求。
6）支柱受力计算
支柱受力最大时就是当1个吊装架的支腿走到支柱上方时,此时支柱受力为1818ｋＮ,再加80ｋＮ轨道梁重,为1898ｋＮ。吊装架所有重力分配到4根650ｍｍ×400ｍｍ×13500ｍｍ立柱上,考虑1.2的荷载不均匀系数,每根立柱受力为：
Ｆ4=1.2×牵引重量=2182.8ｋＮ
轨道梁截面尺寸为700ｍｍ×1300ｍｍ,质量为1400ｋｇ。轨道梁每隔3ｍ设一支撑点(对应剪力墙或柱承压),用斜垫铁垫实。
轨道梁下支撑点受力简单估算如下：
支撑点受力Ｆ6=Ｆ4/承压支柱数量+轨道梁自重=1497.2ｋＮ。故悬空轨道梁下支柱应按1497.2ｋＮ设计。
7）液压全挂车负荷率
全挂车的最大装载量为4000ｋＮ,盾构机运输能力3000ｋＮ,辅助运输设备重200ｋＮ,则:
η=(3000+200)/4000=0.8
8）结构验算
将以上吊装荷载输入相关结构计算程序,可以对盾构井结构进行复核。本工程盾构始发井为车站的北端头结构,计算得出吊装荷载对车站结构影响较大,为此对车站结构进行了加固。
9）地面道路验算
盾构机及吊装架运输通道,要求平坦,地压不小于120ｋＮ/ｍ2,路面纵向坡度<6%,横向坡度<3%,高空障碍物高度≥76ｍ。盾构机下井路线要求与出井相同。吊装架组装区域36ｍ×25ｍ,要求平坦,地压不小于100ｋＰａ。
3、加固措施
1）混凝土结构加固
由于整体提升架尺寸已定型,车站结构的竖向体系与提升架不吻合,必须在车站增加临时竖向支撑,经过验算本标段在整体提升架轨道梁两端加了2个直径800ｍｍ的钢管支撑。
2）盾构机主体加固
盾构机主体为外径6260ｍｍ筒体,且由铰接分为前后两段,前段集中了油马达、刀盘、支撑架等主要设备,而后段基本为空筒体,盾构机前重后轻。为了保证整体性和防止变形,在盾构机铰接部位按120°等分圆加了3个型钢支撑,在盾构机后筒体内部用型钢作了“井”字形支撑架。
4、吊装运输过程控制
整体提升运输流程
第五节 当今盾构机的重要性与应用范围
盾构机的发展依附于隧道的建设，尤其是以地铁为主流的城市轨道交通的建设。盾构机除了在轨道交通中使用外，在通水、通电等大城市中也有作为。目前，全球正处于高速发展时期，铁路、公路、水电、市政及有关管线等基础设施建设力度大，隧道及地下工程建设较以往无论在规模和数量上都有了大幅度的提高。这些隧道的相当一部分将会采用先进的盾构法施工。
在铁路建设方面，铁路隧道主要采用硬岩掘进机施工，城市地铁和市政输水管线主要采用盾构机施工，公路和水电隧道则根据地质情况选择采用硬岩掘进机或盾构机进行施工。尤其在城市地铁建设方面，由于盾构机施工能解决污染环境、地面沉降、地面交通、地下水、隧道埋深加大等难题，应用比例将不断加大。盾构机作为重要的挖掘机械，其应用范围还将继续扩大。
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