盾构施工概论及盾构选型

盾构施工概论盾构的历史沿革盾构的诞生第一台盾构的诞生。法国工程师布鲁诺尔在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再利用分泌物涂在孔的四周得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。后来，布鲁诺尔完善了构思，1806年注册了专利，布鲁诺尔构想的盾构机内部结构由不同的单元格组成，每个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用，此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机械系统，设计成用全段面螺旋式开挖的封闭式盾壳，衬砌紧随其后的方式。布鲁诺尔在伦敦泰晤士河下的隧道工程中首次使用了这种盾构，这是一台矩形盾构，就这样第一台盾构诞生了。几个历史阶段1869年,格瑞海德第一次发明了圆形盾构。格瑞海德用圆形盾构再次在泰晤士河下修建了隧道，隧道衬砌第一次采用了铸铁的衬砌管片。格瑞海德的圆形盾构成为后来大多数盾构的模型。1886年,格瑞海德在伦敦地下施工中第一次将压缩空气方法与盾构施工掘进组合使用。1896年,普莱斯第一次将格瑞海德盾构与旋转刀盘组合在一起，切削轮由四个辐条臂组成，在臂装有切削和刮削的工具，切削轮上设有铲斗，将土料提升并倒入斜槽入料斗并运走。1963年日本SATOKOGYO公司发明第一台土压平衡盾构。1896年,德国发明了早期的泥水盾构,1964年英国的三位工程师发明了现代的泥水盾构。1907年,德国汉堡的易北河第一隧道修建。1917年,日本引进盾构法用于日本地铁。1962年,中国上海开始盾构试验,网格式盾构。1985年,德国的WAYSSFREYTAG和HERRENKNECHT发明了混合盾构。全球的发展水平盾构法得到广泛应用到20世纪初，盾构施工法在英、美、德、俄、法、日等国开始推广。1917年日本开始在铁羽越线的折返段隧道施工中引进盾构法，1938年正式在国铁关门隧道应用盾构法施工，为日本盾构技术的发展奠定了基础。1967年由英国提出的泥水加压系统在日本得到了实施，日本研制成功第一台有切削刀盘、水力出土的泥水加压式盾构（直径为3.1m）。1974年日本独创性地研制成功土压平衡盾构，同时德国Wayss&Freytag也研制成功颇具特点的膨润土悬浮液支撑开挖面的泥水平衡盾构。之后，盾构技术得到了迅猛发展，已成功应用于各种公路隧道、地铁隧道、引水隧道以及市政公用设施隧道等。盾构技术突飞猛进纵观盾构隧道掘进180多年的发展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是在围绕着：①地层稳定和地面沉降控制；②机械化、自动化掘进和掘进速度；③衬砌和隧道质量，这三个要素进行盾构掘进机的改进和施工方法的革命。传统的盾构法是把这三个要素分别独立考虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、冻结法及气压法等。在盾构掘进机本身结构上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构。然而，任何地层稳定处理方法即使能抑制对地层的影响，也很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑安全的地面沉降问题，所以，很自然地发展到下一代盾构——闭胸式盾构。现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的这三个要素，用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题。用压缩空气平衡土压力的方法，由于容易发生漏气、喷发、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等对环境的不良影响，尤其在遇到粘聚力小、透气性的地层这种方法无法胜任。自然，人们想到用液体代替空气来支撑工作面，最初在德国和英国进行了有关的试验，1967年日本完成了这一系统，即产生了现代概念上的泥水平衡盾构。泥水平衡盾构是靠送入工作面与密闭胸板间所形成空腔的加压泥水平衡土压、保持工作面稳定，并用泥水输送刀盘切削下来的弃土，这个方法的问世使工作面稳定状况大大改善，盾构法的适用范围被大大拓宽，盾构掘进机得到了前所未有的发展。然而，由于泥水平衡盾构需要大规模的泥水分离处理系统，占地面积大，对环境影响大，施工成本高，对城市内施工的隧道这个系统并不理想。继而在1974年日本首先研制成功土压平衡盾构，这一系统是将刀盘切削下来的弃土送入前端密闭仓内，搅拌或注入添加剂搅拌成塑流化的弃土并与螺旋型输送机等机构相结合，边使工作面保持适当稳定的压力，边通过螺旋输送机向外排土。这一系统由于排土处理简单，可靠性较高，得到了广泛的应用。现代盾构掘进机虽然在部件结构、驱动方式、自动控制、测控导向等方面做了很大的改进，但是这些工作面压力平衡的原理和方法一直沿用至今。当今盾构基本都是基于泥水平衡和土压平衡这两种模式，或是这两种模式的组合，或是这两种模式与开胸式组合，形成复合型盾构以适应地层条件多变的隧道施工的要求。全球从事盾构生产设计的制造商也越来越多据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。中国的现状中国应用现代盾构近30年，目前在用近200台；全世界最大直径的盾构、双圆、矩型盾构、各种复合式盾构的应用；多家研发机构、制造商纷纷投入，研发自主知识产权的盾构；使用盾构的承包商达60家之多，施工水平不断提高；盾构的从业人员达到几十万人。盾构设备生产厂商的情况HerrenknechtKOMATSUWIRTHHITACHINFMIHIRobinsLovatKAWASAKIRASAMITSUBISHI德国海瑞克（HerrenknechtAG）1977年，马丁·海瑞克先生创办了海瑞克公司；1980年，在靠近法国和瑞士边境的德国南部施瓦诺（Schwanau）设立了办公室和生产车间。公司总部距离斯图加特机场、斯特拉斯堡机场（法国）以及巴塞尔机场（瑞士）都很近。今天，公司员工分布于世界各地，已超过1,400人。其中，公司总部有1,000人。公司的生产和组装面积已增长到59,900m²，拥有现代化的生产厂房和办公设施。作为隧道设备生产商，海瑞克公司的设备尺寸完全，能适应各种地质状况。因此，从设备覆盖范围方面来说，海瑞克公司是独一无二的：拥有直径从4,000mm到15,440mm用于公路、铁路、地铁及输水隧道施工的大直径机器到外径仅100mm的全自动微型隧道掘进机、房屋管件连接设备和水平定向钻设备，机器适用于从软质、含水非粘性地层到抗压强达到300MPa的硬岩的各种地质条件。尤其是在大直径隧道掘进机技术方面，海瑞克公司在长距离隧道和高工作压力施工上获得了丰富的经验。在25年的隧道施工行业中，海瑞克公司一直是一些重大隧道工程的TBM供应商。在荷兰西西尔德、瑞典哈兰德拉斯、马德里、巴塞罗那、易北河等隧道工程中大显身手。在中国参与并完成了香港、北京、天津、广州、深圳、南京、重庆等城市的地下隧道及越江隧道工程。至今，海瑞克公司已向世界范围内的客户提供了超过1,200台的隧道掘进设备。德国维尔特Wirth法NFM集团德国维尔特公司1895年建立，自1916年以来生产钻机和泵，1965年以来生产全断面隧道掘进机(TBMs)。大约90%的产品出口，产品行销超过60个国家和地区。NFM技术公司是一家法国的实业公司，于2001年11月1日加入德国维尔特公司，专门开发和制造工业设备和特殊用途设备（比如，全断面隧道掘进机），处理和举升设备等高性能设备。美国罗宾斯公司（ROBBINS）美国罗宾斯公司是一家从事地下挖掘设备的设计,制造,销售和租赁等业务的公司，专门生产各种挖掘材料,包括提供与传统的“钻孔爆破”方法完全不同的在坚硬的岩层进行机械作业的方法。现今，岩石掘进机械提供了一种比钻孔爆破法更值得的高效隧道挖掘方法。钻孔爆破法需要按此分开程序操作:先钻出小孔,然后装入炸药,爆破,通风,最后装岩出碴。反复如此进行作业。而岩石机械挖掘法是一个连续地从隧道表面“切开”岩石体的过程，然后通过传送带机或坑道车直接把碴从隧道内运出来。罗宾斯公司的主要产品是全断面隧道掘进机(TBMs)。TBMs被应用于开挖经过各种各样地质状况的圆剖面隧道,从一般土壤到坚硬岩石层。罗宾斯已经生产出了隧道挖掘直径从1.6到12.87米的全断面隧道掘进机(TBMs)，机器重量从50公吨到1500公吨以上,总装机功率从300千瓦到3000千瓦以上。罗宾斯公司也设计和销售范围很广的其他能使TBM得到高效率的运用的设备和服务。使用左边的菜单可以发现关于我们的小型掘进设备(SBUs),隧道出碴系统,支持系统,切削刀,零部件，人员和全部的隧道开挖技术。罗宾斯公司已经设计制造了超过250台全断面隧道掘进机(TBMs)。在本年底将有超过50台罗宾斯TBMs机器投入使用。这足以证明罗宾斯的设备质量非常可靠。日本川崎重工（KawasakiHeavyIndustries,Ltd.）川崎重工创立于1896年10月15日，是从修船、造船发展起来的日本著名公司，在现代航海技术中处于领先的地位，此外还生产飞机和航空设备，机场登机系统、行李系统，铁路车辆，大型桥梁结构，供电、供热、天然气输送设备，环境工程设施等，同时也是机器人生产的先锋厂家。在地下施工机械方面，已生产出1200多台软岩和硬岩挖掘机，如东京市神田川地下调蓄工程用的直径为13.94m的盾构机，东京湾海底隧道14.14m直径的盾构机，英法海峡隧道开挖用的盾构机，以及上海地铁隧道用的盾构机等。日本三菱重工（MitsubishiHeavyIndustries,Ltd.）日本三菱是一家具有100多年历史的企业集团，目前的经营范围除保持传统的造船业、汽车制造业和化工业外，还涉及金融领域，近些年来并涉足核能源、宇宙航天、生态环境和深海开发等尖端技术领域；其属下的直系企业有29家，三菱重工是其中的一家，为世界各地提供软、硬土盾构掘进设备的建设机械部是三菱重工旗下神户造船所的一个分支。从1939年制造日本第一台手掘盾构机起，至2003年神户造船所就一共制造了1608台盾构机，其中包括土压平衡、泥水平衡、双圆、三圆、MMST等各种类型，数量和种类可谓世界第一，技术居国际之首。如开挖英法海峡交通隧道用的盾构机，其中就有两台是该公司制造的。曾向法国里昂地区提供直径为11m的土压平衡式盾构机，为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机，为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。在这1608台盾构中，日本三菱创造了多个第一。除第一台日本手掘盾构外，1970年三菱制造了日本最早的泥水盾构，直径7290mm；1986年制造了马蹄形机械挖掘盾构；1989年为英法海峡隧道提供了2台土压盾构；1991年制造了马蹄形的ECL盾构；1992年为法国里昂高速公路制造了直径为10.96m的土压盾构；1993年制造了迄今最大的双圆盾构；1994年为日本东京湾隧道制造了3台当时最大的泥水盾构；1995年制造了三圆盾构；1996年，为满足共同沟施工需要，制造了7950mm×5420mm的矩形盾构；同年又完成了球形刀盘盾构。1997年三菱为川崎高速提供了MMST盾构；同年三菱又将泥土加压盾构的直径刷新为11.52m；1999年三菱生产了第一台子母盾构；2001年在大阪共同沟工程项目中，三菱制造了最大的MSD盾构，直径为8.07m，解决了盾构对接技术。日本小松制作所（KomatsuLtd.）成立于1921年的日本小松制作所（株式会社）是跨行业领域的跨国集团公司，至今已有80年的历史。集团公司是由包括小松公司在内的142家公司(控、持股对象)组成。公司主要产品除了始终处于世界领先地位的建筑工程机械、产业机械以外，同时还涉足电子工程、环境保护、工程事业、土木工程、运输、流通机械、金属材料制造和销售，软件以及金融、服务业等高科技领域。其隧道工程机械包括盾构机、岩石掘进机和顶管机。加拿大罗浮特公司（LOVAT）加拿大罗法特公司成立于1972年，在传统的盾构机设计上处于世界领先地位。产品广泛应用服务于地铁、铁路、公路、暗渠、市政、电信等隧道建设，擅长于风化岩石、混合土质、软土、土压平衡式和泥水式盾构机的制造，开挖盾构直径从0.75米到17米。LOVAT盾构机具有高精技术和更可靠的施工安全性及质量特点。除此之外，LOVAT是唯一能提供从盾构机的全面设计、制造、检测和试验的公司。盾构的分类手掘系统盾构手掘式盾构（敞开式盾构或叫普通盾构）手掘盾构是最原始的一类盾构，其构造简单，配备较少，造价低，目前在地质条件较好的工程中仍广泛使用。盾构顶部有活动前檐以支护上部土体。挖土由人工从上往下进行，每隔2～3m设一作业平台，可适应各种复杂地层，开挖面可根据地质条件全部敞开，也可采用正面支撑，随开挖随支撑。施工人员可观察到地层变化情况，遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理，容易进行盾构纠偏，也便于在曲线段施工。挤压式盾构（普通闭式盾构或挤压式盾构）挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种，前者将手掘式盾构的开挖工作面用胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，没有水土涌入及土体坍塌的危险，并省去了出土工序。后者在封闭胸板上局部开孔，土体从孔中挤入盾构，装车外运，省去了人工开挖，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍提高。挤压式盾构仅适用于软弱可塑的粘性土层。网格式盾构网格式盾构在开挖面装有钢制的开口格栅，当盾构向前推进时，土被网格切成条状，进入盾构后运走，当盾构停止推进时，网格起到挡土的作用，有效地防止开挖面坍塌。这种盾构对土体的挤压作用比挤压式小，因而引起的地表变形也小些。网格式盾构只适用于软弱可塑的粘性土层，当地层含水时，尚需要辅以降水、气压等措施。半机械式盾构在手掘式盾构正面装上挖土机械和出土装置，即成为半机械式盾构。挖土装置有铲斗式、切削式和混合式三种形式。铲土式适用于粘土和砂砾混合层，切削式适用于硬粘土和硬砂土层，混合式适用于自立性较好的土层。如遇土质坚硬可安装软岩掘进机的切削头子。其适用范围基本上与手掘式盾构一样。机械系统盾构机械式盾构（机械式闭式盾构）在手掘式盾构的切口环部分，安装与盾构直径大小相同的旋转大刀盘，对土体进行全断面开挖的盾构，称为机械式盾构。它适用于各类土层，尤其适用于极易坍塌的砂性土层中的长隧道，可连续掘进挖土。由刀盘切削产生的土经过刀盘上的预留槽口进入土舱，提升和流入漏斗后，再通过传送带运人出土车。这类盾构有作业环境好、省力、省时、省工、效率高、后续设备多、发生偏差时难纠偏、造价高等特点。泥水加压盾构泥水加压盾构就是在机械式盾构大刀盘后面设置一道隔板，隔板与刀盘之间作为泥水室，在开挖面和泥水室中充满加压的泥水，通过加压作用，保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土体进入泥水室，由搅拌装置进行搅拌，搅拌后的高浓度泥水用流体输送系统送出地面，把送出的浓泥水进行水土分离，然后把分离后的泥水再送入泥水室，不断循环使用，其全部工程均由中央控制台综合管理，可实现施工自动化。其适用于以砂性土为主的洪积地层，也较适用于以粘性土为主的冲击地层，但泥水处理费用较高。土压平衡盾构土压平衡盾构前端有一个全断面切削刀盘，盾构的中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出土口在密封舱外。所谓土压平衡，就是用刀盘切削下来的土，如同压缩空气或泥水一样充满整个密封舱，并保持一定压力来平衡开挖面的土压力。其适用于变形较大的淤泥、软弱粘土、粘土、粉质粘土、粉砂、粉细砂等土层。盾构的选型选型的重要性盾构与项目的唯一性关系盾构机的选型必须做到针对不同的工程，不同的地质特点进行“量体裁衣”式设计和选型，才能使盾构机更好的适应工程施工要求。根据盾构施工法的特点，盾构机选型主要取决于盾构经过的地层的地质情况，同时，所选盾构机必须具有与工期相适应的掘进速度，而且能够满足隧道施工的要求。对盾构机有如下要求：盾构机必须具备较强的稳定开挖面、防止开挖面坍塌的能力。要具有能够适应不同地层的刀盘。在地质复杂区段中，有必要的手段能够对前方地层进行超前探测，以便及时采取相应的施工技术措施。能够防止突发地下水和开挖面坍塌的袭击，应设置紧急关闭土仓的装置。盾构机有良好的密封性能。导向系统精度高，导向准确。为能及时更换刀具，人员必须进入土仓，应提供可靠的安全装置保护人员安全。正确的盾构选型是工程成败的决定性因素历史上许多选型失败的惨痛教训选型原则盾构类型与地层的关系

盾构选型应从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑，所选择的机型要能尽量减少辅助施工法并确保施工安全可靠。不同类型的盾构适应的地质范围不同，盾构选型的主要依据是土质条件、岩性，要确保所选择的盾构能适应地质条件，保持开挖面稳定。土压平衡盾构是依靠推进油缸的推力给土仓内的开挖土碴加压，使土压作用于开挖面使其稳定，主要适用于粉土、粉质粘土、淤泥质粉土和粉砂层等粘稠土壤的施工。泥水盾构利用循环悬浮液的体积对泥浆压力进行调节和控制，采用膨润土悬浮液（俗称泥浆）作为支护材料。开挖面的稳定是将泥浆送入泥水平衡仓内，在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的土砂以泥浆形式输送到地面，通过泥水处理设备进行分离，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。

盾构类型与水压及渗透性的关系地层渗透系数是盾构选型的重要因素。根据欧美和日本的施工经验，当地层的渗透系数小于10-7m/s时可以选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数在10-7m/s和10-4m/s之间时既可选用土压平衡盾构也可选用泥水盾构；当地层的渗透系数大于10选型的依据水文地质条件:岩性的抗压、抗拉、粒径、成层、开挖面稳定性、地下水位、水压、水量、有无障碍物。设计:断面尺寸、设计线型、坡度、衬砌类型。环境条件:始发、到达条件、沿线的地面建筑物、地下管线条件、水电条件。工期条件:掘进速度、效率的要求。造价。选型的内容盾构的类型:土压、泥水、泥水土压复合、土压敞开式复合。刀盘：开挖直径、结构（整体、分块）、开口率、刀具（齿刀、单刃、双刃）、布置（刀间距、高度、高差）、超挖刀、泡沫孔布置、搅拌布置等。盾构密封的强度：主轴承、铰接、螺旋输送机、盾尾密封、人仓、泡沫、油脂。最小转弯半径：前体、中体、盾尾的分块、铰接油缸的行程、皮带机、拖车。驱动形式：电驱、液驱。辅助系统的配置：管片安装、运输、注浆、泡沫、油脂、通风、螺旋机、皮带机、聚合物、水、冷却、排污等。后配套的选择：用电等级、拖车的轨面高度、宽度、长度、单件尺寸、重量。其他：管片宽度、导向精度等级、数据采集容量、保护、电器系统版本等。复合土压盾构的简介复合土压盾构在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、整圆器、管片小车、皮带输送机机和后配套拖车等；在功能上包括开挖（主驱动）系统、推进系统、出碴系统、管片拼装系统、液压系统、电气控制系统、供水供电系统、冷却系统及附属功能装置（激光导向、姿态控制装置、壁后注浆装置、后方台车、集中润滑装置、超前钻机及预注浆装置、铰接装置、通风装置、碴土改良装置、保压泵碴装置、碴土称量装置）及其他一些重要装置如盾壳、人闸等组成。盾构机实现掘进的主要运动包括刀盘的旋转和推进千斤顶的推进，盾构通过刀盘的旋转实现对开挖面上岩土的切割破碎，借助推进千斤顶的推力实现盾构机不断向前推进，同时提供破岩的正面压力和维持开挖面稳定。刀盘掘削下来的碴土通过刀盘的开口槽进入土舱，由前端伸入土舱下部的螺旋输送机将碴土输送到皮带输送机上，皮带输送机把碴土输送到碴土运输车，再由碴土运输车、吊车将碴土运出隧道。推进千斤顶推压拼装好的管片衬砌环，受管片衬砌环的反向推力，为盾构机的前进提供推进力。配套的盾尾同步注浆装置，在盾构机向前推进的同时，向管片衬砌环脱出盾构机盾尾后形成的空隙即管片与隧道洞壁之间的环状间隙加注配制好的水泥砂浆，以达到固定管片和稳定围岩地层防止地面沉降的目的。原理土压平衡模式就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡掌子面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水而引起地表下沉的一种掘进模式，在盾构开挖时碴仓内的压力和掌子面上的压力相平衡，其中开挖时碴仓内的压力包括碴仓内碴土的压力和注入材料的压力，这种掘进模式即为土压平衡模式，掌子面上的压力等于土柱压力和水柱压力的总和。系统组成开挖系统开挖功能主要由开挖系统来完成，开挖系统主要由刀盘、切口环（前盾）、密封隔板、搅拌装置、驱动装置组成。刀盘靠液压马达驱动，通过工作在闭式回路的功率控制变量液压泵（945KW）,可实现双向无级调速。刀盘装在盾构机的最前面，直接与开挖面接触，上面装有刮刀、单双刃滚刀（部分可更换为齿刀），用来对各种土体和岩层进行掘进开挖；设置超挖刀一把，专门用于盾构曲线施工和盾构姿态的修正。在刀盘面板及周围最易磨损处，覆以耐磨钢板或交叉堆焊硬质合金，以增加刀盘的耐磨性；刀盘中心装有回转接头和管路，以便连接超挖刀液压管路和泥浆管路。在液压马达驱动下，通过减速器、大小齿轮、主驱动轴承、中间式支撑传递动力给刀盘，用以切削土体。刀盘采用面板式结构，切削下来的泥土碎石由开口槽进入泥土舱，在泥土舱内由装在刀盘后壁和密封隔板上的搅拌棒对其进行强制搅拌，使其塑流性和不透水性达到最佳状态，经伸在泥土舱底部的螺旋输送机输送出去。泥土舱内设有土压传感器和泥浆、泡沫及水的注入口，当切削下来的碴土塑流性和不透水性差不适于碴土的排放时，排土量小于开挖进土量，开挖量与排土量的动态平衡被打破，无法保证碴土舱内的压力与开挖面土压和水压的平衡，土舱压力升高影响开挖面稳定，应及时注入碴土改良添加剂，经搅拌混合提高碴土塑流性和不透水性，使碴土能顺利的排出，利于压力平衡调节，确保刀盘开挖的顺利进行。出碴系统排土功能主要由螺旋输送机、皮带输送机及运碴车辆来完成。螺旋输送机的作用是出碴和调节土舱压力。螺旋输送机螺旋轴从土舱下部伸入土舱取土，通过出土闸门卸在皮带输送机上。土压平衡模式掘进时，可以通过调节出土闸门的开度和螺旋机的转速来实现对土舱内压力的调节。螺旋轴采用驱动端固定，取土端浮动的支承形式。取土端的外壳底部焊接有耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊有耐磨合金块，叶片受碴土摩擦的一面堆焊有硬质合金条纹，使螺旋输送机具有较好的耐磨性能。螺旋输送机后部的出土闸门由液压缸控制，可以通过它控制螺旋输送机的排土量，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土舱压力的作用。螺旋输送机（及保压泵）排出的泥土，由皮带输送机（或泵管）运送到后配套台车的尾部装车，通过运碴车、工作井提升设备将土碴运到地面。管片安装系统管片拼装系统由管片拼装机、管片输送机构、整圆器组成。在完成一次掘进循环后，一部分推进油缸回缩，为下一环第一片安装管片留出足够的安装空间。其余推进油缸和上一环拼装好的管片仍保持接触支撑，继续对盾构提供支撑力，以防止盾构机由于失去支撑力后受前方土压作用而后退造成掌子面支撑力减弱而坍塌。图1管片安装机结构示意图管片吊机从管片车上运输管片至管片输送机上，通过输送机构将管片输送到管片拼装机下。管片拼装机通过夹紧机构将管片夹起，完成管片的粗定位和微调整定位，盾构推进千斤顶图1管片安装机结构示意图管片拼装机为环形结构，由盾构支承加强圈上的二根横梁支承，拼装机可在横梁上移动；拼装机的平移、伸缩由液压油缸操纵控制，如图1结构示意图。拼装机有6个自由度，确保管片的旋转、升降、移动、俯仰、側倾和摇摆的各基本动作而进行最终的定位。当管片从盾尾脱出后，由于受到管片自重和土压的作用会产生变形，给环间管片的纵向螺栓安装带来困难，此时整圆器（真圆保持器）工作，支撑环与管片内圆保持接触，整圆器可使管片在脱出盾尾后临时保持真圆，不发生变形。整圆器可以前后移动和径向顶压。管片拼装机具有自动锁定功能，即当液压系统失压时，液压马达上的制动器可以实现自动锁定。管片拼装机不受推力油缸靠近和加压产生的运动及外力的影响。整个管片拼装机的工作可采用手控和遥控进行。管片输送机构每次可存放三片管片。动力与控制系统油压控制系统油压控制系统根据施工要求合理配置，主要用于刀盘驱动和推进系统、螺旋输送机、管片拼装机及铰接装置等，集中供油装置设在拖车上。供油装置设有过滤系统，其过滤精度达6微米。海瑞克公司基本使用不易自燃的液压油，并使用4层钢丝编制的高压胶管，可以有效防止因高压系统泄漏发生火灾的危险。电气控制系统功能描述电气控制系统由高压电缆卷筒、高压电缆及快速接头、变压器、配电盘等组成。配置在便于操作、检查、维护的位置，均具有防水、防滴、防潮、防尘和防振的特点，具有接地保护、安全警报、自动互锁、漏电保护、过电流、短路保护等功能，可实现高压电缆的快速收放，保证供电的安全。控制系统（报警装置）盾构控制系统由PLC和1台监控计算机组成主机系统，配有专门的数据获取处理软件，远程监控终端分布在盾构内及后方台车上，每台远程终端配置小型PLC，主机和远程终端的通信采用总线方式。盾构工作分盾构掘进、管片拼装和停机三个阶段，盾构掘进时，可采用自动控制模式和手动控制模式，即根据推进速度及土仓压力自动或手动改变螺旋输送机转速以改变排土量来维持土压平衡的控制模式。盾构配置必需的传感器，主要有土压传感器、土舱碴土的表观密度监测装置、油压仪、行程仪、螺旋输送机测速仪（弃土自动秤量）、闭路电视系统等，还配有压力、温度继电器。监控计算机是监控掘进施工操作、管理、监视为目的的设备，主要功能有数据显示、数据保存、数据处理、数据设定、报警等。所有的主要设备均设有预先报警、安全互锁系统及远程控制功能，保证安全无故障操作。当土舱压力低于稳定掌子面设定压力时，土压传感器信号经主控计算机处理给出报警信号，对推进压力进行调整。螺旋输送机排土时通过安装其上的两个土压传感器给出的信号，经主控计算机处理，当排碴土超过上限时给出报警信号，及时处理。螺旋输送机排碴口安装闭路电视系统，可方便地在控制室直观观察出土的表面性状，对异常情况进行及时处理。当泥土仓碴土表面密度低于下限时，检测装置的信号经计算机处理，及时给出报警信号，作出必要调整，满足正常掘进施工要求。计算机屏幕为直观菜单显示，有多幅画面供盾构司机选择，并有打印功能。控制室设在后方台车上，带空调设施。后配套系统盾构的拖车用以安放液压泵站、注浆泵、砂浆罐及电气设备等。拖车行走在钢轨上，拖车之间用拉杆相连。每节拖车上的安装设备如下表。皮带机从五节拖车的上面通过，在5号拖车的位置出卸碴。绝大部分的液压管、水管、泡沫管及油脂管从拖车内通过到过盾构主机。如下表1所示：表1拖车安装设备拖车号主要安装设备1控制室、注浆泵、砂浆罐、小配电柜、泡沫发生装置2主驱动系统泵站、膨润土罐及膨润土泵3主配电柜、泡沫箱及泡沫泵、油脂站4两台空压机、风包、主变压器、电缆卷筒5内然空压机、水管卷筒、通风机在拖车的一侧铺设有人员通过的通道。拖车和主机之间通过一个连接桥连接，拖车在主机的拖动下前进。辅助系统注浆系统壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成，安装在后配套台车上。当盾构掘进时，注浆泵将储浆槽中的浆液泵出，通过四条独立的输浆管道，通到盾尾壳体内的4根同步注浆管（备用4根同步注浆管），对管片外表面的环行空隙进行同步注浆，其作用首先是防止地层变形，其次是提高隧道整体防水性能，确保管片衬砌的早期稳定性。在每条输浆管道上都有一个压力传感器，在每个注浆点都有监控设备监视每环的注浆量和注浆压力；而且每条注浆管道上设有两个调整阀，当压力达到最大时，其中一个阀就会使注浆泵关闭，而当压力达到最小时，另外一个阀就会使注浆泵打开，继续注浆。注浆量和注浆压力的大小可以实现自动控制和手动控制，手动控制可对每一条管道进行单个控制，而自动控制可实现对所有管道的同时控制。盾尾密封采用三道钢丝刷加注油脂密封和一排倒刺状弹簧钢板机械密封，用于防止同步注浆时因砂浆倒流至盾构前方或泄露造成的注浆压力不能稳定和提高，同时可减小砂浆浪费，确保壁后注浆的顺利进行。通风系统通风装置由风管贮存箱，辅助通风机、风管及消音装置等组成，实现隧道主风管的延伸，通过辅助通风机及风管将新鲜空气压送到盾构主机位置，可调节机内的温度，改善工作环境。油脂系统(润滑、密封）润滑系统包括三大部分：主轴承密封系统，盾尾密封系统和主机润滑系统。三部分都以压缩空气为动力源，靠油脂泵油缸的往复运动将油脂输送到各个部位。主轴承密封可以通过控制系统设定油脂的注入量（次／分），并可以从外面检查密封系统是否正常。盾尾密封可以通过PLC系统按照压力模式或行程模式进行自动控制和手动控制，对盾尾密封的注脂次数及注脂压力均可以在控制面板上进行监控。当油脂泵站的油脂用完后油脂控制系统可以向操作室发出指示信号，并锁定操作系统，直到重新换上油脂。这样可以充分保证油脂系统的正常工作。导向系统导向系统采用SLS-TAPD自动定位隧道导向系统，由PC机、隧道掘进软件、激光经纬仪、ELS靶、控制盒、调制解调器、激光发射器、TBM-PLC、电缆等组成，能对盾构在掘进中的姿态位置、水平和垂直偏差进行监测控制、显示，并能及时报警，操作人员可以及时的根据导向系统提供的信息，快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，保证隧道掘进沿设计路线推进。所有被监控对象的资料均可由隧道掘进软件进行分类组合，以图表、数据的形式显示出来。如图2所示。管片激光全站仪后视棱镜黄盒子显示屏控制盒ELS靶地面监控计算机调制解调器调制解调器打印机图2SLS-T激光导向系统SLS-TAPD导向系统和隧道掘进软件全天侯提供盾构机的三维坐标和定向的连续的动态信息。隧道掘进软件是SLS-TAPD的核心。通过其附带的通信装置接收数据，由隧道掘进软件计算盾构机的方位和坐标，并以图表和数字表格显示出来，使盾构机的位置一目了然。参见图3。图图3激光导向系统指示图数据采集系统

数据采集系统的硬件是一台有一定配置要求的计算机和能使该计算机与隧道中掘进的盾构机保持联络的调制解调器、转换器及电话线等原件。该计算机可以放置在地面的监控室中，并始终与隧道中掘进的盾构机自动控制系统的PLC保持联络，这样数据采集系统就可以和盾构机自动控制系统的PLC具有相同的各种关于盾构机当前状态的信息。数据采集系统按掘进、管片拼装、停止掘进三个不同运行状态段来记录、处理、存储、显示和评判盾构机运行中的所有关键监控参数。

通过数据采集系统，地面工作人员就可以在地面监控室中实时监控盾构机各系统的运行状况。数据采集系统还可以完成以下任务：用来查找盾构机以前掘进的档案信息，通过与打印机相连打印各环的掘进报告，修改隧道中盾构机的PLC的程序等等。 泡沫系统 泡沫系统主要由发泡剂泵、水泵、空压机、泡沫发生器、管路及阀件等组成，安放在后方台车上。 按一定比例将发泡剂和水分别由发泡剂泵和水泵泵入泡沫发生器，在空压机压缩空气的作用下在泡沫发生器中生成泡沫，并通过四条独立的管道将泡沫送到盾构前部的中心回转接头，再经各自的管道进入刀盘、密封舱和螺旋输送机对碴土进行改良。 泡沫系统可由人工操作，也可实现半自动、自动控制。泡沫注入量根据掘进速度、开挖面压力和既定的公式计算予以确定。膨润土系统膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾构机的掘进。膨润土装置主要包括膨润土箱、膨润土泵、九个气动膨润土管路控制阀及连接管路。和浆液一样，在竖井，膨润土被放人膨润土车中，电瓶车牵引膨润土车至膨润土箱旁，膨润土车将膨润土泵入膨润土箱中。 膨润土系统主要由膨润土泵、储浆箱、管道、阀等组成，安放在后方台车上。膨润土由膨润土泵泵出，经管道通到前面的刀盘、密封土舱和螺旋输送机内，对土碴进行改良。膨润土的注入可实现手动控制和自动控制。膨润土续加装置有膨润土罐、管道、膨润土泵组成，可向储浆箱中进行补充添加，保证储存量可供正常使用。冷却系统铺设在隧道中的两条水管作为盾构机的进、回水管，将蓄水池与水管卷筒上的水管连接起来，与蓄水池连接的一台高压水泵驱动盾构机用水在蓄水池和盾构机之间循环。正常掘进时，进人盾构机水循环系统的水有以下的用途：对液压油、主驱动齿轮油、空压机、配电柜中的电器部件及刀盘驱动副变速箱具有冷却功能，为泡沫剂的合成提供用水，提供给盾构机及隧道清洁用水。蓄水池中的水用冷却塔进行循环冷却。结构简介本项目使用的土压平衡盾构机的结构介绍：主机：刀盘、主轴承、螺旋输送机、前体、中体、盾尾、管片安装机等几大部分。盾构机的钢结构是根据当前0.3Mpa的工作水压设计的。盾体由前体（切口环）、中体（支撑环）和后体（盾尾）三大部分组成，具有足够的刚度和强度，用以支撑盾构机外部的围岩，并保护在盾构机内工作的人员和设备的安全。前体分隔开挖区和人员工作区，依靠前体的密封舱壁，盾构机和开挖面之间构成一个土舱，用于堆积刀盘切削下来的碴土，通过对这些碴土进行加压、压力传递，使压力作用在开挖面上，维持开挖面的稳定。同时还能够保护在土舱内作业人员的安全。前体的舱壁上安装有土压传感器，还在不同高度位置上设置了许多管口，可以用于注入各种添加材料、压送气体。人闸气压舱入口和螺旋输送机取土口也开设在前体的隔板上。前体隔板中心为主轴承的安装座孔，上下部为人闸气压舱、螺旋输送机提供安装法兰。中体的内部焊接有加强环和H架，在中体内布置推进缸支座和管片安装机架。管片安装机支架通过相应的法兰面和管片安装机梁连接起来。在中体前部的盾壳上焊接了带球阀的实施超前钻孔的预留孔，可在需要时对软弱地层实施超前加固。中体通过铰接油缸和盾尾相连，这种中折机构可使盾构在较小曲线半径线路上进行掘进，便于通过曲线段而不至于进行过多的超挖，壳体的铰接环上设置有铰接密封，其中有一道紧急气囊密封，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。盾尾与盾体的连接是一种