泥水平衡盾构简介课件

泥水平衡盾构简介

陈桥

盾构及掘进技术国家重点实验室

2017年3月盾构及掘进技术国家重点实验室泥水平衡盾构简介 陈桥1盾构及掘进技术国家重点实验室2

汇报提纲一

泥水平衡盾构概述二

泥水平衡盾构组成

三

泥水平衡盾构地质适应性范围

四

泥水平衡盾构应用案例盾构及掘进技术国家重点实验室2 汇报提纲2盾构及掘进技术国家重点实验室3一

泥水平衡盾构简介盾构及掘进技术国家重点实验室3一泥水平衡盾构简介3盾构及掘进技术国家重点实验室１．概念

泥水平衡盾构机（Slurry

Pressure

Balance

Shield，简称SPB盾构），

是一种通过控制泥水仓压力来平衡掌子面水土压力的盾构机。泥水盾构

是在机械式盾构的前部设置隔板，装备刀盘及输送泥浆的送排泥管和推

进油缸，在地面上还配备有泥水处理设备。4盾构及掘进技术国家重点实验室１．概念44盾构及掘进技术国家重点实验室２．分类

按照控制开挖面泥浆方式的不同，泥水盾构可分为两种：一种是日

本体系的直接控制型；另一种是德国体系的间接控制型（气压复合控制

型）。5刀盘进泥管

排泥管连通管

泥浆压缩空气泥模形

成区

地层间接控制型直接控制型盾构及掘进技术国家重点实验室２．分类5刀盘进泥管排泥5盾构及掘进技术国家重点实验室1）直接控制型泥水盾构的特点

直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆送入

盾构的泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输

送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向泥浆池，

再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新送入盾构的泥水仓循环使用。

泥水仓中泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进

行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥

浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。6盾构及掘进技术国家重点实验室1）直接控制型泥水盾构的特点66盾构及掘进技术国家重点实验室2）间接控制型泥水盾构的特点

间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。7泥水仓气垫仓盾构及掘进技术国家重点实验室2）间接控制型泥水盾构的特点力。7盾构及掘进技术国家重点实验室83）比较

间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比，泥水压力的波动小，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。

直接控制型泥水盾构开挖

仓内的泥水压力波动较大，

一般在0.05~0.1MPa之间变

化间接控制型泥水盾构控制精度高，开挖仓内的泥水压力波动小，一般在0.01~0.02MPa之间变化。掌子面压力的变化被迅速、准确的平衡，降低了对地层的扰动。盾构及掘进技术国家重点实验室83）比较间接控制型泥水盾构控制8３．泥水平衡原理

泥水稳定掌子面的方法源于地下连续墙的泥浆护壁原理，其基本原

理是通过在支撑环前面隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，在开挖

面形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在正面的刀盘切削土体表面泥膜，

与泥水混合后，形成高密度泥浆。9

当泥水压力大于地下水压力时，泥水按照达西定律渗入土体，形成

与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，这些颗粒被捕获并积聚于土体与泥

水的接触区，逐渐形成泥膜。当泥膜抵抗力远大于正面地层压力时，产

生泥水平衡效果。盾构及掘进技术国家重点实验室３．泥水平衡原理9 当泥水压力大于地下水压力时，泥水按照达9盾构及掘进技术国家重点实验室10泥膜的类型无泥

膜泥皮泥膜渗透泥膜泥水几乎不渗透，只形成泥膜泥水全部渗透，不产生泥膜介于前二者之间，即渗透又形成泥膜盾构及掘进技术国家重点实验室10泥膜的类型无泥泥皮泥膜渗透泥10盾构及掘进技术国家重点实验室11

类型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失量小，一般用于开挖面的静态支护。缺点是失水易开裂和剥落。易形成在渗透系数小的黏性土层；

类型2：渗透泥膜，渗透泥膜的建膜速度快，对泥浆指标变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖面的动态支护，缺点是泥浆滤量大。易形成在砂质土层中。

对于渗透系数大的砂砾层，泥膜形成的快慢与掺入泥水中砂粒的最大粒径和含砂量（砂粒重/黏土颗粒重）关系密切，为发挥砂粒填堵土体空隙的作用，砂粒的粒径应该比土体孔隙大且其含量应适中。盾构及掘进技术国家重点实验室11 类型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜11盾构及掘进技术国家重点实验室12二

泥水平衡盾构组成盾构及掘进技术国家重点实验室12二泥水平衡盾构组成12排浆管盾构及掘进技术国家重点实验室13破碎机１．盾构主机简介

切口环

气垫仓

刀盘支承环进浆管

推进油缸

管片拼装机盾尾主驱动

泥水仓排浆管盾构及掘进技术国家重点实验室13破碎机１．盾构主机简介13盾构及掘进技术国家重点实验室２．刀盘系统

刀盘是泥水盾构的主要工作部件，为各种盾构刀具提供安装位置，

根据工程实际需求，可分为常规泥水盾构刀盘和带常压换刀装置的刀盘。

前者厚度跟同尺寸的土压平衡盾构的刀盘厚度相当，后者厚度一般接近

2m或以上。14盾构及掘进技术国家重点实验室２．刀盘系统1414盾构及掘进技术国家重点实验室15盾构及掘进技术国家重点实验室1515盾构及掘进技术国家重点实验室16

刀盘的设计要求

(1)

能够降低对刀具的磨损；

(2)

保护刀盘的钢结构，刀盘的结构材料为Q345B

、16MnR、

GS52或相当于这种材料的铸钢；

(3)

能够实现高的贯入度；

(4)

选择降低刀具的磨损及维持掌子面稳定的最优刀盘开口率；

(5)

幅轮设计以使每个旋转方向都有多个碴土出口；

(6)

2

个旋转方向(正/反)；

(7)

刀盘前面有独立的喷口用于防止刀盘结泥饼；

(8)

连接到主驱动的连接臂（厚壁管）保证刀盘良好的稳定性；

(9)

出碴通道的几何设计必须满足开挖仓容易出碴；

(10)

大的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域，这样便于将挖掘的物料运输到开挖仓；

(11)

碴土开口设计限制大的石块进入，能通过的石块复合泥水仓格栅和颚式破碎机的粒径限制。盾构及掘进技术国家重点实验室16刀盘的设计要求16盾构及掘进技术国家重点实验室17

安装的刀具

（1）刮刀

①刮刀安装在碴土通道的一侧；

②高质量的碳质刀刃；

③宽度

100mm左右；

④可以从刀盘后面更换刀具。（2）铲刀

：

①铲刀的设计保证了快速、清洁的开挖；

②它们可以双向进行开挖，同时保证了开挖直径的稳定不变。

③铲刀用可更换的螺纹固定到钢结构上，因此，可以被单独更换。盾构及掘进技术国家重点实验室17 安装的刀具17盾构及掘进技术国家重点实验室18

（3）仿形刀

刀盘上安装了仿形刀。安装的仿形刀通过一个短行程的油缸进行操作。仿形刀的伸缩则在主控室内按每10°事先加以设置控制。

盾构具有仿形超挖功能是目前盾构中较为先进的一种，其仿形超挖方位、超挖量可根据不同的施工要求而调整。盾构及掘进技术国家重点实验室18 （3）仿形刀18盾构及掘进技术国家重点实验室19

（4）滚刀

滚刀为盾构机主要的破岩工具，其数量根据刀盘尺寸大小和设计的刀间距来确定，其形式有单刃、双刃、三刃、镶齿滚刀等。盾构及掘进技术国家重点实验室19 （4）滚刀19盾构及掘进技术国家重点实验室20

刀具更换

所有的滚刀、刮刀和铲刀都可以在隧道内从刀盘后部更换。一般不需要中途换刀。如有必要，刀具更换作业可以在常压和带压方式下进行。

（1）常压更换

①开仓常压更换：地面具备地层加固条件或事先已经进行了地层加固处理，开挖面的稳定有保障，则可在常压下进行刀具检查和更换作业。盾构在选定地点停机后，将泥水仓里的泥浆排出一部分，直至泥水仓内泥浆液面高度低于泥水仓隔板上的密封门，此时作业人员可以通过气闸打开通往泥水仓的密封门在不带压的情况下进入泥水仓，从而进行刀具检查和更换。地层加固停机、排出

泥浆进仓进行刀具检修更换盾构及掘进技术国家重点实验室20刀具更换地层加固停机、2021②利用常压换刀装置可常压更换的切刀

安装了常压换

刀装置的刀盘

常用于水下大直径、长距离盾构隧道，如上海长江隧道，南京长江隧道，

扬州瘦西湖隧道，佛莞城际铁路新狮子洋隧道等盾构及掘进技术国家重点实验室21②利用常压换刀装置可常压更换的切刀 安装了常压换21盾构及掘进技术国家重点实验室22

（2）带压进仓更换

①普通带压进仓

盾构推进到选定地点停机，设定泥水仓内的压力，用压缩空气置换泥水仓内的部分泥浆，使液位降到隔板密封仓门以下，与此同时人员进入人仓，对人仓逐步加压，直至与泥水仓压力一致。之后，作业人员进入泥水仓进行刀具检修更换作业。作业完成后，人员在人仓内减压，减压结束后退出人仓。

缺点：作业效率低，作业人员有安全风险

②饱和气体带压进仓

基本作业流程与普通带压进仓类似，不同之处是作业人员呼吸的是混合气体（如氦氧混合气体），而不是空气，避免高压情况下呼吸普通空气引起的“氮麻醉”现象，体内溶解的气体达到饱和状态后，作业人员可以一直生活在人造高压环境中，直至工作完成，再减压即可，避免普通带压进舱压力反复加减压，避免了患减压病的风险，也提高了作业效率。盾构及掘进技术国家重点实验室22 （2）带压进仓更换22作业人员转运至人舱

23作业人员进入转运舱饱和气体带压进舱作业流程

作业人员在生活舱加压完成

后，进入转运舱

作业人员通过转运舱进

入生活舱休息

整个作业循环中，人员均处于高压环境，待完成带压

进舱作业后，人员一次减压出舱

作业人员完成作业后进

入人舱，等待转运

作业人员进入高压区作

业盾构及掘进技术国家重点实验室进入人员舱等待转运作业人员作业人员饱和气体带压进舱作业流程 作业人员在生活舱23盾构及掘进技术国家重点实验室３．刀盘主驱动系统

（1）概述

主要部件如下：齿轮箱、主轴承、密封支撑、刀盘安装法兰环、密

封压紧环、内外密封系统、小齿轮，驱动部件（电机或马达）和主轴承。

为给换刀作业留下空间，主驱动可设计为具有伸缩性24驱动电机液压马达盾构及掘进技术国家重点实验室３．刀盘主驱动系统24驱动电机液24盾构及掘进技术国家重点实验室25可伸缩式主驱动结构可伸缩的距离盾构及掘进技术国家重点实验室25可伸缩式主驱动结构可伸缩的距25盾构及掘进技术国家重点实验室26

（2）主轴承

主轴承由三轴滚柱轴承支撑，带有内齿圈。轴承设计使用寿命10000小时，该轴承具有承受径向和轴向推力的功能。盾构及掘进技术国家重点实验室26 （2）主轴承26盾构及掘进技术国家重点实验室27内密封

（3）主轴承密封系统

内外两个密封系统可将小齿轮或轴承室与泥水仓分隔开。密封系统使用一个多道唇密封系统，该系统有连续的油脂进行润滑。P0注入HBW油脂，P1注入EP2油脂，P2注入润滑油，P3进行泄漏检测，P4注入齿轮油

外密封盾构及掘进技术国家重点实验室27内密封 （3）主轴承密封系统27盾构及掘进技术国家重点实验室４．破碎及冲刷装置

腭式破碎机安装在泥水仓底部的排泥管前部，对较大的砾石进行破

碎；液压鄂式破碎机由重型油缸驱动破碎腭，破碎器的破碎齿可更换，

并且可实现自动润滑。

在破碎机的出料口安装有150mm间隔的隔栅，以确保不会有大直径

石块进入排泥管道。为避免堵管，在破碎机的出料口旁边安装2路泥水冲

洗管。28盾构及掘进技术国家重点实验室４．破碎及冲刷装置2828盾构及掘进技术国家重点实验室29格栅排浆管冲涮管闸门被刀盘切削下的石块沉到泥水仓底部，经过破碎机破碎，通过格栅后才能被排浆管带走为防止渣土在排浆管出堆积，引起滞排，利用冲刷管对排浆管口不断冲刷，对渣土进行搅拌，以便于排出

颚式破碎机盾构及掘进技术国家重点实验室29格栅排浆管冲涮管闸门被刀盘切29盾构及掘进技术国家重点实验室５．铰接装置密封

对于小直径泥水盾构，为满足工程最小半径掘进的需求，在中盾和

盾尾之间采用短行程油缸铰接，以提高盾构掘进的灵活性；对于超大直

径泥水盾构，其刀盘直径与主机长度相当，则无需采用铰接。30盾构及掘进技术国家重点实验室５．铰接装置密封3030盾构及掘进技术国家重点实验室６．推进系统

盾构机的前进由推进系统油缸完成，每一组油缸均可独立控制压力

进行操纵而不会引起管片移位或产生引起损坏的压力过载。在控制室里，

司机可以看到数字显示的每组油缸行程及压力，油缸的布置要能避开管

片接缝。31盾构及掘进技术国家重点实验室６．推进系统3131盾构及掘进技术国家重点实验室32

油缸缸体尾部由一个塑胶轴承支撑，这样，这些油缸就可以不受侧向力的作用从管片向压力仓板自由伸展。推进油缸为两个一组，每对油缸均有独立的撑靴，油缸撑靴均为球形绞接式。在推进时，每组油缸各自独立进行压力调节。总的推进速度由一个总流量控制阀来调节。推进系统具有纠偏和爬坡功能。

采用分组联合控制技术，既保证所有液压缸具有协调性和同步性，又可以降低控制成本和系统的复杂程度，实现对每个液压缸的单独控制及对所有液压缸的同时控制。盾构及掘进技术国家重点实验室32 油缸缸体尾部由一个塑胶轴承32盾构及掘进技术国家重点实验室７．管片拼装机

管片拼装机具有6个自由度，回转速度0~2rpm，并可实现微调。所

有动作可遥控，便于与拼装机配合操作。33盾构及掘进技术国家重点实验室７．管片拼装机3333盾构及掘进技术国家重点实验室34真空吸盘式，一般在大直径盾构上使用，螺栓与卡扣组合的抓取方式一般用在中型直径盾构上，地铁盾构比较常见。盾构及掘进技术国家重点实验室34真空吸盘式，一般在大直径盾构34盾构及掘进技术国家重点实验室35管片的安装盾构及掘进技术国家重点实验室35管片的安装35盾构及掘进技术国家重点实验室８．盾尾密封系统

盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水及背后的填充浆液、

掘削面上的泥水、泥土从盾尾间隙流向盾构机内部而设置的密封措施。

盾尾密封由盾尾钢丝密封刷和盾尾油脂组成，盾尾的道数根据隧道埋深、

水位高低来定，一般取3～5道。由于钢丝为优质弹簧钢丝，钢丝束内充

满了油脂，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于

生锈损坏。36盾构及掘进技术国家重点实验室８．盾尾密封系统3636盾构及掘进技术国家重点实验室37

盾尾密封系统由主司机在主控制室操作，有自动（行程控制模式）和手动两种模式。盾构及掘进技术国家重点实验室37 盾尾密封系统由主司机在主控37盾构及掘进技术国家重点实验室９．泥水输送系统

（1）概述

基本功能：

一是稳定掌子面，掌子面的稳定性靠膨润土泥浆对掌子面的压力以

及靠膨润土泥浆的流变特性来确保。

二是通过排泥泵将开挖碴料从泥水仓通过排泥管输送到分离站。送

泥泵将调制好的泥水通过送泥管输送到泥水仓；而排泥泵则将携带碴土

的泥水排出，通过排泥管输送到地面的泥水处理设备进行分离。根据区

间长度及排浆泵的能力计算，来确定中继泵数量。38盾构及掘进技术国家重点实验室９．泥水输送系统3838盾构及掘进技术国家重点实验室39

泥水循环系统由送泥泵、排泥泵、中继泵、送排泥管、延伸管线、辅助设备等组成。盾构及掘进技术国家重点实验室39 泥水循环系统由送泥泵、排泥39盾构及掘进技术国家重点实验室40HMT6,6

5FDPPPPPPPP

（2）工作模式

①开挖模式

根据气垫室里泥浆的高程以及所要求的排碴流量，调整P1.1泵（送泥泵）的转速用以校正泥水平衡仓的液面高程达到所要求的值。调整P2.1和P2.2泵（排泥泵、中继泵）的转速，用以校正排碴流量达到所要求的排碴量。P3泵的转速必须能确保排碴的流体能被泵送到地面的分离厂。调整P3泵的转速以便在泥浆分离厂入口处达到必要的压力。

Vers

usine

de

traitement

de

boue

To

slurry

treatment

plantDepuis

l'usine

de

production

de

boueFrom

the

bentonite

plantLFMP.3MMPFDMMP

P.2.i

PP.1.1P

P.2.1

PP

P.1.i

PV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22盾构及掘进技术国家重点实验室40HMT6,6FDPPPPPP40盾构及掘进技术国家重点实验室41

②旁通模式

旁通模式是用于盾构从一种功能切换到另一种功能，特别是用于安装管片时的情况。盾构及掘进技术国家重点实验室41 ②旁通模式41盾构及掘进技术国家重点实验室42

③隔离模式

隔离模式使隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，设在地面的分离厂和调浆池之间的回路仍保持连通，这种模式常用于隧道泥浆管道延伸时的情况。各排泥泵停止运转，送泥泵P1.1仍保持运行。盾构及掘进技术国家重点实验室42 ③隔离模式42盾构及掘进技术国家重点实验室43

④逆行模式

也称为反循环模式，这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。仅用于一些特别的情况，特别是用于清理排碴管道的堵塞。盾构及掘进技术国家重点实验室43 ④逆行模式43盾构及掘进技术国家重点实验室44

⑤停机模式

在停机模式下，所有送排泥泵都停止运转，掌子面压力由压缩空气回路来控制。当气垫室泥浆的液面高程低于预定的低限时，便进行自动校正。盾构及掘进技术国家重点实验室44 ⑤停机模式44盾构及掘进技术国家重点实验室45（3）泥浆管路延伸盾构及掘进技术国家重点实验室45（3）泥浆管路延伸45盾构及掘进技术国家重点实验室46

（4）泥水输送系统的管理

泥水仓中的液面高度由送泥泵P1.1（P1.2）来控制。膨润土泥浆通过地面上的可变速离心泵P1.1（P1.2）从调浆池泵送到送泥管，对送泥量进行调节使气垫室里的泥浆能保持恒定的液面高度。

进入泥水平衡仓的泥浆在盾构内分成5路，其中上下各2路，回转接头1路。

排泥回路由一台安装在后配套拖车上的可变速离心泵P2.1和一台设置在取水井底部的可变速接力泵P3（线路长时依次加入P2.2和P2.3）组成。

流体的密度和流量可以分别使用安装在每条管线上的γ密度仪及电磁流量仪来测量，送排泥泵采用变频控制，通过PLC系统调节PID装置。

软件通过PLC装置自动地控制泥水循环回路，控制和监控泥水回路的全部数据。如泥水平衡仓的液面高度、泥浆回路压力、排泥泵的空蚀压力、泥浆密度等。盾构及掘进技术国家重点实验室46 （4）泥水输送系统的管理46盾构及掘进技术国家重点实验室47泥水循环控制系统操作界面盾构及掘进技术国家重点实验室47泥水循环控制系统操作界面47盾构及掘进技术国家重点实验室48

（5）掌子面加压系统的管理

掌子面加压系统通过泥水循环系统的调节装置（特别是送泥系统）及安装在前盾顶部的压缩空气回路对开挖面的泥水压力进行综合管理。压缩空气垫能够调节泥浆的液面高度，即使在发生漏水或涌水的情况，它起着一个吸振器的作用并最终消除压力峰值，减小泥水压力的波动。

掌子面加压系统由控制装置监测，对设定压力值与开挖室内泥浆压力值进行比较，自动控制进入气垫室的压缩空气，确保掌子面的泥水压力稳定。盾构及掘进技术国家重点实验室48 （5）掌子面加压系统的管理48开挖盾构及掘进技术国家重点实验室49

当盾构掌子面水土压力增加时，气垫仓内泥水液位升高，气体被压缩而压力增加，排气阀打开，降低气垫仓内的压力，当压力达到设定值后，排气阀关闭；

当盾构掌子面水土压力减小时，气垫仓泥水液位降低，仓内气体体积增加，压力降低，进气阀打开，升高气垫仓内的压力，当气体压力达到设定气压值时，进气阀关闭。

Pc-+出气口注浆排渣P进气口开挖盾构及掘进技术国家重点实验室49 当盾构掌子面水土压力增49盾构及掘进技术国家重点实验室50

（6）泥水分离系统

盾构机掘进时由泥浆管路泵送出来的泥浆，被送到一个泥水分离站进行分离，泥水分离站，首先通过一级初筛，分离大部分的固体石头和泥块，第一级分离后，大部分在3mm以上的石块土块被分离出去。盾构及掘进技术国家重点实验室50 （6）泥水分离系统50盾构及掘进技术国家重点实验室51

分离的泥浆流到一个集浆槽中，再由一个泥浆泵抽送到二级漩流器进行分离，二级分离的精度在70μm。盾构及掘进技术国家重点实验室51 分离的泥浆流到一个集浆槽中51盾构及掘进技术国家重点实验室52

二级分离后，泥浆再次被抽到三级漩流器进行分离，三级漩流器分离精度达到20μm，三级分离后，泥浆流回制浆池，制浆后又通过泥浆泵流回到刀盘掌子面进行置换。盾构及掘进技术国家重点实验室52 二级分离后，泥浆再次被抽到52盾构及掘进技术国家重点实验室１０．电气系统

盾构电气系统主要由供配电系统（高压供电，低压配电）、PLC自

动控制系统、盾构数据采集系统和电气辅助系统组成。

（1）高低压配电系统：

盾构通常采用高压10KV供电。通过10KV～380V干式或箱式变压器

供低压供电系统使用，低压供电系统在前盾、盾体、拖车上都安装有配

电柜来供主驱动、推进油缸、液压泵站、注浆、管片安装机、泥浆输送

等各个系统供电。53盾构及掘进技术国家重点实验室１０．电气系统5353盾构及掘进技术国家重点实验室54

（2）PLC自动控制系统

盾构控制系统采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于现场总线的计算机局域网络，下位机是以PLC为主站的可编程控制器系统。计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。工控机安装在盾构司机室，由现场操作人员使用，用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。上位机下位机盾构及掘进技术国家重点实验室54 （2）PLC自动控制系统上54盾构及掘进技术国家重点实验室55

（3）数据采集系统

数据采集系统主要是读取和存储有监测传感器所获得的检测值。根据已记录的监测数据（如泥水压力、气压、流量、行程、转速等），通过对机器和机器上进行的工作过程进行完整的记录，以便在以后的某个时点可以完整或部分地追溯隧道施工。

数据采集系统与盾构机的控制系统进行集成，存储于控制系统的上位机，盾构机司机室是整台设备的数据流转中心。通过数据采集系统，可以实现盾构状态的实时信息化管理，利用互联网，可以将盾构掘进状态数据传输至业主、监理、设计等相关单位，为整个工程的信息化管理提供重要的信息来源。盾构及掘进技术国家重点实验室55 （3）数据采集系统55盾构及掘进技术国家重点实验室56盾构施工远程信息化管理系统盾构及掘进技术国家重点实验室56盾构施工远程信息化管理系统56盾构及掘进技术国家重点实验室１２．辅助系统

1）同步注浆系统

同步注浆与盾构掘进是同时进行，是通过同步注浆系统及盾尾的注

浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成时进行，浆液在盾尾空隙形成的瞬

间及时将其填充，使周围的岩体及时获得支撑，可防止岩体坍塌，控制

地表沉降，有利于隧道衬砌的防水。

同步注浆系统包括砂浆罐、注浆泵、管道、压力传感器等设备。57盾构及掘进技术国家重点实验室１２．辅助系统5757盾构及掘进技术国家重点实验室58

2）隧道导向系统

全自动激光导向系统使盾构掘进方向能有效控制并能及时调整，保证隧道线形及最后贯通误差要求。该系统能够对盾构在掘进中的各种姿态、以及盾构掘进的方向和位置关系进行精确的测量和显示。操作人员可以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，减小掘进偏差。导向系统连续不断地提供盾构的三维坐标和定向的、连续的动态信息，导向系统附带的通信装置能够接收数据，由隧道掘进软件计算盾构的方位和坐标，并以图表和数字表格的形式准确的显示盾构的位置。

盾构机的激光导向系统主要有全站仪、激光靶板、后视棱镜、计算机及隧道掘进软件组成，所测量的数据传入盾构机主控室，由计算机及隧道掘进软件计算分析，确定盾构机的方位。盾构及掘进技术国家重点实验室58 2）隧道导向系统58盾构及掘进技术国家重点实验室59盾构及掘进技术国家重点实验室5959盾构及掘进技术国家重点实验室60

3）人闸仓

双室人闸仓与盾体上的连接法兰相连。这些人闸仓的形状与尺寸取决于盾构机安装条件。双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开。右边的人仓用作进出泥水仓的正常通道，左边的人仓可用于材料闸或在紧急情况下使用。人闸能同时容纳

3+2

个人及一副1.8

米长的担架。盾构及掘进技术国家重点实验室60 3）人闸仓60盾构及掘进技术国家重点实验室１３．后配套系统

后配套系统主要由以下构成：

①运送管片的桥架；

②吊运系统（管片存储）；

③装载盾构机工作必需的电气及液压元件的拖车。

所有设备都安装在拖车行进方向左右两侧。这使得拖车中间有足够

的空间让

运输车行走，把管片输送到安装器。后配套系统为管片吊运、

液压泵站、电力系统、同步注浆系统、泥水环流系统的安装提供了平台。61盾构及掘进技术国家重点实验室１３．后配套系统6161盾构及掘进技术国家重点实验室62盾构及掘进技术国家重点实验室6262盾构及掘进技术国家重点实验室63

2）管片吊运

通过拖车上的吊机梁，利用管片吊机的两个电动葫芦将管片逐一卸到管片输送小车（喂片机）上。管片储存在连接桥区域和喂片机上，喂片机安装在连接桥区域下，用于将管片运输到管片拼装机区域。

吊机布置形式为双梁式，行走形式为链轮链条式，能够满足运行坡度50‰以及更大坡度的需求。起吊葫芦有快速和慢速两个选择档位，用于空载和重载两种工况；行走部分包括运行小车和驱动部分，运行速度约10m/min。盾构及掘进技术国家重点实验室63 2）管片吊运63盾构及掘进技术国家重点实验室64管片的运输盾构及掘进技术国家重点实验室64管片的运输64盾构及掘进技术国家重点实验室65

3）拖车上的其他装置

（1）液压泵站

为推进系统、管片拼装机等需要液压驱动的部件、设备提供动力来源。盾构及掘进技术国家重点实验室65 3）拖车上的其他装置65盾构及掘进技术国家重点实验室66（2）刀盘主驱动油脂泵为主驱动提供密封、润滑油脂。盾构及掘进技术国家重点实验室66（2）刀盘主驱动油脂泵66盾构及掘进技术国家重点实验室67（3）冷却通风系统为盾构机上的设备提供冷却用水，保持隧道内的通风状态。盾构及掘进技术国家重点实验室67（3）冷却通风系统67盾构及掘进技术国家重点实验室68三

泥水平衡盾构地质适应性范围盾构及掘进技术国家重点实验室68三泥水平衡盾构地质适应性68盾构及掘进技术国家重点实验室

泥水加压盾构最初是在冲积粘土和洪积砂土交错出现的特殊地层中使

用，由于泥水对稳定开挖面的作用明显，因此在软弱的淤泥质土层、

松动的砂土层、砂砾层、卵石、砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等地层

中均适用。

目前泥水加压盾构工法对地层的适用范围不断扩大，即使处于恶化的施工环境和存在地下水等的不良条件下，由于有相应的处理方法，因而几乎能适应所有的地层69盾构及掘进技术国家重点实验室泥水加压盾构最初是在冲积粘69盾构及掘进技术国家重点实验室70

粘性土层

粘土矿物经相互间电化学结合而形成的粘性土层，近似变质了的胶块状体，由泥水比重和加压带来的力容易形成对开挖面的稳定，不论粘性土层的软弱状态如何，都适合于用泥水盾构施工。泥水盾构也适用于粉砂土地层施工

。

砂层

不含水的砂层由于漏浆，不能保持住对开挖面的加压和稳定。通常，在含有某一数量的粉砂土、粘土的冲积层中，几乎都有一定的含水量，全部都是细砂的地层是少见的，干燥的松弛砂也很少有，由于砂层内摩擦角有许多是在φ=28°左右，所以大部分可用泥水加压来保持开挖面的稳定。松弛的含水层，在其它盾构工法中很难保持土层稳定，可采用泥水盾构并提高其泥水比重量多的砂、粘度和压力。盾构及掘进技术国家重点实验室70 粘性土层70盾构及掘进技术国家重点实验室71

砾石层

对于水分多、不含有作为粘合剂的粉砂土及粘土等的砾石层和有大直径的砾石层，可采用泥水盾构施工，并在泥水舱内安装砾石破碎装置。

贝壳层

贝壳层大多含水并存在土体中，相对于砾石层更加坚硬，开挖面较难稳定，但使用大直径泥水盾构能够较好的适应这种地层。

泥水盾构能适用于各类地质的土层，对开挖面难以稳定的土质特别有效，还能克服地面条件和其它地下条件的因素所造成的种种困难，譬如上部是河或海等有水体的地方；有道路、建筑物的地方；适合于要减少沉降的地方等。在这些场所采用泥水加压盾构，无论在工法上还是经济上都是有效的。盾构及掘进技术国家重点实验室71 砾石层71盾构及掘进技术国家重点实验室72四

泥水平衡盾构应用案例盾构及掘进技术国家重点实验室72四泥水平衡盾构应用案例72序号隧道名称盾构掘进长度地点盾构直径建成情况1上海长江隧道7.5km×2上海15.43m已建成2南京纬三路过江隧道南线4.135km北线3.557km南京14.93m已建成3扬州瘦西湖隧道1.28km扬州14.93m已建成4武汉三阳路隧道4.6km武汉15.76m在建5佛莞城际新狮子洋隧道4.9km广州、东莞13.6m在建6苏埃通道工程3.05km×2汕头≥15m在建盾构及掘进技术国家重点实验室73

在我国城市化进程不断推进的背景下，国内的大直径盾构隧道（直径大于12m）工程不断涌现，如已建成的上海长江隧道、南京纬三路过江隧道、扬州瘦西湖隧道，在建的佛莞城际铁路新狮子洋隧道、苏埃通道等，这些工程项目的实施，为我国在大直径盾构隧道勘测设计、施工技术和装备制造应用方面积累了丰富的经验。序号隧道名称盾构掘进长度地点盾构直径建成情况1上海长江隧道773

上海长江隧道工程连接长兴岛和浦东新区，采用两台ø15.43m泥水盾

构施工，单机掘进距离7472m，最高水压6.5bar。地层主要以淤泥质粘土、

粉质粘土、粉砂为主，工程具有掘进距离长、开挖直径大、水压高的特

点。

74盾构及掘进技术国家重点实验室（1）上海长江隧道工程 上海长江隧道工程连接长兴岛和浦东新区，采用两台ø15.474盾构及掘进技术国家重点实验室75

南京纬三路过江隧道工程采用两台ø14.93m泥水平衡盾构施工，南线4135m，北线3437m，最高水压7.5bar，地质条件为淤泥质粉质黏土地层、粉细砂地层、砾砂地层、圆砾地层以及极少强风化泥岩，石英含量最高达65%，工程具有掘进距离长，开挖直径大，水压高，地层磨蚀性、透水性高的特点。（2）南京纬三路过江隧道盾构及掘进技术国家重点实验室75 南京纬三路过江隧道工程采用75盾构及掘进技术国家重点实验室76

扬州瘦西湖隧道工程采用一台ø14.93m泥水平衡盾构施工，盾构掘进距离为1275m，最高水压3.9bar，工程具有环保要求高、地层粘度高、水压高、隧道直径大的特点。（3）扬州瘦西湖隧道盾构及掘进技术国家重点实验室76 扬州瘦西湖隧道工程采用一台76盾构及掘进技术国家重点实验室77

武汉三阳路越江隧道是国内第一条公路及铁路合建的超大型盾构法隧道，也是国内目前最大直径的盾构法隧道，隧道开挖直径达15.76m，盾构段2.59km，隧道最大埋深达39.5m，最低点位于长江最高水位以下60多米处，隧道主要穿越粉细砂、中粗砂、粉砂质泥岩以及胶结砾岩等地层，地质状况复杂。（4）武汉三阳路越江隧道盾构及掘进技术国家重点实验室77 武汉三阳路越江隧道是国内第77

佛莞城际铁路新狮子洋隧道盾构段4.9km，其中水下部分1.7km，隧道

开挖直径为13.6m，隧道最大覆土厚度64m，狮子洋最大水深17m。岩石饱

和抗压强度最大75.7MPa（石英砂岩）。盾构隧道洞身穿过第四系沉积层、

软硬不均和全断面岩层，局部为破碎带，工程具有距离长、水压高、地质

情况复杂的特点。

78盾构及掘进技术国家重点实验室（5）佛莞城际铁路新狮子洋隧道 佛莞城际铁路新狮子洋隧道盾构段4.9km，其中水下部分178盾构及掘进技术国家重点实验室79

苏埃通道工程跨越汕头内海湾，海域长约3.5km，盾构段计划采用15m级的泥水盾构施工，单线掘进距离为3.05km。设计的管片内径为13.3m，外径为14.5m，隧道顶部最大埋深37.5m（距海平面），地质状况复杂，不良地质有砂土液化、软土震陷、花岗岩球状风化体、基岩突起等，为首条高烈度地震区（8度）大直径水下隧道，施工难度极大。（6）苏埃通道工程盾构及掘进技术国家重点实验室79 苏埃通道工程跨越汕头内海湾79盾构及掘进技术国家重点实验室80盾构及掘进技术国家重点实验室8080泥水平衡盾构简介

陈桥

盾构及掘进技术国家重点实验室

2017年3月盾构及掘进技术国家重点实验室泥水平衡盾构简介 陈桥81盾构及掘进技术国家重点实验室2

汇报提纲一

泥水平衡盾构概述二

泥水平衡盾构组成

三

泥水平衡盾构地质适应性范围

四

泥水平衡盾构应用案例盾构及掘进技术国家重点实验室2 汇报提纲82盾构及掘进技术国家重点实验室3一

泥水平衡盾构简介盾构及掘进技术国家重点实验室3一泥水平衡盾构简介83盾构及掘进技术国家重点实验室１．概念

泥水平衡盾构机（Slurry

Pressure

Balance

Shield，简称SPB盾构），

是一种通过控制泥水仓压力来平衡掌子面水土压力的盾构机。泥水盾构

是在机械式盾构的前部设置隔板，装备刀盘及输送泥浆的送排泥管和推

进油缸，在地面上还配备有泥水处理设备。4盾构及掘进技术国家重点实验室１．概念484盾构及掘进技术国家重点实验室２．分类

按照控制开挖面泥浆方式的不同，泥水盾构可分为两种：一种是日

本体系的直接控制型；另一种是德国体系的间接控制型（气压复合控制

型）。5刀盘进泥管

排泥管连通管

泥浆压缩空气泥模形

成区

地层间接控制型直接控制型盾构及掘进技术国家重点实验室２．分类5刀盘进泥管排泥85盾构及掘进技术国家重点实验室1）直接控制型泥水盾构的特点

直接控制型泥水系统流程如下：送泥泵从地面泥浆池将新鲜泥浆送入

盾构的泥水仓，与开挖泥土进行混合，形成稠泥浆，然后由排泥泵输

送到地面泥水分离处理站，经分离后排除土碴，而稀泥浆流向泥浆池，

再对泥浆密度和浓度进行调整后，重新送入盾构的泥水仓循环使用。

泥水仓中泥浆压力，可通过调节送泥泵转速或调节控制阀的开度来进

行。由于送泥泵安在地面，控制距离长而产生延迟效应不便于控制泥

浆压力，因此常用调节控制阀的开度来进行泥浆压力调节。6盾构及掘进技术国家重点实验室1）直接控制型泥水盾构的特点686盾构及掘进技术国家重点实验室2）间接控制型泥水盾构的特点

间接控制型泥水盾构，其泥水系统由泥浆和空气双重回路组成。在盾构的泥水仓内插装一道半隔板，在半隔板前充以压力泥浆，在半隔板后面盾构轴心线以上部分充以压缩空气，形成空气缓冲层，气压作用在半隔板后面与泥浆的接触面上，由于接触面上气、液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的泥浆支护压力。7泥水仓气垫仓盾构及掘进技术国家重点实验室2）间接控制型泥水盾构的特点力。87盾构及掘进技术国家重点实验室83）比较

间接控制型泥水盾构与直接控制型泥水盾构相比，泥水压力的波动小，对开挖面土层支护更为稳定，对地表变形控制也更为有利。

直接控制型泥水盾构开挖

仓内的泥水压力波动较大，

一般在0.05~0.1MPa之间变

化间接控制型泥水盾构控制精度高，开挖仓内的泥水压力波动小，一般在0.01~0.02MPa之间变化。掌子面压力的变化被迅速、准确的平衡，降低了对地层的扰动。盾构及掘进技术国家重点实验室83）比较间接控制型泥水盾构控制88３．泥水平衡原理

泥水稳定掌子面的方法源于地下连续墙的泥浆护壁原理，其基本原

理是通过在支撑环前面隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆，在开挖

面形成泥膜，支撑正面土体，并由安装在正面的刀盘切削土体表面泥膜，

与泥水混合后，形成高密度泥浆。9

当泥水压力大于地下水压力时，泥水按照达西定律渗入土体，形成

与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，这些颗粒被捕获并积聚于土体与泥

水的接触区，逐渐形成泥膜。当泥膜抵抗力远大于正面地层压力时，产

生泥水平衡效果。盾构及掘进技术国家重点实验室３．泥水平衡原理9 当泥水压力大于地下水压力时，泥水按照达89盾构及掘进技术国家重点实验室10泥膜的类型无泥

膜泥皮泥膜渗透泥膜泥水几乎不渗透，只形成泥膜泥水全部渗透，不产生泥膜介于前二者之间，即渗透又形成泥膜盾构及掘进技术国家重点实验室10泥膜的类型无泥泥皮泥膜渗透泥90盾构及掘进技术国家重点实验室11

类型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜的建膜速度慢，密封性好，对泥浆指标变化的敏感度高，泥浆滤失量小，一般用于开挖面的静态支护。缺点是失水易开裂和剥落。易形成在渗透系数小的黏性土层；

类型2：渗透泥膜，渗透泥膜的建膜速度快，对泥浆指标变化的敏感度低，适用于盾构掘进中开挖面的动态支护，缺点是泥浆滤量大。易形成在砂质土层中。

对于渗透系数大的砂砾层，泥膜形成的快慢与掺入泥水中砂粒的最大粒径和含砂量（砂粒重/黏土颗粒重）关系密切，为发挥砂粒填堵土体空隙的作用，砂粒的粒径应该比土体孔隙大且其含量应适中。盾构及掘进技术国家重点实验室11 类型1：泥皮泥膜，泥皮泥膜91盾构及掘进技术国家重点实验室12二

泥水平衡盾构组成盾构及掘进技术国家重点实验室12二泥水平衡盾构组成92排浆管盾构及掘进技术国家重点实验室13破碎机１．盾构主机简介

切口环

气垫仓

刀盘支承环进浆管

推进油缸

管片拼装机盾尾主驱动

泥水仓排浆管盾构及掘进技术国家重点实验室13破碎机１．盾构主机简介93盾构及掘进技术国家重点实验室２．刀盘系统

刀盘是泥水盾构的主要工作部件，为各种盾构刀具提供安装位置，

根据工程实际需求，可分为常规泥水盾构刀盘和带常压换刀装置的刀盘。

前者厚度跟同尺寸的土压平衡盾构的刀盘厚度相当，后者厚度一般接近

2m或以上。14盾构及掘进技术国家重点实验室２．刀盘系统1494盾构及掘进技术国家重点实验室15盾构及掘进技术国家重点实验室1595盾构及掘进技术国家重点实验室16

刀盘的设计要求

(1)

能够降低对刀具的磨损；

(2)

保护刀盘的钢结构，刀盘的结构材料为Q345B

、16MnR、

GS52或相当于这种材料的铸钢；

(3)

能够实现高的贯入度；

(4)

选择降低刀具的磨损及维持掌子面稳定的最优刀盘开口率；

(5)

幅轮设计以使每个旋转方向都有多个碴土出口；

(6)

2

个旋转方向(正/反)；

(7)

刀盘前面有独立的喷口用于防止刀盘结泥饼；

(8)

连接到主驱动的连接臂（厚壁管）保证刀盘良好的稳定性；

(9)

出碴通道的几何设计必须满足开挖仓容易出碴；

(10)

大的物料通道从刀盘外缘通到刀盘中心区域，这样便于将挖掘的物料运输到开挖仓；

(11)

碴土开口设计限制大的石块进入，能通过的石块复合泥水仓格栅和颚式破碎机的粒径限制。盾构及掘进技术国家重点实验室16刀盘的设计要求96盾构及掘进技术国家重点实验室17

安装的刀具

（1）刮刀

①刮刀安装在碴土通道的一侧；

②高质量的碳质刀刃；

③宽度

100mm左右；

④可以从刀盘后面更换刀具。（2）铲刀

：

①铲刀的设计保证了快速、清洁的开挖；

②它们可以双向进行开挖，同时保证了开挖直径的稳定不变。

③铲刀用可更换的螺纹固定到钢结构上，因此，可以被单独更换。盾构及掘进技术国家重点实验室17 安装的刀具97盾构及掘进技术国家重点实验室18

（3）仿形刀

刀盘上安装了仿形刀。安装的仿形刀通过一个短行程的油缸进行操作。仿形刀的伸缩则在主控室内按每10°事先加以设置控制。

盾构具有仿形超挖功能是目前盾构中较为先进的一种，其仿形超挖方位、超挖量可根据不同的施工要求而调整。盾构及掘进技术国家重点实验室18 （3）仿形刀98盾构及掘进技术国家重点实验室19

（4）滚刀

滚刀为盾构机主要的破岩工具，其数量根据刀盘尺寸大小和设计的刀间距来确定，其形式有单刃、双刃、三刃、镶齿滚刀等。盾构及掘进技术国家重点实验室19 （4）滚刀99盾构及掘进技术国家重点实验室20

刀具更换

所有的滚刀、刮刀和铲刀都可以在隧道内从刀盘后部更换。一般不需要中途换刀。如有必要，刀具更换作业可以在常压和带压方式下进行。

（1）常压更换

①开仓常压更换：地面具备地层加固条件或事先已经进行了地层加固处理，开挖面的稳定有保障，则可在常压下进行刀具检查和更换作业。盾构在选定地点停机后，将泥水仓里的泥浆排出一部分，直至泥水仓内泥浆液面高度低于泥水仓隔板上的密封门，此时作业人员可以通过气闸打开通往泥水仓的密封门在不带压的情况下进入泥水仓，从而进行刀具检查和更换。地层加固停机、排出

泥浆进仓进行刀具检修更换盾构及掘进技术国家重点实验室20刀具更换地层加固停机、10021②利用常压换刀装置可常压更换的切刀

安装了常压换

刀装置的刀盘

常用于水下大直径、长距离盾构隧道，如上海长江隧道，南京长江隧道，

扬州瘦西湖隧道，佛莞城际铁路新狮子洋隧道等盾构及掘进技术国家重点实验室21②利用常压换刀装置可常压更换的切刀 安装了常压换101盾构及掘进技术国家重点实验室22

（2）带压进仓更换

①普通带压进仓

盾构推进到选定地点停机，设定泥水仓内的压力，用压缩空气置换泥水仓内的部分泥浆，使液位降到隔板密封仓门以下，与此同时人员进入人仓，对人仓逐步加压，直至与泥水仓压力一致。之后，作业人员进入泥水仓进行刀具检修更换作业。作业完成后，人员在人仓内减压，减压结束后退出人仓。

缺点：作业效率低，作业人员有安全风险

②饱和气体带压进仓

基本作业流程与普通带压进仓类似，不同之处是作业人员呼吸的是混合气体（如氦氧混合气体），而不是空气，避免高压情况下呼吸普通空气引起的“氮麻醉”现象，体内溶解的气体达到饱和状态后，作业人员可以一直生活在人造高压环境中，直至工作完成，再减压即可，避免普通带压进舱压力反复加减压，避免了患减压病的风险，也提高了作业效率。盾构及掘进技术国家重点实验室22 （2）带压进仓更换102作业人员转运至人舱

23作业人员进入转运舱饱和气体带压进舱作业流程

作业人员在生活舱加压完成

后，进入转运舱

作业人员通过转运舱进

入生活舱休息

整个作业循环中，人员均处于高压环境，待完成带压

进舱作业后，人员一次减压出舱

作业人员完成作业后进

入人舱，等待转运

作业人员进入高压区作

业盾构及掘进技术国家重点实验室进入人员舱等待转运作业人员作业人员饱和气体带压进舱作业流程 作业人员在生活舱103盾构及掘进技术国家重点实验室３．刀盘主驱动系统

（1）概述

主要部件如下：齿轮箱、主轴承、密封支撑、刀盘安装法兰环、密

封压紧环、内外密封系统、小齿轮，驱动部件（电机或马达）和主轴承。

为给换刀作业留下空间，主驱动可设计为具有伸缩性24驱动电机液压马达盾构及掘进技术国家重点实验室３．刀盘主驱动系统24驱动电机液104盾构及掘进技术国家重点实验室25可伸缩式主驱动结构可伸缩的距离盾构及掘进技术国家重点实验室25可伸缩式主驱动结构可伸缩的距105盾构及掘进技术国家重点实验室26

（2）主轴承

主轴承由三轴滚柱轴承支撑，带有内齿圈。轴承设计使用寿命10000小时，该轴承具有承受径向和轴向推力的功能。盾构及掘进技术国家重点实验室26 （2）主轴承106盾构及掘进技术国家重点实验室27内密封

（3）主轴承密封系统

内外两个密封系统可将小齿轮或轴承室与泥水仓分隔开。密封系统使用一个多道唇密封系统，该系统有连续的油脂进行润滑。P0注入HBW油脂，P1注入EP2油脂，P2注入润滑油，P3进行泄漏检测，P4注入齿轮油

外密封盾构及掘进技术国家重点实验室27内密封 （3）主轴承密封系统107盾构及掘进技术国家重点实验室４．破碎及冲刷装置

腭式破碎机安装在泥水仓底部的排泥管前部，对较大的砾石进行破

碎；液压鄂式破碎机由重型油缸驱动破碎腭，破碎器的破碎齿可更换，

并且可实现自动润滑。

在破碎机的出料口安装有150mm间隔的隔栅，以确保不会有大直径

石块进入排泥管道。为避免堵管，在破碎机的出料口旁边安装2路泥水冲

洗管。28盾构及掘进技术国家重点实验室４．破碎及冲刷装置28108盾构及掘进技术国家重点实验室29格栅排浆管冲涮管闸门被刀盘切削下的石块沉到泥水仓底部，经过破碎机破碎，通过格栅后才能被排浆管带走为防止渣土在排浆管出堆积，引起滞排，利用冲刷管对排浆管口不断冲刷，对渣土进行搅拌，以便于排出

颚式破碎机盾构及掘进技术国家重点实验室29格栅排浆管冲涮管闸门被刀盘切109盾构及掘进技术国家重点实验室５．铰接装置密封

对于小直径泥水盾构，为满足工程最小半径掘进的需求，在中盾和

盾尾之间采用短行程油缸铰接，以提高盾构掘进的灵活性；对于超大直

径泥水盾构，其刀盘直径与主机长度相当，则无需采用铰接。30盾构及掘进技术国家重点实验室５．铰接装置密封30110盾构及掘进技术国家重点实验室６．推进系统

盾构机的前进由推进系统油缸完成，每一组油缸均可独立控制压力

进行操纵而不会引起管片移位或产生引起损坏的压力过载。在控制室里，

司机可以看到数字显示的每组油缸行程及压力，油缸的布置要能避开管

片接缝。31盾构及掘进技术国家重点实验室６．推进系统31111盾构及掘进技术国家重点实验室32

油缸缸体尾部由一个塑胶轴承支撑，这样，这些油缸就可以不受侧向力的作用从管片向压力仓板自由伸展。推进油缸为两个一组，每对油缸均有独立的撑靴，油缸撑靴均为球形绞接式。在推进时，每组油缸各自独立进行压力调节。总的推进速度由一个总流量控制阀来调节。推进系统具有纠偏和爬坡功能。

采用分组联合控制技术，既保证所有液压缸具有协调性和同步性，又可以降低控制成本和系统的复杂程度，实现对每个液压缸的单独控制及对所有液压缸的同时控制。盾构及掘进技术国家重点实验室32 油缸缸体尾部由一个塑胶轴承112盾构及掘进技术国家重点实验室７．管片拼装机

管片拼装机具有6个自由度，回转速度0~2rpm，并可实现微调。所

有动作可遥控，便于与拼装机配合操作。33盾构及掘进技术国家重点实验室７．管片拼装机33113盾构及掘进技术国家重点实验室34真空吸盘式，一般在大直径盾构上使用，螺栓与卡扣组合的抓取方式一般用在中型直径盾构上，地铁盾构比较常见。盾构及掘进技术国家重点实验室34真空吸盘式，一般在大直径盾构114盾构及掘进技术国家重点实验室35管片的安装盾构及掘进技术国家重点实验室35管片的安装115盾构及掘进技术国家重点实验室８．盾尾密封系统

盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水及背后的填充浆液、

掘削面上的泥水、泥土从盾尾间隙流向盾构机内部而设置的密封措施。

盾尾密封由盾尾钢丝密封刷和盾尾油脂组成，盾尾的道数根据隧道埋深、

水位高低来定，一般取3～5道。由于钢丝为优质弹簧钢丝，钢丝束内充

满了油脂，使其成为一个即有塑性又有弹性的整体，油脂保护钢丝免于

生锈损坏。36盾构及掘进技术国家重点实验室８．盾尾密封系统36116盾构及掘进技术国家重点实验室37

盾尾密封系统由主司机在主控制室操作，有自动（行程控制模式）和手动两种模式。盾构及掘进技术国家重点实验室37 盾尾密封系统由主司机在主控117盾构及掘进技术国家重点实验室９．泥水输送系统

（1）概述

基本功能：

一是稳定掌子面，掌子面的稳定性靠膨润土泥浆对掌子面的压力以

及靠膨润土泥浆的流变特性来确保。

二是通过排泥泵将开挖碴料从泥水仓通过排泥管输送到分离站。送

泥泵将调制好的泥水通过送泥管输送到泥水仓；而排泥泵则将携带碴土

的泥水排出，通过排泥管输送到地面的泥水处理设备进行分离。根据区

间长度及排浆泵的能力计算，来确定中继泵数量。38盾构及掘进技术国家重点实验室９．泥水输送系统38118盾构及掘进技术国家重点实验室39

泥水循环系统由送泥泵、排泥泵、中继泵、送排泥管、延伸管线、辅助设备等组成。盾构及掘进技术国家重点实验室39 泥水循环系统由送泥泵、排泥119盾构及掘进技术国家重点实验室40HMT6,6

5FDPPPPPPPP

（2）工作模式

①开挖模式

根据气垫室里泥浆的高程以及所要求的排碴流量，调整P1.1泵（送泥泵）的转速用以校正泥水平衡仓的液面高程达到所要求的值。调整P2.1和P2.2泵（排泥泵、中继泵）的转速，用以校正排碴流量达到所要求的排碴量。P3泵的转速必须能确保排碴的流体能被泵送到地面的分离厂。调整P3泵的转速以便在泥浆分离厂入口处达到必要的压力。

Vers

usine

de

traitement

de

boue

To

slurry

treatment

plantDepuis

l'usine

de

production

de

boueFrom

the

bentonite

plantLFMP.3MMPFDMMP

P.2.i

PP.1.1P

P.2.1

PP

P.1.i

PV01V03V02V04V05V06V07V09V11V12V08V10V13V17V15V16V14V20V19V18V21V24V23V22盾构及掘进技术国家重点实验室40HMT6,6FDPPPPPP120盾构及掘进技术国家重点实验室41

②旁通模式

旁通模式是用于盾构从一种功能切换到另一种功能，特别是用于安装管片时的情况。盾构及掘进技术国家重点实验室41 ②旁通模式121盾构及掘进技术国家重点实验室42

③隔离模式

隔离模式使隧道里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，设在地面的分离厂和调浆池之间的回路仍保持连通，这种模式常用于隧道泥浆管道延伸时的情况。各排泥泵停止运转，送泥泵P1.1仍保持运行。盾构及掘进技术国家重点实验室42 ③隔离模式122盾构及掘进技术国家重点实验室43

④逆行模式

也称为反循环模式，这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。仅用于一些特别的情况，特别是用于清理排碴管道的堵塞。盾构及掘进技术国家重点实验室43 ④逆行模式123盾构及掘进技术国家重点实验室44

⑤停机模式

在停机模式下，所有送排泥泵都停止运转，掌子面压力由压缩空气回路来控制。当气垫室泥浆的液面高程低于预定的低限时，便进行自动校正。盾构及掘进技术国家重点实验室44 ⑤停机模式124盾构及掘进技术国家重点实验室45（3）泥浆管路延伸盾构及掘进技术国家重点实验室45（3）泥浆管路延伸125盾构及掘进技术国家重点实验室46

（4）泥水输送系统的管理

泥水仓中的液面高度由送泥泵P1.1（P1.2）来控制。膨润土泥浆通过地面上的可变速离心泵P1.1（P1.2）从调浆池泵送到送泥管，对送泥量进行调节使气垫室里的泥浆能保持恒定的液面高度。

进入泥水平衡仓的泥浆在盾构内分成5路，其中上下各2路，回转接头1路。

排泥回路由一台安装在后配套拖车上的可变速离心泵P2.1和一台设置在取水井底部的可变速接力泵P3（线路长时依次加入P2.2和P2.3）组成。

流体的密度和流量可以分别使用安装在每条管线上的γ密度仪及电磁流量仪来测量，送排泥泵采用变频控制，通过PLC系统调节PID装置。

软件通过PLC装置自动地控制泥水循环回路，控制和监控泥水回路的全部数据。如泥水平衡仓的液面高度、泥浆回路压力、排泥泵的空蚀压力、泥浆密度等。盾构及掘进技术国家重点实验室46 （4）泥水输送系统的管理126盾构及掘进技术国家重点实验室47泥水循环控制系统操作界面盾构及掘进技术国家重点实验室47泥水循环控制系统操作界面127盾构及掘进技术国家重点实验室48

（5）掌子面加压系统的管理

掌子面加压系统通过泥水循环系统的调节装置（特别是送泥系统）及安装在前盾顶部的压缩空气回路对开挖面的泥水压力进行综合管理。压缩空气垫能够调节泥浆的液面高度，即使在发生漏水或涌水的情况，它起着一个吸振器的作用并最终消除压力峰值，减小泥水压力的波动。

掌子面加压系统由控制装置监测，对设定压力值与开挖室内泥浆压力值进行比较，自动控制进入气垫室的压缩空气，确保掌子面的泥水压力稳定。盾构及掘进技术国家重点实验室48 （5）掌子面加压系统的管理128开挖盾构及掘进技术国家重点实验室49

当盾构掌子面水土压力增加时，气垫仓内泥水液位升高，气体被压缩而压力增加，排气阀打开，降低气垫仓内的压力，当压力达到设定值后，排气阀关闭；

当盾构掌子面水土压力减小时，气垫仓泥水液位降低，仓内气体体积增加，压力降低，进气阀打开，升高气垫仓内的压力，当气体压力达到设定气压值时，进气阀关闭。

Pc-+出气口注浆排渣P进气口开挖盾构及掘进技术国家重点实验室49 当盾构掌子面水土压力增129盾构及掘进技术国家重点实验室50

（6）泥水分离系统

盾构机掘进时由泥浆管路泵送出来的泥浆，被送到一个泥水分离站进行分离，泥水分离站，首先通过一级初筛，分离大部分的固体石头和泥块，第一级分离后，大部分在3mm以上的石块土块被分离出去。盾构及掘进技术国家重点实验室50 （6）泥水分离系统130盾构及掘进技术国家重点实验室51

分离的泥浆流到一个集浆槽中，再由一个泥浆泵抽送到二级漩流器进行分离，二级分离的精度在70μm。盾构及掘进技术国家重点实验室51 分离的泥浆流到一个集浆槽中131盾构及掘进技术国家重点实验室52

二级分离后，泥浆再次被抽到三级漩流器进行分离，三级漩流器分离精度达到20μm，三级分离后，泥浆流回制浆池，制浆后又通过泥浆泵流回到刀盘掌子面进行置换。盾构及掘进技术国家重点实验室52 二级分离后，泥浆再次被抽到132盾构及掘进技术国家重点实验室１０．电气系统

盾构电气系统主要由供配电系统（高压供电，低压配电）、PLC自

动控制系统、盾构数据采集系统和电气辅助系统组成。

（1）高低压配电系统：

盾构通常采用高压10KV供电。通过10KV～380V干式或箱式变压器

供低压供电系统使用，低压供电系统在前盾、盾体、拖车上都安装有配

电柜来供主驱动、推进油缸、液压泵站、注浆、管片安装机、泥浆输送

等各个系统供电。53盾构及掘进技术国家重点实验室１０．电气系统53133盾构及掘进技术国家重点实验室54

（2）PLC自动控制系统

盾构控制系统采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于现场总线的计算机局域网络，下位机是以PLC为主站的可编程控制器系统。计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。工控机安装在盾构司机室，由现场操作人员使用，用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。上位机下位机盾构及掘进技术国家重点实验室54 （2）PLC自动控制系统上134盾构及掘进技术国家重点实验室55

（3）数据采集系统

数据采集系统主要是读取和存储有监测传感器所获得的检测值。根据已记录的监测数据（如泥水压力、气压、流量、行程、转速等），通过对机器和机器上进行的工作过程进行完整的记录，以便在以后的某个时点可以完整或部分地追溯隧道施工。

数据采集系统与盾构机的控制系统进行集成，存储于控制系统的上位机，盾构机司机室是整台设备的数据流转中心。通过数据采集系统，可以实现盾构状态的实时信息化管理，利用互联网，可以将盾构掘进状态数据传输至业主、监理、设计等相关单位，为整个工程的信息化管理提供重要的信息来源。盾构及掘进技术国家重点实验室55 （3）数据采集系统135盾构及掘进技术国家重点实验室56盾构施工远程信息化管理系统盾构及掘进技术国家重点实验室56盾构施工远程信息化管理系统136盾构及掘进技术国家重点实验室１２．辅助系统

1）同步注浆系统

同步注浆与盾构掘进是同时进行，是通过同步注浆系统及盾尾的注

浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成时进行，浆液在盾尾空隙形成的瞬

间及时将其填充，使周围的岩体及时获得支撑，可防止岩体坍塌，控制

地表沉降，有利于隧道衬砌的防水。

同步注浆系统包括砂浆罐、注浆泵、管道、压力传感器等设备。57盾构及掘进技术国家重点实验室１２．辅助系统57137盾构及掘进技术国家重点实验室58

2）隧道导向系统

全自动激光导向系统使盾构掘进方向能有效控制并能及时调整，保证隧道线形及最后贯通误差要求。该系统能够对盾构在掘进中的各种姿态、以及盾构掘进的方向和位置关系进行精确的测量和显示。操作人员可以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，减小掘进偏差。导向系统连续不断地提供盾构的三维坐标和定向的、连续的动态信息，导向系统附带的通信装置能够接收数据，由隧道掘进软件计算盾构的方位和坐标，并以图表和数字表格的形式准确的显示盾构的位置。

盾构机的激光导向系统主要有全站仪、激光靶板、后视棱镜、计算机及隧道掘进软件组成，所测量的数据传入盾构机主控室，由计算机及隧道掘进软件计算分析，确定盾构机的方位。盾构及掘进技术国家重点实验室58 2）隧道导向系统138盾构及掘进技术国家重点实验室59盾构及掘进技术国家重点实验室59139盾构及掘进技术国家重点实验室60

3）人闸仓

双室人闸仓与盾体上的连接法兰相连。这些人闸仓的形状与尺寸取决于盾构机安装条件。双室人闸仓的中间被一个供人进出的压力门隔开。右边的人仓用作进出泥水仓的正常通道，左边的人仓可用于材料闸或在紧急情况下使用。人闸能同时容纳

3+2

个人及一副1.8

米长的担架。盾构及掘进技术国家重点实验室60 3）人闸仓140盾构及掘进技术国家重点实验室１３．后配套系统

后配套系统主要由以下构成：

①运送管片的桥架；

②吊运系统（管片存储）；

③装载盾构机工作必需的电气及液压元件的拖车。

所有设备都安装在拖车行进方向左右两侧。这使得拖车中间有足够

的空间让

运输车行走，把管片输送到安装器。后配套系统为管片吊运、

液压泵站、电力系统、同步注浆系统、泥水环流系统的安装提供了平台。61盾构及掘进技术国家重点实验室１３．后配套系统61141盾构及掘进技术国家重点实验室62盾构及掘进技术国家重点实验室62142盾构及掘进技术国家重点实验室63

2）管片吊运

通过拖车上