盾构机的概念


图1 盾构机外观

全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）是一种隧道掘进的专用工程机械，集开挖、支护、推进、堆砌等多种作业一体化，广泛应用于铁路、地铁、公路水电隧道等工程。国际上通常将隧道掘进机统称为TBM，包括盾构机、硬岩隧道掘进机、顶管机等类型。国内习惯按照工作地质条件分类，一般将应用于岩石地层的掘进机称为TBM，应用于软土地层的掘进机称为盾构机。根据不同的工作要求，盾构机又可细分为土压平衡盾构机、泥水盾构机等类型，TBM可细分为敞开式TBM、单护盾式TBM、双护盾式TBM等类型。盾构机相较于传统的隧道开挖方法，具有显著的环境保护、施工安全性、效率、适应能力、工程质量和成本效益等优势。它的发明和应用使得现代隧道建设能够在更加复杂和要求严格的条件下进行，为城市基础设施和地下工程的发展做出了重要贡献。

盾构机的发展历程


图2 布鲁诺尔提出的手掘式盾构，工人在箱型金属框架搭建的工作仓中挖掘

图3 1869年英国工程师亨利设计的金属圆形盾构

1806年，布鲁诺尔受到船蛆钻孔的启发，提出了盾构掘进隧道的原理，他制作了一个箱型铁壳，利用千斤顶推动铁壳在土壤中向前移动，工人在铁壳的保护下一边挖掘一边在隧道的内壁镶嵌砖块以支撑隧道，这便是人类历史上第一台盾构机的雏形。世界上第一台现代意义上的盾构研制于1953年，设计师罗宾斯首次提出了将金属齿或刀切入工作面，然后旋转形成切口来向前掘进，与现代盾构的工作原理基本一致。


图4 中铁隧道集团研制的上海地铁刀盘

图5 中国首台具有完全自主知识产权的地铁土压平衡盾构--先行号

中国从1953年开始盾构施工法的探索之路，2003年，国家开始大力支持盾构的自主研发，科技部将盾构技术研发列入了863计划，盾构的自主研发正式进入了实施阶段。2004年中国首台具有完全自主知识产权的地铁土压平衡盾构–先行号，在上海地铁2号线工程投入使用。如今国产盾构机已经占据国内90%以上的市场份额，并且出口到世界21个国家和地区，占据了三分之二的国际市场，成为当之无愧的世界第一。


图6 中国中铁自主研制的第1000台盾构机-中国中铁1000号

图7 由中铁装备研制的出口意大利的中铁1246号盾构机

图8 铁建重工研制的出口罗马尼亚的盾构机

盾构机的主要结构及各部分功能简介


图9 单护盾TBM剖面图

盾构机主体结构由主机和后配套系统组成，主机是盾构机的核心部分，主要包括刀盘、主驱动、盾体、推进系统、支护系统等，主机部分完成主要掘进和部分支护工作，配套系统完成架、台车、物料运输、液压、润滑、供配电、控制、数据采集及监控、压缩空气、冷却、排水、通风、除尘、导向、通信、照明等功能。

刀盘及刀具


图10 盾构机刀盘及刀具示意图

盾构机破碎岩石的直接工具就是刀盘和刀具，盘型滚刀与掌子面岩石相互作用，掌子面岩石在滚刀刀刃的滚压作用下不断破碎、剥落，实现破岩开挖。盾构机刀盘是钢结构焊接件，由刀座、耐磨板、前面板、后面板等焊接而成。刀盘是盾构机的核心部件，其结构形式、强度和整体刚度将会直接影响施工掘进的速度和成本。

主驱动


图11 盾构机主驱动剖面图

主驱动为刀盘提供支撑力以及回转动力，同时传递刀盘推进力。盾构中常用的主驱动有两种类型，液压驱动装置体积小常用于中小盾构，电驱动体积较大，适用于中大特大盾构。主驱动主要包括驱动箱、驱动单元、主轴承、小齿轮、大齿圈等部分。刀盘由驱动箱内的主轴承支撑，主轴承一般采用三排滚子轴承。驱动单元与小齿轮相连接，通过小齿轮驱动大齿圈旋转，大齿圈驱动刀盘旋转。

盾体


图12 盾构机盾体图

盾构机的盾体为钢结构焊接件，主要由前盾、中盾前部、中盾后部、盾尾组成，盾体内部固定有推进油缸等用于盾构机掘进的部件前盾是刀盘和主驱动的支撑体，前盾由壳体、承压隔板、主驱动连接座、连接法兰等部件焊接而成，前盾和承压隔板用来支撑刀盘驱动，同时使土舱与后面的工作空间相隔离，推力油缸的压力可通过承压隔板作用到开挖面上，以起到支撑和稳定开挖面的作用。中盾分为中盾前部和中盾后部两部分，前部和后部通过铰接密封形式连接。中盾与前盾之间通过螺栓连接，中盾是盾体的主体结构，承受作用于盾体的全部载荷。是一个刚性和强度都很好的圆形结构，地层力、刀盘正面阻力等施工载荷均由中盾来承受。尾盾与中盾通过焊接连接，主要用于掩护隧道管片拼装工作以及盾体尾部的密封，通过在尾盾的末端设计止浆板密封，以防止回填豆粒石及水泥砂浆沿盾体向前扩散。

管片拼装系统

图10 管片拼装机图


图13 管片拼装机图

管片拼装机作为盾构机的关键部件，承担着将预制管片拼装成环，进而拼装成隧道的重任，也可用于连接主机及后配套，有时还具有物料吊运、螺机支撑限位的功能等。管片拼装机一般安装在盾构的支撑环上，也有安装在后配套台车上的。

螺旋输送机及主机皮带输送机


图14 螺旋输送机图

盾构机中的螺旋输送机主要有以下作用，1.将渣土从有压力的密封土舱内排出至皮带运输机。2.渣土再螺旋输送机内部形成密封土塞，保持土舱内压力稳定。3.改变螺旋输送机的转速，调节排土速度，即可实现对土舱内压力值的调整，使土舱内压力与掌子面水土压力保持动态平衡。


图15 皮带运输机图

盾构机的带式输送系统分为主机带式输送机和后配套带式输送机两部分。掌子面破碎的岩渣经过刀盘铲斗转运送至主机带式输送机，再经过后配套带式输送机转送至洞内连续带式输送机或渣车运往洞外。 3.6桥架及后配套台车


图16 桥架图

桥架主要由设备桥架和喷浆桥架组成，设备桥架常用于储存物料，为物料运输提供空间和辅助设备，如设备桥架一般安装有吊机系统来运输刀具。喷浆桥架主要用于完成对围岩的初期支护工作，除了人员通道和风管通道外，主要布置有混喷机械手来完成对围岩的混喷支护工作。 后配套台车主要用来放置液压、流体、电气等设备，为主机快速掘进提供液压动力、风、水、电、压缩空气等，放置的设备和系统主要包括主控室和液压动力站、供电及电气控制系统、空气压缩系统、供排水系统、通风系统、除尘系统等。