1盾構構造與操作維護模塊一盾構機基礎知識項目1盾構機概述目錄1.3盾構機分類1.1盾構機的發展史1.2盾構機整體構造1.1盾構機的發展史盾構（ShiedMachine，SM）一、盾構的定義是一種用于隧道暗挖施工的筒狀機械，有金屬外殼，刀盤、推進系統、出渣系統及導向系統等部分組成，可以同步完成土體開挖、整機推進、土渣運輸和管片安裝等作業，實現隧道一次開挖成型。◆盾構施工的三大要素：1、開挖面穩定2、掘進及排土3、管片襯砌及壁后注漿。1.1盾構機的發展史二、盾構在國外的發展與應用盾構是目前世界上最先進的隧道施工機械，大型隧道掘進機是工程機械皇冠上的明珠，被譽為“地下航空母艦”

。盾構的誕生至今（1818-）已有近200年的歷史，其發展可分為四個階段：

年代特征第一代手掘式盾構(1818～1880年）布魯諾爾（Brunel）的盾構格瑞海德（Greathead）的盾構第二代機械式盾構(1880～1960年）機械式盾構氣壓式盾構網格式盾構第三代閉胸式盾構(1960～1980年）閉胸式盾構泥水式，土壓式第四代多樣化盾構(1980～）異性化、多功能、綜合化盾構混合盾構、斷面的多樣化1.1盾構機的發展史1818年——法國的布魯諾爾(M.I.Brune1)從蛀蟲鉆孔得到啟示，最早提出了用盾構法建設隧道的設想，并在英國取得了專利。1.第一代——手掘式盾構自從1825年布魯諾爾在英國泰晤士河下首次使用盾構技術開挖隧道以來，盾構技術經歷了近200年發展歷程（矩形盾構）。盾構法創始人法國工程師布魯諾爾1.1盾構機的發展史布魯諾爾構想的盾構機機械內部結構由不同的單元格（36）組成，每一個單元格可容納一個工人獨立工作并對工人起到保護作用，由液壓千斤頂將整個盾殼向前推進。此后，布魯諾爾逐步完善了盾構結構的機械系統，設計成用全斷面螺旋式開挖的封閉式盾殼，襯砌緊隨其后的方式。

1.1盾構機的發展史格瑞海德的圓形盾構后來成為大多敞開工作面盾構的模型。下圖為一臺直徑為9.35m的格瑞海德盾構。1.1盾構機的發展史◆綜上，第一代盾構以人工開挖、敞開工作面為基本特點，為了保證工作面的穩定，盾構開創者們采用了木料覆蓋、液體支撐等手段。但是，由于受到技術條件的限制，使得第一代盾構安全性差，掘進速度慢。1.1盾構機的發展史

◆1876年——英國人約翰·荻克英森·布倫敦和姬奧基·布倫敦申請了第一個機械化盾構專利。這臺盾構采用半球形的旋轉刀盤，開挖的土料落入徑向裝在刀盤上的料斗中，料斗將渣料轉運至膠帶輸送機上，再轉到后方運出，這一構想后來被用于修建地鐵隧道工程。2.第二代——機械式盾構1.1盾構機的發展史◆1896年——英國人普萊斯（Price）開發了一種輻條式刀盤機械化盾構，并于1897年成功應用于倫敦的黏土地層中，它第一次將格瑞海德的圓形盾構與旋轉刀盤結合在一起。◆綜上，機械式盾構最主要的特點是采用機械式大刀盤進行掘削。◆1886年——格瑞海德在倫敦地下施工中，使用壓縮空氣穩定工作面，標志著在承壓水地層中掘進隧道的一個重大進步。1.1盾構機的發展史◆土壓平衡盾構是在機械式盾構大刀盤后面設置一道隔板，隔板與刀盤之間作為土艙，用刀盤切削下來的土，如同壓縮空氣或泥水一樣充滿整個密封艙，并保持一定壓力來平衡開挖面的土壓力。◆泥水加壓盾構就是在開挖面和泥水室中充滿加壓的泥水，通過加壓作用，保證開挖面土體的穩定。3.第三代——閉胸式盾構1.1盾構機的發展史三圓盾構圓形盾構雙圓盾構矩形盾構4.第四代——多樣化盾構1.1盾構機的發展史1.1盾構機的發展史三、盾構在我國的發展與應用1.1盾構機的發展史◆1953年——東北阜新煤礦用手掘式盾構修建了直徑2.6m的疏水巷道。◆1963年——第一臺國產盾構正式問世（1960年上海隧道處開始塘橋試驗隧道工程），這是一臺直徑4.16m的手掘式普通敞開式盾構，其在上海埋深8m的粉砂地層中進行了長達27m的推進試驗，為中國盾構法隧道的起步和發展奠定了基礎。◆1966年——上海隧道公司用網格盾構建造了Φl0.22m的中國第一條水底公路隧道（打浦路過江隧道），實現敞開式施工向閉胸式的轉換。◆1982年——上海隧道公司用Φl1.3m的網格水力機械化盾構建成了長1476m的延安東路過江隧道。◆1987年——上海市南站過江電纜隧道工程，成功應用我國第一臺直徑4.35m加泥式土壓平衡盾構機。

1.黎明期（1953-2002）1.1盾構機的發展史打浦路過江隧道網格式盾構加泥式土壓平衡盾構機1.1盾構機的發展史◆2002年8月，國家科技部將φ6.3m土壓平衡盾構的研究設計列入國家“863”計劃。通過公開招標，第一批3項設計課題分別由中鐵隧道集團有限公司和上海隧道工程股份有限公司為主承擔。◆2002年底，同樣通過公開公開招標，第二批4項課題分別由中鐵隧道集團有限公司和上海隧道工程股份有限公司為主承擔。兩家國內盾構設計、制造與施工優勢企業成立了聯合攻關組，組織了有浙江大學、同濟大學、華中科技大學、東南大學、煤炭科學研究院、北京城建、洛陽九久科技開發有限公司等單位參加的產、學、研結合的課題組。1.1盾構機的發展史◆2004年7月，中鐵隧道集團研制的刀盤及刀具、液壓系統成功用于上海地鐵2號線。◆

2004年10月——上海隧道股份有限公司制造了一臺直徑6.3m土壓平衡盾構應用于上海地鐵2號線西延伸隧道工程。先行號土壓盾構中鐵隧道集團研制的上海地鐵刀盤2.技術創新期（2003-2008）1.1盾構機的發展史◆2005年12月——中鐵隧道集團有限公司自主研制的適用于沙礫復雜地層的土壓平衡盾構刀盤成功應用于北京地鐵4號線19標頤和園——圓明園區間。◆2008年4月——中鐵隧道集團研制成功了我國第一臺具有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構。北京地鐵刀盤中鐵隧道集團研制的復合式盾構1.1盾構機的發展史◆2009年——上海隧道工程聯合浙江大學及中鐵隧道集團共同研制的Φl1.22m“進越號”盾構，應用于上海隧道復線工程（泥水盾構）。2020年9月27日

由中國鐵建重工集團、中鐵十四局集團聯合研制的16米級超大直徑盾構機“京華號”在長沙下線，這臺盾構機整機長150米，總重量4300噸，最大開挖直徑達16.07米。3.跨越式發展（2009-至今）1.1盾構機的發展史總結1.盾構在國外的發展及應用：四個階段（手掘式、機械式、閉胸式、多樣化）2.盾構在國內的發展及應用：三個時期（黎明期、技術創新期、跨越發展期）1.1盾構機的發展史一、土壓平衡盾構機組成盾構機是隧道掘進的專用工程機械。現代盾構集機、電、液、傳感、信息技術于一體。總體來說，土壓平衡盾構機主要由主機、橋架、后配套臺車三大部分組成。主機橋架后配套臺車1.2盾構機整體構造土壓平衡盾構機基本構造1.1盾構的基本概念251.盾構主機組成前盾（又名切口環或前體），位于盾構最前端，施工時最先切入地層并掩護開挖作業。前盾保持著開挖面的穩定，并作為把開挖下來的渣土向后方運輸的通道。刀盤（切削土體）

螺旋輸送機（排送土渣）盾尾中盾前盾螺旋輸送機刀盤1.2盾構機整體構造26中盾（支撐環）是盾構的主體結構，是承受載荷的圓環形鋼板。主要承受地層壓力、推進反作用力以及切口環入土的阻力、襯砌拼裝時的施工載荷等。主軸承（支撐刀盤旋轉）主驅動（驅動刀盤旋轉）

推進油缸（推動切口環前進）

人艙（人員進出土艙、帶壓作業）主軸承主驅動推進油缸人艙1.2盾構機整體構造27盾尾一般由盾構外殼鋼板延伸構成。主要用于掩護隧道管片的安裝工作。盾構末端設有盾尾密封裝置，以防止水、土等從盾尾與管片之間進入盾構內部。管片拼裝機（拼裝管片）管片拼裝機盾尾密封1.2盾構機整體構造1.2盾構機整體構造292.橋架橋架用來連接主機和后配套系統，各系統的動力通過橋架上的管線路從后配套臺車提供給前部盾體內的執行元件。橋架主要結構為頂部渣土運輸裝置（皮帶輸送機）、下部管片一次吊運裝置（單軌梁）以及側面盾構耗材泵送裝置（盾尾油脂、EP2、HBW）橋架1.2盾構機整體構造303.后配套系統后配套系統由若干節臺車組成，上面安置有盾構主機部分掘進所需的電控、液壓、注漿、土體改良、通風、通水、潤滑、密封油脂、渣土和管片運輸等配套系統。后配套1.2盾構機整體構造二、土壓平衡盾構機工作原理土壓平衡盾構機（EarthPressureBalanced，EPB）1.2盾構機整體構造土壓平衡盾構機工作原理：刀盤旋轉切削泥土通過刀盤開口被壓進土艙，通過螺旋輸送機轉到皮帶機上，然后輸送到碴車里。盾構在推進油缸的推力作用下向前推進，盾殼對挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時支護作用，承受周圍土層的土壓和水壓以及將地下水擋在盾殼外面。掘進、排土、襯砌等作業在盾殼的掩護下進行。EPB盾構旋轉刀盤切削下來的土進入土艙，土艙內充滿土渣土并保持一定的土壓，土艙內具有適當土壓與開挖面水土壓力平衡，以減少盾構推進對地層土體的擾動，從而控制地表沉降。1.2盾構機整體構造1.2盾構機整體構造總結1.盾構機的主機組成：前盾、中盾、盾尾

主要部件：刀盤、螺旋輸送機、主驅動、主軸承、人艙、管片拼裝機2.土壓平衡盾構機（EPB）工作原理1.2盾構機整體構造1.3盾構機分類盾構的分類方法有很多，一般：按斷面形狀分類按掘進地質分類按支護地層的形式分類按盾構直徑大小分類按開挖面與作業室之間隔板的構造分類一、盾構的分類方法單圓形盾構、復圓（多圓）盾構、非圓（異形）盾構。非圓（異形）盾構：矩形、類矩形、馬蹄形、球形、超小型等1.3盾構機分類1.按斷面形狀分類軟土盾構機（地鐵）；硬巖盾構機（TBM）；混合（復合）型盾構機。1.3盾構機分類2.根據掘進地質1.3盾構機分類3.按支護地層形式

自然支護式

機械支護式

壓縮空氣支護式泥漿支護式土壓平衡支護式1.3盾構機分類4.根據盾構直徑大小直徑微型（0.2~2m）小型（2~4.2m）較多用于飲水、排水、電纜、通信及其它市政公用設施綜合管道項目。中型（4.2~7m）:廣泛應用與地鐵隧道工程中。大型（7~12m）較多用于水底公路隧道及鐵路隧道。超大型（

≥12m）:15.44m上海滬崇隧道，德國18m泥水已經在研制。1.3盾構機分類5.根據開挖面與作業室之間隔板構造手掘式半機械式機械式敞開式泥水平衡式閉胸式盾構土壓平衡式復合式壓縮空氣式半敞開式擠壓式（網格）全敞開式全敞開式盾構的特點是盾構前端敞開，開挖面無支撐主要適用于開挖面能夠自穩定或通過機械支護可以穩定且沒有地下水的地層。可分為：手掘式盾構、半機械式盾構和機械式盾構三種。1.3盾構機分類二、全敞開式盾構盾構前端全部敞開，開挖面無支撐，價格便宜。砂性土和黏性土地層均能適用，便于觀察地層，清除障礙，易于糾偏1.3盾構機分類1.手掘式盾構1.3盾構機分類2.半機械式盾構在手掘式盾構正面裝上挖土機械和出土裝置，即為半機械式盾構，適用于以洪積層的砂、砂礫、固結粉砂和黏土為主的土質地層。2.半機械式盾構1.3盾構機分類在盾構的切口部分，安裝與盾構直徑相適應的大刀盤，以實現全斷面敞開式機械開挖。1.3盾構機分類3.機械式盾構半敞開式盾構的特點是盾構前端部分敞開，對底層的擾動較大，地面易產生較大的隆陷變化，在地面有建筑物地區不宜使用。半敞開式盾構有：蓋板式擠壓盾構、螺旋排土式擠壓盾構和網格擠壓式盾構3種。1.3盾構機分類三、半敞開式盾構1.3盾構機分類蓋板式擠壓盾構螺旋排土式盾構在上海軟土地層中常常被采用，進土量接近或等于全部隧道其出土量，且往往帶有局部擠壓性質。盾構正面裝鋼板網格，在推進中可以切削土體，而在停止推進時可以起到穩定開挖面的作用，可有效控制地表變形。1.3盾構機分類2.網格式盾構閉胸式盾構的特點是開挖面與作業室之間由隔板完全隔開。開挖面與隔板之間的泥土艙保持一定量的土、泥漿、壓縮空氣等，使泥土艙的壓力與掌子面外面的土壓、水壓相平衡，從而保持掌子面的穩定。閉胸式盾構目前適用范圍最為廣泛，可用于自穩性很差，地下水多的復雜地層。1.3盾構機分類三、閉胸式盾構氣壓平衡盾構（AirPressureBalance，APB）的原理是利用空氣壓力來平衡地下水的靜水壓力，適用于黏土、黏砂土及多水松軟地層。1.3盾構機分類1.氣壓平衡式盾構土壓平衡盾構（EarthPressureBalance，EPB）：利用刀盤面板和隔板間充滿土砂產生的壓力平衡開挖面地層壓力。適于粘土、粉土、砂層、砂礫層等地層。特別適合城市施工。1.3盾構機分類2.土壓平衡式盾構1.3盾構機分類2.土壓平衡式盾構EPB1.3盾構機分類1.3盾構機分類土壓平衡式盾構泥水平衡盾構（SlurryPressureBalance，SPB）就是在機械式盾構大刀盤后面設置一道隔板，隔板與刀盤之間作為泥水室，在開挖面和泥水室中充滿加壓的泥水，通過加壓作用，保證開挖面土體的穩定。特別適合水底、海底等高水壓力條件下施工。1.3盾構機分類3.泥水平衡式盾構根據控制泥水壓力方式的不同，泥水平衡式盾構可分為泥水加壓式盾構和氣墊式泥水盾構。泥水加壓式盾構通過控制進、排泥管流量的調節直接控制泥水壓力（直接控制型）；氣墊式泥水盾構通過氣墊艙壓力的調節間接控制泥水壓力（間接控制型）1.3盾構機分類1.3盾構機分類1.3盾構機分類泥水平衡盾構機分類就平衡的控制形式而言可分為日系泥水盾構的直控式和歐系泥水盾構的氣墊式。SPB1.3盾構機分類泥水平衡盾構機